بخشی از مقاله
چکیده:
همه ساله تعداد زیـادی از راه هـای آسـفالته کشـور در اثـر ضـعف رو سـازی آسـفالتی دچـار آسـیب دیـدگی یــا خرابــی زودرس مــی شوند.اســتفاده از مــواد نــانودر صــنعت و مفیــد بــودن آنهــا نویســندگان را بــر ایــن داشت که در راستای افـزایش عمـر و روسـازی هـای آسـفالتی مفیـد بـودن ایـن مـواد را مـورد بررسـی قـرار دهنــد.در ایــن پــژوهش بــا بهــره گیــری از دونــانورس متفــاوت و متــداول در بهبــود خصوصــیات مصــالح تــلاش مــی شــود بــا انجــام آزمــایش هــای تجربــی تــاثیر نــانورس بــر رئولــوژی قیــر مــورد ارزیــابی قــرار گیرد.بدین منظـور بـا بـه کـارگیری یـک برنامـه آزمایشـگاهی مـدرن ابتـدا پـراکنش و پخـش صـفحات نـانو رس در درصــد وزنــی متفــاوت و بــا انتخــاب یــک روش ترمودینــامیکی خــاص بــه کمــک تکنیــک پــراش اشعه ایکس مـورد کنکـاش قـرار گرفـت، سـپس بـا بـه کـارگیری رئـومتر بـرش دینـامیکی،عملکرد نـانورس های مختلف بر رفتـار قیـر مقایسـه و ارزیـابی شـدند.نتایج نشـان مـی دهنـد کـه هـر چنـد افـزودن نـانورس موجب افزایش مقاومت در برابـر تغییـر شـکل مانـدگار قیـر مـی دهـد امـا بـه دلیـل کـاهش انعطـاف پـذیری عملکرد مناسبی در بهبود خستگی ندارد.
واژگان کلیدی:رئولوژی ،قیر اصلاح شده،نانورس، خستگی،تغییر شکل ماندگار
-1مقدمه
رشد روز افـزون ترافیـک در سـال هـای اخیـر و افـزایش وزن محـور وسـایل نقلیـه، باعـث اعمـال نیروهـای بیشــتری بــه سیســتم روســازی و رویــه هــای آســفالتی شــده و عمــر مفیــد روســازی را کــاهش مــی دهــد.از جمله مهم ترین خرابی هـای موجـود در مصـالح آسـفالتی تـرک هـای خسـتگی ناشـی از تکـرار بـار ترافیـک بــه دلیــل کــاهش انعطــاف پــذیری در دمــای پــایین و تغییــر شــکل مانــدگار ناشــی از رفتــار ویسکوپلاســتیک در دمــای بالاســت.این خرابــی هــا بــا جریــان هــای ویســکو پلاســتیک ،تغییــر شــکل هــای تراکمــی یــا برشی،تشکیل میکرو تـرک هـا و گسـترش آنهـا در ارتبـاط هسـتند کـه وابسـتگی زیـادی بـه، رئولـوژی قیـر، نوع و مشخصات دانه بنـدی، نـوع و مشخصـات فیلـر، شـرایط بـار گـذاری و شـرایط محیطـی دارنـد. هزینـه هــای بــالای ســاخت و نگهــداری رو ســازی هــای آســفالتی باعــث مــی شــود کــه محققــان راهکارهــایی را برای افـزایش دوام و پایـداری روسـازی هـای آسـفالتی جسـتجو کننـد. اسـتفاده از مصـالح مرغـوب، اصـلاح قیر، اصلاح دانه بندی، اسـتفاده از فیلـر مناسـب و بـه کـارگیری افزودنـی هـای مختلـف در طـول سـال هـای گذشــته مــورد نظــر محققــان مختلــف بــوده اســت کــه هــر یــک دارای مزایــا و معایــب خــاص خــود است.مشخصــات مــلات قیــری (ترکیــب قیــر و ذرات ریــز دانــه) نقــش مهمــی در کنتــرل خرابــی و دوام مخلوط های آسفالتی دارد و بر این اسـاس، امـروزه محققـان سـعی بـر آن دارنـد کـه بـا اسـتفاده از روش هـا و تکنیک هـای مختلـف ، ویژگـی هـای رفتـاری مـلات قیـری را بهبـود ببخشـند. یکـی از روشـهای رایـج و موفق در سالهای اخیر برای نیل به هـدف مـذکور، اصـلاح قیـر بـا اسـتفاده از مـواد پلیمـری بـوده اسـت، امـا این روش نیازمنـد فنـاوری جدیـد و صـرف هزینـه هـای بالاسـت. افـزون بـر آن بـه کـارگیر افزودنـی هـای مختلف چون الیاف طبیعی و مصـنوعی، فیلترهـای مختلـف و دیگـر اصـلاح کننـده هـا فیزیکـی یـا شـیمیایی برای بهبود عملکرد مخلوط هـای آسـفالتی نیـز مـد نظـر بـوده اسـت. از جملـه نقـایص و ضـعفهای موجـود
در بـه کــار گیــری افزودنــی هــای مختلــف، ناتوانــایی آن هــا در بهبــود و رفــع تمــامی ضــعف هــای مخلــوط آسفالتی در کاهش حساسـیت حرارتـی و بـروز تـرک هـای خسـتگی، تـرک هـای حرارتـی، گـود افتـادگی و غیــره اســت. همچنــین بخــش عمــده ای از تحقیقــات گذشــته بــه بررســی و ارزیــابی کمــی تــاثیر فیلــر بــر خواص مخلوط هـای آسـفالتی بـا آزمـایش هـای سـنتی و مجـزا بـوده اسـت و کمتـر بـه تـاثیر خصوصـیات فیزیکــی، هندســی و شــیمیایی افزودنــی هــا توجــه شــده اســت، در حــالی کــه مخلــوط آســفالتی بــا تمــامی خصوصــیات خــود تنهــا متــاثر از خصوصــیات افزودنــی نبــوده و در معــرض جمیــع عوامــل محیطــی و ترافیکی قرار دارد. هدف اصلی ایـن پـژوهش بررسـی تـاثیر بـه کـارگیری نـانورس بـه عنـوان نـوعی اصـلاح کننـــده نـــوین بـــر تغییـــرو اصـــلاح خصوصـــیات رئولـــوژی و رفتـــار قیـــر از دیـــدگاه میکروســـکوپی و ماکروســکوپی اســت، کــه تنهــا بــا انجــام آزمــایش معــروف رئــومتر بــرش دینــامیکی، تــاثیر نــانورس بــر رئولوژی تیر و رفتار خستگی و تغییر شکل ماندگار را مورد ارزیابی قرار دهد.
-2بازبینی ادبیات فنی
درباره فیلر و نقـش آن بـر مخلـوط هـای بـتن آسـفالتی، تحقیقـات و بررسـی هـای متعـددی صـورت گرفتـه است کـه قـدمت آن بـه 85 سـال اخیـر برمـی گـردد. نخسـتین ، پژوهشـگری کـه در ایـن زمینـه گزارشـی را ارائــه داد((Cliff Richardson در ســال 1941 بــود . وی بــر ایــن نکتــه تاکیــد نمــود کــه فیلــر تنهــا نقــش پرکننــده نداشــته و بصــورت یــک. عامــل فیزیکــی -شــیمیایی در مخلــوط عمــل مــی کنــد .[ 1 ]محققــان مختلفــی تــاثیر نــوع، میــزان و خصوصــیات فیزیکــی فیلرهــای معــدنی مختلــف چــون پــودر ســنگ، آهــک هیدراتــه، رس، آزبســت و غیــره را همــراه بــا قیرهــای مختلــف (اصــلاح شــده یــا اصــلاح نشــده )، از نظــر کمــی مــورد بررســی قــرار داده انــد . در اغلــب ایــن تحقیقــات نمونــه هــایی در مقیــاس آزمایشــگاهی و یــا
میدانی سـاخته شـده و از نظـر کمـی و بـه منظـور تعیـین تـاثیر نـوع و میـزان فیلـر بـر مشخصـات مکـانیکی تحت ارزیابی قرار گرفته اند 7 ]،6،5،4،[ 2 و .[3]
سفتی ملات قیـری ناشـی از تـاثیر متقابـل قیـر و ذرات فیلـر بـه علـت جاذبـه و جـذب سـطحی را اسـتحکام فیزیکـی - شــیمیایی مـی نامنــد و فــرض مـی شــود مسـتقل از حجــم اشــباع شـده توســط فیلـر اســت . ایــن استحکام ناشی از چسبندگی بسیار محکـم ذرات فیلـر و لایـه هـای قیـر اسـت کـه دگرگـونی لایـه هـای قیـر را باعث می شـوند. بـا افـزایش نسـبت فیلـر، بخـش زیـادی از حجـم توسـط ایـن ذرات بسـیار ریـز اشـغال می شود کـه بـه عنـوان مـاده ای صـلب و بـا تمـاس بـین دانـه ای، اسـکلت مـلات قیـری شـکل مـی گیـرد. افزایش سفتی ملات قیـری بـا افـزایش نقطـه نرمـی، کـاهش درجـه نفـوذ، افـزایش G * (مـدول دینـامیکی در رئومترویسکوزیته و افـزایش برشـی) همـراه اسـت و همـواره بـین مشخصـات فیزیکـی فیلـر و بـه خصـوص دانـه بنـدی و سـطح ویـژه بـا سـفتی مــلات قیـری ارتبـاط مسـتقیمی وجـود دارد .[4] مطالعـات و تحقیقــات انجــام یافتــه بــه خــوبی روشــن ســا ختــه اســت کــه نــامنظمی ذرات فیلــر ، عامــل بــالقوه ای جهــت تشــدید فعالیت سطحی اسـت. فعالیـت سـطحی بیـانگر میـزان جـذب قیـر توسـط ذرات فیلـر اسـت کـه اساسـا تـابع خصوصــیات فیزیکــی و شــیمیایی و ترکیــب مــواد معــدنی و همچنــین تــابع نــامنظمی هندســی ذرات اســت .[3]
پلیمرهــا مهمتــرین و پرکــاربردترین مــواد در اصــلاح رفتــار رئولــوژی قیرهــا هســتند . بــه کمــک پلیمرهــای مختلــف کــوپلیمر، (EVA) نظیــر پلــی اتــیلن ، اتــیلن ونیــل اســتات((SBS, SIS, SEBS, SEPS اســتایرن بوتادین و ایزوپرن می توان تـاثیر مثبتـی در بهبـود حساسـیت حرارتـی در دماهـای بـالا و پـایین کسـب کـرد
. آسفالت سـاخته شـده بـا ، ایـن نـوع قیرهـا در مقابـل شـیارافتادگی سـطح راه((Rutting تـرک خسـتگی و
ترک حرارتی مقـاوم تـر اسـت زیـرا ایـن پلیمرهـا خصوصـیات لاسـتیکی و ترموپلاسـتیکی قیـر را هـم زمـان تحت تاثیر قرار می دهند و از حساسیت حرارتی قیر می کاهند 11 ]،10،9،. [8
استفاده از پـودر لاسـتیک در اصـلاح قیـر نیـز رایـج اسـت. در ایـن روش بـا اسـتفاده از مـواد سـازگارکننده، ترکیبیکاملاً هموژن و یکنواخـت ، بـین ذرات پـودر و قیـر ایجـاد مـی شـود. قیـر، فـاز مـایع دارد کـه ذرات متورم شونده پودر لاستیک در آن شـناور اسـت . در طـول زمـان واکـنش پـودر بـا قیـر تکمیـل و باعـث مـی شود رفتـار شـبکه ای فـاز مـایع یعنـی قیـر بـا گذشـت زمـان تحـت تـاثیر قـرار گرفتـه و قیـر سـخت تـر و کشسان تر گردد . آسـفالت سـاخته شـده بـا ایـن نـوع قیـر، مقاومـت بیشـتری در برابـر تـرک خسـتگی دارد، عملکرد بهتری در دماهای پایین و تحـت بـار ترافیـک، صـدای کمتـری دارد و بـه محـیط زیسـت نیـز کمـک می کند14]،13،. [12
در دو دهه اخیـر، بهبـود رفتـار بـا اسـتفاده از مصـالح در مقیـاس نـانو رشـد روزافزونـی داشـته اسـت. مـواد نانو بـه مـوادی گفتـه مـی شـود کـه حـداقل یکـی از ابعـاد آن (طـول.عـرض .ضـخامت ) زیـر 100 نـانومتر باشد. مواد نانوکمپوزیت بر پا یـه پلیمـر (مـاتریس پلیمـری) اولـین بـار در دهـه 70 مـیلادی معرفـی شـد کـه از تکنولــوژی ســول – ژل جهــت انتشــار ذرات نــانو کــانی، درون مــاتریس پلیمــر اســتفاده شــد. اســتفاده از نانورس ها (کانی ها با ابعاد در حـد نـانومتر ) بـه دلیـل ارزانـی و در دسـترس بـودن، در زمینـه فنـاوری نـانو بســیار گســترده و قابــل رقابــت کــرده اســت. نــانورس هــا ســطح ویــژه بزرگــی دارنــد وغالبــاً بــرای اصــلاح خواص مکانیکی مواد پلیمـری، آن هـا را بـا پرکننـده هـا تقویـت مـی کننـد. خـالص بـودن و ظرفیـت تبـادل کاتیونی، دو خصوصیت مهم بـرای موفقیـت نـانورس هـا بـه عنـوان عامـل اسـتحکام در پلیمـر هـا بـه شـمار می رود. از آنجا کـه بـه کـارگیری نـانورس در اصـلاح پلیمرهـا، بسـیار موفقیـت آمیـز بـوده، انتظـار مـی رود به کارگیری آن ها در اصلاح رفتـار قیـر نیـز بتوانـد نتـایج مثبتـی داشـته باشـد، هرچنـد قیـر ترکیبـات بسـیار
پیچیده تری نسـبت بـه پلیمـر دارد 17 ]،16،.[ 15 کربنـات کلسـیم، رسـوبی از ترکیبـاتی اسـت کـه بـه وفـور در اصلاح پلیمرها به کار گرفته مـی شـود امـا ابعـاد آن در مقیـاس نـانو نیسـت. انتظـار مـی رود ایـن ترکیـب نیز بتواند تاثیر موثری بر رفتار قیر و مخلوط آسفالتی گرم داشته باشد.
-3نانو رس
کانی های رس با ساختمان بلـوری شـکل خـود، بسـته بـه درجـه و میـزان خلـوص، امـروزه کـاربرد وسـیعی در تولیـد نانوکامپوزیـت هـا دارنـد. بسـیاری از رسـها از ســیلیکات آلـومین تشـکیل شـده انـد کـه ســاختاری صفحه ای شـکل و لایـه ای دارنـد و شـامل سـیلیکا SiO4 ی چهـاروجهی پیونـد یافتـه بـا آلومینـا AlO6 ی
هشت وجهی در شکل هـای مختلـف هسـتند. شـکل زیـر بیـانگر رس مونتموریونیـت اسـت. ضـخامت لایـه ها و صفحات رس حـدود یـک نـانومتر و نسـبت سـطح1 بسـیار بـزرگو معمـولاً بـین 100 تـا 1500 اسـت [18] صــفحات رس دارای بــار الکتریکــی منفــی هســتند، امــا بــه دلیــل وجــود یــون هــای مثبــت در بــین صــفحات رس، بــا یکــدیگر تجمیــع شــده و ذره رس را شــکل مــی دهنــد. رس مونتموریونیــت اصــلاح نشده معمولا قطبی است و بـه طـور طبیعـی بـا بسـیاری از انـواع پلیمرهـا ناسـازگار اسـت. شـرط لازم بـرای شــکل گیــری نانوکامپوزیــت رس- پلیمــر حــذف قطبیــت رس و ســاخت رس ارگانوفیلیــک2 اســت. بــرای دســتیابی بــه ایــن هــدف، نیــروی مکــانیکی بــه تنهــایی کــافی نیســت و بایــد نیــروی محــرک ترمودینــامیکی جهت جداسازی لایه هـا بـه صـفحات سـیلیکات اولیـه بکـار گرفتـه شـود. نیـروی محـرک ترمودینـامیکی را می توان با انتخـاب پوشـش سـطحی فعـال مثـل صـابون هـای کاهنـده کشـش سـطحی کـه روی هـر سـطح اعمال می شود، ایجـاد کـرد. پوشـش سـطحی فاصـله بـین لایـه هـا را افـزایش داده و سـازگاری بـا پلیمرهـا را بهبود می بخشد و از آنجا کـه بـا پلیمـر مخلـوط مـی شـود، باعـث افـزایش عمـر پیرشـدگی نیزمـی گـردد 19]،.[18
