مقاله اصلاح خصوصیات قیر با نانورس

word قابل ویرایش
23 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

اصلاح خصوصیات قیر با نانورس

چکیده
در این پژوهش با بهره گیری از دو نوع نانورس متفاوت و متداول در بهبود خصوصیات مصالح ، شامل ۱۵A-Cloisite و ۱۵-Nanofll، تاثیر نانورس بر حساسیت حرارتی قیر با انجام تست های تجربی ، مورد ارزیابی قرار می گیرد. بدین منظور با به کارگیری یک برنامه آزمایشگاهی مدون و انتخاب یک روش ترمودینامیکی خاص ، ابتدا پراکنش و پخش صفحات نانورس در درصد وزنی متفاوت به کمک تکنیک پراش اشعه ایکس مورد بررسی قرار می گیرد. سپس با انجام تست های تجربی و سنتی قیر، یعنی درجه نفوذ، نقطه نرمی و خاصیت انگمی ، عملکرد نانورس های مختلف بر رفتار قیر در درصدهای وزنی متفاوت مطالعه می شود. این نتایج به وضوح نشان می دهد که با افزودن نانورس ، ویسکوزیته و سفتی قیر افزایش یافته و از انعطاف پذیری آن کاسته می شود. شدت و میزان تاثیر نانورس تابع نوع و میزان نانورس است . همچنین با کاهش حساسیت حرارتی ، مقاومت در برابر پیرشدگی نیز افزایش می یابد.
واژه های کلیدی : قیر اصلاح شده ، نانورس ، پیرشدگی ، حساسیت حرارتی و خصوصیات رئولوژی

مقدمه
رشد روزافزون ترافیک در سال های اخیر و افزایش وزن محور وسایل نقلیه ، باعث اعمال نیروهای بیشتر بر سیستم روسازی و رویه های آسفالتی شده و عمر مفید روسازی را کاهش می دهد. از جمله مهم ترین خرابی های موجود در مصالح آسفالتی ، ترک های خستگی ناشی از سنگینی بار ترافیک به دلیل کاهش انعطاف پذیری در دماهای پایین و تغییرشکل ماندگار ناشی از رفتار ویسکوپلاستیک در دماهای بالا است . این خرابی ها با جریان های ویسکوپلاستیک ، تغییرشکل های تراکمی یا برشی ، تشکیل میکروترک ها و گسترش آنها در ارتباط هستند که وابستگی زیادی به حساسیت حرارتی قیر، نوع و مشخصات دانه بندی ، نوع و مشخصات فیلر، شرایط بارگذاری و شرایط محیطی دارند. مشخصات ملات قیری (ترکیب قیر و ذرات ریزدانه ) نقش مهمی در کنترل خرابی و دوام مخلوط های آسفالتی دارد و بر این اساس ، امروزه محققان سعی دارند با استفاده از روش ها و تکنیک های مختلف ، ویژگی های رفتاری ملات قیری را بهبود بخشند. یکی از روش های رایج و موفق در سال های اخیر برای نیل به هدف مذکور، اصلاح قیر با استفاده از مواد پلیمری است .
اما این روش نیازمند تکنولوژی جدید و صرف هزینه های بسیار است . علاوه بر آن به کارگیری افزودنی های مختلف چون الیاف طبیعی و مصنوعی ، فیلرهای مختلف و دیگر اصلاح کننده های فیزیکی یا شیمیایی برای بهبود عملکرد مخلوط های آسفالتی نیز مدنظر بوده است . از جمله نقایص و ضعف های موجود در به کارگیری افزودنی های مختلف ، عدم توانایی آنها در بهبود و رفع تمامی ضعف های مخلوط آسفالتی در کاهش حساسیت حرارتی و بروز ترک های خستگی ، ترک های حرارتی و گودافتادگی است . هدف اصلی این پژوهش بررسی تاثیر به کارگیری نانورس به عنوان نوعی اصلاح کننده نوین بر تغییر و اصلاح حساسیت حرارتی و رفتار قیر است . از آنجا که میکرومکانیسم های عمل کننده در بررسی رفتارهای مختلف بسیار گسترده است و مطالعه کلیه پارامترهای موثر و تعیین ارتباط کیفی و کمی بین آنها، در عمل حجم زیادی را دربر می گیرد، لذا این پژوهش از دیدگاه میکروسکوپی و ماکروسکوپی ، تنها با انجام آزمایش های سنتی چون درجه نفوذ، نقطه نرمی شکل پذیری ، تأثیر نانورس بر رفتار حساسیت حرارتی قیر را مورد ارزیابی قرار می دهد.
با هدف بررسی تأثیر نوع و مزیان نانورس بر حساسیت حرارتی قیر، این پژوهش در دو مرحله دنبال می گردد.
در مرحله اول با استفاده از دو نوع نانورس متداول در اصلاح پلیمرها، شامل ۱۵A-Cloiste و ۱۵-Nanofll، سازگاری آنها با قیر بررسی می شود. بدین ترتیب که با به کارگیری درصدهای مختلفی از نانورس با استفاده
و از یک روش مناسب اختلاط ، پراکنش صفحات نانورس ماتریس قیری روش پراش اشعه ایکس ارزیابی در به
می گردد. در مرحله بعد با ساخت نمونه های نانوکامپوزیت قیر-نانورس ، حساسیت حرارتی قیر اصلاح شده با انجام آزمایش های تجربی و سنتی چون درجه نفوذ، نقطه نرمی و خاصیت انگمی و در شرایط مختلف پیرشدگی (کوتاه مدت و درازمدت ) مورد بررسی قرار می گیرد.
تا کنون تحقیقات متعددی به منظور اصلاح رفتار قیرها با به کارگیری مواد مختلف چون فیلرهای مختلف ، پلیمرها، پودر لاستیک و دیگر ترکیبات شیمیایی انجام شده است .
درباره نقش فیلر و دیگر افزودنی ها بر بتن آسفالتی ، تحقیقات و بررسی های متعددی صورت گرفته است که قدمت آن به ٨۵ سال اخیر برمی گردد. نخستین پژوهشگری که در این زمینه گزارشی را ارائه داد، ریچاردسون در سال ١٩۴١ بود. وی بر این نکته تاکید نمود که فیلر تنها نقش پرکننده نداشته و به صورت یک عامل فیزیکی – شیمیایی در مخلوط عمل می کند. وی با بررسی تاثیر فیلرهای مختلف چون پودرسنگ سیلیسی ، پودرسنگ آهکی و سیمان در مخلوط آسفالتی گرم ، دریافت که با کوچک شدن اندازه ذرات فیلر، سطح جانبی (نرمی فیلر) افزایش یافته و ضخامت غشای قیری اطراف سنگدانه ها افزایش می یابد که باعث مصرف قیر بیشتری می گردد [١]. بررسی عملکرد فیلر بر ملات قیری نشان می دهد که فیلر متناسب با خصوصیات فیزیکی نظیر جنس ، ترکیب شیمیایی ، اندازه ذرات ، سطح ویژه و دانه بندی ذرات باعث تغییر ویسکوزیته قیر خالص می شود. همچنین با افزودن فیلر، ویسکوزیته قیر کاهش می یابد. لازم به ذکر است که حساسیت حرارتی و مقاومت برشی ملات قیری تحت تاثیر نوع و میزان فیلر قرار دارد
[٢- ۴]. در سال ١٣٧۴ تحقیقی در دانشگاه صنعتی شریف به منظور بررسی آهک هیدراته به صورت دوغاب بر افزایش میزان چسبندگی و کاهش حساسیت رطوبتی انجام گرفت که نشان داد آهک هیدراته باعث افزایش قابل توجه مقاومت مخلوط در برابر رطوبت می گردد [۵]. همچنین تحقیقات متعددی در دانشگاه صنعتی امیرکبیر به منظور بررسی اثر آهک و دیگر فیلرها بر عملکرد مخلوط های بتن آسفالتی و به خصوص مقاومت مارشال و کشش غیرمستقیم در سال های اخیر انجام شده که همگی بر تاثیر فیلرهای مختلف دلالت دارد [۶ و ٧].
دالاس و همکارانش در سال ٢٠٠۵ با بررسی تاثیر آهک هیدراته و پودر آهک بر چسبندگی قیر، اندرکنش شیمیایی و فیزیکی این نوع فیلر را مورد بررسی قرار دادند.
آزمایش های مختلفی با رئومتر برشی دینامیکی و رئومتر تیر خمشی همراه با تست های عملکردی چون خستگی و خزش در این بررسی به کار گرفته شد. نتایج این بررسی به وضوح نشان داد که فیلر آهک هیدراته ، شروع ، رشد و توسعه میکروترک ها را به تأخیر می اندازد و جریان برش ویسکوالاستیک و پلاستیک ملات قیری و مخلوط آسفالتی تحت تأثیر این نوع فیلر قرار دارد. بر اساس یک مدل رئولوژیکی در مقیاس نانو، اندرکنش فیزیکی و شیمیایی آهک هیدراته بر میکروساختار قیر مورد ارزیابی قرار گرفت . این تحقیق نشان داد که آهک هیدراته در دماهای مختلف ، اندرکنش شیمیایی بیشتری در مقایسه با پودر آهک دارد. سطح اندرکنش هر نوع فیلر تابع نوع قیر و دمای آزمایش است [٨].
در ارتباط با کاربرد پلیمرها باید گفت که این نوع مواد طی فرآیندهای متفاوت و از طریق ترکیب صدها مونومر.مولکول ١ با یکدیگر و ایجاد زنجیره های طولانی از ترکیب آنها تولید می گردند. افزاینده های پلیمری پس از اختلاط با قیر به صورت شیمیایی با آن ترکیب نشده و حتی قادر به تغییر طبیعت شیمیایی قیر نمی باشند. عملی که پلیمرها انجام می دهند، تغییر خواص فیزیکی قیرها شامل اصلاح نقطه نرمی ، تردشدگی ، شکنندگی و بهبود خواص الاستیسیته ٢ می باشد. پلیمرها با پخش شدن در قیر به واسطه زنجیرهای طولانی مولکولی و ایجاد شبکه ماتریسی در بین مولکول های قیر، خواص قیر را تحت تاثیر قرار داده و آن را تحت کنترل خود در می آورند. یکی از معروف ترین اصلاح کنده ها، کوپلیمر استایرن بوتادین ٣ است که دو ویژگی منحصربه فرد لاستیکی و ترموپلاستیکی را به طور همزمان دارد و می تواند رفتار قیر را در دماهای بسیار پایین و بسیار بالا بهبود بخشد [٩]. اما با این وجود مشکلات معمول استفاده از قیرهای پلیمری اساسا در موارد زیر بروز می کند [١٠]:
• اختلاط پلیمر استایرین بوتادین و قیر فرآیند ساده ای نیست و باید در شرایط کاملا کنترل شده انجام پذیرد.
• با توجه به شرایط سخت قیر پلیمری ، خرید مقادیر کم قیر پلیمری جهت تولید آسفالت اقتصادی نیست .
• به دلیل تفاوت دانسیته قیر و پلیمر، نگهداری قیر پلیمری نیازمند نصب همزن های خاصی است تا از دو فاز شدن مخلوط پلیمر و قیر جلوگیری شود.
• شبکه پلیمری ایجاد شده در قیر در زمان ساخت آسفالت و طولانی مدت آن در دمای بالا، تخریب شده و به دو فاز شدن آن می انجامد.
استفاده از خرده لاستیک فرسوده ۴ جهت تقویت کارآیی و ماندگاری رویه های بتن آسفالتی گرم به خوبی شناخته شده است . مخلوط های آسفالتی حاوی خرده لاستیک ضمن کمک به محیط زیست ، زیر بارهای ترافیکی انعطاف پذیرتر بوده و مانع از تردشدگی لایه آسفالتی می شود. به طوری که ترک خوردگی در اثر انقباض و انبساط کاهش یافته و مقاومت در مقابل ایجاد ترک های انعکاسی و خستگی به شدت افزایش می یابد. علاوه بر این از تشکیل یخ در لایه آسفالتی جلوگیری می نماید و آلودگی صوتی ناشی از عبور ترافیک را کاهش می دهد (جاذب صدا). ولی خرده لاستیک به تنهایی به عنوان ماده اصلاح کننده با قیر وارد واکنش نمی شود و نیازمند افزودن پلیمر وستنانمر ترانس ۵ (مخلوطی از پلیمرهای خطی و مایکروسیلیک ) است . این ترکیب با ایجاد پیوند شیمیایی بین قیر اصلاح شده و پودر لاستیک ، چسبندگی با سنگ دانه را افزایش داده و از آغشته نشدن مصالح به قیر جلوگیری می نماید [١١].
اطلاعات بسیار کمی در ارتباط با کاربرد نانورس در اصلاح قیرها وجود دارد. اما کاربرد آن در اصلاح پلیمرها بسیار زیاد است . قیر نیز نوعی پلیمر با ترکیب شیمیایی بسیار پیچیده است که انتظار می رود نانورس بر رفتار آن تاثیرگذار باشد. نانورس ها، کانی هایی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در حد نانومتر بوده و غالبا به منظور اصلاح خواص پلیمرها به کارگرفته می شوند. خالص بودن و ظرفیت تبادل کاتیونی ، دو خصوصیت مهم برای موفقیت نانورس ها در استحکام پلیمرها محسوب می شود. رس ماده ارزان و در دسترس است که می توان با تغییر یون ها، اشباع کردن آن با عناصر فلزی و ترکیب کردن آن با اسیدها، بعنوان یک کاتالیزور مناسب به کار گرفته شود.
نانوکامپوزیت ها مهم ترین مصالح از نظر ساختمانی در مقیاس نانو هستند که طول اجزای اصلی آنها در مقیاس نانو می باشد. به عبارتی نانوکامپوزیت دلالت بر هر نوع ماده ای با محتوایی در اندازه نانومتر در حداقل یک بعد دارد. نانوکامپوزیت های پلیمری یکی از بیشترین مواد مورد توجه در سال های اخیر هستند به طوری که می توان مشخصات فیزیکی پلیمرها را با مقدار بسیار اندکی نانو مواد چون نانورس و پخش ذرات رس در سطح نانو بهبود داد. متغیرهای زیادی بر مشخصات نانوکامپوزیت ها اثرگذار هستند که بسیاری از آنها قابل کنترل می باشند. این متغیرها به طور کلی شامل نوع ذرات رس ، روش آماده سازی ذرات رس ، انتخاب ترکیبات پلیمر و روش ترکیب کردن پلیمر در نانوکامپوزیت می باشند [١٢].
نانورس
کانی های رس با ساختمان بلوری شکل خود، بسته به درجه و میزان خلوص ، کاربرد وسیعی در تولید نانوکامپوزیت ها دارند. بسیاری از رس ها از سیلیکات آلومین تشکیل شده اند که ساختاری صفحه ای شکل و لایه ای دارند و شامل سیلیکا SiO4 چهاروجهی پیوند یافته با آلومینا AlO6 هشت وجهی در شکل های مختلف هستند. شکل ١ بیان گر رس مونتموریونیت است . ضخامت لایه ها و صفحات رس حدود یک نانومتر و سطح ویژه بسیار بزرگ و معمولا بین ١٠٠ تا m٢ ١۵٠٠ است [١٣].
صفحات رس دارای بار الکتریکی منفی هستند. اما به دلیل وجود یون های مثبت در بین صفحات رس ، با یکدیگر تجمیع شده و ذره رس را شکل می دهند. رس مونتموریونیت اصلاح نشده معمولا قطبی است و به صورت طبیعی با بسیاری از انواع پلیمرها ناسازگار است . شرط لازم برای شکل گیری نانوکامپوزیت رس – پلیمر حذف قطبیت رس و ساخت رس ارگانوفیلیک ١ است . برای دست یابی به این هدف ، نیروی مکانیکی به تنهایی کافی نیست و لازم است به منظور جداسازی لایه ها، نیروی محرک ترمودینامیکی به صفحات سیلیکات اولیه اعمال شود. نیروی محرک ترمودینامیکی را می توان با انتخاب پوشش سطحی فعال مثل صابون های کاهنده کشش سطحی که روی هر سطح اعمال می شود، ایجاد نمود. پوشش سطحی فاصله بین لایه ها را افزایش داده و سازگاری با پلیمرها را بهبود می بخشد و از آنجا که با پلیمر مخلوط می شود، باعث افزایش عمر پیرشدگی نیز می گردد [١٢ و ١٣].
با جداسازی صفحات رس از یکدیگر، نانورس به وجود می آید که دارای سطح ویژه و فعال بسیار بزرگی بین ٧٠٠ تا gr.m٢ ٨٠٠ است . این سطح بزرگ و فعال باعث می شود همواره اندرکنش شدیدی بین نانورس و محیط اطراف (مثلا قیر) وجود داشته باشد. فرآیند و مراحل تبدیل و جداسازی صفحات رس و ایجاد روکش سطحی به نوع ماده ترکیب شونده وابسته است [١٣].
روش ساخت نانوکامپوزیت ها با توجه به شکل قرارگیری صفحات ، انتخاب می شود. شکل ٢ نحوه قرارگیری صفحات در دو نوع ساختار معروف “لایه ای “٢ و “پراکنشی “٣ را نشان می دهد. در ساختار لایه ای ، جزء آلی بین لایه های رس نفوذ می کند. درنتیجه فاصله بین لایه ها افزایش می یابد.
اما لایه ها هنوز ارتباط فضایی خوبی با یکدیگر دارند و به صورت موازی هستند. در این ساختار فاصله بین لایه ای افزایش می یابد و زنجیرهای پلیمر بدون جدا کردن کامل لایه ها بین آنها نفوذ می کنند. در نتیجه یک حالت منظم کریستالی با فواصل تکراری در حد چند نانومتر، بدون توجه به نسبت پلیمر به نانورس ایجاد می شود. خواص این نوع نانوکامپوزیت ها شبیه سرامیک است .
در ساختار پراکنشی ، لایه های رس کاملا از یکدیگر جدا شده و لایه ها به طور مجزا درون ماتریس آلی پخش می شوند. به عبارتی لایه های مجزای سیلیکات یا توده های کوچک برخی از لایه ها به طور همگن در بستر پلیمری پراکنده می شوند. فاصله نهایی بین لایه ها به اندازه و نوع مولکول های کاتیونی آلی ، نحوه عمل آوری ، رفتار و مقدار نانورس وابسته است و به حدی نیست که اثرات متقابلی بین آنها وجود داشته باشد. این ساختار باعث حداکثر تقویت در بستر پلیمری می شود. لذا نوع نانورس اصلاح شده باید طوری انتخاب گردد که پلیمر به طور موثر در فضای بین لایه ها نفوذ کند و برای قیرها رس آلی ۴ پیشنهاد می شود [١٢].

به دلیل غیرقطبی بودن اکثر ترکیبات قیر، بهتر است برای اصلاح قیرها از رس آلی استفاده گردد. اگر نانورس کاملا با قیر سازگار باشد، امکان دست یابی به یک توزیع همگن رس در قیر و در مقیاس نانو با اختلاط سریع وجود دارد.
انتظار می رود همانند پلیمرها، آرایش مناسب درصد کمی نانورس در قیر بتواند مشخصاتی چون مقاومت ، دوام ، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر حلال های آلی را بهبود بخشد. علاوه بر آن نفوذپذیری در مقابل اکسیژن ، دی اکسید کربن ، نیتروژن و بخار آب کاهش می یابد. اگر صفحات رس به خوبی پراکنده نشوند یا پلیمر (قیر) نتواند به طور مناسب بین صفحات با ساختار لایه ای یا پراکنشی قرار گیرد، ممکن است بهبود خاصی حاصل نشود [١۴].
سال های اخیر مطالعات فراوانی پارامترهای در روی کنترل کننده ساختار لایه ای و پراکنشی مخلوط رس – پلیمر انجام شده است . مهم ترین فاکتورهای تاثیرگذار شامل ظرفیت تبادل یونی رس ، قطبیت محیط واکنش و ماهیت شیمیایی کاتیون های بین لایه ای می باشد. انتخاب صحیح رس بهسازی شده برای نفوذ موثر پلیمر، بین لایه های رس بسیار ضروری است و عامل مهم در توسعه نانوکامپوزیت ها، توسعه مواد شیمیایی سازگارکننده است . برای ماتریس نانوکامپوزیت می توان از پلیمرها یا مونومرها استفاده کرد.
در مورد مونومرها عمل پلیمریزاسیون به صورت درجا انجام شده و نانوکامپوزیت رس – پلیمر تشکیل می شود.
امروزه موفق ترین روش ساخت نانوکامپوزیت های نانورس ، شامل پلیمریزاسیون درجا، مخلوط کردن محلولی و مخلوط کردن مذاب است . مخلوط کردن به روش مذاب معمولا با به کارگیری تجهیزات مرسوم فرآوری پلیمر چون اکسترودر١ انجام می شود. این روش با اعمال تنش برشی زیاد موجب خرد شدن توده های نانورس و تسهیل پخش صفحات می گردد. در این پژوهش از یک فرآیند ترمودینامیکی و بدون حضور هر نوع سازگاردهنده ، برای تولید نانوکامپوزیت نانورس و قیر استفاده می شود.
بین ساختار قیر و پلیمر تفاوت فاحشی وجود دارد و قیر نوعی پلیمر بسیار پیچیده است . ساختار پلیمرها به خوبی شناخته شده و می توان آنها را بسته به نیاز اصلاح کرد.
اما ساختار قیر بسیار پیچیده و ناپایدار است . به طوری که ساختار آسفالتین ها در قیر به ترکیب شیمیایی قیر و دما وابسته است . در دمای معمول که قیر حالت ژله ای دارد، آسفالتین ها شبکه ای و با پیوندهای بسیار زیاد هستند. در دمای بالا که قیر ذوب می شود، آسفالتین ها با یکدیگر پیوندی نداشته و شبکه ضعیفی دارند. لذا طبیعت پیچیده قیر می تواند دست یابی به یک اندرکنش موفق بین قیر و رس را با مشکل روبرو نماید.
ترکیب شیمیایی قیر
قیر یک ماده مرکب از نفت خام است که به عنوان یک ماده کلوئیدی متشکل از دو فاز پیوسته و گسسته شناخته می شود. فاز گسسته شامل آسفالتین ها از مولکول های سنگین و نیمه پلیمری آلیفاتیک و آروماتیک تشکیل شده که به صورت گسسته و همگن و یا به صورت کلاف و گلوله ای با پیوند الکتروستاتیک (به شکل خوشه ای ) در قیر پراکنده شده اند. مالتن ها فاز پیوسته در قیر هستند که مرکب از روغن ها و رزین های مختلف می باشند [١۵].
تعیین مولکول های قیر یعنی ترکیبات شیمیایی تکراری قیر کار بسیار مشکل و پیچیده ای است . جدول ١ ترکیب عمومی اکثر قیرها را نشان میدهد.
تحلیل اشعه ایکس نشان می دهد که آسفالتن ها دارای الگویی از ورقه های آروماتیک به عرض ٩ تا A° ١۵ و ضخامت ١۶ تا A° ٢۴ هستند. ذرات آسفالتن به صورت گسترده به یکدیگر چسبیده و خوشه های آسفالتن را تشکیل می دهند.
آسفالتن ها با رزین هایی که جذب سطحی شده اند، ذرات باردار بزرگ تری با ابعاد ١٠ تا nm ٢٠ تشکیل می دهند. این ذرات می توانند به یکدیگر چسبیده و ذراتی با ابعاد ٢٠٠ تا nm ٢٠٠٠ تشکیل دهند.
آسفالتین ها دارای وزن مولکولی بزرگی نسبت به مالتن ها هستند. در نتیجه توده های آسفالتن نسبت به فاز مالتن سفت تر می باشند. ولی فاز مالتن از مولکول های ریزتری تشکیل شده و یک فاز مایع با ویسکوزیته زیاد است . ذرات کلوئیدی قیر ابعادی بین ١٠ تا nm ١۵ دارد که می توان با بهره گیری از طبیعت انتقال بار الکتریکی در سیستم های آروماتیک ، ساختار ماکرو قیر را به صورت شکل ٣ پیشنهاد داد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 23 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد