مهندسی زیرساخت های حمل و نقل
سال:1403 | دوره:10 | شماره:1 |تعداد مقالات:7

یکی از روش­های شناخته­شده در خصوص بازگشت خرابی­های مخلوط آسفالتی و در نتیجه افزایش طول عمر آن، خودترمیمی است که به­دلیل منافع متعدد آن همواره مورد توجه محققین بوده است. اِعمال انرژی حرارتی یا گرمایش مخلوط آسفالتی از طریق تسریع فرآیند ترمیم قیر به خودترمیمی مخلوط آسفالتی می­انجامد. دو شیوه اصلی گرمایش القایی و مایکروویوی در این زمینه به­کار رفته­اند. این مقاله سعی دارد که این دو روش ترمیم گرمایشی را با هم مقایسه و گزینه مناسب­تر را معرفی کند. برای این منظور، از هر دو روش گرمایش القایی و مایکروویوی برای اِعمال حرارت به اجزای تشکیل­دهنده مخلوط آسفالتی شامل قیر، فیلر و مصالح سنگی استفاده شده است. نتایج تحقیق نشان داد که نرخ گرمایش مایکروویوی ماستیک قیری حاوی مواد رسانا بیشتر از نرخ گرمایش القایی آن است؛ به­طوری که نرخ گرمایش مایکروویوی نمونه ماستیک حاوی 10 درصد وزنی پودر آهن (C/s° 100/0) بیشتر از سه برابر نرخ گرمایش القایی آن (C/s° 031/0) بوده است. بعلاوه، ماستیک قیری گرم­شده با مایکروویو دارای توزیع حرارتی یکنواخت­تری است که به خودترمیمی آن کمک می­کند. همچنین، گرمایش القایی قابلیت گرم کردن قیر فاقد افزودنی رسانا و سنگدانه­های فاقد مواد رسانا (که عمده سنگدانه­های مصرفی در این گروه­اند) را ندارد؛ در حالی که روش مایکروویوی برای گرمایش اجزای فاقد/دارای مواد رسانا قابل استفاده است. البته افزودن مواد رسانا می­تواند نرخ گرمایش مایکروویوی را افزایش دهد؛ به­طوری که افزودن 10 درصد وزنی پودر آهن به قیر توانست نرخ گرمایش مایکروویوی آن را از 083/0 به 100/0 افزایش دهد. از طرف دیگر، میزان انرژی مصرفی برای حصول نتایج یکسان در روش گرمایش القایی چندین برابر روش مایکروویوی است. از این­رو، استفاده از روش گرمایش مایکروویوی به جای گرمایش القایی برای ترمیم گرمایشی مخلوط­های آسفالتی توصیه می­شود.

درصد پرشدگی حجمی و نوع فیلر بر خواص رئولوژیک و مکانیکی مواد مرکب قیری مؤثر است. این تأثیر می‏تواند ناشی از اندرکنش شیمیایی بین فیلر و قیر و یا پدیده­های فیزیکی ساده باشد. بررسی تأثیر فیلر بر عملکرد ماستیک آسفالتی مسئله­ای مهم برای درک عملکرد مخلوط آسفالتی است. در این پژوهش، دو رویکرد آزمایشگاهی و مدل‏سازی عددی مورد استفاده قرار گرفته است. خواص رئولوژیک نمونه های ماستیک آسفالتی ساخته شده با قیر خالص و فیلر آهکی با نسبت های پرشدگی مختلف با استفاده از آزمایش جاروب فرکانسی تعیین شده است. نتایج آزمایش نشان داد که افزایش درصد پرشدگی حجمی فیلر در ماستیک آسفالتی منجر به تغییر مقادیر مدول برشی مختلط (G*) و زاویه فاز (δ) آن با رفتاری غیرخطی می‏شود که موسوم به پدیده سخت‏شوندگی است. با در نظر گرفتن مفهوم ناحیه انتقالی بین فیلر و قیر، شاخصی با عنوان نسبت پرشدگی مؤثر (EVFR) برای توجیه این پدیده معرفی شده است. برای پیش بینی رفتار ویسکوالاستیک ماستیک آسفالتی بر اساس ویژگی های مکانیکی قیر و فیلر از شبیه سازی با روش اجزای محدود (FEM) استفاده شده است. دقت این مدل ها بر اساس محاسبه اختلاف نسبی بین مدول برشی مختلط (G*) آزمایشگاهی و مدول برشی مختلط پیش بینی شده توسط مدل ارزیابی شده است. نتایج این ارزیابی نشان دهنده این است که معرفی نسبت پرشدگی مؤثر (EVFR) به مدل عددی می‏تواند با تقریب خوبی منجر به افزایش دقت نتایج برای پیش بینی رفتار ویسکوالاستیک نمونه های ماستیک آسفالتی شود.

قیر به عنوان یکی از اجزای تشکیل دهنده آسفالت، نقش مهمی در خواص و عملکرد آسفالت و همچنین عمر و پایداری آن دارد. اما ساختار آن به دلیل خواص مکانیکی نامطلوب، پایداری حرارتی محدود و عدم مقاومت در برابر ترک­خوردگی تحت شرایط محیطی نیاز به اصلاح دارد. در این تحقیق، با هدف افزایش استحکام و انعطاف­پذیری، بهبود خصوصیات عملکردی و حرارتی، افزایش چسبندگی و جلوگیری از جدایی فازی اصلاح کننده و قیر از پلی­یورتان منتهی به گروه عاملی ایزوسیانات حاوی نانولوله­های کربنی استفاده شد. به این منظور، ابتدا پیش­پلیمر یورتانی منتهی به گروه­ عاملی ایزوسیانات تهیه شده و سپس نانولوله­های کربنی به میزان 5/0، 0/1 و 5/1 درصد وزنی به آن اضافه شد. بر اساس آزمون تنش کششی و آنالیز گرماوزن سنجی، نمونه حاوی 5/1 درصد نانوذره به عنوان نانوکامپوزیت بهینه انتخاب شده و در ادامه با مقادیر 2، 4، 6 و 8 درصد قیر ترکیب شد. آزمون FTIR ایجاد پیوندهای شیمیایی بین نانوکامپوزیت و قیر را تأیید کرد. جهت بررسی خواص و عملکرد نمونه­های حاصل، آنالیز مورفولوژی، آزمون ویسکومتری (RV)، آزمون رئومتر برش دینامیک (DSR) و همچنین آزمایش خزش و بازگشت در چند سطح تنش(MSCR) انجام شد. نتایج حاصل از این آزمون­ها نشان داد که حضور نانوکامپوزیت در ساختار قیر باعث افزایش الاستیسیته و به­هم پیوستگی ساختار قیر شده و اثرات منفی ناشی از افزایش تنش و دما در خواص قیر را کاهش می­دهد و نانوکامپوزیت تهیه شده در این پژوهش می­تواند به عنوان گزینه ­ای مناسب جهت بهبود عملکرد قیر در دمای زیاد و متوسط به­ کار رود.

ستون سنگی یکی از روش های مناسب و اقتصادی است که به وسیله آن می توان خاک سست را بهسازی کرد. در این پژوهش، به مطالعه آزمایشگاهی تأثیر استفاده هم زمان خرده لاستیک و خاکستر بادی بر عملکرد برشی ستون های سنگی محصورشده به ژئوتکستایل و کامپوزیت مسلح­شده پلیمری (FRP) در خاک رس نرم پرداخته شده است. جهت انجام آزمایش ها از دستگاه برش مستقیم بزرگ مقیاس استفاده شد و نمونه ها تحت تنش های نرمال 20، 40  و 70 کیلوپاسکال قرار گرفتند. در ابتدا، درصد بهینه خرده لاستیک و خاکستر بادی جهت استفاده هم زمان به همراه مصالح دانه ای در ستون های سنگی تعیین شد. سپس به بررسی تأثیر نصب ستون های سنگی مسلح­شده و مسلح­نشده بر رفتار برشی مجموعه پرداخته شد. نتایج نشان داد که با نصب ستون های سنگی در بستر رسی نرم، مقاومت برشی افزایش یافت و همچنین اضافه شدن خرده لاستیک و خاکستر بادی به مصالح ستون سنگی سبب افزایش مقاومت برشی گردید. با اضافه شدن خرده لاستیک و خاکستر بادی به مصالح ستون، مقاومت برشی مجموعه 6/4 الی 10 درصد نسبت به حالتی که این مصالح به مصالح ستون اضافه نشده اند، افزایش یافت. با افزایش یافتن تنش نرمال از 20 کیلوپاسکال به 70 کیلوپاسکال، مقاومت برشی بیش از دو برابر افزایش یافت و در حالت گروه، مقاومت برشی بیشتری در مجموعه بسیج شد و همچنین با افزایش نسبت جانشینی ستون های سنگی در مجموعه، مقاومت برشی افزایش یافت. با نصب ستون های سنگی مرکب محصورنشده در بستر رسی تحت تنش نرمال 20 کیلوپاسکال، مقاومت برشی تا 34 درصد و در تنش نرمال 70 کیلوپاسکال مقاومت برشی تا 7/41 درصد افزایش یافت. همچنین، مشاهده گردید که مقاومت برشی در حالت محصورشده به علت حفظ بافت متراکم ستون و مقاومت محصورکننده، نسبت به حالت محصورنشده، به میزان بیشتری افزایش یافت و مسلح­کننده از جنس FRP  نسبت به مسلح­کننده از جنس ژئوتکستایل، مقاومت برشی را به میزان بیشتری افزایش داد.

در دهه اخیر، استفاده از پارچه های شیشه ای در ساخت تراورس های بتنی راه آهن مورد توجه قرار گرفته است. پیشرفت های فناوری در تولید کامپوزیت ها، مطالعات گسترده ای را در زمینه استفاده از مصالح کامپوزیتی برپایه شیشه به دنبال داشته که نشان می دهد این مصالح می توانند جایگزین مناسبی برای تراورس های رایج باشند. با این حال، تحقیقات کافی در مورد تاثیر پارچه های شیشه ای سه بعدی 3D برای تقویت تراورس های بتنی و میزان بهینه استفاده از این پارچه ها انجام نشده است. همچنین، مقایسه ای بین تراورس های بتنی تقویت شده با پارچه های شیشه ای و تراورس های مسلح به میلگردهای فولادی از نظر مقاومت خمشی صورت نگرفته است. این مطالعه به بررسی پتانسیل پارچه های شیشه ای کامپوزیتی (GFRC) به عنوان جایگزینی برای تراورس های بتنی می پردازد. نمونه های کوچک تراورس بتنی در مقیاس آزمایشگاهی تهیه شده و با پارچه های شیشه ای دوجهته 2D و سه جهته 3Dبا پوشش های 50٪ و 70٪ سطح مسلح شده اند. آزمایش های مقاومت خمشی بر روی این نمونه ها انجام شده و با استفاده از تحلیل المان محدود و نرم افزار آباکوس، صحت سنجی شده است. نتایج تجربی از آزمون های نمونه های کوچک برای تخمین عملکرد تراورس های با ابعاد واقعی به کار رفته اند. یافته ها نشان می دهد که استفاده از پارچه های 3D می تواند مقاومت خمشی و مقاومت در برابر ترک خوردگی را به ترتیب تا 20٪ و 30٪ افزایش دهد. استفاده از پارچه های 3Dبا پوشش 70٪ سطح، مقاومت خمشی را تا 15٪ بیشتر می کند. تراورس های GFRC با استانداردها و الزامات عملکردی لازم برای تجاری سازی مطابقت دارند و مقاومت خمشی آن ها تا 25٪ بیشتر از تراورس های بتنی معمولی است. این تراورس های جدید همچنین تا 40٪ مقاومت بیشتری در برابر ترک خوردگی دارند.

خاک­های نمکی یکی از انواع خاک‏های مسئله­دار هستند که در برابر پدیده­های انحلال و تورم بسیار آسیب­پذیر می­باشند. این نوع خاک در بسیاری از نقاط کشور ایران مشاهده شده و به عنوان بستر راه­ها مورد استفاده قرار گرفته است. برای بهبود خصوصیات مقاومتی بسترهای نمکی، معمولاً از روش‏های گوناگون اعم از تثبیت شیمیایی استفاده می‏شود و خصوصیات ژئوتکنیک بسترهای نمکی تثبیت­شده، با آزمایش‏های صحرایی و آزمایشگاهی ارزیابی می­گردد. اما، برآورد بعضی پارامترهای اصلی مورد نیاز برای طراحی راه، مانند ضریب برجهندگی، منوط به استفاده از آزمایش‏های سه­محوری سیکلی است که نیاز به صرف هزینه و زمان قابل توجه دارد. هدف این تحقیق، بررسی اثر بارهای رفت و برگشتی ترافیکی بر مصالح بستر نمکی تثبیت­شده با سیمان و پسماند کربناته، با مدل‏سازی پارامتر ضریب برجهندگی در محیط اجزای محدود، می‏باشد. خاک نمکی پایه این تحقیق، با درصدهای مختلف سیمان پرتلند تیپ 2 و یک نوع پسماند کربناته، بدون عمل‏آوری و یا عمل‏آوری شده با دو روش مختلف تثبیت تهیه شده و آزمایش‏های مقاومتی مانند برش مستقیم، مقاومت فشاری تک‏محوری محدود نشده و نسبت باربری کالیفرنیا (CBR) روی نمونه‏ها انجام شده است. پارامترهای مقاومت برشی حاصل شده، در مدل‏سازی پارامتر ضریب برجهندگی مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به ماهیت بارگذاری ترافیکی و نوع آزمون، پس از بررسی مدل‏های رفتاری گوناگون، مدل رفتاری خاک سخت­شونده کرنش کوچک برای این تحلیل برگزیده شد. پس از انجام مراحل مدل‏سازی، شامل تعیین مقادیر پارامترهای مدل و توسعه (ساخت) و اجرای مدل، تحلیل نتایج نشان داد که پارامتر ضریب برجهندگی، با مجموع تنش‏های اصلی محوری و محدودکننده رابطه نمایی دارد. وابستگی ضرایب مدل نیز با استفاده از تحلیل‏های رگرسیونی چندمتغیره تعیین و ارائه گردید. همچنین، رابطه همبستگی ضریب برجهندگی و نسبت باربری کالیفرنیا ارائه شد.

در این پژوهش، از شبیه­سازی عددی به روش اجزای محدود و نرم‏افزار عددی PLAXIS (نسخه 2/8) استفاده گردید. همچنین، نقطه محاسبه نشست جاده که معیار مقایسه مدل‏های مختلف است، در مرکز بارگذاری روی جاده انتخاب شده که در نتایج خروجی جابجایی قائم این نقطه به عنوان نماینده نشست جاده در نظر گرفته می‏شود.  نتایج بررسی عددی اثر مقاومت کششی ژئوسنتتیک‏ها بر نشست جسم راه نشان می‏دهد که این پارامتر تأثیر قابل توجهی بر نشست جاده نداشته است. همچنین، از مدل­سازی عددی اثر طول ژئوسنتتیک‏ها بر جسم راه مشخص شد که نشست قائم جاده در مدل‏سازی با ژئوگرید هم­اندازه با عرض جاده (که در این مدل برابر 7 متر می‏باشد) برابر 65/3 میلی‏متر و با ژئوگرید به عرض 9 متر، برابر با 5/3 میلی‏متر می‏باشد. نتایج نشان داد که چنانچه میزان اصطکاک بین المان ژئوسنتتیک با خاک معادل زاویه اصطکاک داخلی خاک در نظر گرفته شود، نشست جاده در مرکز بارگذاری مدل، 12 درصد کاهش داشته است. در نهایت، بررسی تأثیر مکان استقرار المان ژئوسنتتیک بر نشست جاده نشان می‏دهد که با جابجایی لایه ژئوسنتتیک از مرز زیراساس- بستر به مرز رویه - اساس، نشست جاده به میزان 9/0 میلی‏متر کاهش یافت.