کاربرد نانو فنآوری در راهسازی

کاربرد نانو فنآوری در راهسازی

(تثبیت خاک)

دکتر مهدی روانشادنیا

عضو هیات علمی واحد علوم و تحقیقات دانشگاه آزاد اسلامی

بهرام سیف

کارشناس ارشد مدیریت پروژه و ساخت

زمستان 93

مقدمه:

بدون شک یکی از مسایل ومشکلات گریبانگیر صنعت راهسازی وجود رطوبت و از دست دادن مقاومت خاک می 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 :

کاربرد 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 یکی از مجربترین گروه های کنترل کیفیت به منظور اطمینان از عملکرد پایدار 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 می گردند که 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 .

این مواد در محدوده ای از خاک رس تا ماسه بادی و مقداری 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 .

روسازی ها و فناوری نانو

شیمی علمی است که به ترکیب ساختار و ویژگی ها ماده می پردازد در حالی که فیزیک علمی است که با مفاهیمی همچون نیرو انرژی و جرم با هدف فهم دنیای طبیعی سرو کار دارد. مهندسی کاربرد خلاقانه ای از قوانین علمی است که برای طراحی، رشد تولید و به کاربردن سازه ها و ماشین های مراحل تولید به کار می رود. مهندسی روسازی یکی از شاخه های مهندسی است که با طراحی، ساخت و نگهداری زیرساخت ها مانند جاده ها، باند فرودگاه، عرشه پل ها سر و کار دارد. مهندسی به اصول پیشرفته علوم وابسته می باشد و بر روی کاربرد این اصول در خدمت رسانی به بشر متمرکز می باشد.

 شیمی و فیزیک عموما بر روی مقیاس های کوچکتر متمرکز هستند تا فهم دقیق تری از مواد ارائه دهنده ولی  مهندسی بر روی مقیاس هایی تمرکز دارد که مواد با یکدیگر کار می کنند تا یک عملکرد مشخصی را ارائه دهند مثل ذرات سیمان که با دانه های خاک ترکیب می شوند تا بتن روسازی جاده یا ساختمان را شکل دهند. لذا ابعاد مقیاس از فهم مقیاس نانو علوم تا فهم مقیاس ماکرو مهندسی متفاوت است. هدف از کاربرد نانوفناوری به قرار زیر می باشد:

• · به حداقل رساندن استفاده از مابع طبیعی
• · کاهش مصرف انرژی
• · کاهش انتشار گازهای گلخانه ای
• · کاهش آلودگی (هوا آب خاک صوتی)
• · بهبود سلامتی ایمنی و جلوگیری از خطر و
• · اطمینان از سطح بالای از ایمنی و آسایش مصرف کنندگان

براساس بحث پیشین مشکلات موجود در زمینه کاربردهای بالقوه فناوری نانو در مهندسی روسازی را می توان با سه نکته زیر جمع بندی کرد:

1-                     شناسایی نیازهای فعلی که نمی تواند بطور موثر با استفاده از فناوری موجود تعریف شود

2-                     شناسایی راه حل های بالقوه فناوری نانو که ممکن است در زمینه مهندسی روسازی کاربرد داشته باشد

3-                     ترکیب این دو مفهوم برای شناسایی راه حل های فناوری نانو با ضرایب بالقوه بالای سود به هزینه و تمرکز بر پیشرفت های ویژه در این زمینه ها

 مصالح خاک و شن

بسیاری از مواد ژئوتکنیکال می توانند به عنوان مواد نانوئی تعریف شوند و کارکرد و رفتار آن ها برای سال های زیادی است که در سطح نانو مورد مطالعه قرار گرفته است، ‌که شامل مطالعه بلورهای معدنی و ساختارمربوطه، ‌آب، روابط متقابل آب وخاک و به ویژه رفتار رسوب مواد معدنی را نیز شامل می شود. مطالعه آب روی سطح ذرات خاکی که در مقیاس نانو دیده می شوند با لایه ای از آب هیدراته اطراف ذرات خاک با ضخامتی معمولا بین 7/0 تا 1 نانومتر شناسایی می شوند. فهم گسترده مواد و پیوندشان با مولکول های آب،‌ درک رفتار این مواد را هنگامی که در لایه های روسازی به کار برده می شوند و همچنین تغییرات مورد انتظاری که ممکن است مواد در هنگامی که محتوی آب در یک ساختار روسازی را نیز بهبود می بخشد.

یکی از تغییراتی که مواد وقتی در مقیاس نانو استفاده می شوند،‌ این است که نسبت مساحت سطح به حجم بطور قابل توجهی افزایش می یابد. اغلب یکی از مواد موجود در مهندسی روسازی بطور طبیعی رس می باشد. این رس ها مشکلات ویژه ای را در زمینه مهندسی روسازی به عنوان پاسخ خود به تغییرات درصد رطوبت را سبب می شوند و ساختار صفحه ای کوچک مواد باعث شده که بیشتر رس ها زاویه اصطکاکی کمی داشته باشند و برخی از آنها نیز منبسط شوند.

بهبود مشکلات متداول مختلف شامل تثبیت رسی می شود که از موادی مثل آهک استفاده می کند، بهبود با مواد نفتی سولفاته نیز که بر روی خواص سطحی یون مواد یا پاکسازی ماده از لایه های سازه ای موثر نیز صورت می گیرد. با این حال، مطالعات در زمینه رفتار مصالح رسی در زمینه نانو فناوری، دیدگاه های جدیدی را در خواص اساسی رس معرفی می کند. کاربرد این دانش جدید می تواند منجر به روش های جایگزینی برای تثبیت رس موجود در جاده شود و در نتیجه باعث استفاده از روش های کمتر توسعه یافته برای استفاده از این مواد در روسازی 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 ایجاد 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 می نماید 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.