نانو مواد به کار رفته در اصلاح آسفالت

نانو مــواد ترکیباتی مورفولوژیک در مقیاس نانو هســتند و خواص ویــژه‌ای دارند که از ابعاد نانو مقیاس آنها نشــات می‌گیرد. پس از اینکه نانو کامپوزیت پلی‌آمید رس‌ با کیفیتی بسیار عالی در مرکز تحقیقات تویوتا تهیه شد، نانو کامپوزیت‌های پایه پلیمر هم در دانشگاه و هم در صنعت، مورد توجه بســیاری قرار گرفتند. این توجهات به دلیل خواص بی‌نظیر مکانیکی، حرارتی‌، نوری، الکتریکی و مغناطیسی آنها است. مواد با حالت‌های مختلف، مثل مایع، شبه جامد یا جامد، در آسفالت به کار می‌روند.

. این ارتقا در کیفیت شامل چسبندگی، میزان حساسیت به دما، ویژگی‌های اصطکاک، مآسفالت مخلوط پچیده‌ای با رنگ سیاه یا تیره است که حاوی هیدروکربن‌هایی با وزن مولکولی مختلف‌، به عنوان ماده چسبنده آلی برای ضدآب‌سازی، و مشــتقات غیرفلزی است. معمولاً برای مقاوم‌ســازی نســبت به رطوبت و محافظت از خوردگی به کار می‌رود. اصلاح آســفالت پایه، نیازمند ارتقای کیفیت مواد استقاومت در مقابل اکسیداسیون و فرسودگی، میزان دوام و پایداری آنها می‌شود. رزین، الاستیک، پلیمرها، سولفور، کمپلکس‌های فلزی، فیبرها و عوامل شیمیایی مختلف، جزئی از انواع گســترده‌ی بهبوددهنده‌های آسفالت محســوب می‌شوند. نانو مواد در ســال‌های اخیر، به تدریــج زمینه‌ی ورود فنــاوری نانو به اصالح آســفالت را فراهم کرده‌اند.

‌نانو آســفالت اصلاح شده پیشــرفت عمده‌ای را ورای خواص مــواد پایه، ارائه می‌دهد که با‌لاتر از ســایر روش‌های اصلاح آسفالت است. بنیاد ملی علوم آمریکا‌، یک کارگاه آموزشــی با عنوان (اصلاح نانویی مواد ســیمانی) برگزار کرد. تمرکز این کارگاه آموزشی در استفاده از فناوری نانو برای ارتقای آسفالت بود. از اصلی‌ترین نتایج این کارگاه این بــود که علوم و فناوری نانو می‌توانند به ارتقای فناوری آســفالت منجر شــوند. در این کارگاه آموزشی رشته (علوم نانو مواد آسفالت) معرفی شــد. ‌

بهبوددهنده‌های پلیمری مختلف، ویژگی‌های ذاتی مختلفــی را به کامپوزیت‌هــا می‌دهند. به واســطه تحقیــق و توســعه، تعــدادی از بهبوددهنده‌های خوب آسفالت، مثل؛ پلی اتیلن (PE)، اتیلن ونیل اســتات (EVA‌)، الاستیک و کوپلیمر بالک اســتایرن بوتا دی ان اســتایرن (SBS‌) شناسایی شدند. SBS متخلخل و سبک وزن، هر دو ویژگی ‌الاســتیک و قابلیت ارتجاء در اثر حرارت رزین را با هم داراســت. داشتن همزمان این دو ویژگــی، کاربردهای فراوانی را برای آن فراهم می‌آورد. امــا برخی از رزین‌ها،‌ ارزان بوده، از پلاستیک‌های مانند PE‌، نســبتاً با آسفالت بازیافتی به دســت می‌آیند و مسقیماً پایــه مخلوط می‌شــوند. لذا، هنــوز خیلی از محققان برای تهیه آسفالت بهبود یافته با پلیمر فعالیت می‌کنند. فعالیــت آنها در جهت رفع اشــکا‌لات این مواد به منظور استفاده طو‌لانی مدت از آنها در مهندســی راه اســت.

یکی از عمده‌ترین نقطه ضعف‌هــای بهبوددهنده‌های پلیمری خالص این اســت که بیشــتر پلیمرها از نظر ترمودینامیکی با آســفالت ناســازگارند. این ناســازگاری به دلیل وجــود اختلاف‌های اساســی در چگالــی، قطبیــت، وزن مولکولی و انحلالپذیری بین پلیمر و آســفالت اســت. ناسازگاری می‌تواند به لایه لایه شدن کامپوزیت در حین ذخیره‌ســازی حرارتی منجر شود. این مشکل به سهولت ظاهر نمی‌شود ولی هنگامی که در ساخت به کار می‌رود، ماده را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

محققین در چین اصلاح آســفالت پایه و آسفالت بهبود یافته با SBS را با استفاده از سلیکات با نانو‌لایه‌ها گزارش کردند. گروهی در دانشــگاه چانگ ان نیز نانو ساختارهای ســیلیکا، تیتانیا و کربنات کلسیم را به منظور اصلاح آسفالت پایه، با SBS ترکیب کردند. علاوه بر آن، محققان نیز نانو مواد معدنی Fe3 فوق‌الذکر و همچنین نانو مــوادی مثل O4 یا ZnO را برای اصلاح مســتقیم آسفالت پایه یا به همراه SBS یا ‌لاســتک استایرن بوتا دی ان (SBR‌) برای اصلاح آســفالت پایه، گزارش کردند. گروه اویوانگ در دانشگاه شانگ‌های جیاو تانگ، ذخیره‌سازی حرارتی آسفالت اصلاح‌شده با پلــی اتیلن کم چگالی (LDPE‌) و خاک رس سلیکاتی را بررســی کردند. علاوه‌ بر آن، تأثیر خــاک رس کائولیــن بر ویژگی‌های آســفالت اصلاح‌ شده SBS و کوپلیمر سه قطعه‌ای و خطی از استایرن اتیلن بوتادین استایرن (SEBS‌) نیز گزارش شد. تشخیص داده شد که ویژگی‌های مقاومــت در مقابــل فرســودگی، ویژگی‌های رئولوژیکــی و دمایی آســفالت اصلاح شــده با نانو مواد، افزایش یافته است. بنابراین طول عمر سرویس‌دهی راه آسفالته طو‌لانی‌تر می‌شود.

محققان ایرانی تأثیر مونت موریلونیت (MMT‌) و سایر نانو رس‌ها را بر ویژگی‌های رئولوژیکــی SBS بهبود یافته و آسفالت پایه، مورد بحث قرار دادند. آســفالت بهبود یافته با نانــورس و میکروفیبر کربنی را تهیه کرده و برای مخلوط‌های آسفالت، ویژگی‌هــای مکانیکی و مقاومت در برابر آب را گزارش کردند. ‌در ابتدا پلیمرها CaCO3 پوشاندند و سپس کامپوزیت را بر سطح ذره/ پلیمر را به عنوان بهبوددهنده آســفالت به کار بردند. ســایر ویژگی‌های رئولوژیکی منتج شــده از آســفالت بهبود یافته نیز گزارش شد.

ســاخت نانو مواد آلی در مقیاس نانو با استفاده از تکنیک‌های مرســوم، مشــکل اســت. لذا، بهبوددهند‌ه‌هــای پلیمری متــداول، مانند نانو افزودنی‌های اصلاح آســفالت، به ســهولت در دســترس نیســتند. اما، نانو مواد اکسید فلزی می‌توانند با روشــی مناســب تهیه شــوند. در نتیجــه، احتمال اســتفاده از آنهــا به عنوان افزودنی‌هــای آســفالت پایه بیشــتر اســت و روشی امید بخش برای بهبود آسفالت محسوب می‌شــود. هر چند که قیمت زیاد و ویژگی‌های نانو مواد اکســید فلزی، جذابیــت آنها را برای اصلاح آســفالت در هــر دو زمینــه تحقیق و کاربرد، محدود می‌کند. از نظر تئوری بسیاری از مواد اکســید فلز معدنی می‌توانند به صورت مواد نانو مقیاس فراهم شوند. سپس می‌توان از این نانو مواد برای تشکیل نانوکامپوزیت‌هایی با آسفالت پایه، استفاده کرد. اما کلید موفقیت در به انجام رســاندن آن، یافتن سورفکتانتی است که با نانو افزودنی‌ها و با آســفالت پایه سازگار باشد. همان‌ طور که قبلاً ذکر شد، برخی نانو مواد اکسید فلز معدنی خاص، نقش بهبود دهنده‌های غالب را در اصلاح آسفالت دارند و پرکاربردترین آنها نانو مواد رسی لایه لایه، مونت موریلونیت و مونت موریلونیت آلی (OMMT‌) است.