راه و ترابری
كاربرد نانو فنآوري در راهسازي
كاربرد نانو فنآوري در راهسازي
(تثبيت خاك)
دكتر مهدي روانشادنيا
عضو هيات علمي واحد علوم و تحقيقات دانشگاه آزاد اسلامي
بهرام سيف
كارشناس ارشد مديريت پروژه و ساخت
زمستان 93
مقدمه:
بدون شك یکی از مسایل ومشکلات گريبانگير صنعت راهسازی وجود رطوبت و از دست دادن مقاومت خاک مي باشد که سبب ایجاد معضلات بسیاری در عبور و مرور میگردد، بخصوص درخاکهایی که میزان ذرات رس آنها قابل توجه می باشد. رس بدلیل وجود خاصیت جذب آب سبب ایجاد تورم در لایه های خاک و لایه های روسازی میگردد.
بنابراین خاک در حالت خشک سبب ایجاد گرد و غبار و در حالت مرطوب سبب ایجاد حالت خمیری(گل ولای) میگردد. این امر سبب گردید تا مهندسان به دنبال طرحی اقتصادی و جدید باشند تا بتوانند این مشکلات و مسایل را برطرف نماید.
اهداف کلی که در این راستا دنبال میشود عبارتنداز:
1- ساخت جاده اقتصادی
2- به روز رساندن جاده
3- نگهداری از جاده های بدون آسفالت(جاده خاکی)
4- ترمیم جاده های تخریب شده
5- ساخت جاده ها
6- ایجاد محل های پارکینگ
7- ایجاد باند موقت
8- خاک ریز های حجیم
فرایندپایدار کنندگی خاکهای آنیونیک :
توسعه نانو؛ به منظور افزایش خروج آب جذب شده در ذرات خاک رس جهت دسترسی به حداکثر تراکم با کمترین کار مکانیکی و جلوگیری از جذب مجدد آب بوده و این پروسه منتهی به تولید مصالح تثبیت شده با پایداری دائم میگردد .
خاک رس معدنی ذاتا و عمدتا دارای بار الکتریکی منفی بوده که باعث میشود خاک رس موجود معدنی قدرت جذب قوی برای هریون مثبت را داشته باشد . خاک رس معدنی منفی یون های مثبت را شبیه براده های آهن به یک مغناطیس جذب نموده و با آب موجود واکنش نشان خواهند داد (نیروهای الکترواستاتیک در مجاورت ذرات یا مولکولهای خاک رس قوی تر هستند که منجر به ایجاد پیوند های بسیار قوی میشوند). در اینصورت دماها و فشارهای عادی باعث حذف آنها نخواهد شد .
این لایه از آب به عنوان لایه مضاعف پخش کننده الکترواستاتیک یا آب جذب شده سطحی شناخته میشود.کمی دورتر از ذرات خاک رس مولکول های آب دیگر بدون جذب به سطح خاک رس وجود دارند که به عنوان آب محبوس شده در حفرات یا آب جذب شده شناخته میشود . جذب آب توسط خاک رس سبب افزایش حجم و تورم میگردد که خود عامل خرابی سطوح محسوب میشود .
اگر مولکولهایی با بار مثبت قوی مانند نانو-SPM که دارای چهار بار مثبت میباشد به جای بار منفی مواد معدنی موجود در خاک رس نشسته و خنثی خواهد شد. همزمان هر کاتیونی مانند آب به سادگی میتواند از ذرات خاک رس جدا شده و جایگزین شود و یا محل های یونی خالی در سطح خاک رس اشغال گردد. یون های مثبت بزرگ مانند سدیم؛کلسیم و آب نمی توانند براحتی در این محل ها قرار بگیرند و براحتی جدا یا جایگزین شوند. یون های مثبت کوچک که در محل ها خود قرار بگیرند براحتی جدا یا جایگزین میشوند. همچنین یون های مثبت کوچک به خوبی در این محلهای خالی قرار می گیرند که منجر به موازنه ی بارهای منفی خاک رس با یون های مثبتی که حذف نمی شوند می گردد. با این حال خاک رس در مقابل آب نسبتا بی اثر شده و توده خاک به طور دایمی پایدار میگردد.
مزایای کلیدی :
افزایش ظرفیت باربری
افزایش کارایی خاک
تثبیت دراز مدت خاک
کاهش جذب مجدد آب
کاهش اتلاف شن(راههای خاکی)
کاهش گرد و غبار(راههای خاکی)
افزایش قابلیت آمد و شد در شرایط مرطوب بارانی(راههای خاکی)
تاریخچه طرح :
كاربرد نانو درآفریقای جنوبی توسعه پیدا نموده و توسط یک تیم متخصص و حرفه ای در رشته ی شیمی و مهندسین راه و ساختمان در کانادا و آفریقای جنوبی پشتیبانی شد؛ همچنین زیر نظر يكي از مجربترين گروه هاي کنترل کیفیت به منظور اطمینان از عملکرد پايدار تولید گردیده و در بیش از 96 کشور جهان مورد استفاده قرار گرفته و جهت ساخت جاده ها با هزینه کم و مناسب هر آب و هوایی با استفاده از خاک موجود در محل اجرا میگردد. این محصول در 96 کشور جهان مورد استفاده قرار گرفته است. این محصول برای تثبیت خاک رس در جاده های روستایی بدون پوشش آسفالت و در زیر سازی جاده ها مورد استفاده قرار میگیرد. تثبیت کننده خاکها آنیونی بوده و سبب بهبود عملکرد تحمل بار مي گردند كه با یک لایه حفاظتی روغنی روی سطح خاک و ذرات رس را می پوشاند . این محصول حرکت پذیری یون و مبادله آن را کاهش داده و همزمان با حذف نمودن جذب آب این مواد را آب گریز می نماید . در نتیجه ماده خاکی کمتر به رطوبت حساس بوده؛ باعث کارایی بیشتر و توان فشردگی و بهم پیوستن بهتر ذرات توسط تجهیزات و ماشین آلات عبوری می گردد .
اين مواد در محدوده ای از خاک رس تا ماسه بادی و مقداري هم شن را تیمار می نماید(مواد غیر چسبنده از قبیل ماسه تنها در زمانی می توانند تیمار شوند که آن را با مواد مناسب خاک رس مخلوط نمود) در هم رفتن بهتر ذرات به معنی اصطکاک داخلی بیشتر و بهتر شدن ظرفیت خاک می باشد .
روسازي ها و فناوري نانو
شيمي علمي است كه به تركيب ساختار و ويژگي ها ماده مي پردازد در حالي كه فيزيك علمي است كه با مفاهيمي همچون نيرو انرژي و جرم با هدف فهم دنياي طبيعي سرو كار دارد. مهندسي كاربرد خلاقانه اي از قوانين علمي است كه براي طراحي، رشد توليد و به كاربردن سازه ها و ماشين هاي مراحل توليد به كار مي رود. مهندسي روسازي يكي از شاخه هاي مهندسي است كه با طراحي، ساخت و نگهداري زيرساخت ها مانند جاده ها، باند فرودگاه، عرشه پل ها سر و كار دارد. مهندسي به اصول پيشرفته علوم وابسته مي باشد و بر روي كاربرد اين اصول در خدمت رساني به بشر متمركز مي باشد.
شيمي و فيزيك عموما بر روي مقياس هاي كوچكتر متمركز هستند تا فهم دقيق تري از مواد ارائة دهنده ولي مهندسي بر روي مقياس هايي تمركز دارد كه مواد با يكديگر كار مي كنند تا يك عملكرد مشخصي را ارائه دهند مثل ذرات سيمان كه با دانه هاي خاك تركيب مي شوند تا بتن روسازي جاده يا ساختمان را شكل دهند. لذا ابعاد مقياس از فهم مقياس نانو علوم تا فهم مقياس ماكرو مهندسي متفاوت است. هدف از كاربرد نانوفناوري به قرار زير مي باشد:
- · به حداقل رساندن استفاده از مابع طبيعي
- · كاهش مصرف انرژي
- · كاهش انتشار گازهاي گلخانه اي
- · كاهش آلودگي (هوا آب خاك صوتي)
- · بهبود سلامتي ايمني و جلوگيري از خطر و
- · اطمينان از سطح بالاي از ايمني و آسايش مصرف كنندگان
براساس بحث پيشين مشكلات موجود در زمينه كاربردهاي بالقوه فناوري نانو در مهندسي روسازي را مي توان با سه نكته زير جمع بندي كرد:
1- شناسايي نيازهاي فعلي كه نمي تواند بطور موثر با استفاده از فناوري موجود تعريف شود
2- شناسايي راه حل هاي بالقوه فناوري نانو كه ممكن است در زمينه مهندسي روسازي كاربرد داشته باشد
3- تركيب اين دو مفهوم براي شناسايي راه حل هاي فناوري نانو با ضرايب بالقوه بالاي سود به هزينه و تمركز بر پيشرفت هاي ويژه در اين زمينه ها
مصالح خاك و شن
بسياري از مواد ژئوتكنيكال مي توانند به عنوان مواد نانوئي تعريف شوند و كاركرد و رفتار آن ها براي سال هاي زيادي است كه در سطح نانو مورد مطالعه قرار گرفته است، كه شامل مطالعه بلورهاي معدني و ساختارمربوطه، آب، روابط متقابل آب وخاك و به ويژه رفتار رسوب مواد معدني را نيز شامل مي شود. مطالعه آب روي سطح ذرات خاكي كه در مقياس نانو ديده مي شوند با لايه اي از آب هيدراته اطراف ذرات خاك با ضخامتي معمولا بين 7/0 تا 1 نانومتر شناسايي مي شوند. فهم گسترده مواد و پيوندشان با مولكول هاي آب، درك رفتار اين مواد را هنگامي كه در لايه هاي روسازي به كار برده مي شوند و همچنين تغييرات مورد انتظاري كه ممكن است مواد در هنگامي كه محتوي آب در يك ساختار روسازي را نيز بهبود مي بخشد.
يكي از تغييراتي كه مواد وقتي در مقياس نانو استفاده مي شوند، اين است كه نسبت مساحت سطح به حجم بطور قابل توجهي افزايش مي يابد. اغلب يكي از مواد موجود در مهندسي روسازي بطور طبيعي رس مي باشد. اين رس ها مشكلات ويژه اي را در زمينه مهندسي روسازي به عنوان پاسخ خود به تغييرات درصد رطوبت را سبب مي شوند و ساختار صفحه اي كوچك مواد باعث شده كه بيشتر رس ها زاويه اصطكاكي كمي داشته باشند و برخي از آنها نيز منبسط شوند.
بهبود مشكلات متداول مختلف شامل تثبيت رسي مي شود كه از موادي مثل آهك استفاده مي كند، بهبود با مواد نفتي سولفاته نيز كه بر روي خواص سطحي يون مواد يا پاكسازي ماده از لايه هاي سازه اي موثر نيز صورت مي گيرد. با اين حال، مطالعات در زمينه رفتار مصالح رسي در زمينه نانو فناوري، ديدگاه هاي جديدي را در خواص اساسي رس معرفي مي كند. كاربرد اين دانش جديد مي تواند منجر به روش هاي جايگزيني براي تثبيت رس موجود در جاده شود و در نتيجه باعث استفاده از روش هاي كمتر توسعه يافته براي استفاده از اين مواد در روسازي شود.
خصوصیات مصالح:
تعیین صحیح خصوصیات مصالح برای بررسی رفتار و ویژگی های مورد انتظار آن ها از اهمیت زیادی برخوردار است، به ویژه اگر این مصالح در اندازه نانو باشند یا خواص مقیاس ماکرویی آن ها شبیه به هم بوده و درک خواص مقایس نانویی آن ها نیازمند بکار بردن مناسب آن ها در مهندسی روسازی باشد. اغلب، آزمایش ها و ویژگی های متداول مهندسی بین مصالح متفاوت از هم مجزا نمی شود.
ابزارهای مرسوم نانو فناوری مهندسی روسازی استفاده می شوند شامل تکنیک های تصویر برداری مثل میکروسکوپ اسکن الکترونی (SEM ) و میکروسکوپ اتمی (AFM ) و تکنیک های تحلیلی مثل طیف بینی می شود. در نظر گرفتن نوع اطلاعات مورد نیاز به اندازه تجزیه و تحلیل لازم قبل از اینکه یک روش ویژه انتخاب شود، از اهمیت زیادی برخوردار است.
تاریخچه تحقیقات نشان می دهد که حجم زیادی از کار تعیین خصوصیات نانو بر روی نمونه های بتنی و سیمانی صورت گرفته است و در مورد نمونه های خاکی و شنی و قیری کار کمتری صورت گرفته است. این ممکن است به دلیل ذات نمونه ها و احتمال مشاهده تغییرات سازه ای در درون ملات بدلیل هیدارسیون باشد. به علاوه، پارامترهای مختلفی که ممکن است برای اثر گذاری بر روی ویژگی های ملات سیمانی تغییر کند، باعث ايجاد دامنه تغییرات زیادی که قابل مطالعه هستند می شود. توسعه روش های تعیین خصوصیات که در طول دهه اخیر در صنعت نانو رخ داده است درهای زیادی را برای مشاهده و بررسی مصالح مهندسی روسازی در مقیاسی که در گذشته در دسترس نبود باز کرده است. مانند سایر رشته های مطالعاتی، این موضوع تغییرات وسیعی را بگونه ای ایجاد کرده است که مصالح بدقت بررسی شوند و همچنین درک رفتار آن ها بخوبی صورت بگیرد.
ایمنی و سلامتی
استفاده کنندگان از مواد نانو تلاش می کنند تا خطرات بالقوه ذرات نانو را در طول مرحله طراحی تا مراحل پایانی ساخت و استفاده کاربران کاهش دهند. پنج اصل کلی که می تواند به عنوان چارچوب کاهش خطرات سلامتی عنوان شوند عبارتند از:
1- اندازه، سطح و ساختار (اندازه، سطح یا سازه ذرات نانو را تغییر دهید تا کارکرد مطلوب محصول حفظ شود، اما پتانسیل خطر ذرات نانو کاهش یابد).
2- مصالح جایگزین (یک ماده جایگزین که بتوان به عنوان جانشینی برای ذرات خطرناک نانو استفاده کرد شناسایی کنید).
3- کارکرد پذیری (مولکول ها را به ذرات نانو متصل کنید تا ویژگی های آن را بطریقی که ویژگی های مطلوب محصول حفظ شود تغییر دهد، اما پتانسیل خطر ذرات نانو کم شده یا از بین برود).
4- تلفیق داده ها با یکدیگر (یک ذره خطرناک نانو را به ماده ای که خطر کمتری دارد متصل کنید).
5- کاهش (استفاده از مقادیر ذرات نانو در محصول را تا نگهداری کارکرد محصول بررسی کنید.
هزینه ها
هزینه های بیشتر تجهیزات و مصالح نانوفناوری در حال حاضر نسبتاً بالا می باشد. بخشی از این موضوع به دلیل نوآوری در فناوری و همچنین پیچیدگی تجهیزات است. با این حال، در مورد مصالح نانو هزینه ها در طول زمان کاهش پیدا کرده اند و انتظارات شامل توسعه فناوری اسخت و کاهش هزینه مصالح می باشد اینکه ایا این کاهش مصالح را به عنوان مصالح متوسط مهندسی روسازی در می آورد یا خیر باید در آینده دیده شود. نظرات فعلی در موارد خاص این است که مصالح قادر به ارائه راه های منحصر بفردی خواهند بود که مسائلی را که باعث افزایش قیمت می شوند پیچیده سازند که منجر به کاربرد مقیاس های بزرگتر این فناوری خاص خواهد شد در موارد دیگر، روش های مرسوم برای حل مشکلات ممکن است هنوز پر هزینه ترین روش باشد. همانطور که در ابتدا گفته شد، وظیفه مهندس حل مسائل دنیای واقعی و مهیا کردن تسهیلاتی برای جامعه عمومی با هزینه های منطقی می باشد.
نتیجه گیری
اهداف این مبحث معرفی موضوع نانو به مهندس روسازی بود که ممکن است با کاربرد های بالقوه فناوری نانو در زمینه مهندسی روسازی مرسوم آشنایی نداشته باشد. این اطلاعات در تعاریف مختلف نانو فناوری و مصالح خاص که در مهندسی روسازی و کاربردهای بالقوه نانو فناوری در بهبود این مصالح استفاده می شود، فراهم شده است. انتخاب خصوصیات مختلف صورت گرفت و نگرانی ها و مسائل فعلی موجود در زمینه محیط و تاثیرات مقیاس مطرح شد. این وظیفه یک مهندس روسازی محتاط است تا پیشرفت هایی که می تواند در مقرون به صرفه تر بودن و پایدارتر بودن تسهیلات روسازی برای جامعه عموم فراهم مي نمايد را حفظ کند. براساس این اطلاعات و بحث های مطرح شده در این بخش، نتایج زیر با در نظر گرفتن کاربرد نانو فناوری در روسازی جاده ها قابل برداشت است.
1- کاربرد پیشرفت های فناوری نانو در زمینه مهندسی روسازی می تواند منجر به پیشرفت هایی در حل مشکلات عمومی مهندسی شود.
2- بیشتر این کاربردها، در ابتدا نیازمند مقیاس بندی به کاربردهای ابعادی می باشند که برای محیط مهندسی روسازی متداول است.
3- کارایی فنی و مقرون به صرفه بودن فناوری موجود باید به عنوان بخشی از تخمین راه حل های مهندسی فناوری نانو مورد بررسی قرار بگیرد.
4- تحقیقات اساسی در زمینه خواص مصالح مهندسی برای بهبود درک مرتبط با عملکرد مصالح یک خروجی مهم مشخصه مهم مشخصه سازی مصالح فناوری نانو روسازی است.
5- بهبود مصالح نوین و توسعه مصالح موجود درپاسخ به کمیاب بودن مصالح طبیعی امکانی را از طریق کاربرد تکینک های فناوری نانو در مصالح مرسوم روسازی بوجود آورده است.
براساس اطلاعات و مباحث عنوان شده در این مبحث، پیشنهاد زیر با توجه به کاربرد فناوری نانود در مهندسی روسازی جاده، بیان شده است:
1- فاصله بین دانشمندان (مخصوصاً فیزیکدانان و شیمیدان) و مهندسین باید کم شود تا پتانسیل نوآوری های فناوری نانو را قادر سازد تا در زمینه های مناسب مهندسی برای پشتیبانی از کالاهای عمومی بکار گرفته شوند.
2- دانشمندان باید با تمام تمرکز تحقیقات اساسی جهت گیری شده را ادامه دهند تا بلوک های مورد نیاز ساختمان را برای مهندسان برای ساخت یک محیط بهتر فراهم آورند.
3- مهندسان باید فعالانه و منظم فناوری موجود را برای شناسایی راه حل های بالقوه مسائل که نیازمند به هدف گیری در جامعه هستند، را بررسی کنند.
4- به چالش هایی مثل تاثیر بالقوه مصالح نانو در محیط طبیعی در اطراف روسازی باید توجه بیشتری شود تا بتوان اطمینان حاصل کرد که راه حل های ارائه شده برای سوالات مهندسی روسازی باعث ایجاد خطراتی در جامعه که از محیط ساخته شده و طبیعی استفاده می کند نشود.
آرشيو مطالب...