بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی آزمایشگاهی تاثیر نانواکسید آهن بر مدول سفتی مخلوط های آسفالت ماستیک درشت دانه
چکیده
عمر روسازی های آسفالتی در کشورمان معمولاً بسیار کم تر از دوره طراحی آن می باشد. برای این امر دلایل بسیاری مانند اجرای ضعیف، عدم انجام عملیات ترمیم و نگهداری به موقع، استفاده از مصالح نامرغوب و غیره وجود دارد. اما یکی از روشهایی که می تواند عمر روسازی آسفالتی را افزایش دهد، ارتقاء مشخصات اجزای تشکیل دهنده مخلوط آسفالتی، یعنی ماده چسباننده قیری و مصالح سنگی می باشد که در سال های اخیر تلاش ها و مطالعاتی در این باره در سرتاسر دنیا و کشور عزیزمان صورت گرفته است. آن چه در این تحقیق مورد نظر است، ارتقاء عملکرد مخلوط های آسفالت SMA (به ویژه در بحث سختی)، با استفاده از افزودنی نانو اکسید آهن به عنوان اصلاح کننده قیر می باشد. اهمیت این مطالب از آن جاست که قیر مصرفی بخش اثرگذار یک مخلوط آسفالتی را تشکیل می دهد و بنابراین خصوصیات ماده افزودنی که یکی از مهم ترین مشخصات قیرهای اصلاح شده است، تأثیر مستقیم بر خصوصیات آسفالت تهیه شده از آن می گذارد. نتایج این تحقیق نشان می دهد کاربرد این ماده افزودنی توانسته تا حد قابل توجهی مدول سفتی مخلوط های آسفالت ماستیک درشت دانه را افزایش دهد.
واژههای کلیدی: آسفالت ماستیک درشت دانه، قیر، نانو اکسید آهن، مدول سفتی
-1 مقدمه
راه ها به عنوان شریان های اقتصادی هر کشوری بوده که دارای اهمیت ویژه ای می باشد. به همین دلیل زیر ساخت های حمل و نقل و در نتیجه روسازی راه ها همواره به عنوان سرمایه های هر کشوری مطرح هستند. در نتیجه حفاظت از این سرمایه ها از الویت های سیاست گذاری کشورها می باشد. این در حالی است که تقریباً تمام روکش های جاده های کشور از نوع روسازی انعطاف پذیر می باشد ولی این روکش ها به دلیل این که بخشی از آن را قیر تشکیل می دهد و قیر به دلیل
خواص ویژه ای که دارد نمی تواند همواره در تمام شرایط بارگذاری و دمایی عملکرد مناسبی داشته باشد .[1]
عمر روسازی های آسفالتی در کشورمانمعمولاً بسیار کمتر از دوره طراحی آن می باشد. برای این امر دلایل بسیاری مانند اجرای ضعیف، عدم انجام عملیات ترمیم و نگهداری به موقع، استفاده از مصالح نامرغوب و غیره وجود دارد. اما یکی از روشهایی که می تواند عمر روسازی آسفالتی را افزایش دهد، ارتقاء مشخصات اجزای تشکیل دهنده مخلوط آسفالتی، یعنی ماده چسباننده قیری و مصالح سنگی می باشد که در سال های اخیر تلاش ها و مطالعاتی در این باره در سرتاسر دنیا و کشور عزیزمان صورت گرفته است. مهم ترین عواملی که در به کارگیری مواد افزونی در مخلوط های بتن آسفالتی مؤثر می باشد عبارتند از :[2]
1
· قیمت آسفالت: در صورتی که قیمت مصرفی قیر بالا باشد، بعضی مواد افزونی این خاصیت را داشته که با قیمت پایین تر بتوانند جایگزین مقادیری از قیر مورد نیاز در تهیه بتن آسفالتی شده و باعث صرفه جویی در مقدار قیر مصرفی و در نتیجه کاهش مخارج تهیه آسفالت شوند.
· ضخامت کم لایه های آسفالتی حاوی بعضی مواد افزودنی: استفاده از بعضی مواد افزودنی باعث افزایش استقامت و قدرت باربری بتن آسفالتی شده است و استفاده از لایه های آسفالتی نازک تری را امکان پذیر می سازد و در نتیجه مقدار مصالح سنگی و قیر مصرفی کم تر شده و در خیلی موارد، مخارج تهیه و پخش و کوبیدن آسفالت نیز کاهش می یابد.
· کاهش عملیات ترمیم و نگهداری و طولانی تر شدن فواصل بین به سازی های عمده: ازدیاد روزافزون
ترافیک در راه های اصلی، بستن مسیر و بهسازی و مرمت را مشکل می کند. هم چنین با بالا رفتن مخارج مرّمت، به کار گرفتن آسفالت هایی با کیفیت بهتر را بیش از پیش ضروری می سازد. با استفاده از مواد افزودنی مختلف می توان خواص مکانیکی بتن آسفالتی را در دراز مدت بهبود بخشید و میزان بهسازی و مرمت را کاهش
داد.
· به کار گرفتن تولیدات جدید صنعتی و وسائل جدید در تولید و اجرا: با پیشرفت صنایع و افزایش تنوع در تولیدات جدید، هر روزه مواد جدیدی که می توان در تهیه بتن آسفالتی از آن استفاده کرد به بازار عرضه می شود. پیشرفت تکنولوژی راه سازی، استفاده از چنین موادی را در بتن های آسفالتی امکان پذیر می کند. هم چنین، به بازار آمدن ماشین آلات و وسایل آزمایشگاهی دقیق تر و مدرن تر، کارکردن با آسفالت های مخلوط با مواد جدید را عملی و آسان می سازد.
امروزه با استفاده بهینه از خواص مواد معمول و در دسترس، مواد ویژه ای تهیه می شود که اثرات کاملا متفاوتی با تصورات انسان ها دارد. گروهی از این مواد که امروزه تحت عنوان دانش نانو تکنولوژی ارائه می شود به دلیل مشخصات ویژه مواد در مقیاس نانو باعث ایجاد خواص ویژه ای می شود که در تولید و اصلاح مواد مختلف کاربرد پیدا کرده است. ورود کشورها به عرصه نانو فناوری اجتناب ناپذیر است. بسیاری از صاحب نظران و محققان، نانو فناوری را مساوی در اختیار داشتن آینده دانسته اند. درحالی که در بسیاری از فناوری ها به دلیل ایجاد شدن شبکه ای غیر قابل نفوذ شانس چندانی برای محققان کشورمان وجود ندارد ولی برای ورود به عرصه نانو فناوری، فضای کار بازی وجود دارد .[3]
هرگونه تصمیم گیری برای استفاده از فناوری های جدید لازم است ات در زمان مناسب به خود صورت گیرد وگرنه بعد از فعالیت وسیع کشورها و شکل گیری بازارهای آن به دلیل تحقق کاربردهای مختلف آن، تحریم هایی نیز انجام خواهد شد و حضور در آن غیر ممکن خواهد بود. لذا هم زمان با سایر تلاش های محققان کشورمان، ورود به عرصه نانو فناوری در علوم عمرانی و زیر ساخت های حمل و نقل کشور، ضروری به نظر می رسد.
با توجه به مطالب فوق، در این تحقیق از نانو اکسید آهن به عنوان ماده ای که کاربرد آن به دلیل ویژگی های بسیار جالب آن در صنایع مختلف رو به گسترش می باشد به عنوان اصلاح کننده قیر استفاده شده و تاثیر آن بر یکی از اصلی ترین مشخصه های مکانیکی مخلوط های آسفالت ماستیک درشت دانه (مدول سفتی) مورد بررسی قرار می گیرد.
-2 آسفالت ماستیک درشت دانه1
آسفالت ماستیک درشت دانه، مخلوط آسفالت گرم با دانه بندی گسسته2 است که از دو بخش سنگ دانه ای درشت، و ملات پر قیر (مخلوط قیر، فیلر و افزودنی های تثبیت کننده3 شامل الیاف سلولزی و یا معدنی) تشکیل می شود. این مخلوط
2
آسفالتی باید ساختار سنگدانه ای درشت4 با تماس درشت دانه به درشت دانه5 داشته باشد. در این آسفالت، درشت دانه ها به مصالح مانده روی الک 4/75 میلی متر اطلاق می شود، ضمن آن که از الک 2/36 میلی متر (شماره (8 نیز می توان برای این منظور استفاده کرد. شکل 1 نمایی از مخلوط آسفالت ماستیک درشت دانه را نشان می دهد .[4]
شکل :1 نمایی از مخلوط آسفالت ماستیک درشت دانه
در استفاده از SMA به عنوان یک لایه آسفالتی، مزایای زیر قابل برشماری است:
· دوام بالا
· نفوذپذیری پایین
· آلودگی صوتی ترافیک کم
· مقاومت بالا در برابر ترک های انعکاسی
· مقاومت بالا در برابر شیار افتادگی
از آسفالت ماستیک درشت دانه عمدتاً به عنوان قشر رویه در مناطق گرمسیر و راه های با آمد و شد زیاد و بار محوری سنگین استفاده می شود. این آسفالت به دلیل استفاده از مصالح سنگین صد در صد شکسته و مرغوب، مصرف نسبتاً زیاد سنگ دانه های بزرگ تر از 4/75 میلی متر در مقایسه با دانه بندی های پیوسته، با ساختار تماس سنگ دانه های درشت به یکدیگر که عامل افزایش استحکام و مقاومت آسفالت در مقابل شیار افتادگی و تغییر شکل دائم می شود و مصرف نسبتاً زیاد قیر، از پایائی و دوام زیادتری نیز برخوردار می باشد. آسفالت ماستیک درشت دانه، موجب زهکشی آب های سطحی، کاهش پاشش آب ناشی از ایستایی، افزایش ضریب اصطکاک و مقاومت لغزشی رویه راه می شود. به طور کلی می توان مهم ترین مزایای این محصول را موارد زیر برشمرد :[5]
· مقاومت بالا در برابر شیار افتادگی
· مقاومت بالا در برابر ترک خوردگی
· مقاومت مناسب در برابر سرخوردگی
· آلودگی صوتی سطحی پایین
· سطح پایانی با کیفیت مطلوب
· دوام بالا
· مقاومت در برابر خوردگی و پوسیده شدگی (جدا شدگی)
· بدون حساسیت نسبت به آب
3
SMA دارای معایبی نیز می باشد که می توان به موارد زیر اشاره کرد:
· هزینه افزایش یافته با توجه به مقدار قیر بیشتر، مقادیر فیلر و استفاده از افزودنی
· زمان اختلاط بیشتر و زمان مورد نیاز برای ترکیب افزودنی با مخلوط
· تأخیر در باز کردن روسازی به روی ترافیک
· مقاومت لغزندگی کم
-3 مصالح و آزمایشات
-1-3 مصالح مورد استفاده
مصالح سنگی 90 تا 95 درصد وزنی و 75 تا 85 درصد حجمی مخلوط های بتن آسفالتی را شامل می شود. ساختار مقاومتر مصالح سنگی منجر به ساخت مخلوط های بتن آسفالتی با مقاومت بالا در مقابل تغییر شکل ناشی از بارگذاری تکرار شونده می شود. مصالح سنگی و دانه بندی، تأثیر قابل توجهی روی مقاومت و عملکرد مخلوط های بتن آسفالتی دارد. مصالح سنگی استفاده شده در این تحقیق برای ساخت نمونه های آسفالت ماستیک درشت دانه از کارخانه آسفالت ماکادام شرق در استان تهران تهیه شده است. دانه بندی انتخابی مصالح سنگی بر اساس پیشنهاد نشریه 234 حد وسط دانه بندی SMA با حداکثر مصالح سنگی 20 میلیمتر می باشد که مطابق شکل 2 می باشد.
شکل:2 منحنی دانه بندی مصالح سنگی
آزمایش های تعیین وزن مخصوص حقیقی، وزن مخصوص ظاهری و درصد جذب آب مخلوط مصالح سنگی مانده روی الک شماره 8، بر اساس استاندارد AASHTO-T85 و مصالح رد شده از الک شماره 8 و مانده روی الک شماره 200، بر اساس استاندارد AASHTO-T84 انجام پذیرفت. هم چنین وزن مخصوص مصالح رد شده از الک شماره 200 بر اساس استاندارد AASHTO-T100 تعیین گردید. نتایج حاصله از این آزمایش ها به انضمام مقدار وزن مخصوص حقیقی مخلوط مصالح سنگی در جدول 1 درج گردیده است.
4
جدول :1 وزن مخصوص مصالح سنگی مخلوط های آسفالت ماستیک درشت دانه
قیر در مخلوط بتن آسفالتی به عنوان یک عامل چسباننده عمل می کند که مصالح سنگی را به صورت یک حجم پیوسته پیوند می دهد. قیر مصرفی مورد استفاده در این تحقیق، قیر خالص با درجه نفوذ 60-70 پالایشگاه نفت پاسارگاد تهران بوده که مشخصات آن در جدول 2 درج گردیده است. همچنین در این تحقیق از نانواکسید آهن با فرمول شیمیایی Fe2O3 و با مشخصات مندرج در جدول 3 مورد استفاده قرار گرفت.
جدول :2 مشخصات پایه ای قیر مصرفی در این تحقیق
جدول :3 مشخصات پایه ای نانو اکسید آهن مصرفی در این تحقیق
به منظور دستیابی به اهداف این تحقیق لازم است تا مخلوط های همگنی از قیر و نانواکسیدآهن ایجاد گردد. دستیابی به نتایج مطلوب تر تا حد زیادی وابسته به شیوه اختلاط قیر و نانو می باشد. اختلاط نامناسب می تواند مانع از دستیابی به نتایج مناسب گردد. در این تحقیق درصدهای مختلف نانو 0/3)، 0/6، 0/9، %1/2 نسبت به وزن قیر) به قیر افزوده شده و عمل اختلاط توسط همزن دور بالا صورت پذیرفته است. در این تحقیق از روش تر به منظور اختلاط قیر و نانواکسید آهن مورد استفاده قرار گرفته است بدین صورت که ابتدا نانو در حلال کروزن6 پخش میگردد. به منظور انجام اختلاط ابتدا قیر را تا دمای 150 درجه گرم نموده و با فواصل زمانی مشخص، نانو ذرات به آرامی در کاسه همزن مکانیکی با 4000 دور، اضافه گردید و عملیات هم زدن تا جایی ادامه یافت که مخلوطی همگن از قیر و نانو ذرات ایجاد گردد .[6]
5
-2-3 آزمایش تعیین مدول سختی به روش کشش غیر مستقیم
مدول سفتی از معیارهای سنجش سختی مخلوط آسفالتی می باشد. مدول سفتی رابطه ی بین تنش و کرنش را بیان کرده و در روش مکانیستیک طراحی روسازی، یکی از پارامترهای ورودی برای طراحی می باشد. انجام این آزمایش با اندازه گیری مقاومت کششی غیر مستقیم در بارگذاری تکراری با استفاده از دستگاه آزمایش 7 UTM صورت می پذیرد که در شکل 3 نمایی از آن نمایش داده شده است. نمونه ها با مقدار قیر بهینه ساخته شده و تحت نیروی قطری در بارگذاری تکراری قرار گرفتند. این دستگاه شامل سیستم کنترل و ثبت داده و نرم افزار مربوط می باشد. این آزمایش با توجه به استاندارد ASTM D4123- 82 انجام گرفته است .[7]
از آن جا که در آزمایش مدول سفتی معمولاً بارهای اعمال شده کوچک هستند این آزمایش غیر مخرب محسوب می شود و از نمونه های ساخته شده موجود می توان در آزمایش های دیگر نیز استفاده نمود. لازم به ذکر است در محاسبه مدول سفتی توسط نرم افزار موجود در دستگاه UTM از رابطه 1 که در استاندارد ASTM D4123 به آن اشاره گردیده، استفاده شده است.
(1)
:Ms مدول سفتی (مگاپاسکال) :P بار تکراری (نیوتن)
: نسبت پواسون، این ضریب برای نمونه های آسفالتی با دما تغییر پذیر می باشد. در نتیجه در آزمایش مدول سفتی این مقدار در دمای 5 درجه برابر 0/25، 15 درجه برابر 0/3، و در دمای 25 درجه سانتی گراد برابر 0/35 فرض گردیده است.
:t ضخامت نمونه (میلی متر)
:H تغییر شکل افقی برگشت پذیر (میلی متر)
شکل :3 دستگاه آزمایش UTM
