ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

مروری بر نانو مواد به کار رفته و اصلاح آسفالت

محققان برای تشریح کاربردهای آینده فناوری نانو در اصلاح آسفالت، تلاش‌های فراوانی کرده‌اند تا سازوکار اصلاح را نمایش دهند. در این مقاله مروری، ابتدا نانومواد مختلفی که در اصلاح آسفالت به کار رفته‌اند، معرفی شده، سپس روش‌های اصلاح آسفالت با این مواد، ذکر می‌شود و در نهایت تأثیرات نانومواد بر عملکرد آسفالت پایه و سازوکار‌های اصلاح مورد بحث قرار می‌گیرد. سپس تأثیر پارامترهای مراحل ساخت بر سازگاری هر یک از فازها در آسفالت اصلاح‌شده و پایداری سیستم آسفالت اصلاح‌شده، شرح داده شده است. در نهایت، روند توسعه این عرصه بحث شده است.

 

 

1. مقدمه
نانومواد ترکیباتی مورفولوژیک در مقیاس نانو هستند و خواص ویژه‌ای دارند که از ابعاد نانومقیاس آن‌ها نشات می‌گیرد. پس از اینکه نانوکامپوزیت پلی آمید رس/6 با کیفیتی بسیار عالی در مرکز تحقیقات تویوتا تهیه گردید، نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمر هم در دانشگاه و هم در صنعت، مورد توجه بسیاری قرار گرفتند. این توجهات به دلیل خواص بی‌نظیر مکانیکی، حرارتی، سدی، نوری، الکتریکی و مغناطیسی آن‌ها است.

مواد با حالت‌های مختلف، مثل مایع، شبه‌جامد یا جامد، در آسفالت به کار می‌روند. آسفالت مخلوط پچیده‌ای با رنگ سیاه یا تیره است که حاوی هیدروکربن‌هایی با وزن مولکولی مختلف و مشتقات غیرفلزی است. معمولاً آسفالت به عنوان ماده چسبنده آلی برای ضد آب سازی، مقاوم‌سازی نسبت به رطوبت و محافظت از خوردگی به کار می‌رود. اصلاح آسفالت پایه نیازمند ارتقای کیفیت مواد است. این ارتقا در کیفیت شامل چسبندگی، میزان حساسیت به دما، ویژگی‌های اصطکاک، مقاومت در مقابل اکسیداسیون و فرسودگی، میزان دوام و پایداری آن‌ها می‌شود. رزین، لاستیک، پلیمرها، سولفور، کمپلکس‌های فلزی، فیبرها و عوامل شیمیایی مختلف، جزئی از انواع گسترده‌ی بهبوددهنده‌های آسفالت محسوب می‌شوند. نانومواد در سال‌های اخیر، به‌تدریج زمینه ی ورود فناوری نانو به اصلاح آسفالت را فراهم کرده‌اند. شکل 1 سیر تکاملی مقیاس‌های طولی آسفالت را از مقیاس ماکرو به مقیاس‌های مزو، میکرو، نانو و کوانتوم، ارائه می‌دهد. میکروساختار تعیین‌کننده خواص ماکرو است. بنابراین، نانوآسفالت اصلاح‌شده پیشرفت عمده‌ای را ورای خواص مواد پایه، ارائه می‌دهد که بالاتر از سایر روش‌های اصلاح آسفالت است. بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) در آگوست 2006، یک کارگاه آموزشی با عنوان "اصلاح نانویی مواد سیمانی" برگزار کرد. تمرکز این کارگاه آموزشی در استفاده از فناوری نانو برای ارتقای آسفالت بود. از اصلی‌ترین نتایج این کارگاه این بود که علوم و فناوری نانو می‌توانند به ارتقای فناوری آسفالت منجر شوند. در این کارگاه آموزشی رشته " علوم نانومواد آسفالت" معرفی شد. در این مقاله مروری روش‌های مختلف تهیه آسفالت‌های اصلاح‌شده به شکل نانو، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته، تأثیر نانومواد بر خواص آسفالت پایه و سازوکار‌ها به طور خلاصه بیان می‌شود.

 

2. نانومواد مختلف به کار رفته در اصلاح آسفالت
بهبوددهنده‌های پلیمری مختلف، ویژگی‌های ذاتی مختلفی را به کامپوزیت‌ها می‌دهند. به‌واسطه تحقیق و توسعه، تعدادی از بهبوددهنده‌های خوب آسفالت، مثل؛ پلی اتیلن (PE) ، اتیلن ونیل استات (EVA) ، لاستیک و کوپلیمر بلاک استایرن بوتا دی ان استایرن (SBS)‌شناسایی شدند. SBS متخلخل و سبک وزن، هر دو ویژگی الاستیک و قابلیت ارتجاء در اثر حرارت رزین را با هم داراست. داشتن همزمان این دو ویژگی، کاربردهای فراوانی را برای آن فراهم می‌آورد. اما برخی از رزین‌ها، مانند PE، نسبتاً ارزان بوده، از پلاستیک‌های بازیافتی به‌دست می‌آیند و مسقیماً با آسفالت پایه مخلوط می‌شوند. لذا، هنوز خیلی از محققان برای تهیه آسفالت بهبود یافته با پلیمر فعالیت می‌کنند. فعالیت آن‌ها در جهت رفع اشکالات این مواد به منظور استفاده طولانی مدت از آن‌ها در مهندسی راه است. یکی از عمده‌ترین نقطه ضعف‌های بهبوددهنده‌های پلیمری خالص این است که بیشتر پلیمرها از نظر ترمودینامیکی با آسفالت ناسازگارند. این ناسازگاری به دلیل وجود اختلاف‌های اساسی در چگالی، قطبیت، وزن مولکولی و انحلال‌پذیری بین پلیمر و آسفالت است. ناسازگاری‌ می‌تواند به لایه لایه شدن کامپوزیت در حین ذخیره‌سازی حرارتی منجر شود. این مشکل به سهولت ظاهر نمی‌شود ولی هنگامی که در ساخت به کار می‌رود، ماده را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه صنعتی ووهان در چین، اصلاح آسفالت پایه و آسفالت بهبود یافته با SBS را با استفاده از سلیکات با نانو لایه‌ها گزارش کردند. گروهی در دانشگاه چانگ ان نیز نانوساختارهای سیلیکا، تیتانیا و کربنات کلسیم را به منظور اصلاح آسفالت پایه، با SBS ترکیب کردند. علاوه‌بر آن، محققان در دانشگاه شاندونگ جیاوتونگ، دانشگاه یانگژو، دانشگاه چانگکینگ جیاتونگ، دانشگاه علم وصنعت چانگ شا و دانشگاه هیونان نیز نانومواد معدنی فوق الذکر و هم‌‌چنین نانوموادی مثل Fe3O4 یا ZnO را برای اصلاح مستقیم آسفالت پایه یا به همراه SBS یا لاستک استایرن بوتا دی ان (SBR) برای اصلاح آسفالت پایه، گزارش کردند. گروه اویوانگ در دانشگاه شانگهای جیاو تانگ، ذخیره‌سازی حرارتی آسفالت اصلاح‌شده با پلی اتیلن کم چگالی (LDPE) و خاک رس سلیکاتی را بررسی کردند. علاوه‌بر آن، تأثیر خاک رس کائولین بر ویژگی‌های آسفالت اصلاح‌شده SBS و کوپلیمر سه قطعه‌ای و خطی از استایرن اتیلن بوتادین استایرن (SEBS) نیز گزارش شد. تشخیص داده شد که ویژگی‌های مقاومت در مقابل فرسودگی، ویژگی‌های رئولوژیکی و دمایی آسفالت اصلاح‌شده با نانومواد، افزایش یافته است. بنابراین طول عمر سرویس‌دهی راه آسفالته طولانی‌تر می‌شود.

گروه گالوویاک و جهرمی و خدایی تأثیر مونت‌موریلونیت (MMT) و سایر نانو رس‌ها را بر ویژگی‌های رئولوژیکی SBS بهبود یافته و آسفالت پایه، مورد بحث قرار دادند. گروه گوه، آسفالت بهبود یافته با نانورس و میکروفیبر کربنی را تهیه کرده و برای مخلوط‌های آسفالت، ویژگی‌های مکانیکی و مقاومت در برابر آب را گزارش کردند. گروه کبریتچی، در ابتدا پلیمرها را بر سطح CaCO3 پوشاندند و سپس کامپوزیت ذره/پلیمر را به‌عنوان بهبوددهنده آسفالت به کار بردند. سایر ویژگی‌های رئولوژیکی منتج شده از آسفالت بهبود یافته نیز گزارش شد. گروه سورش‌کومار، بایندر آسفالت کامپوزیت از مواد تک‌لایه/EVA را تهیه کردند و ویژگی‌ها و سازوکار سیستم سه تایی قیر- پلیمر- نانو را بررسی نمودند. گروه زارع- شاه‌آبادی از خاک رس بنتونیت (BT) استفاده کردند و بنتونیت آلی (OBT) را به منظور اصلاح آسفالت پایه ساختند. این گروه هم‌‌چنین به تجزیه و تحلیل تأثیر بهبوددهنده‌ها بر ویژگی‌های رئولوژیکی آسفالت اصلاح‌شده پرداختند. گروه پولاکوو، نیز تأثیر نانومواد لایه‌ای بر آسفالت اصلاح‌شده با SBS را مطالعه کردند و تأثیرات پلیمر و نانومواد را بر آسفالت پایه به طورکامل، تجزیه و تحلیل نمودند و به بررسی سازوکار‌های درگیر در ویژگی‌های ویسکوالاستیک و رئولوژیکی ایجاد شده پرداختند.

به دلیل دشوار بودن روش‌های تهیه، ساخت نانومواد آلی در مقیاس نانو با استفاده از تکنیک‌های مرسوم، مشکل است. لذا، بهبوددهنده‌های پلیمری متداول، مانند نانو افزودنی‌های اصلاح آسفالت، به سهولت در دسترس نیستند. اما، نانومواد اکسید فلزی می‌توانند با روشی مناسب تهیه شوند. در نتیجه، احتمال استفاده از آن‌ها به عنوان افزودنی‌های آسفالت پایه بیشتر است و روشی امیدبخش برای بهبود آسفالت محسوب می‌شود. هر چند که قیمت زیاد و ویژگی‌های نانومواد اکسید فلزی، جذابیت آن‌ها را برای اصلاح آسفالت در هر دو زمینه تحقیق و کاربرد، محدود می‌کند. از نظر تئوری بسیاری از مواد اکسید فلز معدنی می‌توانند به صورت مواد نانومقیاس فراهم شوند. سپس می‌توان از این نانومواد برای تشکیل نانوکامپوزیت‌هایی با آسفالت پایه، استفاده کرد. اما کلید موفقیت در به انجام رساندن آن، یافتن سورفکتانتی است که با نانو افزودنی‌ها و با آسفالت پایه سازگار باشد. همان‌طور که قبلاً ذکر شد، برخی نانومواد اکسید فلز معدنی خاص، نقش بهبوددهنده‌های غالب را در اصلاح آسفالت دارند و پرکاربردترین آن‌ها نانومواد رسی لایه لایه، مونتموریلونیت و مونتموریلونیت آلی (OMMT) است.

 

3. تهیه و فرآوری آسفالت اصلاح‌شده
به طور کلی، از دو روش متداول برای اصلاح آسفالت استفاده می‌شود. یکی از آن‌ها فناوری برش‌زدن با سرعت بالا [1] است که بیشترین حجم استفاده را دارد و فناوری کاملی است که در آن، بهبوددهنده پلیمری می‌تواند با استفاده از دستگاه برش، به طور یکنواخت در آسفالت توزیع شود. تکنیک دوم به نام "محلول مادر آب[2]"، نامیده می‌شود و متضمن حل نمودن بهبوددهنده پلیمری در یک حلال آلی است تا محلولی پلیمری با غلظت زیاد (مادر آب) ، تهیه شود. در ادامه، این محلول با مخلوط شدن درون آسفالت ترکیب می‌شود. مرحله آخر، شامل گرمایش مخلوط تا تقطیر و حذف حلال در دمای زیاد است. وجود سازگاری بین بهبوددهنده و آسفالت، کلید ارتقای سطح تأثیرات اصلاح آسفالت است. این سازگاری به ترکیب آسفالت پایه، قطبیت، اندازه ذره، ساختار مولکولی بهبوددهنده پلیمری، برهم‌کنش‌های سطحی بین آسفالت و بهبوددهنده پلیمری بستگی دارد. نوع عامل بهبوددهنده، دمای تهیه و مراحل اصلاح نیز در کارایی آسفالت بهبود یافته موثر است.

گروه کانگ، آسفالت اصلاح‌شده با کامپوزیت ZnO/SBS را از طریق روش‌های گزارش شده قبلی، تهیه کردند. شخص شد که محلول مادر نسبت به توزیع یکنواخت بهبوددهنده پلیمری و ذخیره‌سازی پایدار بعدی از سیستم آسفالت اصلاح‌شده، سودمندتر است. این مرحله از ساخت نسبتاً دشوار است و ممکن است این حلال بر سایر ویژگی‌های آسفالت تأثیرگذار باشد. در نهایت، در این مقاله تنها روش برش با سرعت زیاد برای اصلاح آسفالت که معمولاً در آزمایشگاه‌ها و در عملیات استفاده می‌شود، به‌ طورخلاصه بیان شده است.

با ملاحظه هزینه و پراکندگی نانومواد در آسفالت، می‌بایست نانومواد موجود در کامپوزیت کوچک باشند. علاوه‌بر این، ویسکوزیته آسفالت خیلی زیاد است و اجزاء سازنده پیچیده‌اند و این امر، دشواری‌های نانوذرات و نفوذ به درون ماتریکس را بیشتر می‌کند. برای کاهش ویسکوزیته در ساخت آسفالت اصلاح‌شده، لازم است که دما را برای پراکنده شدن آسان نانوذرات (حرکت بروانی) ، افزایش داد. چون در هنگام تهیه کامپوزیت، آسفالت به راحتی با اکسیژن فرسوده می‌شود، دمای مخلوط و زمان برش زدن نباید خیلی زیاد باشد. در غیر این صورت پارادوکس ایجاد می‌شود. بنابراین، در تحقیقات آینده، پراکندگی یکنواخت نانوذرات در آسفالت و کاهش فرسودگی آسفالت، مورد توجه خواهد بود. علاوه‌بر این، اندازه ذرات پلیمر در آسفالت، متأثر از سرعت و زمان برش است. پولاکو گزارش کرد که پلیمر در زمان مخلوط شدن، به واسطه جذب اجزای سبک آسفالت متورم می‌شود، به همین دلیل ویژگی‌های آسفالت پایه تغییر می‌کند. در نتیجه، ذرات پلیمری متورم شده در آسفالت، سازگاری دو فاز را در محدوده دمایی معین تغییر می‌دهد و اثر اصلاح بر آسفالت پایه را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

در ساخت نانو آسفالت اصلاح‌شده با CaCO3 /SBS که به‌وسیله‌ی گروه لیو انجام شد، آسفالت پایه در ابتدا در دمای ˚C170 ذوب شد و سپس با SBS ترکیب گردید. بایندر در دمای 170تا 185 درجه سانتی‌گراد و در سرعت 4000 تا 6000 دور بر دقیقه برش خورد. پس از برش زدن به مدت یک تا یک‌ونیم ساعت، CaCO3 اضافه شد و مخلوط برای یک ساعت دیگر با سرعت 5000 تا 7000 دور بر دقیقه برش خورد. سپس بایندر در دمای 160تا 175 درجه سانتی‌گراد برای مدت دو ساعت متورم شد و محصول نهایی آسفالت کامپوزیت، ایجاد گردید. یک گروه تحقیقاتی مراحل آورده شده در ادامه را برای ساخت نانو آسفالت بهبود یافته با TiO2/SBS، به‌کار بردند. در ابتدا دوز مورد نیاز از SBS، افزوده شد و با آسفالت ذوب شده در دمای 120 تا 130 درجه سانتی گراد مخلوط گردید و سپس برای مدت 24 ساعت تا رسیدن به دمای محیط سرد شد. بعد از آن نانوتیتانیا به‌تدریج به مخلوط آسفالت-SBS افزوده شد و به مدت 30 دقیقه در دمای ˚C170 و با سرعت زیاد‌ 10000دور بر دقیقه برش زده شد و بعد از آن در دمای ˚C120 برای مدت 30 دقیقه نگه داشته شد تا بهبوددهنده به طور کامل متورم شود. سرانجام، پس از برش دهی دیگر در دمای ˚C170با سرعت 14000 دور بر دقیقه برای مدت بیست دقیقه، نمونه آسفالت اصلاح‌شده تهیه شد. نمونه به مدت تقریبی 30 دقیقه در آون خلاء قرار داده شد و به این وسیله حباب‌ها از مخلوط خارج شدند. محققان دیگر دمای برش، سرعت و زمان متفاوتی را برای تهیه آسفالت اصلاح‌شده با پلیمر/ نانو ماده گزارش نمودند و برخی از محققان، از مرحله تورم استفاده نکردند. گروه اویانگ، گروه سورش کومار، گروه پولاکو، ماده نانولایه‌ای را درون پلیمر وارد کردند و یک کامپوزیت نانو/ پلیمر مستر بچ، را تهیه نموده و سپس آسفالت را با این بهبوددهنده کامپوزیتی، اصلاح نمودند. تشخیص داده شد که این روش نسبت به روش اصلاحی که از مخلوط کردن مستقیم و نرمال استفاده می‌کند، ویژگی‌های متفاوتی را از کامپوزیت به دست می‌دهد. از این رو، این کامپوزیت برخی از ویژگی‌های کامپوزیت مستربچ نانو/ پلیمر را حفظ می‌کند. بنابراین در ساخت آسفالت اصلاح‌شده با نانومواد-پلیمر، استفاده از یک مستربچ و ترتیب افزودن نانومواد و پلیمر، بر ویژگی‌های آسفالت اصلاح‌شده، اثرگذار است.

مراحل تهیه آسفالت بهبود یافته به طور چشمگیری بسته به انواع مختلف آسفالت پایه، پلیمرها و نانومواد، تغییر می‌کند. علاوه‌بر این فاکتورها، کنترل پارامترهای مراحل تهیه، مثل سرعت برش، دما و زمان برای تهیه آسفالت اصلاح‌شده با سازگاری خوب و ثبات در ذخیره‌سازی حرارتی نیز عرصه کار برای تحقیقات آینده در حوزه آسفالت با چندین نوع اصلاح با نانومواد-پلیمر است.

 

4. تأثیرات نانومواد بر آسفالت پایه یا آسفالت اصلاح‌شده و سازوکار آن‌ها
4. 1. سازگاری و پایداری
سازگاری ماده، فاکتوری مهم و وضعیتی لازم برای داشتن پراکندگی یکنواخت و پایداری کامپوزیت است. محققان از ابزارهای تکنیکی مناسب برای تهیه نانومواد یکنواخت و برای ایجاد پراکندگی یکنواخت آن‌ها در ماتریکس آسفالت، استفاده می‌کنند. متاسفانه، نانومواد به‌راحتی می‌توانند با هم تجمع کنند که این امر موجب تفکیک نقطه‌ای می‌شود. این نتایج در میکرو ساختارهای ناهموار کامپوزیت، منجر به انحراف میدان نیرو شده و در نهایت جنبه‌های مثبت نانومواد را تحت تأثیر قرار می‌دهد، که گاهی منجر به اثرات مشخصه منفی می‌شود. نبود پراکندگی یکنواخت در نانومواد افزوده شده برای دوره‌های طولانی (پایداری ضعیف) ، منجر به تغییر تدریجی میکرو ساختار کامپوزیت چه در زمان حمل و نقل و ذخیره‌سازی و چه در زمان استفاده در راه، خواهد شد. این وضعیت پذیرفتنی نیست.

گروه ژانگ به منظور ارتقای پراکندگی نانوذرات Fe3O4 در آسفالت، سیستمی کلوئیدی را با نانوذرات Fe3O4 تهیه کردند و این سیستم کلوئیدی را به آسفالت مذاب افزودند. سپس آسفالت اصلاح‌شده را با استفاده از روش برش‌زنی با سرعت زیاد، تهیه کردند. مشخص شد که نانوذرات Fe3O4 به طور یکنواخت در آسفالت پخش می‌شوند. علاوه‌بر این، اثر سورفکتانت‌های پوشاننده سطح نانوذرات منافعی دارد. این منافع شامل اثر تثبیت بر دو لایه الکتریکی ذرات و اثر پایداری دینامیکی حرکت براونی می‌شود. این امر تمایل به کلوخه‌ای شدن را در نانوذرات، کاهش می‌دهد. علاوه‌بر آن، چون مواد تشکیل دهنده آسفالت ویسکوزیته نسبتاً بالایی دارد، پس از آنکه نانوذرات به طور یکنواخت در آسفالت پراکنده شوند، سیستم آسفالتِ اصلاح‌شده، پایداری طولانی مدتی دارد و انعقاد در آن توسعه نخواهد یافت. گروهی از محققان تشخیص دادند که نانواکسید روی می‌تواند پراکندگی SBS در آسفالت را ارتقا دهد. مدت زمان زیادی است که خواص ویژه‌ نانومواد شناخته شده است. این ویژگی‌ها عبارتند از: سطح ویژه بالا، بالا بودن سطح انرژی آزاد و بی‌نظمی موجود در ترتیب قرارگیری اتم‌های میانی به شیوه‌ای که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا با کمک نیروهای بیرونی به دیگر اتم‌های سطحی متصل شوند. در نتیجه ذرات SBS می‌توانند روی سطح نانوذرات ZnO جذب شوند و به این وسیله سطح انرژی آزاد آن‌ها کاهش می‌یابد. این امر انرژی آزاد مربوط به سطح ذرات کوچک SBS را کاهش می‌دهد، از تجمع ذرات ریز SBS جلوگیری و ظرفیت اتصال SBS و آسفالت میانی را ارتقا می‌دهد. لذا ثبات ذخیره‌سازی آسفالت اصلاح‌شده با SBS را می‌توان بهبود داد.

یافته گروه هیوانگ این بود که بهبوددهنده نانوبنتونیت عملکرد بی‌نظیری دارد، چون این بهبوددهنده شامل 30 الی 40 درصد از ذرات فوق ریز و غیر فشرده ایزوله شده‌ای است که آزادانه پراکنده می‌شوند. پس از این‌که این ذرات با آسفالت مخلوط شدند به جای متراکم شدن و یا جدا شدن، یکدیگر را دو به دو رد می‌کنند. یک نیروی فصل مشترک قوی، می‌تواند روی فصل مشترک ذرات نامتراکم فوق‌ریز و حلال آلی تشکیل شود. بنابراین، ذرات سیلیکات نانو لایه‌ای می‌توانند به طور یکنواخت پراکنده شده و در آسفالت حل شوند. گروه اویانگ برای اولین بار کامپوزیت نانومواد سیلیکات-پلیمر را تهیه کردند. سپس آن را برای تهیه آسفالت اصلاح‌شده، به کار بردند. در مقایسه با آسفالت پایه و آسفالت اصلاح‌شده با پلیمر، سازگاری و ثبات ذخیره‌سازی حرارتی مربوط به آسفالت اصلاح‌شده ذره-پلیمر به طور مشخصی بهبود یافت. این ویژگی‌ها پس از ترکیب یهبود دهنده پلیمری با نانومواد ایجاد می‌شود که نتیجه کاهش تفاوت در چگالی و قطبیت بین پلیمر و آسفالت است.

آسفالت اصلاح‌شده با کیسه‌های شیر بازیافتی (که مهم‌ترین جزء آن‌ها PE است) و OMMT ساخته شد و نتایج امیدوار‌کننده‌ای به دست آمد. شکل 2 (a) میکروگراف فلئورسانس از آسفالت اصلاح‌شده با هشت درصد وزنی از پلیمر بازیافتی نشان می‌دهد که اندازه ذرات، غیر یکنواخت است. اما میکرو گراف فلئورسانس مربوط به آسفالت اصلاح‌شده با هشت درصد وزنی از پلیمر بازیافتی و دو درصد وزنی از OMMT در شکل 2 (b) نشان می‌دهد که چون زنجیره‌های مولکولی PE به‌وسیله انرژی سطحی قوی OMMT، جذب سطحی شده‌اند، ذرات PE به صورت یکنواخت در آسفالت پایه پراکنده می‌شوند.

 

4. 2. مقاومت در مقابل فرسودگی
وقتی که آسفالت کهنه می‌شود، سخت و شکننده می‌شود. بنابراین آسفالت جاده به طور ناگهانی آسیب می‌بیند. فرسودگی آسفالت یکی از دلایل عمده برای خرابی راه است که می‌تواند به دو مرحله تقسیم شود: فرسودگی کوتاه‌مدت و فرسودگی بلند مدت. فرسودگی کوتاه‌مدت به علت گرم کردن آسفالت در هنگام سنگ‌فرش کردن جاده است و فرسودگی بلند مدت با ترکیبی از اعمال مثل اکسیداسیون گرمایی، شدت روشنایی، نشست بارش و میزان ترافیک در مدت زمان سرویس‌دهی راه آسفالته، ایجاد می‌شود. فرسودگی برخی از آسفالت‌های اصلاح‌شده نه تنها به دلیل فرسودگی آسفالت بلکه به علت تخریب پلیمر است.

بیشترین مقاومت آسفالت اصلاح‌شده در مقابل فرسودگی، از سازگاری و پایداری خوب آن حاصل می‌شود. لذا داشتن سازگاری و ثبات جزء اولویت‌های خواص ضدفرسودگی آسفالت اصلاح‌شده است. علاوه‌بر این، الگوی پراکندگی نانومواد لایه‌ای در آسفالت اصلاح‌شده نیز مقاومت در مقابل فرسودگی را ارتقا می‌دهد. همان گونه که در شکل 3 دیده می‌شود، گروه ژانگ، گروه پولاکو و گروه یو، گزارش کردند که نانومواد لایه‌ای یا بهبوددهنده‌ی پلیمری با ساختار ورقه ورقه‌ای یا میان لایه‌ای، در آسفالت اصلاح‌شده، تشکیل شده است. این ساختارها خصوصاً نوع ورقه ورقه‌ای آن، در حالی که از تبخیر اجزای سبک آسفالت، جلوگیری می‌کنند، سدی موثر را در مقابل نفوذ اکسیژن، آب و حلال‌های آلی نیز ایجاد می‌کنند. بنابراین OMMT، مقاومت در مقابل خوردگی آسفالت اصلاح‌شده را ارتقا می‌دهد و عمر سرویس‌دهی راه آسفالته اصلاح‌شده را طولانی‌تر می‌کند. در شکل 4 سازوکار ضد فرسودگی برای آسفالت اصلاح‌شده با OMMT دیده می‌شود.

 

4. 3. دیگر ویژگی‌ها
هم‌چنین سایر ویژگی‌های آسفالت اصلاح‌شده، نظیر رئولوژی و کارائی راه، در درجه نخست به سازگاری و پایداری آسفالت اصلاح‌شده بستگی دارد. بنابراین، همه فاکتورهایی که بر سازگاری و پایداری موثر هستند، بر سایر ویژگی‌های مواد نیز موثر خواهند بود. ما آسفالت اصلاح‌شده با PE زائد/ OMMT را که محتوی هشت درصد وزنی PE زائد بود، تهیه کردیم و OMMT موجود در نمونه‌های 1# - 5# از آسفالت بهبود یافته به ترتیب برابر با درصد وزنی 0، 1، 2، 3 و 4 بود. شاخص‌های خواص فیزیکی آسفالت‌های اصلاح‌شده در شکل 5 نشان داده شده است. همان گونه که می‌توان دید، نفوذ و قابلیت چکش‌خواری با افزایش محتوی OMMT افزایش می‌یابد، ضریب سختی آسفالت کاهش یافته و مقاومت با تغییر شکل افزایش می‌یابد. بنابراین، می‌توان با مخلوط کردن PE- زائد و OMMT در آسفالت، مقاومت در برابر ترک‌خوردگی آسفالت راه را افزایش داد.

گروهی از محققان، تأثیر نانوذرات TiO2 را بر خواص حرارتی آسفالت اصلاح‌شده با TiO2، گزارش کردند. مشخص شد که فاکتور راتینگ (گودی جای چرخ) و الاستیسیته آسفالت اصلاح‌شده افزایش یافت، در نتیجه مقاومت نسبت به تغییر شکل دائمی زیاد شده و عمر سرویس‌دهی آسفالت اصلاح‌شده راه طولانی‌تر شد. کیو و پانگ به این نتیجه رسیدند که یک سوپر سورفکتانت با مساحت سطح زیاد و نانوذرات، شدیداً آسفالت را جذب می‌کنند و یک برهم‌کنش فیزیکی و شیمیایی یا واکنش شیمیایی خاص ایجاد می‌شود. لذا، اجزای سبک موجود در آسفالت کاهش یافته و حساسیت دمایی آسفالت تغییر کرد. علاوه‌بر آن، ساخت راه با آسفالت بتونی اصلاح‌شده با نانوذرات، افزایش یافت.

گروه چن در بررسی آسفالت امولسیفه شده و اصلاح‌شده با SiO2/SBR، دریافتند که افزودن نانو SiO2 موجب بهبود خواص جامع آسفالت پایه می‌شود. فاز مایع در زمان مراحل گرمایش کاهش یافت و به دلیل تأثیرات ساختار شبکه تشکیل شده به‌وسیله‌ی نقاط با اتصال عرضی فیزیکی از نانو SiO2 و SBR، به فاز جامد تغییر یافت. اصلی‌ترین دلیل برای بهتر شدن خواص آسفالت اصلاح‌شده، تورم SBR پس از جذب روغن در آسفالت بود. تانگ و هان پیشنهاد کردند که نانوذرات نقش ویژه‌ای در خواص فیزیکی و شیمیایی کامپوزیت ایفا می‌کنند. ایفای این نقش خاص، به دلیل وجود پلیمرهای با اندازه کوچک، اتم‌های جفت نشده موجود در سطح و توانایی خوب در ترکیب شدن با پلیمرها است. استحکام کامپوزیت نانو-پلیمر افزایش یافت و سختی خوب و مقاومت پلیمر حفظ شد. این موارد سمت و سوی جدیدی برای کارایی آسفالت اصلاح‌شده نشان می‌دهد و توسعه و تهیه ماده نانو سیلیکات/ پلیمر/ آسفالت با استحکام زیاد، سختی زیاد، مقاوم در دمای زیاد، مقاوم در مقابل فرسودگی و آب، انتظار می‌رود.

 

5. نتایج و چشم اندازها
نانومواد مختلفی از گرایش محققان به اصلاح آسفالت با نانومواد، پدیدار شدند تا نقشی مثبت را در بهتر نمودن ویژگی‌های آسفالت، بازی کنند. از چشم اندازهای مختلف و به طورخلاصه، سازوکار‌های استفاده از نانومواد به اضافه آسفالت پایه یا آسفالت اصلاح‌شده با پلیمر و سیستم نانو/ پلیمر/ آسفالت، مطرح گردید و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. همان‌طور که خیلی از پژوهشگران به نانومواد به کار رفته در اصلاح آسفالت توجه می‌کنند، علوم و فناوری نانو به پیشرفت‌های عظیم‌تری در اصلاح آسفالت کمک خواهند کرد. در ساخت آسفالت اصلاح‌شده، از روش‌های متداول تهیه آسفالت اصلاح‌شده با پلیمر استفاده گردیده است، اما تأثیر پارامترهای مختلف مراحل ساخت، مثل دما، سرعت برش و زمان بر محصولات آسفالت اصلاح‌شده، مورد بررسی قرار نگرفته است. اعتقاد بر این است که تغییر و تبدیل نانومواد بر آسفالت پایه یا آسفالت اصلاح‌شده، مرحله‌ای از واکنش شیمیایی است. روش‌ها برای بیان یک دوز معقول از نانوذرات به درون آسفالت برای دست‌یابی به پراکندگی نانومقیاس و ارتقای سازگاری همه فازها و ویژگی‌های جامع مواد آسفالت اصلاح‌شده، نقطه تمرکز کارهای تحقیقاتی در این زمینه خواهد بود. به طور هم‌زمان بررسی‌های بیشتر بر سازوکار آسفالت اصلاح‌شده با نانومواد و میکرو ساختارهای آن در تعلیم شیوه‌های مهندسی، مورد توجه خواهد بود.

 

منبع:

C. Fang et al.: J. Mater. Sci. Technol., 29 (2013) 7, 589-594.