Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

ملخص تقني: دراسة تجريبية وتقييم دورة الحياة لخلطات الأسفلت المستصلح (RAP) المعدلة بإضافات من أكسيد الحديد النانوي (Fe2O3) وزيت الطهي المستعمل (WCO)

بيان المشكلة
تعاني الرصفات الأسفلتية بشكل متكرر من عيوب مثل التشققات الحرارية عند درجات الحرارة المنخفضة، والتحات (التخدد) عند درجات الحرارة المرتفعة، وتلف الرطوبة، مدفوعة بحركة المرور الكثيفة، وعيوب الإنشاء، والعوامل البيئية. وبينما يمكن للمواد المضافة للأسفلت تحسين الأداء، إلا أن الملدنات الأحادية نادراً ما تعزز جميع الخصائص في آن واحد. علاوة على ذلك، تعتمد صناعة إنشاء الطرق بشكل كبير على الموارد الطبيعية والعمليات كثيفة استهلاك الطاقة، مما يساهم بشكل كبير في التلوث البيئي. وعلى الرغم من دراسة الأسفلت المستصلح (RAP)، وزيت الطهي المستعمل (WCO)، وأكسيد الحديد النانوي (Nano Fe2O3) بشكل فردي، إلا أن هناك نقصاً في الأبحاث المتعلقة بتطبيقها المركب في خلطات الـ RAP والقياس الكمي المنهجي لآثارها الميكانيكية والبيئية المجتمعة.

المنهجية
استخدمت هذه الدراسة نهج تعديل مزدوج الإضافات لتقييم خلطات أسفلت الـ RAP. تم تحضير واختبار خمس خلطات متميزة:

1. الخلطة الضابطة (الأسفلت البكر).
2. خلطة الـ RAP (بنسبة 20% RAP).
3. خلطة الـ RAP المعدلة بزيت الطهي المستعمل (WCO) بنسب متفاوتة (5%، 7%، 9%).
4. خلطة الـ RAP المعدلة بأكسيد الحديد النانوي (Nano Fe2O3) بنسب متفاوتة (2%، 3%، 4%).
5. خلطة الـ RAP التي تحتوي على مركب من أكسيد الحديد النانوي وزيت الطهي المستعمل.

التقييم التجريبي:

• تحضير العينات: تم استخدام طريقة الخلط الجاف. حيث سُخنت الركامات إلى 175 درجة مئوية، وخلطت مع الإضافات، ثم أضيف إليها البيتومين البكر (درجة 60/70) عند 175-160 درجة مئوية، وأخيراً المادة المالئة (Filler).
• الاختبارات الميكانيكية:
  • اختبار مارشال (Marshall Test): لتحديد محتوى الرابط الأمثل، والاستقرار، والتدفق، والكثافة، والفراغات الهوائية.
  • اختبار تتبع العجلات (هامبورغ - Wheel Tracking): لتقييم مقاومة التحات تحت درجة حرارة 60 مئوية وتحت ضغط 0.7 ميجا باسكال.
  • اختبار غمر مارشال (Marshall Immersion): لتقييم مقاومة ضرر الرطوبة (نسبة الحساسية للرطوبة - MSR).
  • اختبار قوة الشد غير المباشر (ITS): لقياس مقاومة التشققات عند درجات الحرارة المنخفضة عند -5 درجة مئوية.
• تقييم دورة الحياة (LCA):
  • الوحدة الوظيفية: طول 1 كم × عرض 1 متر لطبقة السطح (عمر تصميمي 15 سنة، 20,000 مركبة/يوم).
  • حدود النظام: شملت إنتاج المواد الخام، وتصنيع الخلطة البيتومينية، والنقل، وإنشاء طبقة السطح. واستبعدت مراحل التصميم، والاستخدام، ونهاية العمر الافتراضي.
  • الأدوات والبيانات: برنامج SimaPro 9.1.0 مع قاعدة بيانات Ecoinvent (الإصدار 3.6) وطريقة تقييم الأثر CML2001.
  • فئات التأثير: تم تقييم 10 فئات تشمل الاحترار العالمي (GWP)، والتحمض (AP)، والإثراء الغذائي (EP)، واستنفاد الأوزون (OLD)، ومختلف إمكانات السمية.

النتائج الرئيسية

• الأداء الميكانيكي:
  • مقاومة التحات: أدى أكسيد الحديد النانوي (Nano Fe2O3) إلى تحسين مقاومة التحات بشكل ملحوظ. حققت الخلطة المركبة (M8) أكبر تحسن، حيث قللت عمق التحات بنسبة 38.60% مقارنة بالخلطة الضابطة. بينما أدى زيت الطهي المستعمل (WCO) بمفرده إلى زيادة طفيفة في عمق التحات.
  • التشققات عند درجات الحرارة المنخفضة: أظهر زيت الطهي المستعمل (WCO) تأثيراً فائقاً على مقاومة التشققات الحرارية مقارنة بأكسيد الحديد النانوي. سجلت الخلطة المركبة (M8) أعلى قوة شد غير مباشر (ITS)، بزيادة قدرها 30.21% عن الخلطة الضابطة.
  • مقاومة الرطوبة: أظهر أكسيد الحديد النانوي تأثيراً أكبر على مقاومة ضرر الرطوبة مقارنة بزيت الطهي المستعمل. حققت الخلطة المركبة (M8) أعلى نسبة حساسية للرطوبة (MSR)، بزيادة قدرها 8.24% عن الخلطة الضابطة.
  • الجرعات المثلى: بناءً على نتائج اختبار مارشال، تم تحديد 4% من أكسيد الحديد النانوي (M4) و9% من زيت الطي المستعمل (M7) كجرعات مثالية لخلطات الملدنات الأحادية.
• الأداء البيئي (LCA):
  • الملدنات الأحادية: حسنت خلطة الـ RAP (M1) التأثيرات البيئية في جميع الفئات مقارنة بالخلطة الضابطة. أظهرت خلطة أكسيد الحديد النانوي (M4) أفضل ملف بيئي عام بين الخلطات المعدلة، رغم أنها أظهرت تأثيرات سلبية طفيفة في فئات EP وGWP وTETP وOLD. كما حسنت خلطة زيت الطهي المستعمل (M7) الملف البيئي ولكنها أظهرت تأثيرات سلبية في فئات مماثلة.
  • الملدن المركب: حسنت الخلطة المركبة (M8) الملف البيئي بشكل عام مقارنة بالخلطة الضابطة، لكنها أظهرت أعلى التأثيرات السلبية في عدة فئات (TETP، AP، EP، OLD، GWP) مقارنة بالخلطات المعدلة الأخرى.
  • مساهمات العمليات: كان إنتاج البيتومين هو المحرك الرئيسي لفئات AP وEP وGWP وHTP وFWETP وMAETP وPOFP. بينما دفع تصنيع الخلطة الأسفلتية تأثيرات OLD، ودفع النقل تأثيرات ADP وTETP.
  • الترجيح: باستخدام طريقة ترجيح لجنة كندية، أظهرت جميع الخلطات المعدلة تأثيرات بيئية إجمالية أقل من الخلطة الضابطة. وكان لخلطة أكسيد الحديد النانوي (M4) أدنى تأثير بيئي إجمالي، تليها الخلطة المركبة (M8).

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذه الدراسة تقدم أول تحقيق منهجي للتعديل المركب لأسفلت الـ RAP باستخدام كل من زيت الطهي المستعمل (WCO) وأكسيد الحديد النانوي (Nano Fe2O3). يوضح البحث أنه بينما تمتلك الملدنات الأحادية نقاط قوة محددة (أكسيد الحديد النانوي لمقاومة التحات والرطوبة؛ وزيت الطهي المستعمل للتشققات الحرارية)، فإن النهج المركب يحقق أفضل أداء ميكانيكي إجمالي، مما يعزز مقاومة التحات، واستقرار الرطوبة، ومقاومة التشققات الحرارية في آن واحد بشكل كبير.

فيما يتعلق بالاستدامة البيئية، تخلص الدراسة إلى أنه بينما توفر الخلطة المركبة خصائص ميكانيكية فائقة، فإن التعديل الأحادي بأكسيد الحديد النانوي يوفر الملف البيئي العام الأكثر ملاءمة عند النظر في فئات التأثير المرجحة. وتؤكد الورقة أن الملدنات المركبة هي استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين الكفاءة العامة وعمر الخدمة لخلطات الأسفلت دون المساس بالاستدامة البيئية، مما يوفر بيانات لدعم اتخاذ القرار في سياسات إنشاء الطرق في مصر وسياقات مشابهة. ويشدد المؤلفون على أنه لا يوجد ملدن واحد يمكنه تحسين جميع خصائص الخلطة، مما يبرر الحاجة إلى الحلول المركبة.