بررسی رفتارهای میکرومکانیکی قیر-بخش ششم

جهت تکامل ریزساختارها

معادلات شماره ۱ تا ۴ ساختار سیستم دینامیک فاز پایه است. برای درک ابتدایی میکرومکانیک در قیر، باید در ابتدا جهت تکامل ریزساختارهای انرژی آزاد در دینامیک فاز مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در نظریه انرژی آزاد، اگر سیستم قیر بتواند بر مانع انرژی غلبه کند، ریزساختارها ممکن است در یک‌جهت گسترش یابد؛ و اگر نتواند، ممکن است این ریزساختارها در جهت مخالف گسترش یابد. فرض می‌کنیم قیر از آسفالتن، نفتن آروماتیک‌ها و اشباع‌ها تشکیل‌شده. مقدار کسر جرمی آسفالتن ثابت است. ۰=ϕ اشاره دارد به فاز اشباع و ۱=ϕ اشاره دارد به فاز نفتن آروماتیک. ازآنجاکه ریزساختارهای قیر یک سیستم فازی دوتایی است (شکل شماره ۳)، تابع انرژی آزاد دوتایی به‌صورت زیر استفاده می‌شود که توسط Lusk و همکاران پیشنهادشده است.

معادله شماره ۵                                     

که در آن پارامتر ɛ پایداری را کنترل می‌کند. برای ۰> ɛ، حالت پایدار در ۱=ϕ بوده درحالی‌که برای ۰<  ɛ، حالت پایداری در ۰=ϕ است. هنگامی‌که ɛ برابر با صفر باشد، هر دو ۰=ϕ و ۱=ϕ در حالت پایداری کم قرار دارند.

برای۰ <  ɛ یک تابع انرژی آزاد مرسوم (η = ۰٫۶۵ and ε = −۰٫۰۱۳۰) در شکل شماره ۵ نشان داده‌شده است. شکل شماره ۵ نشان‌دهنده یک پتانسیل دوگانه نامنظم بوده و بدان معناست که سیستم دارای حداقل دو حالت  برابر نبوده و درنتیجه سیستم فرصت کافی برای تکامل در دو جهت را ندارد.

شکل ۵   انرژی آزاد نامنظم (a) η = ۰٫۶۵ and ε = −۰٫۰۱۳۰) و b) η = ۰٫۶۵ and ε = ۰٫۰۱۳۰)

حداقل انرژی آزاد در ۰=ϕ رخ‌داده و این حالت پایدار است. یک سقوط بین ۰=ϕ و ۱=ϕ وجود دارد؛ بنابراین، حالت در ۰=ϕ کمی ناپایدار است. یک آشفتگی کوچک اطراف ۰=ϕ ممکن است باعث جدایش فازی به ۱=ϕ شود. توجه داشته باشید که تفاوت در این دو حالت ?f=ɛ/۴ و حصار انرژی به‌صورت زیر است:

دو مورد را در نظر داشته باشید:

1. در تکامل میکرو مخلوط

میکرو مخلوط به‌سادگی به معنای ترکیب فازهای مختلف در مقیاس کوچک است و فازها می‌توانند توسط ۱=ϕ و یا ۰=ϕ ارائه شوند. معمولاً مواد با پتانسیل شیمیایی مشابه به یکدیگر در یک‌فاز منتشر می‌شوند. برای این مورد، معنای فیزیکی آن است که مخلوط تمایل دارد که به‌غیراز فاز ۱=ϕ به فاز ۰=ϕ برسد.

2. سیرتکاملی ریزساختارها

تعریف ۰=ϕ به‌عنوان حالت ترک‌خوردگی و ۱=ϕ به‌عنوان حالت نشکن است. همان‌طور که در شکل شماره ۵a نشان داده‌شده، اگر ۰=ϕ کم‌ترین حالت انرژی باشد سیستم به سمت ۰=ϕ توسعه خواهد یافت و این نشان‌دهنده آن است که سیستم شکننده خواهد شد. در شکل شماره ۵b مشخص‌شده که اگر ۱=ϕ کم‌ترین حالت انرژی باشد، سیستم تمایل به گسترش به سمت ۱=ϕ را داشته و بدان معناست که سیستم خودش را حفظ خواهد کرد. معنای فیزیکی این حصار انرژی آن است که سیستم برای غلبه بر روند شکست باید این کار را انجام دهد.

برای حالت اطراف ۰=ϕ، تنها آشفتگی به‌اندازه کافی بزرگ که به غلبه بر حصار انرژی کمک کند منجر به رسیدن به حالت حداقل پایداری ۰=ϕ می‌شود. برای حالت‌ها در مجاورت ۱=ϕ سیستم به‌طور خودکار به کم‌ترین حالت گسترش می‌یابد. روند تکاملی که سیستم برای رسیدن به کم‌ترین حالت ۱=ϕ تمایل دارد درواقع همان فرآیند خوددرمانی است.

برای۰ <  ɛ تابع انرژی آزاد مرسوم در شکل شماره ۵b نشان داده‌شده است. واضح است که سیستم ترجیح می‌دهد به حالت ۱=ϕ برسد که در آن کم‌ترین مقدار سیستم به ۱=ϕ می‌رسد. به‌طور مشابه نقاط اطراف نقطه ناپایدار ۰=ϕ به یک آشفتگی به‌اندازه کافی بزرگ برای دستیابی به حالت پایدار ۱=ϕ نیاز دارد. دو مورد را در نظر بگیرید:

1. تکامل میکرو مخلوط

در این مورد معنای فیزیکی آن است که مخلوط به‌غیراز فاز ۰=ϕ تمایل رسیدن به فاز ۱=ϕ را دارد.

2. تکامل ریزساختارها

معنای فیزیکی این حصار انرژی آن است که سیستم باید چنین کاری را انجام دهد تا بر روند اصلاح به‌جز شکستگی غلبه کند. برای هر دو مورد حصار انرژی به‌صورت زیر است:

درواقع تعیین دقیق پارامترهای کنترلیη و ɛ بسیار پیچیده است و ما قصد داریم تا آن‌ها را با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی بر مبنای ساختار مولـکـــولـی قـیــــر ارزیـابـــــی کنیــــم و آزمـــایــش‌هـای دندانـــه گـــذاری نـانـــو (nano-indentation) بر روی نمونه‌های قیر در آینده موردمطالعه قرار خواهد گرفت. پیش‌بینی می‌شود که آزمون دندانه گذاری نانو (nano-indentation) خواص چسبندگی و ویسکوزیته قیر را در مقیاس کوچک بررسی کند. در حال حاضر، ما مقادیر تجربی به‌دست‌آمده بر اساس پژوهش‌های پیشین را مورداستفاده قرار می‌دهیم.

برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

بررسی رفتارهای میکرومکانیکی قیر-بخش هفتم

برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

بررسی رفتارهای میکرومکانیکی قیر