بخشی از مقاله
تجزیه و تحلیل خواص رئولوژیکی قیر حاوی نانو سیلیس در فرکانسهای متفاوت
چکیده:
بطورکلی از مشکلات مهم روسازیهای آسفالتی ایجاد انواع ترکها قبل از رسیدن به پایان عمر بهربرداری می باشد از این رو اصلاح خواص ویسکوالاستیک قیر به منظور بالا بردن عمر ترافیکی همواره مورد توجه محققان بوده است. در این مطالعه نانوسیلیس، به عنوان اصلاح کننده رئولوژیکی در سه درصد %2 ، %4 و %6 با قیر خالص 60/70 ترکیب شده و درنهایت با قیر خالص تحت آزمون های تعیین PG در دمای بالا و تست رئولوژی با دستگاه (Dynamic Shear Rheometer) DSR در دو دمای ثابت تحت 15 فرکانس متغیر با سیر نزولی مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفتند. نتایج بررسی نمودارهای PG و مدول مختلط حاکی از آن بود که با افزایش درصد نانوسیلیس خواص و عملکرد قیر بهبود می یابد.
-1 مقدمه:
همانطور که می دانـیم فشـار ناشـی از وسـایل نقلیـه بـه جـاده هـا و همینطـور تـا حـدودی دمـای هـوا مـی توانـد شیارشـدگی، مــوج دارشــدن، خراشــیدگی و دیگــر مــوارد خرابــی را در ســنگ فــرش جــاده هــا موجــب شــود.در دهــه هــای اخیــر افــزایش حمل و نقل وسایل نقلیه سنگین و عمومی منجـر بـه افـزایش فشـار وارده بـه روسـازی شـده اسـت کـه اصـلاح خـواص قیـر بـه عنوان یک گزینه موثر در بهبود خواص قیر خیابان و آسفالت مطرح می باشد.[1-2]
اســتفاده از اصــلاح کننــده هــای قیــر در بســیاری از نقــاط جهــان بــیش از 60 ســال ســابقه دارد امــا در دهــه اخیــر اســتفاده از اصلاح کننده ها با توجه ویژه ای همراه بوده است.[3]
از زمـان معرفـی نـانوتکنولوژی توسـط )Nobel laureate Richard( در سـال (5) 1995تـاکنون علـوم مختلـف از قبیـل مـواد و تولیـد قطعـات الکترونیکـی، دارو، بیوتکنولوژی،مصـالح سـاختمانی بـه خصـوص مصـالح سـیمانی و... بـه پیشـرفت هـای زیادی در زمینـه دسـتکاری مـواد در مقیـاس بسـیار کوچـک در حـد نـانو دسـت پیـدا کـرده اسـت. نـانو تکنولـوژی در مجمـوع به معنـای درک، کنتـرل وبازسـازی سـاختار مـواد در ابعـاد نـانو مـی باشـد، بـرای اینکـه بتـوانیم مـواد جدیـد بـا ویژگـی هـا و کاربردهایکاملاً جدید تهیه کنیم.[6-7]
در چند سال اخیر محققـان نـانومواد را بـه عنـوان اصـلاح کننـده و تقویـت کننـده دیگـر مـواد بـا تـاثیر افـزایش فـاکتور هـایی نظیر چسبندگی،خواص عملکردی و پتانسیل در نمونه های تقویت شده، معرفی کرده اند.[8-9]
طبــق تحقیقــات انجــام شــده اســتفاده از نــانو ســیلیس در قیــر امولســیونی موجــب افــزایش ویســکوزیته و پایــداری بیشــتر امولســیون خواهــد شــد و ضــمنا اســتفاده آن بــه صــورت ترکیبــی بــا نــانوذرات دیگــر از قبیــل Tio2 و یــا ترکیــب بــا پلیمــر SBS در قیــر باعــث بهبــود مقاومــت کششــی خمشــی یــا فشــاری کــه در نهایــت موجــب مقاومــت مکــانیکی آن مــی شــود .[10-11-12] درمطالعــه موجــود، نانوســیلیس بــه عنــوان اصــلاح کننــده بــه قیــر اضــافه شــده و تــاثیر آن در بهبــود خــواص شیار شدگی،خستگی و زاویه فاز در فرکانس متغیر در دمای ثابت مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 مواد و مصالح
-1-2 قیر 70/60
تعریف : از مشخصات بارز این نوع قیـر بـه درجـه نفوذپـذیری ( نـوعی آزمـایش بـرای تعیـین مقـدار سـفتی قیـر ) آن کـه بـین 60 تا 70 است مـی تـوان اشـاره نمـود و همینطـور دیگـر مشخصـات قیـر مـورد اسـتفاده در جـدول شـماره 1 نشـان داده شـده است.عمده ترین کاربرد متداول این نوع محصول در راهسازی برای مناطق معتدل می باشد.
-2-2 نانوسیلیس:
نانوسیلیس مورد استفاده با برند کشور آلمان با رنگ سفیدمطابق خواص و مشخصات جدول های 2 و3 مورد استفاده قرار گرفته است.از موارد کاربرد آن می توان به استفاده آن در رنگ، پلاستیک، لاستیک، رنگ، مواد مغناطیسی اشاره کرد علاوه بر این، نانو سیلیکا را می توان به طور گسترده ای در سرامیک پرسلن (قند)، سنگ گچ، باتری، چسب، محصولات آرایشی، شیشه، فولاد، فیبر شیشه ای، و بسیاری دیگر در زمینه ارتقاء محصولات حفاظت از محیط زیست استفاده نمود.
در این تحقیق بـرای ترکیـب نانوسـیلیس و قیـر ، ابتـدا قیـر تـا دمـای 135 درجـه سـانتیگراد گـرم شـده و بـا اسـتفاده میکسـر با شدت بالا، دو ماده بـاهم ترکیـب شـدند. در ایـن آزمـایش اخـتلاط نمونـه هـای قیـر بـا درصـدهای مختلـف نانوسـیلیس %2 ، %4 و %6 با سرعت 3500 دور در دقیقه با استفاده از میکسر انجام شد.
نمونـــه هـــای تهیـــه شـــده از درصـــدهای مختلـــف نانوســـیلیس بـــا اســـتفاده از دســـتگاه رئـــومتر بـــرش دینـــامیکی )Physica MCR 301 DSR from Anton Paar Inc( مورد آزمایش قرار گرفتند.
-3 روند انجام آزمایشات
در این تحقیق ابتدا تست های تعیین PG در دمای بالا توسط دستگاه DSR بر روی قیرهای پایه و اصلاح شده با نانوسیلیس 2٪ و 4٪ و %6 جوان و پیرشده (با آزمایش ( RTFO انجام گرفت که نتایج حاصل از مقایسه دو نوع قیرهای جوان(تحت کرنش (%12 و پیرشده(تحت کرنش (%10 مطابق گراف شکل 1 می باشد. لازم به ذکر است این تست در فرکانس ثابت 10 rad/s که معیار مناسبی از ترافیک شدید جاده ای است صورت گرفت.
شکل -1 تعیین PG
در ســری دیگــر آزمایشــات بــه بررســی خــواص رئولــوژی تحــت فرکــانس هــای مختلــف بارگــذاری پرداختــه شــد، در ســالهای اخیــر بعــد از شــناخت کامــل تســت هــای شــارپ، محققــان بــه ارائــه روشــهای تجربــی و نــوینی جهــت بررســی رئولــوژی قیرهــا پرداختند تست جـاروب فرکـانس یـک نمونـه از ایـن مـوارد اسـت کـه مـی تـوان وضـعیت روسـازی در فرکـانس مختلـف بـا دو دمای متفاوت مورد ارزیابی قرار داد.
طبق یافته هـای محققـان پارامترهـای رئولـوژیکی مثـل مـدول مخـتلط((G* فرکـانس و همچنـین گشـتاور یـا کـرنش ارتبـاط دارد، لــذا دســته وســیعی از خــواص رئولــوژیکی بــا در نظــر گــرفتن اثــر همزمــان ایــن پارامترهــا بــر روی قیــر هــای خــالص و اصلاح شده صورت گرفت.
همانطور که می دانـیم رفتـار قیـر در دمـای میـانی و بـالا مجموعـه ای از رفتارهـای ویسکوالاسـتیک اسـت. بـرای تعیـین رفتـار ویسکوالاســتیک قیــر لازم اســت تــا پــارامتری تعیــین شــود کــه اثــرات دمــا و زمــان بارگــذاری را توامــا در نظــر بگیرنــد. ایــن پارامتر همان مدول مختلط (G*) می باشد که شامل مجموع دو رفتار ویسکوز و الاستیک می باشد.
G* یــا مــدول مخــتلط معیــاری از پایــداری قیــر در برابــر تغییــر شــکل اســت(مدول ســختی) و از دو جــزء مــدول اتــلاف1 و مدول ذخیرسـازی2 تشـکیل شـده اسـت کـه اولـی معیـاری از رفتـار ویسـکوز و دومـی معیـاری از رفتـار الاسـتیک مـی باشـد. هر دوی این مدول ها با افزایش دمـا کـاهش مـی یابـد و از طرفـی خاصـیت الاسـتیکی قیـر بـه سـمت تخریـب مـی رود لـذا بـا افزایش دما مدول مخـتلط بـرای قیرهـا بـه شـدت کـاهش مـی یابـد تغییـرات بوجـود آمـده در قیـر در ایـن دماهـا دائمـی مـی باشد.[13]
ایـن دسـته از منحنـی هـای رئولـوژیکی، رفتـار قیـر را در دماهـای ثابـت 10 و 50 در محـدوده وسـیعی از فرکـانس متفـاوت
( 628 -0 .0904 rad/s ) شـبیه سـازی مـی کننـد کـه در ادامـه ارائـه شـده اسـت. در ایـن مقالـه منحنـی G* در محـدوده فرکانسی وسیعی ترسیم و مقایسه شده است.
در گـراف شــکل هــای 2 و 3 تغییـرات مــدول مخــتلط بــرای قیرهـای پایــه و اصــلاح شـده در دو دمــای 10 و 50 درجــه نشــان مـی دهـد کـه در هــر نمونـه بـا کــاهش فرکـانس، مـدول مخــتلط کـاهش مـی یابــد کـه بـا افــزایش درصـد نانوسـیلیس مــدول مختلط بهبود می باشد.
