Nanotechnological Evaluation of Volcanic Clays with Application in Bitumen Improvement

Abstract

Abstract. Clays are raw materials for modern industry and today they are even used for medicines. In an area of 4000 km2, the San Tadeo geological formation, Ecuador, has a nano clay deposit arranged in six levels (A1 to A6). Physicochemical studies of field samples showed the presence of more than 60% of aluminosilicates in the upper levels A1, A2. Laser granulometry found an average particle size of 30 to 250 nm. Nitrogen adsorption-desorption isotherm determined the average specific surface area of 280.3m2/g. IFTR, XRF, SPECMIN-TSG showed the spectra with the presence of vermiculite, allophane and bentonite minerals. With TGA/DCS a mass loss of up to 42.5% was observed for clays A1, A2, A3, at the final calcination temperature of 1000°C, with endothermic and exothermic manifestations. High adsorption capacity was found for A1 and A2 clays over 30% in their order, and over the other geological horizons; the property was activated when the clay was calcined in the temperature window of 250 to 300°C. EDS, energy dispersive spectroscopy found the presence of Si and Al in the sample of bitumen mixture enhanced with additive A1. SEM confirmed the presence of exfoliated and dispersed A1 additive in the enhanced bitumen mix prepared with 3% by weight of active agent. With DSR (T= 70°C operational) the complex modulus G*= 2 326pa (640pa original) and δ = - 8.7° points (85° original) were measured, with an improvement of 363%. The new material is applicable as road pavement in medium and high ambient temperature areas due to its higher stiffness.Resumen. Las arcillas son materias primas para la industria moderna y hoy en día se utilizan incluso para la fabricación de medicamentos. En un área de 4000 km2, la formación geológica de San Tadeo, en Ecuador, cuenta con un yacimiento de nanoarcilla dispuesto en seis niveles (A1 a A6). Los estudios fisicoquímicos de las muestras de campo mostraron la presencia de más del 60 % de aluminosilicatos en los niveles superiores A1 y A2. La granulometría láser determinó un tamaño medio de partícula de 30 a 250 nm. La isoterma de adsorción-desorción de nitrógeno determinó una superficie específica media de 280,3 m²/g. IFTR, XRF y SPECMIN-TSG mostraron espectros con presencia de minerales de vermiculita, alofano y bentonita. Con TGA/DCS se observó una pérdida de masa de hasta el 42,5 % para las arcillas A1, A2 y A3, a una temperatura final de calcinación de 1000 °C, con manifestaciones endotérmicas y exotérmicas. Se encontró una alta capacidad de adsorción para las arcillas A1 y A2, superior al 30 % en su orden, y superior a la de otros horizontes geológicos; la propiedad se activó cuando la arcilla se calcinó en un intervalo de temperatura de 250 a 300 °C. La espectroscopia de dispersión de energía (EDS) detectó la presencia de Si y Al en la muestra de mezcla de betún mejorada con el aditivo A1. El SEM confirmó la presencia del aditivo A1 exfoliado y disperso en la mezcla de betún mejorada preparada con un 3 % en peso de agente activo. Con el DSR (T = 70 °C de funcionamiento) se midieron el módulo complejo G* = 2326 pa (640 pa original) y δ = -8,7° puntos (85° original), con una mejora del 363 %. El nuevo material es aplicable como pavimento de carreteras en zonas con temperaturas ambientales medias y altas debido a su mayor rigidez.Resumo. As argilas são matérias-primas para a indústria moderna e, atualmente, são usadas até mesmo em medicamentos. A formação geológica de San Tadeo, no Equador, que abrange uma área de 4.000 km2, contém um depósito de nanoclásios dispostos em seis níveis (A1 a A6). Estudos físico-químicos de amostras de campo mostraram a presença de mais de 60% de aluminossilicatos nos níveis superiores A1 e A2. A granulometría a laser encontrou um tamanho médio de partícula de 30 a 250nm. A isoterma de adsorção-dessorção de nitrogênio determinou uma área de superfície específica média de 280,38m2/g. IFTR, XRF, SPECMIN-TSG mostraram espectros com a presença de minerais de vermiculita, alofano e bentonita. Com TGA/DCS, foi observada uma perda de massa de até 42,5% para as argilas A1, A2, A3, na temperatura final de calcinação de 1000°C, com manifestações endotérmicas e exotérmicas. A alta capacidade de adsorção foi encontrada para as argilas A1 e A2, acima de 30% em sua ordem e acima dos outros estratos geológicos; a propriedade foi ativada quando a argila foi calcinada na janela de temperatura de 250 a 300°C. A espectroscopia de dispersão de energia (EDS) confirmou a presença de Si e Al na amostra de mistura betuminosa melhorada com aditivo A1. A SEM confirmou a presença de aditivo A1 esfoliado e disperso na mistura betuminosa melhorada preparada com 3% em peso de agente ativo. No DSR (T= 70°C operacional), o módulo complexo G *= 2 326pa (640pa original) e δ = - 8,7° pontos (84° original) foram medidos, com uma melhoria de 363%. O novo material é aplicável como pavimento de estrada em áreas de temperatura ambiente média e alta devido à sua maior rigidez.