アスファルト複合材におけるポリリン酸とナノクレイの相互作用メカニズム

Interaction mechanisms of polyphosphoric acid and nano clay in bituminous composites.

抄録

モンモリロナイト粘土（MMT）で改質したアスファルトにポリリン酸（PPA）を添加すると、アスファルト複合材が膨潤しにくくなり、水分による損傷にも強くなるため、舗装障害の2大原因を改善できることが報告されている。このようなMMTとPPAの相乗効果の根本的なメカニズムに関する詳細な研究は行われていない。ここでは、PPAがMMTで改質されたビチューメンの分子間相互作用をどのように緩和するのかを、室内実験と計算モデルを用いて研究した。その結果、PPAはMMTおよびビチューメン成分(BC)の両方と顕著な相互作用を持つことがわかった。しかし、PPAがMMTに優先的に吸着することは、PPA-BCの結合エネルギー(-85.9kcal/mol)よりもPPA-sealed MMTの結合エネルギー(-127.3kcal/mol)の方が有意に高いことで検証された。PPAを封入したMMTの方が高い結合エネルギーを持つため、PPAは最初の段階でMMT表面に強く吸着され、粘土のギャラリーに部分的にインターカレーションを起こし、その後の水の侵入をブロックした。その後、PPAがBCと親和性を持って相互作用することで、PPAがMMTとBCの間の橋渡し役となり、分子間相互作用が増大してMMTの密閉性が向上した。事前にMMTに吸着させたPPAとBCの相互作用について計算された結合エネルギーは、PPAのみとBCの相互作用の場合よりも高かった。乾式および湿式の実験室条件において，PPAでシールされたMMTで改質されたビチューメンは，MMTで改質されたビチューメンよりもせん断減粘度およびG*/sin(δ)の値が高かった。

It has been reported that adding polyphosphoric acid (PPA) to bitumen modified with Montmorillonite clay (MMT) makes the bituminous composite less prone to swelling and more resistant to moisture damage, thus improving two major causes of pavement distress. There has been no in-depth study on the underlying mechanism for such a synergistic effect between MMT and PPA. Here, we used laboratory experiments and computational modeling to study how PPA moderates the intermolecular interactions in bitumen modified with MMT. The results showed that PPA had notable interactions with both MMT and bitumen components (BCs); however, PPA's preferential adsorption to MMT was verified by a significantly higher binding energy (-127.3 kcal/mol) for PPA-sealed MMT than for PPA-BCs (-85.9 kcal/mol). The higher binding energy for PPA-sealed MMT caused PPA to be strongly adsorbed on the MMT surface in the first stage, causing partial intercalation into the clay gallery and blocking subsequent entry of water. PPA's affinity to interact with BCs then allowed PPA to be a bridge between MMT and BCs, leading to more intermolecular interactions and better sealing for MMT. The calculated binding energies for interactions of BC with pre-adsorbed PPA on MMT were higher than those for interactions of BC with PPA alone. In both dry and wet laboratory conditions, bitumen modified with PPA-sealed MMT had higher values of shear thinning and G*/sin(δ) than bitumen modified with MMT.