بخشی از مقاله
چکیده:
پارامترهای متعددی بر عملکرد مخلوط آسفالتی در برابر بارگذاری و شرایط محیطی موثر هستند. از مهمترین پارامترهای موثر میتوان به نوع و درصد فیلر مورد استفاده در طرح اختلاط مخلوط آسفالتی اشاره کرد. فیلرریزترین مصالح سنگی استفاده شده در تهیه مخلوط بتن آسفالتی است که وجود آن در مخلوط آسفالتی برای تولیدمخلوطی متراکم، چسبنده، بادوام و مقاوم در برابر آب ضروری است. تغییرات جزئی در مقدار یا نوع فیلر میتواند باعث ایجاد تغییرات آشکار در خصوصیات مخلوط آسفالتی شود.
بر این اساس در این پژوهش به بررسی تاثیر دو نوع فیلر سیمان و نانوسیلیس در دو درصد مختلف به عنوان جایگزین بخشی از فیلر اصلی در نمونههای مخلوط آسفالتی ساخته شده با دو نوع سنگدانه سنگآهک و گرانیت پرداخته شده است. فیلر سیمان به عنوان جایگزین بخشی از فیلر اصلی قبل از اختلاط با قیر به مصالح سنگی اضافه میشود اما فیلر نانوسیلیس به عنوان بخشی از فیلر اصلی، به قیر اضافه شده و با همزن دور بالا یک قیر اصلاحشده و همگنی را تولید میکند. در ادامه، با توجه به درصد قیر بهینه برای هر مخلوط، آزمایشهای مدول برجهندگی برای تعیین عملکرد مقاومتی در برابر بارگذاری و نسبت مقاومت کششی غیرمستقیم برای تعیین حساسیت رطوبتی مخلوطهای آسفالتی انجام شده است.
نتایج آزمایشهای مدول برجهندگی نیز نشان میدهد که استفاده از نانوسیلیس و سیمان به نحو مطلوبی توانستهاند مدول برجهندگی نمونههای حاوی این دو نوع از فیلر را بهبود دهند. افزایش در نمونههای حاوی نانوسیلیس در بهبود مدول برجهندگی بسیار چشمگیر است. همچنین، بررسیهای انجام شده بر اساس نسبت مقاومت کششی غیرمستقیم نشان میدهد هر دو نوع فیلر جایگزین، مخصصوصا سیمان، به نحو مناسبی توانستهاند مقاومت مخلوطهای آسفالتی در برابر خرابی رطوبتی را بهبود دهند.
کلمات کلیدی: مخلوط آسفالت گرم، فیلر، نانومواد، خرابی رطوبتی، مدول برجهندگی
-1 مقدمه:
دربسیاری ازکشورهای صنعتی پیشرفته ازحدودسه دهه قبل درچارچوب قوانین سختگیرانه زیست محیطی مقررات خاصی برای میزان مجازگردوغبارمتصاعد شده ازکارخانههای آسفالت وضع گردید. این قوانین کارخانهها را مجبور به نصب صافیهای غبارگیر ازنوع کیسهای خشک نمود. درنتیجه غبارجمعآوری شده دراین نوع غبارگیرها که اغلب ریزتر از فیلر متعارف بوده وبخش زیادی ازآن را ذرات ریزتر از 10 میکرون تشکیل میدهد ،خود منبع جدید و جایگزینیبرایتامینفیلرگردید. تعیین خصوصیات غبارجمعآوری شده وکیفیت عملکردآن درآسفالت خودموضوع تحقیقات گستردهای درچنددهه اخیربوده است.
درکشورماعلی رغم کافی نبودن فیلرتولیدشده درروندفرآوری مصالح سنگی غالباتمام ویابخش زیادی ازغبارایجادشده درفرآیندتولیدمخلوط آسفالت به هدررفته وموجب آلودگی محیط میگردد. فیلربخش بسیارریزدانه مصالح سنگی بتن آسفالتی است که به طورمعمول درروندفرآوری مصالح سنگی بدست میآید. فیلربه عنوان یکی ازاجزای تشکیلدهنده مخلوطهای آسفالتی نقش مهمی درمشخصات ورفتارمخلوط ایفامیکند. فیلرنقش یک ماده داخلی برای پرکردن خلابین مصالح درشت دانه درمخلوط رادارد. ازجهت دیگر،فیلربه خاطرنرمی ومشخصات سطحی خودنقش یک ماده فعال راایفامیکند. استفاده ازفیلردرایجادچسبندگی بین قیروتوده سنگی نقش مهمی دارد.
این خصوصیات اثرزیادی براصلاح خواص مخلوط بتن آسفالتی همچون رفتارمکانیکی،درصدقیربهینه،دوام وقابلیت نفوذاین مخلوط دارد. درهرنقطه ازکشورمان متناسب باوضعیت آب وهوایی ووضعیت جغرافیایی آن وباتوجه به مصالح موجودمحلی میتوان باانتخاب قیر،مصالح وفیلرمناسب به اصلاح خصوصیات بتن آسفالتی پرداخت که باتوجه حجم عظیم مصرف بتن آسفالتی درکشورنتیجه هرتجربه کوچک دراین زمینه میتواندباعث صرفهجوییهای بسیاربزرگ درسطح ملی شده وباعنایت به این موضوع که درسطح کشورهیچ تحقیق مدونی درزمینه کاربردانواع مختلف فیلردربتن آسفالتی صورت نگرفته است،توجه به این مطلب ازاهمیت خاصی برخورداراست.
مهمترین نقش فیلردربتن آسفالتی افزایش عمرروسازی وازدیادمقاومت آن دربرابرنفوذآب است. علاوه براین،استفاده ازفیلردربتن آسفالتی سبب ازدیادقدرت باربری،کاهش تغییرشکل نسبی،افزایش مقاومت دربرابرضربه،افزایش مقاومت برشیوفشاری،افزایش کندروانی قیروکاهش شکنندگی آن می شود. ضمن اینکه مصرف زیادفیلردربتن آسفالتی باعث سخت شدن مخلوط ومشکل شدن عملیات تراکم میشود،بطوریکه اگرفیلررابدون افزایش قیراستفاده نمایند،مقاومت مارشال کاهش مییابد.درسالهای اخیربرای بهبودخواص رئولوژیکی قیرازروشهای مختلفی توسط محققان استفاده شده است.
یکی ازروشهای بهبودخواص عملکردی قیراستفاده ازافزودنیهای مناسب است. تاکنون افزودنیهای رایجی مانندافزودنیهای پلیمری وواکسهابرای اصلاح رفتارقیردردماهای بالاوپایین مورداستفاده قرارگرفتهاند. باظهورنانوفناوری نانوموادجهت اصلاح خصوصیات قیرومخلوطهای آسفالتی توسط محققان بکارگرفته شدند. نانوموادبه علت داشتن سطح مخصوص بالاوایجادشبکهای قوی درقیراغلب باعث سختشدگی قیر،افزایش مقاومت دربرابرشیارشدگی،افزایش مدول برجهندگی آسفالت ودربرخی مواردباعث افزایش عمرخستگی قیرومخلوط آسفالتی میشود. نانوفناوری دارای سابقه زیادی نیست. براساس مفاهیم ذکرشده،این تحقیق قصدداردتأثیرنوع فیلربرخواص مکانیکی ودوام مخلوطهای آسفالت گرم رامورد بررسی قراردهد.
-1-1 مروری بر مطالعات پیشین
گروه بندیهای مختلفی از مواد افزودنی شده است. به طور کلی این مواد به چند گروه به شرح زیر تقسیم میشوند:
-1 پلیمرها -2 پرکنندههای معدنی -3 مواد جایگزین شونده -4 مواد رشته ای یا الیاف -5 اکسید کنندهها و اکسید شوندهها -6 مشتقات نفتی یا هیدروکربنها -7 اتصالدهندهها -8 مواد ضد عریان شوندگی.[2 ,1]
یک دسته اصلی از افزودنیهای مورد استفاده در مخلوطهای آسفالتی فیلرها هستند. این موادبیشتربه منظورپرکردن فضای خالی بین دانههای مصالح سنگی وبهبودبخشیدن به دانهبندی مصالح،پایدارکردن آسفالت حاصل وافزایش چسبندگی بین مصالح به کارمیروند. ازجمله موادپرکننده،میتوان گردسنگ سیمان،خاکسترذغال سنگ،نرمه ذغال سنگ مرغوب،گوگردوآهک رانام برد. علاوه برپرکردن فضای خالی مصالح،موادمذکورهریک بسته به ویژگیهای خود،تاثیرات متفاوتی برروی مخلوط خواهندداشت. عمل مخلوط کردن پرکنندههابامصالح بایدبادرصدصحیح وبطوریکنواخت انجام گیردتاآسفالت حاصل یکنواخت شود.
بکاربردن مقداربیش ازحدپرکنندههاباعث پرشدن کامل فضای خالی بین مصالح شده واین سبب میشودکه قیرکافی درمخلوط واردنشده وآسفالت حاصل مقاومت ودوام لازم رانداشته باشد. آیین نامههاحدوددرصدمجازپرکنندههارامشخص میکنند،معمولانسبت وزن پرکننده به وزن آسفالت حدود 5 تا 12 درصداست. این مواددرزمان تهیه آسفالت به مصالح افزوده میشوند .[46] نانومواد به عنوان یک تکنولوژی رو به رشد قابلیت به کارگیری به عنوان فیلر را در مخلوط آسفالتی دارا میباشند. استفاده از نانوتکنولوژی در صنعت قیر و آسفالت چندان گسترده نیست.پارتل و همکاران [3] پیش بینی کرد نانوتکنولوژی پتانسیل بالایی در پیشرفت تکنولوژی روسازی آسفالتی در حوزههای طراحی مصالح، ساخت، خواص، آزمایشات،نظارت و مدلینگ به همراه دارد.
مخصوصاً بخشهای مورد توجه در آنالیز روسازی آسفالتی، باید شامل پیوندهای بین سنگدانه، پیوندهای بین لایهها، خصوصیات جرمی، خود ترمیمی و جوان سازی مخلوط، اثرات پیری و بهبود در سطح در اثر عبور چرخ، باشد.در تحقیقی دیگر نشان دادند که مواد جامد همراه با قیر در نفت خام میتواند بعنوان ذرات بسیارریز رسهای سیلیکات آلومینیوم پوشیده و به شدت محدودبا ماده ارگانیک غیرقابل حل تولوئن با خصوصیات آسفالتین توصیف گردد.تحقیقات ساختار کلوئیدی قیر، مشخص کرد که قیر همچنین میتواند بعنوان یک مخلوط هیدروکربنی که ساختارش بهتر با مدل کلوئیدی با ذرات جامد - آسفالتین - همراه با مقداری نانوذرات پراکنده در شبکه مایع نفتی - مالتین - قابل نشان دادن است، توصیف کرد.[4]
بهاسین و همکاران[5]شبیه سازی مولکولی برای ارزیابی ترکهای خودترمیمی در قیر آسفالت انجام دادند. این شبیه سازیها، روی چگالی انرژی گروهی از مولکولها زیر شرایط خاص، متمرکز بود. تحلیل خود انتشاری مولکولهای مخلوط قیری، نشان داد که یک همبستگی خوبی بین طول زنجیره مولکولی و شاخههای مولکولی در خودانتشاری مولکولها در رابطه با ترک و در نتیجه روی خواص خودترمیمی مخلوط وجود دارد.لیاو و همکاران [6]یک کاربرد جدید را توصیف کردند که اصلاح با اکسید تیتانیوم به عنوان درمانی در مقابل تخریب اشعه فرابنفش و فرسودگی ارزیابی گردید. مخلوطهای قیری تحلیل آنها نشان داد که اکسید تیتانیوم در ابعاد نانو، میتواند به طور مثبتی روی پیری قیر اثر بگذارد اگر به نرخ کم به کاربرود، منجربه نرخهای پایین پیرشدگی میگردد.
تحقیقات مختلفی تاثیر اضافه کردن نانورس در قیر را ارزیابی میکنند.[7] وان دون و همکاران[8] دریافتند که وقتی سختی و ویسکوزیته قیر مشخصی با اضافه کردن یک نوع مونموریونیت نانورس تحت تاثیر قرار نگرفت، نوع دیگر مونموریونیت نانورس روی سختی و ویسکوزیته تاثیر میگذارد.مقاومت در برابر پیرشدگی قیر در برابر کوتاه مدت و بلند مدت برای یک نانورس بهبود یافته است.در تحقیق دیگری، تأثیرات افزودن نانوذرات Airosil200 به مصالح سنگی، بر روی مشخصات مارشال نمونههای آسفالتی لایه توپکا مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت. مقاومت نمونههای محتوی 0/157 درصد نانو ذرات، 14/4 درصد بیشتر از مقاومت نمونههای فاقد نانو ذرات بوده اند.
این تحقیق نشان میدهد که بیشترین تأثیر افزودن نانو ذرات Airosil200، بر روی مقاومت نمونهها بوده و بر روی سایر پارامترها تأثیر خفیفی داشته است.[9]پژوهشی که در سال 2007 انجام شد نشان داد افزودن نانو رس به قیر در جهت افزایش عمر خستگی روسازیهای آسفالتی مورد آزمایش قرار گرفت. آزمایش کشش غیرمستقیم بر روی نمونههای استوانهای ساخته شده از قیرهای استاندارد و اصلاحشده در سطوح تنش 200، page17300، 400 و 500 کیلوپاسکال نشان داد که افزودن 2 درصد نانو رس به قیر باعث افزایش عمر خستگی روسازی آسفالتی شده است.[8]در این پژوهش که در سال 2008 انجام شد، از دو نوع مختلف نانو رس جهت اصلاح قیر استفاده گردید.
بعد از اضافه شدن این دو نوع نانو رس به قیر، دو قیر اصلاحشده، با خصوصیات کاملاً متفاوت حاصل شد. در حالت اول کندروانی قیر اصلاحشده نسبت به قیر اصلی -100 - - 70 پس از افزودن 6 درصد - وزنی - نانو رس، هیچ تغییری ننمود ولی سخت شدگی کوتاه مدت و بلند مدت، بهبود یافت. از مهمترین موارد مصرف این نوع اصلاح کنندهها، آسفالتهای متخلخل می باشند. در حالت دوم نانو رس بهطور مشخص کندروانی قیر را افزایش داد، بنابراین این نوع اصﻻح کننده جهت استفاده در آسفالتهای متراکم برای جلوگیری از نفوذ آب مناسب نموده است.[10]در تحقیقی که توسط سعید غفارپور جهرمی و همکاران [7]در سال 2009 صورت پذیرفت، با استفاده از دو نوع نانورس متداول و معروف Nanofill و Cloiste موضوع روسازی آسفالتی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج حاصل از مقاومت در برابر خستگی قیر به وضوح نشان داد که اصلاح قیر با نانورس سبب افزایش چسبندگی و مقاومت برشی قیر شده بهطوری که، مقاومت در برابر تغییرشکل دائم، که نوعی از تغییرشکلهای برشی است، با بهکارگیری نانورس افزایش یافته است، اما افزودن نانورس، به دلیل کاهش انعطافپذیری قیر، عملکرد قیر در برابر خستگی را مخصوصا در دماهای پایین کاهش داده است.
