Les effets des nanomatériaux sur la rhéologie du ciment bitumineux

Dans cet article, les effets de l’ajout de différents nanomatériaux sur la rhéologie du ciment bitumineux/liant (AC/AB) sont discutés.

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Limitations CA

Le CA est normalement obtenu sous forme de résidu du processus de raffinage du pétrole brut ou de sources naturelles. Il a une consistance semi-solide ou solide à température ambiante et est utilisé comme matériau liant agrégé pour le pavage des routes.

Cependant, la sensibilité à la température est la principale limitation à l’utilisation du courant alternatif dans la construction de routes, car le matériau prend une forme liquide à haute température, ce qui provoque l’orniérage de l’asphalte et devient cassant à basse température, ce qui provoque des fissures à basse température.

Rôle des nanomatériaux pour améliorer les propriétés rhéologiques de l’AC

La modification AC utilisant différents nanomatériaux peut réduire la sensibilité à la température du matériau et améliorer sa rhéologie, conduisant à une stabilité et une durabilité plus élevées des mélanges d’asphalte.

Il a été démontré que les nanomatériaux modifient les propriétés rhéologiques et physiques de l’AC, telles que l’élévation du point de ramollissement (SP), la résistance au vieillissement, la résistance à l’orniérage et à la fissuration à basse température, la viscosité et la diminution de la valeur de pénétration et de la ductilité.

Le SP et la viscosité de l’AC ont augmenté tandis que la ductilité a diminué lorsque la montmorillonite et la montmorillonite modifiées par un organe ont été ajoutées à l’AC séparément. Ces modificateurs ont également augmenté le module complexe et la résistance à l’orniérage et réduit l’angle de phase.

De même, l’ajout de nano-argile (NC) et de macro-argile à l’AC a augmenté la SP, la résistance à la traction et la viscosité cinématique et a diminué la valeur de pénétration de l’AC modifié résultant (MAC).

La valeur de pénétration et la ductilité ont diminué, tandis que la résistance au vieillissement et la SP ont augmenté lorsqu’un faible pourcentage de NC a été ajouté à AC. L’ajout de Cloisite-15A type NC à AC a considérablement amélioré les performances de rainurage du MAC.

Le MAC obtenu après modification AC avec des composés de vermiculite expansée organiquement (OEVMT) et de nanooxyde de zinc (NZnO) a démontré une meilleure résistance à la photo-oxydation et au vieillissement par oxydation thermique, un module complexe plus faible et un angle de phase plus élevé. .

Des études récentes portant sur l’effet des nanomatériaux sur la rhéologie AC

Dans une étude récente publiée dans le Journal de l’Université King Saud – Sciences de l’ingénieurles chercheurs ont ajouté NZnO et NC séparément à l’AC et ont étudié les effets de ces modificateurs sur les propriétés rhéologiques de l’AC.

Les chercheurs ont ajouté 12 %, 10 % et 8 % de modificateurs NC et 3 %, 2 % et 1 % de modificateurs NZnO à l’AC et ont effectué une analyse comparative. Le pourcentage optimal de chaque modificateur pouvant donner les meilleurs résultats a également été déterminé.

AC de degré de pénétration 60/70, surface NC modifiée avec 25-30% d’argile montmorillonite octadécylamine et une taille de particule de 20 µm, et des particules NZnO de 20-30 nm ont été utilisées pour l’étude.

Les points de feu et d’éclair, les valeurs de pénétration et le SP du MAC ont été réduits en ajoutant NZnO ou NC au CA. Les valeurs du module de cisaillement complexe ont augmenté lorsque le CA a été modifié avec NZnO ou NC, indiquant une rigidité plus élevée dans le MAC.

MAC a montré un angle de phase inférieur à AC, indiquant moins de viscosité et plus d’élasticité. La résistance à l’orniérage AC a augmenté avec la modification NZnO ou NC. De plus, l’augmentation de la concentration de l’un ou l’autre des modificateurs dans le CA a entraîné une augmentation correspondante de la résistance à l’orniérage.

Les deux modificateurs ont réduit les valeurs du facteur de fatigue AC, entraînant une amélioration de la résistance à la fatigue. Le MAC a démontré une valeur m plus élevée et une rigidité au fluage plus élevée, indiquant des améliorations significatives des performances à basse température du courant alternatif après l’ajout de l’un ou l’autre des modificateurs.

3% NZnO et 10% NC étaient les concentrations optimales de modificateurs qui ont conduit à la plus grande amélioration des propriétés rhéologiques. 10% de NZnO a été considéré comme la concentration optimale en raison de sa maniabilité plus élevée et de ses coûts inférieurs aux deux autres concentrations, tandis que 3% de NZnO a montré les meilleures améliorations pour différentes températures.

Dans une autre étude publiée dans la revue MDPI nanomatériauxLes chercheurs ont utilisé du graphène de haute qualité et à faible coût pour préparer des liants conducteurs d’asphalte modifié au graphène (GMA) avec 10 %, 8 %, 6 %, 4 %, 2 % et 0 % de graphène et ont étudié leurs propriétés rhéologiques.

Les résultats de cette étude ont montré que la résistance à l’orniérage à des températures plus élevées, la résistance et l’élasticité à des températures supérieures à la température ambiante étaient améliorées dans les liants GMA.

La percolation de GMA et la formation de réseau de graphène se sont produites au-dessus d’une concentration de graphène de 8%, indiquant la faisabilité d’utiliser des liants GMA avec une concentration de graphène supérieure à 8% pour préparer du béton d’asphalte conducteur.

Les mécanismes de modification du GMA différaient avant et après le point de percolation. Avant percolation, le graphène avec une structure moléculaire similaire à l’asphaltène a amélioré l’asphalte en augmentant les composants asphaltènes. Après percolation, la formation d’un réseau de graphène a enrichi l’asphalte.

Les différences de modules entre les liants GMA et AB étaient plus importantes à des températures plus élevées qu’à des températures plus basses. Par conséquent, il a été indiqué que l’effet de modification du graphène dans l’asphalte est plus élevé à des températures plus élevées qu’à des températures plus basses, car la sensibilité à la température du graphène est considérablement inférieure à celle de l’asphalte.

L’ajout de graphène a amélioré la viscosité de tous les échantillons de GMA, et la viscosité a augmenté avec l’augmentation de la concentration de graphène. L’ajout de graphène a également augmenté la température de compactage et la température de mélange des échantillons d’asphalte modifié.

En bref, l’ajout de différents nanomatériaux, tels que NC, NZnO ou graphène, à AC/AB peut améliorer considérablement ses propriétés rhéologiques. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour étudier les propriétés rhéologiques des mélanges d’asphalte lorsqu’ils sont modifiés à l’aide de divers nanomatériaux, tels que NZnO et NC.

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Références et lectures complémentaires

Yang, L., Zhou, D., Kang, Y. (2020). Propriétés rhéologiques des liants d’asphalte modifiés au graphène. nanomatériaux10(11), 2197. https://doi.org/10.3390/nano10112197

Khafaja, DA, Imam, R., Taamneh, M., Al-Omari, A., Al-Mistarehi, B. (2021). Les effets de l’ajout de nanoargile et d’oxyde de nanozinc sur la rhéologie du ciment bitumineux. Journal de l’Université King Saud – Sciences de l’ingénieur. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2021.03.010.

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