بخشی از مقاله
خلاصه
خرابیهای ناشی از رطویت یکی از عوامل اصلی اضمحلال در مخلوطهای آسفالتی است. آزمایشهای موجود در خصوص بررسی تعیین حساسیت رطوبتی کمتر بر اندازهگیری خصوصیات پایهای که با مکانیزمهای خرابی مرتبط باشد، تاکید دارد. یکی از روشهای جدید در این زمینه استفاده از مفهوم انرژی آزاد سطحی است. لذا در این تحقیقبه منظور ارزیابی حساسیت رطوبتی مخلوطهای آسفالتی حاوی سرباره از این مفهوم و همچنین آزمایش نسبت کشش غیرمستقیم استفاده شد.
بدین منظور از سرباره فولاد کوره قوس الکتریک - EAF - بعنوان جایگزین بخشی از مصالح سنگی در مخلوط آسفالتی استفاده گردید. پس از بررسی خصوصیات مصالح سنگدانهای سرباره فولاد با استفاده از تجهیزات پراش اشعه ایکس - XRF - و میکروسکوپ الکترونی - SEM - ، شش سری مخلوط آزمایشگاهی که0، 25، 50، 75 و 100 درصد بخش درشتدانه - مانده بر روی الک 2/36 میلیمتر - سنگدانه طبیعی آهکی با سنگدانه سرباره فولاد جایگزین شده بود، ساخته شد.
با استفاده از روش طرح اختلاط مارشال، درصد قیر بهینه و سایر پارامترهای مارشال بدست آمد. همچنین آزمایش تعیین اجزای انرژی آزاد سطحی مصالح سنگی و قیر و آزمایش مقاومت کششی غیر مستقیم در دو حالت خشک و اشباع با استفاده از دستگاه UTMجهت بررسی مقاومت کششی و حساسیت رطوبتی مخلوهای آسفالتی انجام شد. نتایج این پژوهش نشان داد که حساسیت رطوبتی مخلوطهای حاوی سرباره فولاد قوس الکتریک نسبت به نمونهی شاهد کمتربوده و ارتباط معنیداری بین نتایج این دو آزمایش وجود دارد.
1. مقدمه
مشکلات زیست محیطی و اقتصادی ناشی از بکارگیری مصالح سنگی که از کوهها و یا بستر رودخانهها تامین میشود؛ استفاده از مصالح بازیافتی و جانبی صنعتی نظیر شیشه، لاستیک فرسوده، سرباره و ... را در لایههای روسازی به خوبی توجیه مینماید
حدود 36 میلیون تن سرباره فولاد در سه کارخانه عمده فولاد سازی کشور - فولاد اهواز، فولاد مبارکه و ذوب آهن اصفهان - دپو شده است و حجم تولید این محصول در کشور سالیانه بیش از 2/3 میلیون تن میباشد .[2] علاوه بر اشغال فضای بسیار زیادی از محوطه کارخانه، به دلیل حضور برخی فلزات سنگین درون ترکیبات این محصول، آبشستگی سرباره فولاد میتواند برای منابع آب زیرزمینی خطرناک باشد
سرباره فولاد دارای ویژگیهای فیزیکی بسیار مناسبی از جمله وزن مخصوص و مقاومت سایشیزیاد، شکل گوشهدار، مکعبی و شکسته است. ریزدانه این محصول نیز داری ارزش ماسهای بالایی بوده و از این رو امکان استفاده از آن در لایههای روسازی تایید شده است
امروزه بیشتراز دو نوع سرباره فولادی حاصل از کوره اکسیژنی - کنورتور - - BOF1 - و سرباره حاصل ازکوره قوس الکتریک - EAF2 - استفاده میشود
تحقیقات گذشته نشان داده است که استفاده از سرباره میتواند منجر به کاهش شیار شدگی و افزایش عمرخستگی روسازیهای آسفالتی گردد . اما یکی از مسائل مهم در صورت استفاده از مصالح جدید بویژه مصالح بازیافتی در روسازی، صدمات ناشی از رطوبت است که بایستی به طور دقیق مورد بررسی قرارگیرد. صدمات رطوبتی در اثر حضور یا نفوذ رطوبت ایجاد شده که منجر به خرابیهایی نظیر ترک خوردگی، تغییر شکل-های ماندگار و سایر خرابیها می گردد و منتج به صرف سالیانه منابع و هزینههای زیادی خواهد شد .
نتایج مطالعاتی در سالهای 1999 و 1998 نشان داد که حساسیت رطوبتی و مقاومت در برابر خستگی با جایگزینی درشت دانه توسط سرباره و استفاده از مصالح و فیلر آهکی بهبود مییابد
آسی و همکاران نشان دادند که مخلوطهای آسفالتی حاوی25 درصد سرباره فولاد مقاومت خستگی و مدول برجهندگی بیشتری نسبت به مخلوطهای شاهد دارد
احمدزاده و همکاران نیز با ارزیابی جایگزینی درشت دانه مخلوط با سرباره نشان دادند که استفاده از سرباره فولاد منجر به بهبود حساسیت رطوبتی میشود
در مطالعات دیگری [12] با جایگزینی 0، 25، 50، 75 و 100 درصد درشت دانه با سرباره نوع BOF، نسبت مقاومت کششی غیر مستقیم تمامی مخلوطها از حدود مجاز - %70 - بیشتر بدست آمد.
ژو [13] مطالعاتی را در خصوص جایگزینی سرباره نوع BOF، در مخلوط آسفالتی درشت دانه - SMA - انجام داد و به این نتیجه رسید که مخلوطهای حاوی سرباره عملکرد بهتری نسبت به مخلوطکنترل حاوی مصالح سنگی بازالتی و آهکی در برابر رطوبت دارد
ژی در سال [7] 2012 با استفاده از آزمایش مقاومت کششی غیر مستقیم و مدول ارتجاعی و همچنین مفهوم انرژی کرنش خزشی تلف شده - Dissipated Creep Strain Energy - DCSEf - - ، نشان داد که مخلوطهای حاوی سرباره نوع BOF، نشان داد که این مخلوطها نسبت به مخلوط حاوی مصالح سنگی بازالتی عملکرد بهتری دارد
اکثر تحقیقات گذشته در خصوص بررسی حساسیت رطوبتی مخلوطهای آسفالتی حاوی سرباره، بیشتر بر پایهی آزمایشهایی نظیر نسبت مقاومت کششی غیر مستقیم بوده که دقت این آزمایشها با توجه به ماهیت تجربی آنها چندان زیاد نبوده و نیاز به روشهایی که بر اندازهگیری خصوصیات پایهای که با مکانیزمهای خرابی مرتبط باشد، وجود دارد. یکی از روشهای جدید در این زمینه، استفاده از مفهوم انرژی آزاد سطحی است
در تحقیق حاضر از سرباره نوعEAFکه حجم زیادی از آن هر ساله در ایران تولید و دپو میشود، به منظور جایگزینی بخش درشت دانه مصالح سنگی آهکی با درصدهای مختلف 25 - ، 50، 75 و - 100 استفاده شده، همچنین نمونههاییکاملاً سربارهای تهیه و در مجموع 144 نمونه با ابعاد نمونهی مارشال ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت. همچنین خصوصیات مصالح سنگی آهکی و سربارهای با استفاده از آزمایشهای تعیین وزن مخصوص، سایش لوس آنجلس، تعیین درصد شکستگی، تعیین شاخص ذره و تعیین درصد فضای خالی مصالح سنگی ریزدانه متراکم نشده، مورد ارزیابی قرارگرفت و به منظور تعیین عناصر و ترکیبات شیمیایی مصالح سنگی آهکی و سربارهای آزمایشXRFانجام شد. جهت مقایسه بافت سطحی مصالح سنگی آهکی و سربارهای از تصاویرSEM1بهره گرفته شد. جهت بررسی تاثیر افزودن سرباره بر حساسیت رطوبتی مخلوط آسفالتی، پارامترهای انرژی آزاد سطحی قیر و مصالح سنگی و همچنین مقاومت کششی غیر مستقیم نمونهها تعیین شد.
2. انرژی آزاد سطحی
انرژی سطحی یک جسم مایع یا جامد بصورت انرژی لازم برای ایجاد یک سطح واحد از عنصری جدید در خلاء تعریف میشود. اصطلاح دقیقتر آن انرژی آزاد سطحی است که برای سادگی انرژی سطحی استفاده میشود .[15]شکلهای متفاوتی از خرابیها را در روسازیهای آسفالتی میتوان مشاهده نمود. از میان این خرابیها خرابی رطوبتی2و ترکخوردگی ناشی از خستگی 3 ارتباط مستقیمی با کیفیت چسبندگی بین دو ماده اصلی تشکیلدهنده مخلوط در شرایط خشک و مرطوب دارد.
چسبندگی بین قیر و سنگدانه را، در صورتی که اجزای انرژی آزاد سطحی آنها معلوم باشد، میتوان به صورت کمی درآورد. همچنین انرژی آزاد سطحی همراه با دیگر خصوصیات اصلی به وسیله اصول اساسی مکانیک شکست مواد ترکیب میشود تا رشد ترکها را در مخلوط آسفالتی پیشبینی و مدل کند. اگر با استفاده از این مفاهیم به خرابی نگاه شود، ارتباط بین انرژی سطحی و خرابی روسازی آسان خواهد شد و اهمیت مفهوم انرژی آزاد سطحی به عنوان نشانه خرابی در روسازیهای آسفالتی بیشتر نمایان میشود
چندین تئوری، انرژی آزاد سطحی مواد را بر اساس ساختار مولکولیشان تشریح میکند. دو مورد از متداولترین این تئوریها، تئوری دو جزئی[17]4 و تئوری اسیدی-بازی[18]5 است. بر طبق تئوری اسیدی-بازی، انرژی آزاد سطحی کل هر مادهای بر اساس نوع نیروهای مولکولهای سطحی به سه جز تقسیم میشود. این اجزا عبارتاند از:الف- جز غیرقطبی که به آن جز لیفشیتز-ون در والز - - LW یا جز پراکنده، ب- جز اسیدی لوئیس6، ج- جز بازی لوئیس7 انرژی آزاد سطحی کل با ترکیب این اجزا به طریق رابطه - 1 - به دست میآید که در آن، انرژی آزاد سطحی کل ماده،LW جزء غیرقطبی انرژی آزاد سطحی،±= جزء قطبی انرژی آزاد سطحی،+ جز اسیدی و- جزء بازی.
انرژی آزاد چسبندگی - Ga - دو جز اصلی دارد. جز قطبی یا اسیدی-بازی و جز غیرقطبی یا لیفشیتز-ون در والز. رابطه - 2 - برای مشخص کردن انرژی آزاد چسبندگی بین قیر و سنگدانه مورد استفاده قرار میگیرد. که در آن،Gia انرژی آزاد چسبندگی،GiaLW جزء غیرقطبی انرژی آزاد چسبندگی، GiaAB جزء قطبی انرژی آزاد
چسبندگی،lLW وl+ وl-= اجزای انرژی آزاد سطحی قیر وSLW وS+ وS-= اجزا انرژی آزاد سطحی سنگدانه.
از نظر پدیدارشناسی تشریح میشود که کار چسبندگی، مقدار نیروی خارجی است که برای جدایی دو ماده در سطح تماسشان در شرایط خلأ مورد نیاز است. همچنین رابطه - 3 - برای محاسبه چسبندگی قیر و سنگدانه در حضور آب
با استفاده از معادلات فوق، امکان محاسبه انرژی آزاد سطحی اجزای مخلوط آسفالتی یعنی قیر و سنگدانه و همچنین مقادیر انرژی سطحی برای کل مخلوط وجود دارد
3. روش تحقیق
در این تحقیق بخش درشت دانه مصالح آهکی به ترتیب با 0، 25، 50، 75 و 100 درصد سرباره نوع EAF - تهیه شده از فولاد مبارکه اصفهان - جایگزین گردید. با استفاده از روش طرح اختلاط مارشال بر اساس استاندارد ASTM D-6927،درصد قیر بهینه تعیین شد؛ سپس با استفاده از روش sessile dropاجزای مختلف انرژی آزاد سطحی قیر و مصالح سنگی اندازهگیری شد و برای محاسبه میزان چسبندگی بین مصالح سنگی و قیر در شرایط حضور و عدم حضور آب مورد استفاده قرار گرفت. همچنین نمونههایی با ابعاد نمونههای مارشال تهیه و مطابق استاندارد AASHTO T283 مورد آزمایش قرار گرفت و با نتایج حاصل از آزمایش انرژی سطحی مقایسه گردید.
4. مصالح
در این تحقیق از یک نوع سنگدانه آهکی و یک نوع سرباره فولادی EAFو از قیر 60-70 به منظور ساخت نمونههای آسفالتی استفاده شده است. همچنین در همه مخلوطها از پودر سنگ آهک به عنوان فیلر استفاده گردید. دانهبندی مصالح سنگی منطبق بر منحنی دانهبندی شماره 4 آیین نامه روسازی آسفالتی راههای ایران - نشریه - [20] 234 انتخاب شد. به منظور امکان قیاس مخلوطها با یکدیگر، مصالح سنگی به گونهای انتخاب شد که منحنی دانهبندی هر سه نوعخلوطم دقیقاً بر یکدیگر منطبق باشد.
4,1 تعیین خصوصیات مصالح سنگی آهکی و سربارهای
جهت تعیین خصوصیات مصالح سنگی آهکی و سربارهای از آزمایشهای تعیین وزن مخصوص، سایش لس آنجلس، تعیین درصد شکستگی، تعیین شاخص شکل و بافت مصالح سنگی و تعیین درصد فضای خالی مصالح سنگی ریزدانه متراکم نشده، استفاده گردید. همچنین به منظور تعیین عناصر و ترکیبات شیمیایی مصالح سنگی آهکی و سربارهای آزمایشXRF انجام شد.در جدول 1نتایج آزمایشهای وزن مخصوص، سایش لوس آنجلس، شکستگی، شاخص شکل و بافت سطحی و درصد فضای خالی متراکم نشده، ارائه شده است.
