تکنولوژی آسفالت پلیمری

عنوان گزارش ويژه : بررسي كارايي استفاده از پليمر در پروژه بهسازي تهران - مشهد
    • مقدمه و معرفی

راههاي شرياني کشور بيش از شش هزار کيلومتر از شش شبکه اصلي تشکيل شده و اين مجموعه ترافيکي معادل 70 درصد ترافيک کل جاده اي کشور را عبور ميدهد که به لحاظ استراتژيکي و اقتصادي از اهميت بسزائي برخوردار است , نمائي از توزيع محورها در کل کشور در نقشه نشان داده شده است.

    • خصوصيات ويژه و سياست های کلی

از ويژگي هاي بارز پروژههاي بهسازي مجريان سعي بر انطباق پروژهها با آخرين تکنولوژهاي روز و بهينه سازي اجرا,استفاده از معادن کوهي، بکار گيري روشهايي با هزينه کمتر , دوام و کارائي بيشتر و نهايتاً عمر بالاتر روسازي ميباشد. استراتژی بکار گرفته شده در اين پروژه ها جهت بهسازی و روكش اصلی ذيل تقسيم مي گردند به کار گيري اين سياستها و اجراي آن تضمين کننده دوام و کيفيت پروژههاي بهسازي و صرقه اقتصادي آنها ميگردد

قير و مشکلات ناشی از قيرهای اصلاح نشده

روش هاي موجود و معمول استفاده از قير معمولي در صنعت روسازي داراي محدوديت هايي است که نياز به اصلاح خصوصيات مخلوط را ميطلبد. از جمله اين محدوديت ها ميتوان به

  • یاري شدن قير در دماي بالا و قيرزدگي
  • تغيير شکل دائم و شيار افتادگي در دماي بالا
  • ايجاد ترک در دماي پايين و بارگذاري طولاني
  • ايجاد ترک مکانيکي در دماي پايين و بارگذاري کوتاه
  • عدم امکان استفاده در برخی از مخلوطهای آسفالتی متخلخل و ماسیتیک و روشک های نازک
  • عدم کارائی مورد نیاز در نقاط خاص که دارای تنش برشی ميباشد
    • اصلاح خصوصيات مخلوط آسفالتی

الزامي بوده و روشهاي اصلاح قير به دو دسته فيزيکي و شيمايي طبقه بندي ميشوند که هدف نهايي از اين دو روش تقرب رفتار قير به محصول ايدال جهت کاربرد در توليد مخلوط با خصوصيات مورد نياز و رفتار بهينه است. امروزه قيرهاي اصلاح شده جايگاه مهمي را درصنايع حمل و نقل و راه سازي به خود اختصاص داده اند، پليمرها به عنوان مهمترين خانواده اصلاح كننده قير، به منظور بهبود عملكرد و افزايش كارايي قير مصرفي به آن اضافه مي شوند که در اين بين پليمر استيرن- بوتادي ان- استيرن SBS از جمله بهترين مواد اصلاح كننده قير بشمار مي آيد. کاربرد پليمر براي اصلاح خواص قيرهاي مورد استفاده در روسازي راه، در دهه هاي اخير رو به گسترش است به و با به کارگيري قير اصلاح شده در آسفالت افزايش قابل ملاحظه عمر راه ها و در نتيجه افزايش عمر بهره برداري روسازي راهها انتظار ميرود. قير اصلاح شده با اين روش مخلوط هاي آسفالتي درصد وزني بسيار کمي از اين مخلوط (4 تا 6 درصد) را تشکيل مي دهد، اما اثر قابل توجهي بر کارايي آسفالت دارند. افزايش اين پليمر به قير باعث بهبود مقاومت آسفالت، رواني، کاهش از هم گسيختگي و ايجاد فضاي خالي يا شيار در آسفالت و دوام آسفالت در برابر خستگي و افزايش عمر آن مي شود

    • معرفي پروژه تهران - مشهد

پروژه مذکور از نوع بهسازي نوع"ب" بوده¬است که طي مطالعات بعمل آمده و اسناد و اوراق آزمايشگاه مکانيک خاک استان سمنان در نهايت طرح اجرايي به صورت فوق¬الذکر مطرح و انجام پذيرفت.

افزايش حجم ترافيك و بارگذاري در جادهها سبب بكارگيري قير هاي اصلاح شده و از جمله پليمري بمنظور ارتقا عملكرد آسفالت شده است.اكثرتحقيقات در زمينه اصلاح مخلوطهاي آسفالتي در امريكا واروپا صورت گرفته است اما استفاده عملي از آن از سال 1980 به طورجدي در دستوركار قرار گرفته است. مقاومت در برابر شياردار شدن ومقاومت در برابر شروع و گسترش انواع تركها در سطح روسازي باعث ارتقا عملكرد آسفالت ميشود. پليمرها مهمترين اصلاح كننده هاي قير در صنعت روسازي بشمار ميروند. بدليل حساسيت قير در دماي بالا و پايين و از طرفي خاصيت ويژه اصلاح كنندهها در رفع حساسيت قير در چند سال گذشته توجه خاصي در كشورهاي پيشرفته در صنعت روسازي به آن شده است

درايران هرچنداستفاده از پليمرها در ساخت عايقها پيش ساخته سابقه طولاني دارد اما در صنعت روسازي تاكنون به طور كاربردي و وسيع تا سال 87 مورد استفاده قرار نگرفته بود . ايران نيز همپاي كشورهاي توسعه يافته و با همت متخصصين داخلي استفاده از اين تكنولوژي را در ابعاد ملي از سال 87 درپروژههاي بهسازي شروع كرده و همكنون موفق به اجراي 33.5 كيلومتر آسفالت پليمري به همراه بازيافت سرد در محور تهران مشهد شده است.

استفاده از پليمر رفتار ويسكوالاستيك را تحت تاثير قرار داده و به دليل خاصيت ارتجاعي افزودني تاثير ويژه اي بر رفتار مخلوط آسفالتي ميگذارد.استفاده از آسفالت اصلاح شده با پليمر ميتواند موجب كاهش ضخامت لايه شده و با توجه به عمر طولاني مدت هزينه ها را تا 20 درصد كاهش دهد. دريك نگاه جامع ميتوان مزاياي اين روش را مقاومت در برابر موجزدگي، خستگي روسازي و فرسودگي،تركخوردگي و... به دليل ارتقا قدرت ارتجاعي رويه بيان كرد. اساساً بكار گيري وطرح اختلاط يك افزودني اصلاح كننده به عوامل مختلفي وابسته است.مهمترين اين عوامل در سه بخش فني ، اقتصادي و زيست محيطي قابل طبقه بندي ميباشند. استفاده از پليمر ميتواند سبب افزايش مقاومت در برابر تنش هاي بالا ناشي از عبور ترافيك باشد. با استفاده از افزودني پليمري محصولي توليد ميشود كه داراي حساسيت دمايي پايينتر از نوع معمولي آنست. ساخت غشا مقاوم در برابر ترك جهت كاهش ترك هاي انعكاسي ،ساخت قير هاي ملتي گريد، افزايش چسبندگي وپيوستگي و... از مزاياي اصلاح با پليمر به شمار ميرود. آسفالت پليمري اصلاح شده بيشتر در مناطقي كه به لحاظ شرايط آب و هوايي مانند منطقه صحرايي يا كوهستان، و يا داراي شرايط ترافيكي سنگين ويا داراي ويژگي خاصي مانند تقاطع ها ، بنادر ، ايستگاههاي عوارضي و .. هستند توصيه ميشود. بمنظور شناسايي بهتر پليمر و خصوصيات آن معرفي از نوع ماده افزودني پليمري در بخش بعد آورده شده است.

    • پلیمر

يک پليمريک ملکول بزرگ است که از زنجيره اي از تعداد زيادي ملکول کوچک بنام مونومر (monomer) بدست آمده است. اگر مونومرها مشابه باشند، پليمر را هومو پليمر (homo polymer) مي¬نامند و اگر مونومرها متفاوت باشند، آنرا کوپليمر(co polymer) مي نامند. مخصوصاٌ وقتي کوپليمر از زنجيره مشخصي از دو ( يا بيشتر) هموپليمر ساخته شده باشد، آنرا بلاک کوپليمر(block copolymer) مي¬نامند. پليمرها شکلهاي متفاوتي دارند. تقسيم بندي هاي زيادي براي مواد پليمري وجود دارد، مانند: اصلي ( طبيعي يا مصنوعي )، ترکيب شيميايي، ساختار ملکولي، نحوه ساخت مصنوعي. آن دسته از پليمرها که در قير اصلاح شده استفاده مي شوند عبارتند از:

      • بلوری
      • خرده
      • پودر

پليمرها در دماي مختلف داراي خصوصيات متفاوتي هستند :

      • دردماهاي کم، رفتار پليمر حالت شيشه اي است، سخت و شکننده است
      • با بالا رفتن دما، حرکت مولکولها بيشتر مي شود
      • در اين منطقه، پليمر، شبه لاستيکي است
      • در دماهاي بالا، پليمر، حالت سيال دارد
    • سازگاري قير و پليمر

هر پليمري با هر نوع قيري سازگاري ندارد. اين سازگاري به حلاليت قير و پليمر بستگي دارد که آن نيز به نوبه خود به اختلاف حلاليت پليمر و فاز مايع قير و مقدار و نوع مواد چسبنده در قير وابسته است.شكل – رفتار قير اصلاح شده با پليمر را نشان ميدهد.

    • چسبندگي و پيوستگي قير اصلاح شده

رابطه مستقيمي بين چسبندگي و خصوصيات تغيير شکل پذيري قير وجود دارد، بطوريکه با افزايش پيوستگي (cohesion)رفتار تغيير شکل پذيري قير افزايش مي يابد. با افزايش چسبندگي قير اصلاح شده به مصالح، پراکندگي پليمر در قير بهتر مي شود

    • قیر اصلاح شده الاستومتري

عمومي ترين نوع پليمر مورد استفاده در راهها، از گروه کوپليمرهاي استيرن بوتادين است. که از ترکيب انواع زنجيره استيرين و بوتادين تشکيل مي شود. SBA ( Styren Botadin Rubber) random copolymer، کوپليمرهاي دوبلوکي يا سه بلوکي SB يا SBS.

    • نقش قير اصلاح شده در آسفالت

اولين نقش قير اصلاح شده، بدون اثر بد بر مشخصات قير يا آسفالت در ديگر دماها افزايش مقاومت آسفالت در برابر تغيير شکلهاي پايدار در دماهاي بالا است. از دو طريق اين کار انجام مي شود : با افزايش سختي قير و کاهش پاسخ ويسکوالاستيک قير و يا با افزايش بخش الاستيک و کاهش بخش ويسکوز قير.

    • اصلاح قیر

اصلاح کننده بايد هم مؤثر باشد هم عملي و هم اقتصادي در ضمن به آساني قابل دسترس باشد، در دماي اختلاط آسفالت مقاومت کند، مقاومت آسفالت را در دماي بالا بهبود بدهد بدون اينکه ويسکوزيته آنرا در هنگام اختلاط يا دماي بخش زياد کند و يا آنرا در دماهاي پايين راه سخت و شکننده کند.اصلاح کننده پس از اختلاط با قير بايد خواص اوليه قير را در هنگام انبار کردن، کاربرد در حين بهره برداري حفظ کندو در برابر فرآيندهاي اجرايي دستگاههاي معمولي توانايي داشته باشد. از نظر فيزيکي و شيميايي در طول دوره انبار کردن، کاربرد و بهره برداري پايدار باشد.

    • اصلاح قير با استفاده از الاستومرهاي ترموپلاستيک

از چهار گروه اصلي ترموپلاستيک، پلي آرتان- الاستومر، کوپليمر پلي استر- پلي اتر، کوپليمرهاي الفينيک و کوپليمرهاي بلوکي استيرنيک، کوپليمرهاي بلوکي استرنيک هستند که بيشترين قابليت را در ترکيب با قير نشان مي دهند. مقدار توزيع و پخش پليمر در قير به ساختار قير، نوع و غلظت پليمر و نرخ برش ايجاد شده توسط مخلوط کن وابسته است.سيستم سازگار، يک ساختار شبه اسفنجي يکنواخت و سيستم غير سازگار يک ساختار غير پيوسته دارد.

بمنظور بررسي سازگاري پليمر و قير از يک استوانه قير اصلاح شده ساخته شده در يک دماي بالا معمولاً c 150 برابر مدت 7 روز در گرمخانه استفاده مي شود. از آن نقطه نرمي بالا و پايين استوانه اندازه گيري ميشود.درصورتيكه نقطه نرمي بالا و پايين نمونه در قير اصلاح شده مختلف باشد ( بيش از c5 اختلاف ) غير سازگار شناخته ميشود. عوامل اصلي مؤثر در پايداري در مدت زمان و مشخصات قير اندازه وزن ملکولي آسفالتين قير ،خاصيت آروماتيکي فاز مالتين ،مقدار پليمر ،وزن ملکولي و ساختار پليمر ودماي نگهداري است. شکل مقابل مقاومت دو نوع قير اصلاح شده و اصلاح نشده را در مقابل تغيير شکل rutting نشان مي دهند.

    • عملكرد اقتصادي قيرهاي اصلاح شده

در ارزيابي اقتصادي چرخه عمر هزينه¬هاي ساخت و بهره¬برداري راه در طول عمر آن بررسي مي¬شود. جائيكه كري فالت Caryphalt DM,PM استفاده شده بود 20% هزينه¬ها كمتر از جائي بود كه قير معمولي استفاده شده بود. اگر هزينه¬هاي استفاده كننده و تصادفات نيز به حساب آورده شود اين اختلاف هزينه¬ها به 45% مي¬رسد.

در اين تحقيق از سه درصد 3.5 ، 4 و 4.5 درصد با استفاده از آزمايشهاي superpave به منظور تعيين درصد بهينه SBS استفاده شده و با استفاده از روش مارشال درصد فير بهينه تعيين شده است. نتايج اين تحقيق در زير آورده شده است.

آزمایشASTMنتایج

جدول 1 : نتايج آزمايش هاي قير
نقطه اشتعال قير برحسب درجه سانتيگراد D92 312
آزمايش بازگشت الاستيك در دماي 25 درجه سانتيگراد برحسب درصد قير (بر قير حاصل از RTFOT) D113 40
درجه نفوذ در 25 درجه سانتيگراد برحسب 1/0 ميليمتر D5 69
آزمايش تعيين نقطه نرمي برحسب درجه سانتيگراد D36 63/5

 

جدول 3 : نتايج آزمايش رئومتر برش ديناميكي (DSR) بر روي نمونه قير پير نشده (OB)
دماي انجام آزمايش (درجه سانتيگراد) 88/0 82/0 76/0 70/0 64/0 58/0 52/0 46/0
G/SinO (kPa) - 0/308 0/787 1/306 1/823 - - -

 

جدول 4 : نتايج آزمايش رئومتر برش ديناميكي (DSR) بر روي نمونه قير پير شده در دستگاه لعاب نازك دوار قير (RTFO)
دماي انجام آزمايش (درجه سانتيگراد) 88/0 82/0 76/0 70/0 64/0 58/0 52/0 46/0
G/SinO (kPa) - 0/475 0/809 1/503 3/615 - - -

 

جدول 5 : نتايج آزمايش رئومتر برش ديناميكي (DSR) بر روي نمونه قير پير شده در دستگاه پيرشدگي تحت فشار (PAV)
دماي انجام آزمايش (درجه سانتيگراد) 28/0 25/0 22/0 19/0 16/0 13/0
G/SinO (kPa) 1218 1905 2997 5360 - -

 

جدول 6 : نتايج آزمايش رئومتر تيرچه خمشي (BBR) بر روي نمونه قير پير شده در دستگاه پيرشدگي تحت فشار (PAV)
دماي انجام آزمايش (درجه سانتيگراد) 0 6/0- 12/0- 18/0- 24/0-
سفتی خزشی (مگا پاسکال) - - 108 199 447
(M-Value) - - 0/363 0/325 0/299

 

جدول 1 : نتايج آزمايش ويسكومتر چرخشي (RV)
ويسكوزيته در دماي 135 درجه سانتيگراد (پاسكال- ثانيه) نوع قير
0/281 قير خالص
0/901 قير اصلاح شده

 

جدول 2 : آزمايش تعيين نقطه اشتعال قير
درجه اشتعال( درجه سانتيگراد ) نوع قير
308 قير خالص
311 قير اصلاح شده

 

جدول 3 : نتايج آزمايش رئومتر برشي ديناميكي (DSR)
درجه اشتعال( درجه سانتيگراد ) نمونه قير پير نشده (OB)
دمای انجام آزمایش (درجه) 88/0 82/0 76/0 70/0 64/0 58/0 52/0 46/0