بخشی از مقاله
چکیده
غالب روسازیهای موجود در کشور از جنس آسفالتی هستند که به دلایل مختلف عمر کوتاهی دارند و در سالهای اولیه عمرشان دچار خرابی می شوند. خرابی هایی از قبیل ترک خوردگی و شیار افتادگی که از مهم ترین خرابیهای روسازیهای آسفالتی هستند که به دلیل تعدد بار در جادههای کشور به وجود میآیند که این خرابیها سبب کاهش عملکرد دراز مدت روسازی می گردد.
امروزه با توجه به تاثیر فناوری نانو در جهت اصلاح خواص رئولوژیکی قیر و افزایش مشخصات مکانیکی و بهبود عملکرد آسفالت در جهت افزایش عمر خستگی، کاهش حساسیتهای در مقابل دما و رطوبتی انقلابی جدید در عرصه علوم مهندسی ایجاد گردیده است. فناوری نانو در دهه آخر قرن بیستم و همراه با توسعه فناوریهای جدید تصویربرداری، شبیه سازی ماده در مقیاس اتمی پدید آمده است.
با توجه به اهمیت عملکرد روسازی در دراز مدت، پژوهشگران توجه بسیاری به استفاده از موادی جلب کردهاند که بتوان با کمترین میزان افزودنی به مخلوط آسفالتی حداکثر کارایی و بهره وری را بدست آورند. در این تحقیق تاثیر انواع نانو مواد استفاده شده در مخلوطهای آسفالتی مورد بررسی قرار گرفته است و همچنین به بیان نتایج استفاده از نانو مواد بر عملکرد روسازی راه طی آزمایشات انجام شده پرداخته شده است.
-1 مقدمه
با افزایش روز به روز وسایل نقلیه سنگین، سبک و افزایش بارهای وارده و تاثیراتی که بارندگی و آب های زیر زمینی به سطح راه می گذارد و همچنین کمبود مصالح با کیفیت و تغییر شکل مصالح در اثر دمای محیط و عواملی اقتصادی از قبیل افزایش قیمت آسفالت، هزینههای تعمیر و نگهداری سطح روسازی راه نیاز به استفاده از موادی در جهت تامین ایمنی، دوام و افزایش عمر بهره-برداری، افزایش قدرت باربری و حساسیت رطوبتی و حرارتی آسفالت میباشد.
از جمله این مواد میتوان به رزینها، لاستیک، پلیمر و گوگرد، الیاف و مواد شیمیایی اشاره کرد. اما در سالهای اخیر فناوری نانو باعث ایجاد تحولی شگرف در صنعت روسازی گردیده است لذا در این مقاله جهت تعیین تاثیر نانو مواد در سیستم حملونقل به بررسی تاثیر نمونه هایی از نانو مواد در افزایش کارایی های مخلوط های اسفالتی پرداخته شده است
استفاده از نانو مواد در سال های اخیر آغاز شده است، برخی از محققان شروع به کار بر روی بهبود مواد مخلوط در آسفالت همانند امولسیون ها و قیرها و سیمان در آسفالت با نانومواد نمودهاند. مواد مختلفی وجود دارند که دارای پتانسیل قرار گیری در آسفالت اصلاح شده را دارا میباشند از جمله این مواد رس، نانو سیلکا، آهک هیدراته نانو، پودر پلاستیک در اندازه نانو، یا پودر پلیمریزه، الیاف نانو و نانو لوله های کربنی هستند
در ابعاد نانومتر، هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها با استفاده از مواد، وسایل و سیستمهایی با تواناییهای جدید و با تغییر این ساختارها و رسیدن به بازدهی بیشتر مواد میباشد. فناوری نانو فرایند دستکاری مواد در مقیاس اتمی و تولید مواد و ابزار، به وسیله کنترل آنها در سطح اتمها و مولکولهاست. در واقع اگر همه مواد و سیستمها ساختار زیربنایی خود را در مقیاس نانو ترتیب دهند؛ آنگاه تمام واکنشها سریعتر و بهینه تر صورت می گیرد و توسعه پایدار پیش گرفته می شود.
تعریف کلی نانو یعنی شناخت، کنترل و کاربرد ماده در ابعاد 1 تا 100 نانومتر است. برای درک بهتر مطلب قطر یک تار موی انسان 100 هزار نانو متر است که در مقیاس نانو مشخصه مواد از نظر فیزیکی، شیمیایی، زیستی مولکولها و خواص توده ماده کاملاً متفاوت است.
با استفاده از نانو مواد در صنعت، علوم مهندسی و پزشکی شاهد ایجاد نوآوری های جدید و دست یابی به مواد جدید با مقاومت، افزایش کارایی و بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی ماده گردیده و همین امر سبب به وجود آمدن ایده های نو در ذهن پژوهشگران در زمینه راه سازی برای تولید آسفالت با کمترین آلودگی زیست محیطی و بهترین خصوصیات در زمینه مقاومت مکانیکی، خواص رئولوژیکی و بهبود حساسیت های رطوبتی و حرارتی گردیده است. در این تحقیق عملکرد استفاده از چند نمونه نانو مواد در پارامترهای عملکردی قیر و مخلوط آسفالتی بررسی شده است که نانو موادهای مورد بررسی عبارتند از:
-1 نانو رس -2 نانو سیلیس -3 نانو آهک هیدراته -4 نانو لوله های کربنی -5 نانو اکسید روی.
-2 ضرورت انجام تحقیق
با توجه به دست یابی محققان به علم نانو و تاثیر آن بر خواص مواد سبب گردید که نانو مواد در عرصه علوم مهندسی نیز وارد گردد. بدلیل این که همه ساله تعداد زیادی از راههای کشور به خرابی زود رس میرسند و هزینهای که صرف تعمیر و نگهداری سطح راه و نیز تولید مخلوط های آسفالتی میگردد هزینه های زیادی را در بر میگیرد لذا استفاده از روسازی که بتواند عمر بیشتری داشته باشد یکی از دغدغه های محققان است که منجرب گردید به علم نانو گرایش پیدا شود.
از طرف دیگر با افزایش خودروها و بار ترافیکی بیشتر، مردم تمایل بیشتری به استفاده از جاده هایی که فاقد عیوب از قبیل ترک خوردگی، شیار افتادگی، شن زدگی و کم سرو صدا نشان دادهاند از همین رو تحقیقاتی در زمینه نانو مواد مصالح مخلوط شده با آسفالت انجام گردیده که باعث رسیدن به نتیجههای مطلوب شده است. مطالعات در زمینه نانومواد و اثر آنها در عملکرد روسازی راهها دارای محدوده وسیعی می باشد که میتوان با سرمایه گذاری بیشتر در این زمینه به نتیجه دلخواه و مورد انتظار رسید.
-3 نانو رس
نانو رس ترکیبی - کامپوزیتی - از سیلیکاتها معدنی است و بسته به ترکیب و شکل ظاهری مثلاً کروی و مکعبی بودن دسته بندی مختلفی دارند. کامپوزیت به موادی گفته میشود که بیش از یک جزء تشکیل شده باشد و از ترکیب چند ماده با یکدیگر تولید میشوند که ساختار فیزیکی و شیمیایی خاصی را ایجاد میکنند
کامپوزیتها دارای ترکیبات غیر معمولی هستند که از ترکیب خواص مواد دیگر به وجود آمده و دارای خواصی همچون قدرت، سفتی، نفوذ پذیری و غیره میشوند که این مواد به تنهایی این قابلیت را ندارند و در اثر ترکیب به این خواص دست پیدا می کنند. آنها بسته به خواصی که دارند در کارهای فنی به صورت گسترده استفاده میشوند با این حال دارای مقاومت مکانیکی و استحکام و مدول سختی کمتری نسبت به فلزات هستند ولی کاربرد وسیعی دارند .
نانو رسها کانیهایی هستند که یکی از ابعاد آنها در حد نانومتر باشد وسطوح ویژهای در حدود 750متر مربع بر گرم دارند که با پرکنندهها تقویت میشوند. عوامل مهم نانو رسها در استحکام پلیمرها به شرح زیر است : -1 طبیعی بودن و خالص بودن رس ها سبب افزایش تبادل کاتیونی رس در ترکیب رس با پلیمر میگردد که باعث افزایش شکل پذیری و مقاوت بالا در پلیمرها میگردد.
نانورسهای مورد مصرفی در حال حاضر به -1 میکا فلوراید - 2 مونت موریلونیت -3 هیدراتاکیت -4 اکتاسیلیکیت تقسیم میشود که دسته 3و4 از نظر قیمت و فیزیکی محدود میباشند و تنها رس طبیعی در نانورسهای موجود مونت موریلونیت میباشد که به علت پراکندگی و ساختار کریستالی و قالب دار شدن بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد.
با توجه به تحقیقات انجام شده درصد کمی از نانو رس در بهبود خواصی از پلیمرها نظیر افزایش سختی و مقاومت کششی، پایداری حرارتی و محافظت در برابر رطوبت، حلالها، گازها و بخار آب مؤثر بودهاند از آنجا که ترکهای ناشی از خستگی یکی از پارامترهای تعیین کننده کیفیت و عمر آسفالت هستند، لذا کاربرد نانورس بر افزایش عمر روسازی آسفالتی از طریق آزمایش خستگی انجام میشود. با افزودن نانورس به قیر، ویسکوزیته و نقطه نرمی افزایش و درجه نرمی و خاصیت انگمی کاهش مییابد با افزایش نسبت وزنی نانورس به قیر، شدت تغییرات رفتاری قیر و افزایش ویسکوزیته بیشتر و محسوس تر می-شود به طورکلی میتوان گفت نانورس باعث کاهش حساسیت حراراتی قیر میگردد
نانورس پایداری قیر را در مقابل پیرشدگی افزایش میدهد و هرچه نسبت وزنی نانورس بیشتر باشد، این پایداری و افزایش مقاومت در برابر پیرشدگی - کوتاه مدت و درازمدت - بیشتر است. درصد بسیار کمی نانورس، تأثیر بسیار زیادی بر مشخصات رفتاری قیر دارد. صفحات نانورس از یک طرف با سطح ویژه بسیار بالا، سطح فعال بسیار بزرگی با قیر فراهم میکند از طرف دیگر با قرارگیری و پراکنش مناسب در بین مولکولهای قیر، ساختار خوشهای قیر را متحول میسازد و همانند یک مسلح کننده عمل میکند.
روشهای مختلفی برای تعیین عمر خستگی روسازیهای آسفالتی وجود دارند که میتوان به روشهای کشش غیر مستقیم، کشش مستقیم، تیرچه خمشی و غیره اشاره کرد. در تحقیق صورت گرفته آزمایش کشش غیر مستقیم به عنوان آزمایش پیش بینی عمر خستگی نمونه های آسفالتی انتخاب شده است. قیر مصرفی در این آزمایش قیر اصلاح شده و استاندارد با - %2 نانورس - 70-60 پالایشگاه تهران میباشد.
از نانو ذرات خاک رس مونتموریلونیت اصلاح شده با دی متیل دی هیدروژنتید تالو آمونیوم کلراید بمنظور دستیابی به منظور سازگاری بیشتر استفاده گردید. این صفحات سیلیکاتی 1 نانومتر ضخامت و 150-70 نانومتر عرض دارند که مقدار 200 گرم قیر را تا دمای 150 درجه حرارت داده تا به صورت روان درآید سپس زیر دستگاه هموژنایزربا سرعت 5100 دور قرار داده میشود و 41 گرم نانورس به تدریج به آن اضافه میشود و پس از 15 دقیقه عمل اختلاط و سرد شدن مخلوط، قیر اصلاح شده برای ساخت آسفالت نمونه آماده است.
آزمایش کشش غیر مستقیم یک نوع آزمایش خستگی است که بارگذاری بصورت تکراری بر نمونه استوانهای وارد میشود بطوری که بار فشاری بر وجه استوانه ای و بصورت موازی و قائم اعمال میشود. این روش بارگذاری سبب تنش کششی یکنواختی در نمونه میشود نمونه های آزمایشمعمولاً دارای قطری برابر 4 اینچ و ارتفاع 5 اینچ بوده و عرض نوار بارگذاری بر کناره های نمونه استوانه ای 0/5 اینچ می باشد. بر اثر فشار وارده روابطی به وجود می آید که نمودار تعداد سیکل بار گزاری در برابر تغییر شکل قایم نمونه آسفالتی تا شکست مشخص میشود.
مرحله بعد انجام آزمایش خستگی مخلوطهای آسفالتی نمونه استوانه ای به شکل غیر مستقیم است در این آزمایش شکل بار از نوع نیمه سینوسی با طول موج 1500 میلی ثانیه و زمان بارگذاری 125 میلی ثانیه که درمجموع با فرکانس HZ0/66 اجرا میشود.
فرکانس آزمایش فوق بر روی سه نمونه از نمونه های آسفالت ساخته شده با قیرهای اصلاح شده و استاندارد در سطح تنش 200 تا 500 کیلو پاسگال و در دمای 25 درجه سانتی گراد و معیار شکست نهایی نمونه رسیدن به جابجایی 9 میلی متر انجام شد. همان طورکه از جدول 1و2 مشخص است تنها با اضافه کردن %2 نانورس در جهت افزایش عمر خستگی روسازی آسفالتی و انجام آزمایش کشش غیر مستقیم در سطوح تنش فوق باعث رسیدن به افزایش 2 برابری عمر خستگی آسفالت گردی
جدول :1 تعداد سیکل های طی شده تا رسیدن به مرحله دوم و سوم
جدول :2 آزمایش خستگی کشش غیرمستقیم
