ارزیابی تاثیر روش تولید نانوآهک هیدراته بر خواص فیزیکی قیر

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
امیر کاووسی 1
احمد سندس محمد 2
مهرداد منطقیان 3
1 عضو هیات علمی گروه راه و ترابری
2 دانشجوی دکتری راه و ترابری
3 عضو هیات علمی دانشکده مهندسی شیمی
10.22034/25.2.35
چکیده
نانومواد علاوه بر انواع کاربردها، برای بهبود خواص رئولوژیکی قیر و افزایش مشخصات مکانیکی مخلوط‌های آسفالتی نیز مورد استفاده قرار می گیرند. بالا بودن هزینه‌های تولید این مواد، از جمله موانعی است که استفاده از آنها را محدود کرده است. در این تحقیق دو روش تولید نانومواد برای تولید نانوآهک هیدراته مورد استفاده قرار گرفت. یکی فرآیند مکانیکی با استفاده از دستگاه آسیاب گلوله‌ای سیاره‌ای، و دیگری فرآیندی شیمیایی است که در آن از حل نمودن منتخبی از مواد شیمیایی در آب مقطر، شامل نیترات کلسیم، هیدروکسید سدیم و سدیم دودسیل سولفات، نانوآهک هیدراته تولید می شود. در بخش آزمایشگاهی، پس از تولید نانو آهک هیدراته به روش های فوق و در شرایط مختلف، اندازه نانوذرات تولید شده با استفاده از دو روش آزمایش‌، به نام های میکروسکوپ الکترونی روبشی میدانی و آزمایش دینامیکی پراکندگی نور تعیین گردید. در روش فیزیکی، اندازه ذرات پس از طی زمان‌های مختلف آسیاب و در روش شیمیایی با تهیه غلظت‌های مختلف محلول نیترات کلسیم و سدیم دو دسیل سولفات تعیین گردید. میانگین اندازه نانو ذرات پودری تولید شده به روش فیزیکی (پس از 6 ساعت آسیاب)، 211 نانومتر در آزمایش دینامیکی پراکندگی نور، و 114 نانومتر در آزمایش میکروسکوپ الکترونی روبشی بود. میانگین اندازه نانوپلیت‌های محلول تولید شده به روش شیمیایی، در غلظت 3 میلی لیتر محلول نیترات کلسیم و در ضخامت پلیت ها به میزان میانگین 5/68 نانومتر، در آزمایش دینامیکی پراکندگی نور 379 نانومتر، و در آزمایش میکروسکوپ الکترونی روبشی، 615/124 نانومتر بود. نانوآهک های تولید شده در اندازه های ذکر شده در فوق، در مقادیر 2، 4 و 6 درصد، به قیر خالص اضافه و به خوبی با آن مخلوط و قیرهای اصلاح شده با نانو آهک تهیه شدند. نتایج آزمایشات استاندارد قیر روی آن ها نشان داد که افزودن نانوآهک هیدراته به قیر منجر به کاهش درجه نفوذ و افزایش نقطه نرمی قیر اصلاح شده با آن ها و کاهش حساسیت حرارتی قیر می شود. تحلیل نتایج نشان داد که استفاده از 4% نانوآهک هیدراته تولید شده به روش فیزیکی بهترین نتایج را داشت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation of the effects of nano hydrated lime production method on physical properties of asphalt binders

نویسندگان English

AMIR KAVUSSI 1
ahmad sondos 2
Mehrdad Manteghian 3
1 Professor, Highway Engineering Group
2 PhD Student
3 Associate Professor
چکیده English

Nanomaterials have been used in the recent years to improve rheological properties of the asphalt binders and increase mechanical properties of the asphalt mixtures. The high cost of producing nanomaterials is one of the major obstacles that has limited their application in road pavements. In this research, two methods of producing nanomaterials have been applied to produce nano hydrated lime (NHL). The first method was a mechanical process of milling hydrated lime with the application of a planetary ball mill. The second method was chemical processing of dissolving certain chemical materials (namely, calcium nitrate Ca(NO3)2, sodium hydroxide NaOH and sodium dodecyl sulfate SDS) into distilled water. The process resulted in the production of NHL solution that after drying in an oven resulted in NHL particles. The sizes of the NHL products were measured using two methods of Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) and Dynamic Light Scattering (DLS). The size analysis was performed on NHL samples that were produced after different milling periods in the physical method; and, variation of the concentration of the solution, mainly calcium nitrate and SDS, in the chemical method. The average particle sizes in the physical method, after 6 hours of milling, were 211 nm, as measures in DLS and 114 nm as measured in FE-SEM. These in the chemical method, at concentration of 3 ml of calcium nitrate solution (Ca(NO3)2), were 379 and 124.615 nm respectively. With the chemical method, the nano particles were formed in the plate form with average thickness of 68.5 nm. In addition, X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) analysis were performed in order to determine the composition of the produced nano materials. These indicated that with the physical method, a higher lime content material was produced. With the aim of assessing the effectiveness of the produced NHL materials to modify asphalt binders, a 60-70 and an 85-100 penetration grade were used and nano modified binders containing 2, 4 and 6% NHL were prepared and were tested under standard bitumen tests and viscosity determination. The results indicated that with adding NHL to the asphalt binders, penetration was reduced and softening point was increased. In addition, the temperature susceptibility of the modified binders were reduced too. Assessing the change of the viscosity of the NHL modified binders, it resulted that 4% NHL would provide the optimum conditions.

کلیدواژه‌ها English

Nano-hydrated lime (NHL)
Milling process (physical)
Dissolution process (chemical)
Nanoparticles size
Asphalt binder physical properties
[1] W. G. Kreyling, M. Semmler-Behnke, and Q. Chaudhry, “A complementary definition of nanomaterial,” Nano Today, vol. 5, no. 3, pp. 165–168, 2010, doi: 10.1016/j.nantod.2010.03.004.
[2] R. Li, F. Xiao, S. Amirkhanian, Z. You, and J. Huang, “Developments of nano materials and technologies on asphalt materials – A review,” Constr. Build. Mater., vol. 143, pp. 633–648, 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.03.158.
[3] P. Baglioni, D. Chelazzi, and R. Giorgi, Nanotechnologies in the conservation of cultural heritage: a compendium of materials and techniques. Springer, 2015.
[4] A. Nentwich, “Production of nanoparticles and nanomaterials,” Planet-Austria.At, vol. 6, pp. 1–4, 2011, [Online]. Available: http://planet-austria.at/0xc1aa500d_0x002544e3.pdf.
[5] F. Trotta and A. Mele, Nanosponges: synthesis and applications. John Wiley & Sons, 2019.
[6] J. Shen, B. Huang, X. Shu, and B. Tang, “Size effect of sub nano-scaled Hydrated lime on selected properties of HMA,” Int. J. Pavement Res. Technol., vol. 4, no. 4, pp. 252–257, 2011.
[7] A. Kavussi and P. Barghabany, “Investigating Fatigue Behavior of Nanoclay and Nano Hydrated Lime Modified Bitumen Using LAS Test,” J. Mater. Civ. Eng., vol. 28, no. 3, pp. 1–7, 2016, doi: 10.1061/(asce)mt.1943-5533.0001376.
[8] S. H. Razavi and A. Kavussi, “The role of nanomaterials in reducing moisture damage of asphalt mixes,” Constr. Build. Mater., vol. 239, p. 117827, 2020, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117827.
[9] D. Dornfeld, “Green manufacturing: Fundamentals and applications,” Green Manuf. Fundam. Appl., vol. 9781441960, pp. 1–289, 2013, doi: 10.1007/978-1-4419-6016-0.
[10] A. Samanta, D. K. Chanda, P. S. Das, J. Ghosh, A. K. Mukhopadhyay, and A. Dey, “Synthesis of Nano Calcium Hydroxide in Aqueous Medium,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 99, no. 3, pp. 787–795, 2016, doi: 10.1111/jace.14023.
[11] D. Chelazzi, G. Poggi, Y. Jaidar, N. Toccafondi, R. Giorgi, and P. Baglioni, “Hydroxide nanoparticles for cultural heritage: Consolidation and protection of wall paintings and carbonate materials,” J. Colloid Interface Sci., vol. 392, no. 1, pp. 42–49, 2013, doi: 10.1016/j.jcis.2012.09.069.
[12] V. Daniele and G. Taglieri, “Synthesis of Ca(OH)2 nanoparticles with the addition of Triton X-100. Protective treatments on natural stones: Preliminary results,” J. Cult. Herit., vol. 13, no. 1, pp. 40–46, 2012, doi: 10.1016/j.culher.2011.05.007.
[13] M. Darroudi, M. Bagherpour, H. A. Hosseini, and M. Ebrahimi, “Biopolymer-assisted green synthesis and characterization of calcium hydroxide nanoparticles,” Ceram. Int., vol. 42, no. 3, pp. 3816–3819, 2016, doi: 10.1016/j.ceramint.2015.11.045.
[14] C. Fang, R. Yu, S. Liu, and Y. Li, “Nanomaterials applied in asphalt modification: A review,” J. Mater. Sci. Technol., vol. 29, no. 7, pp. 589–594, 2013, doi: 10.1016/j.jmst.2013.04.008.
[15] H. M. Mahan, “Investigation of Possible Improving of Bitumen Properties Using Nano-Materials,” in Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1973, no. 1, p. 12233.
[16] A. Azarhoosh and G. H. Hamedi, “Investigation of the rheological behavior and properties of modified asphalt binder with nano hydrated lime,” AUT J. Civ. Eng., vol. 3, no. 2, pp. 187–192, 2019.
[17] E. Tashan, A. Karakucuk, and N. Celebi, “Optimization and in vitro evaluation of ziprasidone nanosuspensions produced by a top-down approach,” J. Drug Deliv. Sci. Technol., vol. 52, no. March, pp. 37–45, 2019, doi: 10.1016/j.jddst.2019.04.024.
[18] M. Pilar, J. J. Suñol, J. Bonastre, and L. Escoda, “Influence of process control agents in the development of a metastable Fe-Zr based alloy,” J. Non. Cryst. Solids, vol. 353, no. 8–10, pp. 848–850, 2007, doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2006.12.054.
[19] H. P. Shao, Z. Wang, T. Lin, Q. Ye, and Z. M. Guo, “Preparation of TiAl alloy powder by high-energy ball milling and diffusion reaction at low temperature,” Rare Met., vol. 37, no. 1, pp. 21–25, 2018, doi: 10.1007/s12598-015-0466-9.
[20] H. Attar et al., “Effect of powder particle shape on the properties of in situ Ti-TiB composite materials produced by selective laser melting,” J. Mater. Sci. Technol., vol. 31, no. 10, pp. 1001–1005, 2015, doi: 10.1016/j.jmst.2015.08.007.
[21] G. Mousavi and R. Sarraf-mamoory, “Determination of Optimized Conditions for Precipitation Synthesis of Calcium Hydroxide Nanoparticles Using Central Composite Design Method (CCD),” vol. 4, no. 4, pp. 4–5, 2023.
[22] M. Gaumet, A. Vargas, R. Gurny, and F. Delie, “Nanoparticles for drug delivery: The need for precision in reporting particle size parameters,” Eur. J. Pharm. Biopharm., vol. 69, no. 1, pp. 1–9, 2008, doi: 10.1016/j.ejpb.2007.08.001.
[23] S. Falke and C. Betzel, Dynamic Light Scattering (DLS). Springer International Publishing, 2019.
[24] B. J. Inkson, “Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) for materials characterization,” in Materials characterization using nondestructive evaluation (NDE) methods, Elsevier, 2016, pp. 17–43.
[25] N. Brodusch, H. Demers, and R. Gauvin, Field emission scanning electron microscopy: New perspectives for materials characterization. Springer, 2018.
[26] A. Ali, Y. W. Chiang, and R. M. Santos, “X-Ray Diffraction Techniques for Mineral Characterization: A Review for Engineers of the Fundamentals, Applications, and Research Directions,” Minerals, vol. 12, no. 2, 2022, doi: 10.3390/min12020205.
[27] B. T. Ribeiro, S. H. G. Silva, E. A. Silva, and L. R. G. Guilherme, “Portable X-ray fluorescence (pXRF) applications in tropical Soil Science Aplicações da fluorescência de raios-X portátil (pXRF) na Ciência do Solo tropical,” Ciência e Agrotecnologia, vol. 41, no. 3, pp. 245–254, 2017, [Online]. Available: www.editora.ufla.br%7Cwww.scielo.br/cagrohttp://dx.doi.org/10.1590/1413-70542017413000117.
مهندسی عمران مدرس
دوره 25، شماره 2 - شماره پیاپی 82
خرداد و تیر 1404
صفحه 35-51