بخشی از مقاله
ارزیابی خرابی شیارشدگی در مخلوط های آسفالت SMA اصلاح شده با نانو اکسید آهن
چکیده
همه ساله بخش قابل توجهی از بودجه کشورهای مختلف دنیا صرف مرمت و بازسازی روسازی راهها و فرودگاهها می گردد. مقاومت کم روسازی در برابر بارهای دینامیکی و عمر کوتاه سرویس دهی آنها از عمده ترین مشکلات موجود در حفاظت و نگهداری راهها به شمار می آید.در سالیان اخیر استفاده از موادافزودنی در ساخت مخلوط های آسفالتی به منظور افزایش قابلیت آنها در برابر بارهای دینامیکی و کاربرد مجدد در راهها گسترش چشمگیری یافته است. تحقیقات انجام شده در این زمینه نشان می دهد که ایجاد یک آسفالت هوشمند که بتواند عمر مفید بیشتری داشته نه تنها هزینه نگهداری از راهها را کاهش داده بلکه از ایجاد پدیده شیارشدگی در طول عمر مفید روسازی جلوگیری به عمل می آورد. هدف از این پژوهش کاربرد فناوری نانو در ارزیابی آزمایشگاهی مخلوط های آسفالت ماستیک درشت دانه با افزودن درصدهای مختلفی از نانوذرات و بررسی عملکرد آن تحت آزمایش ویل تراک می باشد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که افزودن نانو ذرات به میزان قابل توجهی عملکرد مخلوط های آسفالت ماستیک درشت دانه را در برابر پدیده شیارشدگی بهبود خواهد بخشید.
واژههای کلیدی: نانو آسفالت، نانو اکسید آهن، شیارشدگی، ویل تراک
-1 مقدمه
امروزه عملکرد ضعیف و عمر مفید کوتاه روسازی های آسفالتی در ایران و بسیاری از کشورهای در حال توسعه یکی از بزرگترین چالش های پیش روی مهندسین و مدیران صنعت روسازی بوده که مهم ترین دلایل این عملکرد ضعیف و ایجاد خرابی های زودرس عبارتند از :
· استفاده از قیر و مصالح نامناسب بدون توجه به شرایط آب و هوایی منطقه
· طرح اختلاط نامناسب مخلوط آسفالتی بدون در نظرگرفتن کاربرد آن در روسازی
· طراحی نامناسب روسازی و لایه های تشکیل دهنده آن
· اجرای نامناسب و نظارت ضعیف
· عدم توجه به دوره های بازسازی و نگهداری
· عدم به کارگیری تکنولوژی های جدید در صنعت قیر و آسفالت
· عدم ارتباط مناسب بین رشته ای بین متخصصان صنعت قیر و آسفالت کشور با صنایع پلیمر و شیمی
1
نگهداری منظم و به موقع روسازی، موجب کارایی و بهره برداری بیشتر آن شده اما عمر مفید روسازی، زمان مشخصی داشته و بعد از این دوره، بازسازی روسازی اجتناب ناپذیر می باشد . اتلاف مصالح قدیمی و حفظ محیط زیست و همچنین یافتن راهکارهایی در راستای بالابردن عمر مفید روسازی ها و ساخت آسفالتی هوشمند که هزینه های مرمت و نگهداری راهها را کاهش دهند، یکی از بزرگترین موضوعات پیش روی مهندسین و مسئولین کشورهای پیشرفته و درحال توسعه دنیا می باشد.
بررسی خرابی های روسازی و راههای مقابله با آن نیز یکی از نیازهای مهمی است که در صنعت راهسازی کشور احساس می شود. بروز خرابی ها در روسازی نه تنها باعث کاهش عمر مفید روسازی و ایمنی استفاده کنندگان از راه می شود بلکه باعث افزایش مخارج نگهداری و بهسازی روسازی و همچنین افزایش زمان سفر می گردد. حساسیت حرارتی بالا و در نتیجه شیارشدگی آسفالت در این دماها، کاهش الاستیسیته در دماهای پایین و به تبع آن ترک خوردگی حرارتی آسفالت و در نهایت خواص ویسکوالاستیک قیر که سبب تغییرشکل دائم و برگشت ناپذیر روسازی آسفالتی زیر ترافیک سنگین می باشد، از جمله ضعف های قیرها و مخلوط های آسفالتی هستند.
با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم نانو در کلیه زمینه های دانش و فناوری، موج جدیدی با هدف بکارگیری این فناوری در عرصه های عملی و فنی مهندسی شکل گرفته است. علم نانو با پیشرفتی باورنکردنی، راهی جدید در منظر مهندسین صنعت قیر و آسفالت در راستای افزایش کیفیت و بالابردن عمر مفید روسازی های آسفالتی قرار داده است.
با توجه به مطالب فوق، در این پژوهش به بررسی عملکرد شیارشدگی مخلوط های آسفالت ماستیک درشت دانه پس از افزودن درصدهای مختلف نانو اکسید آهن پرداخته شده است. در راستای بررسی تاثیرات نانو ماده بر عملکرد مخلوطهای آسفالتی، نمونه های مارشال تهیه شده و آزمایش شیارشدگی جای چرخ روی نمونه ها انجام شده است.
-2 اصلاح کننده ها در مخلوط های آسفالتی
بر اساس گزارش انجمن ملی روسازی در ایالات متحده امریکا، سرمایه گذاری در زیرساخت های حمل و نقل حدود 7 درصد تولید ناخالص ملی را به خود اختصاص داده و سالانه بالغ بر 550 میلیون تن مخلوط آسفالت گرم برای پروژه های ساخت و ساز تولید می گردد. افزایش بارهای ترافیکی و حجم ترافیک همزمان با افزایش قیمت قیر، نیاز به بهبود دوام، ایمنی و کارایی روسازی های آسفالتی با اصلاح قیر را ضروری ساخته است .[1] از حدود سه دهه اخیر به منظور غلبه برمشکلات قیرهای خالص معمولی که به تنهایی از خواص شیمیایی، فیزیکی، رئولوژیکی و چسبندگی محدودی برخوردارند، از مواد اصلاح کننده استفاده شده است. قیر نفتی ایران نیز از این قاعده مستثنی نبوده و در مناطقی که دامنه تغییرات حرارتی شدید، بار ترافیکی سنگین یا بارندگی و یخبندان فراوان باشد به تنهایی قادر به رفع مشکلات مربوط به شرایط مذکور نبوده و لازم است که حتما در خواص آن تغییراتی ایجاد شود. با توجه به ترکیب شیمیایی نفت خام مصرفی پالایشگاه های کشور، قیرهای ایران در حالت عادی، چسبندگی ضعیفی به مصالح سنگی داشته و ویسکوزیته آنها در دماهای مشخص، کمتر از مقادیر مطلوب بوده و با توجه به حساسیت حرارتی بالای آنها نسبت به تغییرات دما، ناگزیر به اصلاح قیرهای موجود می باشیم. در یک تقسیم بندی انواع مواد افزودنی بصورت زیر طبقه بندی می گردند:
الف- مواد رشته ای یا الیافی
این نوع افزودنی به دو صورت طبیعی و مصنوعی موجود بوده که با تقویت قیر، مقاومت کششی آنرا افزایش داده که شکل طبیعی آن به صورت پنبه نسوز، الیاف طبیعی و شکل مصنوعی آن به صورت پلیمری به کار می رود.
ب- مواد اکسیدکننده و ضد اکسیدکننده
این مواد با اکسید و سخت کردن آسفالت در طول عمر روسازی از طریق فعل و انفعالات شیمیایی، افزایش ترکهای انقباضی را به همراه داشته و زمانی که خطر ترک خوردن روسازی در درجه حرارت پایین کم باشد، این مواد مفید واقع می گردند.
2
پ- پرکننده ها
از این مواد جهت پرکردن فضای خالی بین دانه های مصالح سنگی و بهبود پایداری بتن آسفالتی و افزایش چسبندگی بین دانه های مصالح استفاده میشود. سیمان، خاکستر زغال سنگ، گوگرد، گردسنگ، آهک از جمله این مواد هستند.
ث- نانو مواد
با توجه به فناوری نانو، تکنولوژی و پیشرفت و توسعه آن در بخش هایی از قبیل الکترونیک، بیوتکنولوژی، پزشکی و صنایع هوافضا، می توان اثر این فناوری را در بخش مهندسی عمران و ساخت مخلوط های آسفالتی با مقاومت بالا مورد آزمایش و بررسی قرار داد.
-3 دنیای نانو ذرات
فناوری نانو، دنیایی است که در آن با اتمها و مولکولها سر و کار داریم و معنای نانو معنایی مانند یک دوم یا نصف، یک سوم یا ثلث، یک چهارم یا ربع، یک پنجم یا خمس، .. ، یک دهم ، یک صدم و یک هزارم بوده و هر چه مخرج یک کسر بزرگتر می شود مقدار آن کوچکتر خواهد شد. نانو یعنی یک میلیاردم و نانومتر یعنی یک میلیاردم متر.
از آنجاییکه خواص مواد در مقیاس نانومتری به نحو مطلوبی تغییر کرده، نانو فناوری پنجره ای جدید به دنیای مواد باز نموده است که محصول آن امکان ساخت مواد و تجهیزاتی با کارایی بیشتر است. این فناوری با ساختارهای متنوعی از مواد سروکار داشته که ابعادی در محدوده یک میلیاردم متر دارند .[2] در نانو ذرات، تعداد اتم ها و مولکول های سطحی در مقایسه با اتم ها و مولکول های حجمی بیشتر بوده، بنابراین خواص نانوساختارها به طور ویژه ای به وضعیت اتم ها و مولکول های سطحی بستگی دارد.
-1-3 نانو در عمران و روسازی
در رقابت نزدیک شرکتهای بزرگ و کوچک برای عمران و آبادانی و تسریع حمل و نقل، ساخت خانه، پل، تونل ها، راهها و سلامت محیط زیست، فناوری نانو هم نقش داشته است و همواره مطلوبست که هزینه های ساختمان همزمان با افزایش کارایی مواد کمتر شود. کاربرد نانوتکنولوژی در ساخت زیرسازه های مرتبط با حمل و نقل، تقریباً معادل تلاشهای بشر برای فرستادن انسان به ماه در سال 1960 می باشد. کاربرد نانو مواد میتواند ویژگیهای آسفالت مانند مقاومت در برابر خرابی رطوبتی، کششی و طولی را بهبود بخشیده و باعث صرفه جویی در هزینه های نگهداری آسفالت و بهبود خصوصیات کلیدی از قبیل توان فشاری، توان کششی و پایداری در برابر تحمل بار در دماهای بالا شود. نانو تکنولوژی روی مصالحی درابعاد نانو توجه داشته، در حالیکه شالوده مهندسی عمران مخصوصاً روسازی راهها در ابعاد ماکرو متمرکز است .[3]
سوال با ارزش در این راستا این است که چگونه تغییرات در ابعاد نانو میتواند روی خصوصیات و رفتار در ابعاد ماکرو تاثیرگذار باشد و آیا ارزیابی اثرات و مقادیر از مقدار نانو به ماکرو امکان پذیر می باشد؟ به طور کلی، به نظر میرسد که علم و تکنولوژی نانو پتانسیل پیشرفت قابل توجهی به تکنولوژی روسازی آسفالتی دررشته های زیر ارایه می دهد:
· طراحی مواد ( توسعه و بهینه سازی )
· ساخت مواد ( تولید تکنیکی نانو ) و ساخت روسازی
· ویژگی های مواد ( چند عملکردی و تحمل پذیری )
· آزمایش مواد و نظارت روسازی با سنسورهای نانویی
· مدل سازی فیزیکی – شیمیایی رفتار مواد تا ابعاد نانو.
یک بررسی شماتیک روی تمرکز نواحی که علم و تکنولوژی نانو میتواند تکنولوژی روسازی آسفالتی را بهبود دهد در شکل 1 نشان داده شده است. همچنین جدول زیر اهداف و بخش هایی که تکنولوژی روسازی آسفالتی با کاربرد تکنولوژی نانو، دستخوش پیشرفت میشود را به طور خلاصه بیان می کند .[4]
3
شکل :1 بخش هایی از روسازی برای کاربرد نانو مواد
مطابق شکل 1، نواحی که به طور شماتیک در آن علم و تکنولوژی نانو در رابطه با ساختار روسازی آسفالتی می باشد، به قرار زیراست:
-1 اتصال بین سنگ ها ( برشی و کشش / فشاری ) -2 قیر (بهبود در سفت شدگی ، چسبندگی، دوام ، فشار و ....) -3 اتصال بین لایه های آسفالتی (تک کت) -4 عوامل جوان ساز و خود ترمیمی
-5 اکسیداسیون پوشش قیری و ناهمگنی مخلوط -6 خصوصیات سطحی (اصطکاک، ویژگی های نوری، دفع آب ، مقاومت در برابر سایش، خود تمیزشوندگی)، سیل کت هایی برای محافظت سطحی
-7 سطح بدون چسبندگی برای غلطک ها در حین عملیات تراکم -8 اتصال، چسبندگی بین سنگ و قیر
-2-3 مطالعات پیشین
اگرچه بهبودهایی در عملکرد آسفالت با اصلاح کننده های مختلف به دست آمده است، جالب است تا کاربردهای نانو تکنولوژی در بهبود عملکرد روسازی های آسفالتی را دریابیم. با وجود اینکه مهندسین به ویژگی های مواد در ابعاد مزو و ماکرو علاقه بیشتری دارند، اما ابعاد نانو و میکرو، دانش پایه ای برای توسعه علم و تکنولوژی ارائه می دهد. در شکل 2 ابعاد متفاوت مواد در یک مخلوط آسفالتی نشان داده شده است.
شکل :2 ارزیابی ابعاد در یک مخلوط آسفالتی
4
تیم های تحقیقاتی آزمایشات مقدماتی را روی نمونه های اولیه انجام داده اند و در این راستا درصدهای کمی از کامپوزیت های نانورسی را به قیر خالص به امید تولید ترکیبی که به شیارافتادگی در دمای بالا و ترک خوردگی در دمای پایین حساسیت کمتری داشته باشد، اضافه کردند. هدف آنها کاهش چشمگیر حساسیت حرارتی مخلوط در دماهای سرویس با حفظ کارایی آن در دماهای ساخت بوده است. نتایج تحقیق آنها نشان داد که آسفالت اصلاح شده نانویی ممکن است به طور اساسی مقاومت در برابر شیارافتادگی، ترک خوردگی و خستگی ترکیبات آسفالتی را بهبود دهد ژ5ب.
تحقیقات انجام شده در هلند، نشان داد که اصلاح قیر با نانورس، بعضی از خصوصیات قیر و مخلوط آسفالتی را بهبود داده اما قبل از اینکه این مواد در ابعاد وسیع به کار گرفته شوند، تحقیقات بیشتری مورد نیاز می باشد. مهم ترین دلیل محقیقین برای تحقیقات بیشتر در این زمینه آن بود که در حالیکه نانورس مقاومت در برابر شیارافتادگی را افزایش داده، تاثیری بر مقاومت مخلوط ها در برابر خستگی نداشته است ژ6ب.
در چین، تحقیقات مشابهی روی قیر های اصلاح شده با نانوکربنات کلسیم انجام شده است. نتایج این تحقیق نشان داد که نانوکربنات کلسیم، مقاومت در برابر شیارشدگی را افزایش داده و چقرمگی مخلوط آسفالتی در دمای پایین را بهبود بخشیده است. همچنین مشخص شد که مخلوط نانو کربنات کلسیم و قیر، یک سیستم یکنواخت و پایداری را شکل داده که حساسیت دمایی قیر در دماهای بالارا بهبود بخشیده است.
در چین، یو1 در سال 2007، تاثیر مونت موریونیت روی خصوصیات قیر اصلاح شده با پلیمر استایرن- بوتادین- استایرن را مطالعه کرده است. با مخلوط های ذوب شده با مقادیر متفاوت مونت موریونیت سدیم و مونت موریونیت آلی دریافت شده که اضافه کردن مونت موریونیت سدیم و مونت موریونیت آلی، ویسکوزیته قیر اصلاح شده استایرن - بوتادین – استایرن را افزایش داده است. به علاوه، قیر اصلاح شده با نانورس/ استایرن بوتادین استایرن، مدول مختلط بالاتر و زاویه فازی پایین تر با وجود سفت تر و الاستیک تر شدن قیر داشته است. بنابراین تعیین شده است که قیر اصلاح شده با نانورس، مقاومت شیارشدگی خوبی در مقایسه با قیر خالص یا قیر اصلاح شده استایرن بوتادین استایرن داشته است ژ7ب.
عربانی و همکاران در سال 2008 تأثیر نانواکسید روی را بر خصوصیات مهندسی قیر مورد مطالعه قرار دادند. در این بررسی خصوصیاتی از جمله کندروانی قیرها تحت تأثیر نانواکسیدروی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. روش های پیشرفته ای همچون استفاده از هموژنایزرهای مغناطیسی با دور بالا به منظور پراکندن مناسب نانوذرات در قیر بکار گرفته شد. نتایج این تحقیق نشان داد که استفاده از نانو اکسید روی تاثیر مطلوبی بر عملکرد قیر بخصوص در دماهای بالا داشته است
ژ8ب.
-3 برنامه و روش ساخت نمونه های آسفالتی
-1-3 مواد و مصالح مصرفی الف: مصالح سنگی
دانه بندی مصالح سنگی یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر روی استقامت و ظرفیت باربری آسفالت بوده و بر حسب تعریف، دانه بندی مصالح سنگی عبارت است از تعیین درصد وزنی دانه های یک اندازه در مخلوط مورد آزمایش. در راستای بهبود خصوصیات عملکردی مخلوط های آسفالتی لایه آستر و رویه راه، از دانه بندی آسفالت ماستیک درشت دانه با حداکثر اندازه مصالح سنگی 20 میلیمتر و با نسبت های وزنی مندرج در جدول زیر انتخاب شده است. به این منظور مصالح سنگی خشک شده در گرمخانه را در سری الک های شرح داده شده در جدول 1 قرار داده و سپس مجموعه مصالح سنگی و الک ها را به مدت 10 دقیقه بروی یک لرزاننده مطابق قرار دادیم.
5
جدول :1 دانه بندی مورد استفاده در تحقیق
ب: قیرمصرفی
قیر مصرفی، قیر 60-70 پالایشگاه نفت پاسارگاد تهران است که مشخصات آن در جدول 2 درج گردیده است.
جدول :2 مشخصات قیر مصرفی در ساخت نمونه ها
مشخصات نانو اکسید آهن مصرفی در این تحقیق در جدول 3-3 نشان داده شده است.
جدول :3 مشخصات پایه ای نانو اکسید آهن مصرفی در این تحقیق
در اختلاط نانو مواد با قیر، مهم ترین نگرانی انتشار همگن و یکنواخت نانو در قیر بوده که این میتواند با حل کردن نانو در حلال و سپس اختلاط آن در قیر به دست آید . حلال انتخابی، باید توانایی حل شدن در قیر را در دماهای پایین و متوسط بدون تاثیر چشمگیر روی خصوصیات مکانیکی قیر با تبخیر مناسب، داشته باشد. حلال باید ویسکوزیته پایین در دمای اتاق برای پخش یکنواخت نانو مواد داشته باشد. علاوه بر این باید ضریب تبخیر پایینی (پایدارتر) دردمای اتاق و ضریب تبخیر بالایی در دماهای
