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Scientific Reports volumen 6, número de artículo: 18882 (2016) Citar este artículo

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Este artículo informa sobre la fácil preparación, el rendimiento mecánico y la viscoelasticidad lineal de compuestos epoxi asfálticos (EAC) similares al caucho curados con polieteramina con diferentes contenidos de asfalto. En comparación con los EAC anteriores preparados mediante reacciones químicas complejas y un curado a alta temperatura que requiere mucho tiempo, los EAC presentados aquí se obtuvieron mediante el uso de una polieteramina bifuncional compatible y un proceso de comezcla física simple, lo que hace que los EAC sean factibles de escalar para la producción. a un costo menor. Los EAC se curaron durante 1 h a 160 °C y 3 días a 60 °C; por lo tanto, estos compuestos pueden abrirse al tráfico de inmediato. Los EAC tienen una estabilidad de temperatura mucho mayor que los compuestos asfálticos modificados con polímeros termoplásticos comunes de -30 °C a 120 °C, pero sus módulos de corte complejos a temperaturas más altas disminuyen ligeramente en lugar de permanecer constantes cuando las temperaturas son superiores a 80 °C, especialmente para los compuestos con mayor contenido de asfalto; es decir, estos compuestos son cuasi termoendurecibles. Los diagramas de wicket ilustran que los EAC informados aquí son materiales termorreológicos simples y que las curvas maestras están construidas y bien ajustadas mediante funciones del modelo sigmoidal logístico generalizado. Esta investigación proporciona un método sencillo y de bajo costo para la preparación de EAC curados con polieteramina que pueden abrirse al tráfico de inmediato y el concepto de cuasi termoestable puede facilitar el desarrollo de EAC más baratos para aplicaciones avanzadas.

El asfalto se ha utilizado para pavimentar carreteras durante cientos de años debido a sus propiedades adhesivas e impermeables y a su capacidad de producirse en grandes cantidades1. Como material viscoelástico típico, el asfalto fluye a temperaturas más altas y se vuelve quebradizo a temperaturas más bajas. Para reducir su susceptibilidad térmica, se han empleado co-mezclas físicas y modificaciones químicas. Los modificadores físicos incluyen estireno-butadieno-estireno (SBS), polipropileno, polietileno, nanomateriales y fibras. Se han hecho reaccionar azufre, anhídrido maleico y ácidos dicarboxílicos, ácido polifosfórico, resina epoxi, tiourea y otros polímeros SB/SBS funcionalizados con el ingrediente activo del asfalto para mejorar químicamente el rendimiento de pavimentación del asfalto2,3,4,5,6,7. 8. Aunque estos métodos han mejorado hasta cierto punto el rendimiento de pavimentación del asfalto, actualmente no pueden satisfacer las rigurosas demandas de volúmenes de tráfico superiores debido a su naturaleza termoplástica; por lo tanto, se piensa que los compuestos epoxi asfálticos (EAC) termoendurecibles son una mejor opción para mejorar la durabilidad de las carreteras con mucho tráfico9,10,11.

Normalmente, los EAC son sistemas de dos componentes que resultan de la reacción del asfalto con agentes de curado (componente A) con resinas epoxi (componente B). Según sus agentes de curado, los EAC se clasifican en sistemas aminados o sistemas ácidos9,12,13,14,15. Las condiciones típicas de curado en laboratorio de un sistema EAC ácido son 4 h a 120 °C; sin embargo, en el sitio de pavimentación donde el EAC está expuesto a la atmósfera, las temperaturas no se pueden mantener a 120 °C por más de 1 h durante el proceso de pavimentación; en consecuencia, para lograr un rendimiento equivalente al del laboratorio, según la ecuación empírica de Arrhenius de la teoría de la velocidad de reacción química, los sitios pavimentados mediante sistemas EAC ácidos deben mantenerse naturalmente en pleno verano durante aproximadamente 45 días16,17,18. 19,20,21. En la Fig. 1 se muestra un proceso de construcción típico. Además, los sistemas de agentes de curado tanto de amina como de ácido se preparan mediante rutas de síntesis complejas o utilizan materias primas no disponibles, lo que aumenta considerablemente los costos12,22,23,24. Yin et al. han informado EAC curados con amina alifática (octadecilamina, CH3 (CH2) 16CH2NH2) durante 1 h a 150 °C y 3 días a 60 °C25. Sin duda, se trata de un enfoque prometedor para el desarrollo de EAC capaces de abrirse al tráfico de forma inmediata. Aún así, la escasa compatibilidad entre la octadecilamina, el asfalto y la resina epoxi restringe el contenido de asfalto a 40,0 g por 100,0 g de resina epoxi, lo que resulta en un coste más elevado.

Proceso de construcción del CAE.

Los EAC se conservan en equipos mezcladores y camiones durante aproximadamente 1 h a 120 °C (etapa de campo I). Cuando se pavimenta, normalmente el asfalto se mantiene en pleno verano durante unos 45 días (etapa de campo II). Mientras está en el laboratorio, para simular las dos etapas de campo, el aglutinante mezclado se mantiene a 120 °C durante 4 horas.

Para superar estos inconvenientes, se introdujo una polieteramina con cadenas más largas y grupos éter polares para preparar EAC mediante comezcla física con el asfalto. Al beneficiarse del agente de curado compatible y bifuncional, el proceso de comezcla física simple y la asequibilidad de las materias primas de polieteramina específicas, los EAC aquí reportados son más baratos y más fáciles de optimizar aún más para la producción a gran escala para su uso en autopistas. Además, las condiciones de curado de 1 h a 160 °C y 3 días a 60 °C permiten abrir inmediatamente la vía al tráfico.

Convencionalmente, el método de caracterización de los EAC se ha tomado prestado de la caracterización de los plásticos, por ejemplo, ASTM D 638–2010: Método de prueba estándar para las propiedades de tracción de los plásticos12,13,16,17,18,19,20,21,25. . Para comparar el rendimiento de los EAC curados con polieteramina, se realizaron pruebas de tracción directa con un probador universal a 20 °C y 0 °C, como se muestra en la Fig. 2 (a está a 20 °C y b está a 0 °C). Todas las muestras tenían propiedades elásticas similares a las de los EAC termoestables curados con anhídrido a 20 °C; A medida que aumenta el contenido de asfalto, la resistencia a la tracción disminuye y se mejora el alargamiento de rotura16. Estudios anteriores han demostrado que la adición de asfalto no tiene influencia sobre el grado de reacción de curado del epoxi bajo las mismas condiciones de curado25. Por lo tanto, los cambios en las propiedades mecánicas se atribuyeron a la disminución en la relación de volumen relativa de las redes químicas reticuladas con epoxi-polieteramina en los EAC curados cuando aumentó el contenido de asfalto relleno. Explícitamente, una mayor relación de volumen relativo de los EAC de asfalto rellenos dio como resultado que los EAC se comportaran más como asfalto viscoelástico. Además, los valores absolutos del alargamiento de rotura a 20 °C fueron equivalentes a mediciones de estudios previos y los valores de resistencia a la tracción fueron mayores que los valores de estudios anteriores24,25. Específicamente, los EAC informados aquí exhibieron características flexibles a una temperatura de 0 °C, como se muestra en la Fig. 2b.

Efecto del contenido de asfalto sobre las propiedades de tracción de los EAC curados con poliaminas.

(a) Resistencia a la tracción frente a alargamiento por rotura a 20 °C; todos los EAC tienen características elásticas similares al caucho; (b) Resistencia a la tracción frente a alargamiento por rotura a 0 °C; Todos los EAC son flexibles a 0 °C.

Para comprender el rendimiento pavimentado de los EAC curados con polieteramina, se deben estudiar cuidadosamente sus propiedades reológicas26,27. Las propiedades reológicas de los compuestos asfálticos se caracterizan típicamente mediante experimentos estáticos, como pruebas de relajación y fluencia, y experimentos dinámicos, como barridos de temperatura con una frecuencia fija y barridos de frecuencia con diferentes temperaturas. Además, los datos reológicos estáticos y dinámicos se pueden convertir mutuamente en la región viscoelástica lineal (LVE)28. Los barridos de temperatura se utilizan para determinar la susceptibilidad a la temperatura de los EAC curados con polieteramina con un contenido de asfalto que aumenta en la región LVE. Además, los datos reológicos experimentales dentro de un rango de carga de frecuencia adecuado obtenidos a partir de una serie de temperaturas se pueden desplazar en relación con las frecuencias reducidas para construir una curva maestra. A partir de la curva maestra, es posible interpolar el módulo en un rango de frecuencia ampliado29. Las curvas maestras se pueden construir mediante el llamado principio de superposición tiempo-temperatura (TTSP) cuando las pruebas de barrido de frecuencia se realizan en la región LVE y los materiales son termorreológicamente simples26,27,28. Por lo tanto, para obtener una curva maestra universal, es muy importante asegurarse de que los barridos de frecuencia se realicen en la región LVE y que los EAC curados con polieteramina sean materiales termorreológicos simples.

La Figura 3a muestra los resultados del barrido de deformación de 30# (30,0 g de asfalto por 100,0 g de polieteramina, ver Métodos); cuando las cepas eran inferiores al 3% (Fig. 3a), la muestra se comportaba en la región del LVE. En el rango de baja temperatura por debajo de 0 °C, que está limitado por el equipo, la deformación por cizallamiento no fue superior al 3%. Es de destacar que la muestra permaneció en la región del LVE cuando el esfuerzo cortante estaba cerca de 4 × 104 Pa a 120 °C (Fig. 3b), lo que significa que las propiedades del LVE a 120 °C son equivalentes a las propiedades del multigrado 30/ 50 betún a 30 °C30. Además, todos los EAC con diferentes contenidos de asfalto tenían características LVE similares. Por lo tanto, seleccionamos una deformación del 0,3% como parámetro de barrido de frecuencia.

Regiones viscoelásticas lineales (LVE) de EAC curados con polieteramina a diferentes temperaturas determinadas mediante experimentos de barrido de deformación (tome 30#, por ejemplo).

(a) Curvas de módulo complejo versus deformación; (b) Curvas de tensión frente a módulos complejos; (c) Curvas de módulo complejo versus deformación; (d) Geometría de torsión sólida SRF5 personalizada utilizada durante todos los experimentos.

De hecho, los resultados experimentales del LVE fueron consistentes con los límites de tensión y deformación del LVE del SHRP (programa de investigación de carreteras estratégicas), como se muestra en la Fig. 3b y la Fig. 3c. Estos resultados son los criterios para los materiales bituminosos de grado de penetración y son funciones del módulo complejo, según lo definen las siguientes ecuaciones:

donde τ es el esfuerzo cortante en Pa y se mide con un reómetro de corte dinámico (DSR), γ es la deformación cortante en % y se mide con el DSR y G* es el módulo complejo en Pa30. Claramente, los límites de SHRP LVE son relativamente conservadores en comparación con los resultados experimentales, como se muestra en la Fig. 3b, c. Además, la Fig. 3d muestra la geometría de torsión sólida SRF5 personalizada medida por un Anton Paar MCR302.

Como se presenta en la Fig. 4a, b, con un aumento en el contenido de asfalto, en todo el rango de temperaturas experimentales, los valores absolutos del módulo complejo (G*) y el módulo de almacenamiento (G') aumentaron. De manera similar a las pruebas de tracción (Fig. 2), la razón de esto se atribuye a la disminución de la relación de volumen relativa de las redes de asfalto epoxi reticulado químicamente mientras aumenta el contenido de asfalto. Claramente, cuando los EAC tenían relaciones de volumen relativo más bajas de sus redes reticuladas, los EAC se comportaban más como asfalto. Sin embargo, se observó que, en el rango de temperaturas más altas (>80 °C), el módulo de corte complejo (G*) y el módulo de almacenamiento (G') disminuyeron simultáneamente ligeramente a 1 × 105 Pa. Estos resultados son bastante diferentes de las características de los EAC termoendurecibles curados con anhídrido, en los que G* y G' permanecen constantes en aproximadamente 5 × 105 Pa en el rango de temperatura superior a 80 °C. Estos hallazgos también son bastante diferentes de las características del compuesto asfáltico termoplástico modificado tradicional, en el que G* y G' disminuyen rápidamente a menos de 5 × 102 Pa en este rango de temperatura31. Aunque G* y G' de los EAC curados con polieteramina disminuyeron con la temperatura, sus valores absolutos aún eran mucho mayores que los de los compuestos asfálticos termoplásticos modificados y todavía estaban dentro del mismo orden de magnitud que los de los EAC termoestables31. Por lo tanto, designamos estos EAC curados con polieteramina como cuasi termoendurecibles.

Efecto del contenido de asfalto sobre la estabilidad de la temperatura de los EAC curados con polieteramina.

(a) Módulos complejos frente a curvas de temperatura (obsérvese las dos características de los materiales cuasi termoestables); (b) Módulos de almacenamiento versus curvas de temperatura; (c) curvas de tan(δ) frente a temperatura; (d) curvas de tan (δ) vs. temperatura de 30 °C a 50 °C.

Como ilustra la Fig. 4c, en rangos de temperatura inferiores a 30 °C y superiores a 50 °C, el valor absoluto del factor de amortiguación () aumentó con el contenido de asfalto porque los componentes eran proporcionales a la relación de volumen del asfalto viscoso relleno. En particular, en el rango de temperatura de 30 °C a 50 °C, los valores máximos de los factores de amortiguación primero se hicieron más pequeños y luego aumentaron a medida que aumentaba el contenido de asfalto, como se muestra en la Fig. 4d. Este resultado se debe a que el asfalto se agrega a los EAC en un nivel de contenido más bajo, lo cual es similar a un grupo de esferas duras que se agregan a los EAC curados con polieteramina químicamente reticulados. Posteriormente, el módulo de almacenamiento aumentó a un valor mayor que el módulo de pérdidas, lo que resultó en un aumento en el valor del factor de amortiguación. Con un aumento en el contenido de asfalto, las interacciones internas de las esferas de asfalto mejoraron y el carácter viscoso del asfalto se hizo más evidente; es decir, el valor del factor de amortiguamiento aparente aumentó. Además, la Fig. 4d muestra que todos los picos de los factores de amortiguación para todos los EAC se ubicaron a una temperatura similar de aproximadamente 38 ± 2 ° C. Además, las ubicaciones máximas de los factores de amortiguación (es decir, temperaturas de transición vítrea, Tg) estaban relacionadas con el contenido de asfalto. Creemos que es el efecto de plastificación del asfalto añadido el que hace que las correspondientes temperaturas de transición vítrea disminuyan al aumentar el contenido de asfalto.

Específicamente, no hubo una separación de fases evidente porque los picos de los factores de amortiguamiento aún eran agudos, con un contenido de asfalto hasta el de la muestra 110# (Fig. 4c). Este resultado se atribuye a las cadenas moleculares más largas y a la polaridad de los grupos éter (-O-) de la polieteramina seleccionada que aumentan la compatibilidad del asfalto, el agente de curado de amina y la resina epoxi. Como resultado, los EAC curados con polieteramina aquí reportados pueden acomodar más asfalto que los EAC anteriores y, por lo tanto, reducir el costo del EAC25.

Desde el punto de vista de las reacciones químicas, la polieteramina bifuncional se policondensó con resina epoxi bifuncional E-51, que fue acelerada por DMP-30 y con el tiempo, se formó una red tridimensional de asfalto químicamente reticulado. Por lo tanto, creemos que las características cuasi termoestables pueden atribuirse a las redes de epoxi-polieteramina químicamente reticuladas, ligeras o escasas, que se formaron. Específicamente, planteamos la hipótesis de que la estructura microscópica del EAC cuasi termoendurecible debería ser una red escasa de epoxi-polieteramina químicamente reticulada llena o colgada con largas cadenas de epoxi-polieteramina no reticuladas físicamente entrelazadas y micelas de asfalto, como se muestra en la Fig. 5a. La estructura microscópica observada con una Olympus BX51 verificó nuestra hipótesis (Fig. 5b). En particular, las redes de EAC cuasi termoestables informadas en este trabajo difieren de las redes bimodales de EAC termoestables en estudios anteriores16,31. Sin embargo, los EAC cuasi termoestables mantendrían su resistencia antes de descomponerse cuando aumenta la temperatura; es decir, sus redes químicamente reticuladas proporcionarían un módulo de almacenamiento eterno mucho mayor que 0 Pa. Esta característica crítica de los EAC cuasi termoestables es similar a la de los EAC termoestables, pero es diferente de la de los EAC termoplásticos tradicionales16,31.

Estructura microscópica de los EAC cuasi termoendurecibles curados con polieteramina.

(a) Presunta microestructura; (dibujado por el autor correspondiente); (b) Imagen microscópica de EAC curados con polieteramina 30# observados con una Olympus BX51.

Como se presenta en las figuras 6a a c, los resultados del barrido de frecuencia indicaron que la muestra 30# tenía una mayor sensibilidad de frecuencia a temperaturas de 20 °C a 40 °C, lo que implica que existe un proceso de relajación en este rango de temperatura, como se muestra en Figuras 3c y 4d28. Los resultados del barrido de frecuencia para todos los EAC fueron similares a los de la muestra 30#.

Resultados del barrido de frecuencia a una temperatura en serie de −30 °C a 120 °C medida cada 10 °C (tome 30# como ejemplo).

(a) Módulo de almacenamiento versus frecuencia; (b) Módulo de pérdida versus frecuencia; (c) Módulo complejo versus frecuencia; (d) Gráfico de wicket (gráfico log-log de tan (δ) frente a módulo complejo).

Se utilizó un gráfico de wicket, que es un gráfico log-log del factor de amortiguamiento frente al módulo complejo, para confirmar si el TTSP se puede utilizar para construir curvas maestras. Si el gráfico del wicket es una curva continua (por ejemplo, en forma de U invertida, como se muestra en la Fig. 6d), el TTSP es sostenible; si el diagrama de wicket tiene bifurcaciones, el TTSP no se puede utilizar para superponer curvas maestras porque el material correspondiente no es homogéneo32,33. En esencia, un gráfico de ventanilla en forma de U invertida indica que el material tiene un mecanismo de relajación único en el sistema estudiado. La Figura 6d demuestra que el TTSP fue confiable para construir una curva maestra con material 30# y los otros EAC tenían un diagrama de ventanilla en forma de U invertida similar. Por lo tanto, construimos sus correspondientes curvas maestras utilizando el TTSP.

Por ejemplo, la Fig. 7a muestra la construcción exitosa de una curva maestra a partir de los resultados del barrido de frecuencia utilizando el TTSP. Como se muestra en la Fig. 7a, el EAC curado con polieteramina exhibió elasticidad en todo el rango de frecuencia a la temperatura de referencia de 40 °C (G' ≥ G'' durante todo el rango de frecuencia reducido). Cuando ω → 0, el módulo de almacenamiento permaneció mayor que 1 × 105 Pa. Este resultado implica que el EAC cuasi termoestable tiene un rendimiento de baja frecuencia superior en comparación con los compuestos asfálticos modificados termoplásticos tradicionales34. Además, todo el gráfico parecía similar a una imagen especular del resultado del barrido de temperatura, como se muestra en la Fig. 4b, c. Este fenómeno puede verse como la encarnación del TTSP. Todos los EAC tenían curvas maestras similares, construidas utilizando el TTSP.

(a) Curva maestra construida utilizando el TTSP (tome 30# como ejemplo, Tref = 40 °C); (b) Factor de desplazamiento para la curva maestra para 30# y el ajuste se realizó utilizando la función arco tangente. La función arco tangente se ajusta formalmente bien; (c) Curva maestra de log (|G*|) frente a log (ω) ajustada utilizando el GLSM (tome 30# como ejemplo, Tref = 40 °C); (d) Datos experimentales con curvas de funciones simuladas GLSM.

Los factores de cambio correspondientes se representan en la Fig. 7b. Claramente, las ecuaciones WLF y Arrhenius, que tienen formas hiperbólicas, no se ajustan bien al factor de desplazamiento αT. Otra ecuación WLF modificada por Kaelble tampoco logra ajustar los factores de desplazamiento porque la ecuación WLF modificada por Kaelble no es buena para ajustar datos no simétricos35. Afortunadamente, se ha presentado la llamada función de ajuste de arco tangente para simular dichos datos en forma de S invertida36:

donde T0 es la temperatura de referencia, Tg es la temperatura de transición vítrea y A y C son parámetros. Como se muestra en la Fig. 7b, la función arco tangente se ajusta adecuadamente al factor de desplazamiento y los otros resultados de ajuste de EAC de muestra se enumeran en la Tabla 1. Sin embargo, los parámetros ajustados de Tg evidentemente difieren de los resultados experimentales, como se muestra en la Fig. 4a. –c (aproximadamente 38 ± 2 °C); por tanto, la función arco tangente se ajusta formalmente bien.

El modelo matemático ajustado a la curva maestra es importante para el desarrollo del diseño de pavimentos. En la investigación de materiales, estos modelos se denominan ecuaciones constitutivas. Se han construido muchos modelos matemáticos para describir adecuadamente los tipos de curvas maestras para materiales bituminosos, como conglomerantes y hormigones26,29. Estos modelos se pueden clasificar en dos grupos: ecuaciones algebraicas empíricas y modelos de elementos mecánicos (o modelos analógicos). No existe una distinción esencial entre estos modelos empíricos. Estos modelos fueron creados únicamente para ajustar las diferentes formas de curvas maestras reológicas que están determinadas por la naturaleza de los materiales asfálticos considerados. El Maxwell generalizado, el Kelvin generalizado, Huet, Huet-Sayegh y 2S2P1D son los principales modelos de elementos mecánicos26. Los modelos algebraicos empíricos más utilizados son el CA, CAM, CAM modificado y los modelos sigmoidales estándar, todos los cuales han sido adoptados en la MEPDG (Mechanistic Empirical Pavement Design Guide, AASHTO)26.

Por conveniencia de las aplicaciones industriales, Rowe et al. han propuesto un modelo sigmoidal logístico generalizado (GLSM) para predecir las curvas maestras construidas por TTSP de los módulos complejos de asfaltos:

donde Gg es el valor máximo límite de |G*| (valor máximo de asíntota), G0 es el valor mínimo límite de |G*| (valor mínimo de asíntota), β y γ definen la forma entre las asíntotas y la ubicación del punto de inflexión (cuando λ = 1, el punto satisfecho con β + γ log ω = 0) y λ permite que la forma no sea simétrica (basado en log ω = 0)26,37. Este modelo predijo bien el EAC 30# cuasi termoestable en todos los rangos de frecuencia, como se muestra en la Fig. 7c. Todos los EAC se ajustaron bien utilizando el GLSM y sus parámetros ajustados se enumeran en la Tabla 2. (Los parámetros de Gg se establecieron arbitrariamente como una constante en 9.1, de acuerdo con los resultados del barrido de temperatura que se muestran en la Fig. 4a). Es notable que GLSM se ajuste bien a los datos de frecuencia más baja. La Tabla 2 muestra que G0 aparentemente disminuyó con un aumento en el contenido de asfalto y esta tendencia también se observó en los resultados del barrido de temperatura, como se muestra en las Fig. 4a,b. Las curvas simuladas se presentan en la Fig. 7d, junto con los datos experimentales de todos los EAC.

Se presentó la preparación de EAC poscurados a temperatura media con una co-mezcla física simple de asfalto y un agente de curado de polieteramina bifuncional y se comparó con resultados de estudios previos. Las cadenas moleculares más largas y la polaridad de los grupos éter (-O-) en la polieteramina seleccionada aumentaron la compatibilidad del asfalto, el agente de curado de amina y la resina epoxi. Como resultado, los EAC curados con polieteramina que se presentan aquí pueden acomodar más asfalto que los EAC anteriores, lo que por lo tanto reduce el costo de los EAC. Además, los EAC curados con polieteramina se pueden curar en condiciones de 1 h a 160 °C y 3 días a 60 °C, lo que significa que los EAC aquí informados se pueden abrir al tráfico inmediatamente después de la pavimentación. Las pruebas de tracción directa mostraron que la resistencia a la tracción disminuye y el alargamiento de rotura aumenta con el contenido de asfalto, como se observa para los EAC termoestables curados con anhídrido. Los resultados del barrido de deformación ilustraron que las regiones del LVE son pequeñas (menos del 3%) en el rango de temperatura experimental de -30 °C a 120 °C. Sin embargo, los límites de tensión de corte lineal del material a 120 °C fueron equivalentes a los de los compuestos bituminosos multigrado 30/50 a 30 °C, lo que implica que también tienen un rendimiento extraordinario a altas temperaturas. Los resultados del barrido de temperatura indicaron que los EAC homogéneos tienen una estabilidad de temperatura mucho mayor que los compuestos asfálticos modificados con polímeros termoplásticos tradicionales de -30 °C a 120 °C, pero sus módulos terminales disminuyeron ligeramente en lugar de permanecer constantes cuando la temperatura aumentó a más de 80 °. C. Este resultado fue especialmente notable en los EAC con mayor contenido de asfalto; por tanto, los EAC son casi termoestables. Todas estas características se atribuyen a las redes ligeras de epoxi-poliéteramina químicamente reticuladas llenas o suspendidas de cantidades de largas cadenas de epoxi-poliéteramina no reticuladas y micelas de asfalto físicamente entrelazadas.

Los diagramas de wicket mostraron que los EAC curados con polieteramina cuasi termoendurecibles son materiales termorreológicos simples. Por lo tanto, las curvas maestras se superpusieron utilizando el TTSP. Además, sus ecuaciones constitutivas se construyeron utilizando funciones GLSM empíricas para la conveniencia de las aplicaciones de ingeniería.

JEFFAMINE® M-1000 (CH3(OCH2CH2)19(OCH2CHCH3)3NH2, Huntsman, EE. UU.), DMP-30 (CAS No. 90–72–2; 2,4,6-tri(dimetilaminometil)fenol, Shanfeng Chemicals, Changzhou , China), asfalto 90# (Dushanzi, China) y resina epoxi E-51 (éter diglicidílico de bisfenol A, Wuxi Resins, Wuxi, China) se utilizaron tal como se recibieron.

Las reacciones se llevaron a cabo en un matraz de vidrio de boca ancha equipado con un agitador mecánico y un termopar. Primero, se añadió la muestra de asfalto (30,0 g, 50,0 g, 70,0 g, 90,0 gy 110,0 g, respectivamente) al matraz cargado con 100,0 g de JEFFAMINE® M-1000 a 160 °C. La mezcla se agitó durante 10 minutos a 160 °C para lograr homogeneidad. Luego, se vertieron 1,20 g de DMP-30 en el matraz; y la mezcla resultante se agitó durante 10 minutos. El producto final se denominó componente A y la resina epoxi E-51 se denominó componente B.

El componente A preparado y 70,0 g del componente B se calentaron a 160 °C, se mezclaron y se cortaron durante 1 min. Luego, la mezcla se vertió en un molde de acero calentado (160 °C) y se coció (160 °C) en un horno para curar durante 1 h. El molde se colocó en otro horno a 60 °C durante 3 días. El EAC curado con amina se desmoldó y los productos finales se etiquetaron como 30#, 50#, 70#, 90# y 110#.

Los EAC curados se observaron con un BX51 (Olympus, Japón). Las muestras se prepararon según el siguiente procedimiento: (1) se obtuvo una gota del resultado de la mezcla A y B cortada con un tubo capilar; (2) se colocó una gota de la mezcla sobre la superficie de un portaobjetos de vidrio con un objeto caliente; y (3) la gota se recubrió con otro portaobjetos de vidrio y se colocó en un horno a 160 °C durante 1 h y luego se colocó en otro horno a 60 °C durante 3 días.

Las pruebas de tracción directa se llevaron a cabo utilizando un probador universal WDW-2000 (Changchun Kexin Test Machine, China), según ASTM D638-2010, a la temperatura especificada. Se analizaron seis especímenes diferentes para cada muestra.

Las pruebas de barrido de deformación se realizaron utilizando un reómetro de corte dinámico MCR302 (Anton Paar, Austria) utilizando una geometría de torsión sólida SRF5 personalizada (Fig. 3d) a una frecuencia de oscilación de 10 rad/s y deformaciones que aumentaron del 0,001% al 30%. Las dimensiones de la muestra fueron 10 mm × 10 mm × 2 mm.

Los experimentos de barrido de temperatura se realizaron utilizando el MCR302 con la geometría de torsión sólida SRF5 personalizada. La cepa seleccionada fue 0,3%; la frecuencia de oscilación fue de 10 Hz; el rango de temperatura fue de 120 °C a -30 °C. Las mediciones se realizaron durante 10 minutos para eliminar los historiales térmicos y de tensión y las dimensiones de la muestra fueron 10 mm × 10 mm × 2 mm.

Los experimentos de barrido de frecuencia se realizaron con el MCR302 con la geometría de torsión sólida SRF5 personalizada. La tensión seleccionada fue del 0,3% y la frecuencia aumentó de 1 rad/s a 100 rad/s; la temperatura disminuyó de 120 °C a -30 °C usando un paso de 10 °C. Las temperaturas se mantuvieron estables durante 10 minutos por paso y las dimensiones de la muestra fueron 10 mm x 10 mm x 2 mm. Cada experimento reológico mencionado anteriormente se realizó con tres réplicas.

Cómo citar este artículo: Kang, Y. et al. Compuestos de asfalto epoxi curados con polieteramina cuasi termoendurecibles similares al caucho, capaces de abrirse al tráfico de inmediato. Ciencia. Rep. 6, 18882; doi: 10.1038/srep18882 (2016).

Lesuer, D. La estructura coloidal del betún: consecuencias sobre la reología y los mecanismos de modificación del betún. Interfaz coloide avanzada. 145, 42–82 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Polacco, G., Stastna, J., Biondi, D. y Zanzotto, L. Relación entre la arquitectura polimérica y el comportamiento viscoelástico no lineal de los asfaltos modificados. Coloide de opinión actual. 11, 230–245 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Abtahi, MS, Sheikhzadeh, M. & Hejazi, MS Revisión de hormigón asfáltico reforzado con fibra. Construcción Construir Mater. 24, 871–877 (2010).

Artículo de Google Scholar

Kalantar, NZ, Karim, RM y Mahrez, A. Una revisión del uso de residuos y polímeros vírgenes en el pavimento. Construcción Construir Mater. 33, 55–62 (2012).

Artículo de Google Scholar

Jamshidi, A., Hamzah, OM & You, ZP Rendimiento de la mezcla asfáltica tibia que contiene Sasobit®: lo último en tecnología. Construcción Construir Mater. 38, 530–553 (2013).

Artículo de Google Scholar

Fang, C., Yu, R., Liu, S. & Li, Y. Nanomateriales aplicados en la modificación del asfalto: una revisión. J Mater Sci Technol. 29, 589–594 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Abiola, SO, Kupolati, KW, Sadiku, RE y Ndambuki, MJ Utilización de fibra natural como modificador en mezclas bituminosas: una revisión. Construcción Construir Mater. Rev. 54, 305–312 (2014).

Artículo de Google Scholar

Zhu, J., Birgisson, B. & Kringos, N. Modificación polimérica del betún: avances y desafíos. Eur Polym J. 54, 18–38 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

OCDE, ITF. Superficies de larga duración para carreteras muy transitadas. Reporte técnico. (2008) Disponible en: http://www.oecd-ilibrary.org/content/book/9789282101209-en (Consulta: 7 de agosto de 2015).

Herrington, P. y Alabaster, D. Asfalto poroso de clasificación abierta modificado con epoxi. Pavimento Carretera Mater. 9, 481–498 (2008).

Artículo de Google Scholar

Lu, Q. & Bors, J. Usos alternativos del asfalto epoxi en plataformas de puentes y carreteras. Construcción Construir Mater. 78, 18-25 (2015).

Artículo de Google Scholar

Kang, Y. y col. Aplicación de maleación en asfaltos epoxi. Universidad J sureste (Ed. natural). 36, 308–311 (2006). (en chino)

CAS Google Académico

Yu, J., Cong, P. & Wu, S. Investigación de laboratorio de las propiedades del asfalto modificado con resina epoxi. J Appl Polym Sci. 113, 3557–3563 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Xiao, Y., Vandeven, MFC, Molenaar, AAA y Wu, S. Posibilidad de utilizar betún modificado con epoxi para reemplazar el aglutinante que contiene alquitrán en superficies antideslizantes de pavimento. Construcción Construir Mater. 48, 59–66 (2009).

Artículo de Google Scholar

Xie, H. y col. Propiedades térmicas, mecánicas y rendimiento a baja temperatura de compuestos asfálticos epoxi reforzados con nanoarcillas fibrosas y sus hormigones. J Appl Polym Sci. 132, 41694 (2015).

Google Académico

Kang, Y., Chen, Z., Jiao. Z. & Huang, W. Asfalto epoxi termoestable similar al caucho que exhibe comportamientos mecánicos atípicos. J App Polym Ciencia. 116, 1678–1685 (2010).

CAS Google Académico

Cong, P., Yu, J. & Chen, S. Efectos del contenido de resina epoxi sobre las propiedades reológicas de las mezclas de epoxi y asfalto. J App Polym Ciencia. 118, 3678–3684 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Cong, P., Chen, S., Yu, J. & Chen, H. Compatibilidad y propiedades mecánicas de aglutinantes asfálticos modificados con resina epoxi. En t. J. Pavimento Res Technol. 4, 118-123 (2011).

Google Académico

Li, S., Huang, K., Yang, X., Li, M. y Xia, J. Diseño, preparación y caracterización de nuevos asfaltos epoxi endurecidos basados ​​en un derivado de aceite vegetal para pavimentación de plataformas de puentes. RSC. Adv. 84, 44741–44749 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, D. Pavimento de hormigón asfáltico epoxi del tercer puente de Nanjing Changjiang. Carreteras. 9, 21-25 (2007). (en chino).

CAS Google Académico

Liu, X. & Zhang, X. Aplicación de hormigón asfáltico epoxi TAF japonés en pavimento de plataforma. Puentes y túneles Maquinaria y tecnología de la construcción. 1, 69–71 (2010). (en chino).

CAS Google Académico

Huang, K. y col. Un monómero termoendurecible autorreticulante con grupos epoxi y anhídrido derivados de ácidos grasos de aceite de tung: síntesis y propiedades. Eur Polym J. 70, 45–54 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Kang, Y., Wang, F. & Chen, Z. Reacción de asfalto y anhídrido maleico: cinética y mecanismo. Química Ing.J. 164, 230–237 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Xu, P. y col. Modificación de alto rendimiento de poliborato hiperramificado sobre éter diglicidílico de resina de bisfenol-A. Compuesto polimérico. 36, 424–432 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Yin, H. y col. Propiedades térmicas, de amortiguación y mecánicas de asfaltos termoendurecibles modificados con epoxi. J Therm Anal Calorim. 115, 1073–1080 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Yusoff, NIM, Shaw, MT y Airey, GD Modelado de las propiedades reológicas viscoelásticas lineales de aglutinantes bituminosos. Construcción Construir Mater. 25, 2171–2189 (2011).

Artículo de Google Scholar

Marasteanu, M. Métodos emergentes en la caracterización reológica de ligantes asfálticos. Diseño de pavimentos y materiales viales 8, 257–284 (2007).

Artículo de Google Scholar

Montgomery, TS y William, J. MacKnight. Introducción a la viscoelasticidad de polímeros, tercera edición. (John Wiley e hijos, 2005).

Oeser, M. & Pellinien, T. Marco computacional para modelos viscoelásticos comunes en ingeniería basado en la teoría de la reología. Geotecnología informática. 42, 145-156 (2012).

Artículo de Google Scholar

Airey, GD y Rahimzadeh, B. Propiedades reológicas lineales de mezcla y aglutinante bituminoso combinado. Constr Bulid Mater.18, 535–548 (2004).

Artículo de Google Scholar

Kang, Y., Song, M., Pu, L. y Liu, T. Comportamientos reológicos del ligante asfáltico epoxi en comparación con el ligante asfáltico base y el ligante asfáltico modificado con SBS. Constructor BulidMater. 76, 343–350 (2015).

Google Académico

Jones, DIG Manual de dumping por vibración viscoelástica. (Wiley, 2001).

Backer, MY, Müller, AJ & Rodriguez, Y. Uso de criterios de compatibilidad reológica para estudiar asfalto modificado con SBS. J App Polym Ciencia. 90, 1772-1782 (2003).

Artículo CAS Google Scholar

Martínez-Estrada, A., Chávez-Castellanos, EA, Herra-Alonso, M. & Herrea-Nájera, R. Estudio comparativo del efecto del azufre sobre la morfología y propiedades reológicas de asfaltos modificados con SB y SBS. J Appl Polym Sci. 115, 3409–3422 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Yusoff, NIM, Chailleux, E. & Airey, GD Estudio comparativo de la influencia de las ecuaciones de factores de desplazamiento en la construcción de curvas maestras. En t. J. Res. Pavimento. Tecnología. 4, 324–336 (2011).

Google Académico

Woicke, N., Keuerleber, M. y Hegemann. Eyerer, P. Comportamiento termorreológico tridimensional del polipropileno isotáctico a través de la temperatura de transición vítrea. J Appl Polym Sci. 94, 877–880 (2004).

Artículo CAS Google Scholar

Rowe G., Baumgardner G. & Sharrock M. Formas funcionales para el análisis de curvas maestras de materiales bituminosos en Actas del séptimo simposio internacional RILEM ATCBM09 sobre pruebas avanzadas y caracterización de materiales bituminosos, vol 1. Rodas, Grecia; 81–91, (2009).

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Esta investigación fue apoyada financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) (No. 51308461) y los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (No. 2452015054, No. 2452015375).

Facultad de Recursos Hídricos e Ingeniería Arquitectónica, Universidad Northwest A&F, Yangling, 712100, Shaanxi, República Popular China

Yang Kang, Qiang Wu, Rui Jin, Pengfei Yu y Jixiang Cheng

Jinan Urban Construction Group, Shandong, 250031, República Popular China

Jixiang Cheng

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La investigación fue concebida por YK Experiments y realizada por PFY, JXC y QWYK, QW y RJ prepararon el manuscrito.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Kang, Y., Wu, Q., Jin, R. et al. Compuestos de asfalto epoxi curados con polieteramina cuasi termoendurecibles similares al caucho, capaces de abrirse al tráfico de inmediato. Representante científico 6, 18882 (2016). https://doi.org/10.1038/srep18882

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Recibido: 18 de agosto de 2015

Aceptado: 30 de noviembre de 2015

Publicado: 06 de enero de 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep18882

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