تولید آسفالت از مخلوط پسماند پلاستیک و نانومواد

دسته: مقالات منتشر شده در 02 خرداد 1403
نوشته شده توسط Admin بازدید: 38

تولید آسفالت اصلاح شده با مخلوط پسماندهای پلاستیک و نانومواد

سنگ آسفالت ماستیک (SMA) سهم فوق العاده ای در تحقیقات صنعت مهندسی روسازی دارد. باتوجه به تغییرات آب و هوایی و تفاوت شرایط بار، استفاده از مواد افزودنی خاص در SMA ضرورت دارد. بنابراین، استفاده از یک مخلوط مدرن با ظرفیت بالا با هدف زنده ماندن در بارهای ترافیکی بسیار حیاتی است. هدف از این مطالعه استفاده از ترکیب ضایعات پلی اتیلن سنگین (HDPE) و نانو-سیلیس (NS) و پلیمر به عنوان افزودنی هیبریدی جدید توسعه یافته در اصلاح SMA است که می تواند عملکرد شیار و سفتی را بهبود بخشد. با استفاده از فرایند مخلوط خشک، پلی اتیلن سنگین (HDPE) و NS با بایندر قیر C320 برای تولید مخلوط‌های SMA ترکیب شدند. همچنین نانو-سیلیس به بایندر C320 (2، 4 و 6 درصد وزنی بایندر) افزوده شد. خواص مهندسی نیز ازطریق آزمون‌های پایداری مارشال، جریان مارشال، ضریب مارشال، ردیابی چرخ و تست خستگی خمشی 4 نقطه ای ارزیابی شدند. نتایج به دست آمده نشان داد که افزودن 4 تا 6 درصد نانو سیلیس موجب بهبود عملکرد شیارشدگی و سفتی مخلوط های SMA اصلاح شده، درمقایسه با مخلوط های اصلاح نشده، می شود. همچنین مخلوط هایی که با افزودنی هیبریدی HDPE 4 درصد و NS 2 درصد اصلاح شدند، سفتی بهتر، مقاومت در برابر شیارشدگی و عمر خستگی طولانی تری دارند.

 

آسفالت ماستیک سنگی (SMA) یک مخلوط آسفالتی است که از یک اسکلت سنگدانه درشت و یک ملات چسب غنی با 6 تا 8 درصد قیر مایع تشکیل شده است. SMA حاوی مخلوط درشت خرد شده، سنگدانه ریز خرد شده، بایندر آسفالت، پرکننده معدنی و تثبیت کننده هایی مانند سلولز، الیاف معدنی یا پلیمر برای بایندر است. در شکل زیر تصویری از مخلوط معمولی و مخلوط متراکم معمولی درجه بندی شده ارائه شده است.

 

شکل 1:

Typical SMA mixture and dense graded mixture 

 

تصویر سمت چپ درصد بیشتری از قیر و شکستگی سنگدانه را در مقایسه با مخلوط آسفالت گرم معمولی در سمت راست نشان می دهد. همان طور که شکل نشان می دهد، مخلوط آسفالت متراکم درجه بندی شده معمولی حاوی مقدار کمتری قیر با درجه بندی یکنواخت ذرات سنگدانه است. سبب قدرت و پایداری SMA را باید بخش سنگی اسکلت سنگدانه درشت دانست که منجر به افزایش نرخ اصطکاک داخلی و مقاومت برشی مخلوط دانست که آن را قادر می سازد تا به دلیل تماس مکرر با آج های تایر در مقابل پوسیدگی و فرسودگی مقاومت کند. با این حال، برخی از نقاط ضعف قابل تشخیص در ساختار SMA پایین بودن زهکشی است که از عدم وجود سنگدانه سایز متوسط در مخلوط درجه بندی شده ناشی می شود که درعوض، دارای محتوای چسب آسفالت بالایی است. به طور کلی، همان طور که در اینجا نیز بیان شده است، این مخلوط از مزایای بسیاری مانند دوام بالا، مقاومت بهبود یافته در برابر خستگی، ترک انعکاسی و مقاومت بیش از حد شیار، آلودگی صوتی کمتر در ترافیک و مقاومت بالا در برابر لغزش برخوردار است. مخلوط های SMA همچنین معایبی نیز دارند ازجمله تاخیر در بازگشایی مسیرها به روی ترافیک، زهکشی بایندر و هزینه های اولیه بالا. به دلیل شکاف ماهیت درجه بندی شده مخلوط های SMA و محتوای بالای قیر، به تثبیت و بهبود کنترل زهکشی قیر نیاز دارند. برای دستیابی به این هدف، بایستی اصلاح کننده های پلیمری یا الیاف به مخلوط های SMA به منظور اصلاح، تقویت و تثبیت مخلوط افزوده شوند.

 

از پلیمرهای مختلفی برای اصلاح مخلوط های SMA استفاده می شود ازجمله استایرن-بوتادین-استایرن (SBS) استایرن-بوتادین-لاستیک (SBR)، اصلاح کننده لاستیک (CRM)، اتیل وینیل استات (EVA) و استایرن پلی وینیل کلرید (PVC). علاوه بر استفاده از پلیمرها به عنوان اصلاح کننده یا افزودنی در مخلوط آسفالت، درحال حاضر از مواد افزودنی مانند نانومواد به طرز چشمگیری در اکثر پروژه های آسفالت مخلوط داغ استفاده می شود. باتوجه به مطالعات انجام شده، افزودن نانوذرات به آسفالت موجب بهبود خواص فیزیکی، مهندسی و رئولوژیکی می شود. برخی مطالعات نشان دادند این نانومواد می تواند اساسا چسبندگی و انسجام بایندر آسفالت/مخلوط و پیوند ایجاد شده بین آسفالت و نانوذرات را بهبود بخشیده و از افزایش ترک ها اجتناب کند. باتوجه به مطالعات انجام شده، نانو سیلیس یک افزودنی عالی در اصلاح روسازی به شمار می رود. رویکرد جدیدی برای استفاده از پلیمرها و نانومواد به عنوان پلیمر هیبریدی با هدف غلبه بر برخی معایب استفاده از پلیمر منفرد وجود دارد. استفاده از ترکیب 4-2 درصدی نانو سیلیس و 5 درصدی پلیمر SBS منجر به بهبود عملکرد مخلوط آسفالت و افزایش مقاومت در برابر خوردگی و خستگی بهتر شد. کاربرد نانو سیلیس با پلیمر SBS به خوبی مورد بررسی قرار گرفته است. با این وجود، هیچ پژوهشی درمورد ترکیب نانو سیلیس و قیر C320 اصلاح شده با ضایعات HDPE وجود ندارد. به این ترتیب، بررسی و ارزیابی خواص مهندسی، مکانیک و تغییر شکل ترکیب نانوسیلیس و ضایعات پلیمر پلاستیکی به عنوان یک "افزودنی هیبریدی پایدار" ضروری است. هدف کلی از این مطالعه بررسی، ارزیابی و ایجاد محتوای مخلوط ایده آل برای تولید افزودنی هیبریدی پایدار است که می تواند در هر دو بخش مهندسی اصلاح آسفالت و صنعت بازیافت پلیمر موثر باشد.

 

نتیجه گیری

در این مطالعه اثرات نانو سیلیس و ضایعات HDPE بر مقاومت شیار و تغییر شکل دائمی مخلوط های آسفالت SMA مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. با استفاده از فرایند مخلوط مرطوب، NS و ضایعات پلاستیک با بایندر C320 ترکیب شده و مخلوط SMA ساخته شد. از ضایعات HDPE در نسبت های 2، 4 و 6 درصد به عنوان پلیمر ترکیبی هیبرید/افزودنی استفاده شد. خواص مکانیک و مهندسی نیز ازطریق آزمون های پایداری مارشال، جریان مارشال، ردیابی چرخ، نسبت مقاومت کششی غیرمستقیم، مدول سفتی و زهکشی بررسی شدند. درنتیجه، در زیر یافته های حاصل از این مطالعه به طور خلاصه ارائه شده اند:

 

1. این مطالعه رویکردی نوآورانه با هدف استفاده از پلاستیک بازیافتی در صنعت اصلاح آسفالت ارائه می دهد. همچنین اثربخشی و امکان استفاده از ضایعات پلاستیکی با/بدون نانو سیلیس به عنوان پلیمر بازیافتی جایگزین کم هزینه در اصلاح بایندر قیر C320 و مخلوط آسفالت را با پیروی از استانداردهای استرالیا را ارزیابی و مطالعه می کند. افزودن 4 درصد ضایعات HDPE درمقایسه با افزودن 2 تا 6 درصد نانو سیلیس، مدت پایداری و مقاومت شیار را بهبود می بخشد.

2. افزایش مقدار نانو سیلیس در کنار4 درصد HDPE موجب افزایش آشکار ثبات و ضریب مارشال می شود. با این حال، جریان مارشال نتایج کاهش یافته ای را نشان می دهد. مقادیر بالای پایداری مارشال نشان می دهد که افزودنی هیبریدی از نمونه های نانو سیلیس-HDPE سفت تر شده و به عنوان مخلوط اصلاح شده SMA به تغییر شکل مقاوم تر هستند.

3. استفاده از نانو سیلیس باعث کاهش پایداری عمق شیار در مخلوط های اصلاح شده حاوی 4 درصد HDPE و 6 درصد NS می شود. نتایج به دست آمده تاثیر مثبت NS و ضایعات پلاستیکی بر مقاومت شیار را نشان می دهند.

4. استفاده از ضایعات پلاستیک و نانو سیلیس به بهبود خستگی و در نتیجه افزایش مقاومت مخلوط در برابر ترک خوردگی و تغییر شکل تمام نمونه های هیبریدی ضایعات پلاستیک با نانوسیلیس و نمونه های حاوی 4 درصد HDPE درمقایسه با مخلوط های گروه کنترل (مخلوط های اصلاح نشده) می شود.

5. به تست‌های تنش و دمای بیشتری برای بررسی مقاومت شیار و عملکرد خستگی مخلوط آسفالت نیاز است. با این حال، توصیه می شود عمر خستگی و تغییر شکل خستگی از درصدهای مختلف افزودنی هیبریدی با استفاده از مخلوط SMA آزمایش شوند.