افزودنی‌‌ پلیمری بر خستگی بتن آسفالتی

روسازی‌های آسفالتی برای مقاومت در مقابل خرابی‌های بنیادی از جمله شیار شدگی‌، خستگی و ترک خوردگی دماهای پایین طراحی می‌شوند‌. عملکرد مخلوط آسفالتی بستگی به نوع قیر و مصالح سنگی مصرفی و خصوصیات حجمی مخلوط آسفالتی دارد. که باید برای شرایط آب و هوایی و محیطی محل مورد نظر طراحی شود. خواص فیزیکی و شیمیایی قیر تاثیر عمده‌ای در عملکرد مطلوب‌، دوام و پایداری مخلوط‌های آسفالتی دارد. در حال حاضر با توجه به رشد عوامل ترافیکی شامل بارهای سنگین‌تر، حجم‌های بالاتر و فشارهای تایر بیشتر، نیاز به مخلوط های آسفالتی مقاومتر احساس می‌شود. در دهه‌های اخیر استفاده از افزودنی‌ها به خصوص پلیمرها جهت اصلاح قیر و مخلوط‌های آسفالتی برای بالا بردن عمر سرویس دهی و بهبود خصوصیات روسازی‌های آسفالتی مورد توجه قرار گرفته است.

پدیده شکست بر اثر تکرار، تغییر و تناوب دینامیکی بار خستگی نامیده می‌شود که ممکن است حتی کمتر از مقاومت نهایی استاتیکی مخلوط آسفالتی باشد. مقاومت خستگی روسازی‌، قدرت تحمل آن در برابر بارهای خمشی تکراری بدون شکست است. اندازه گیری خصوصیات خستگی نمونه‌ های مخلوط آسفالتی در محدوده‌های ترافیکی‌، آب و هوایی و شرایط محیطی مختلف، اهمیت ویژه‌ای دارد و فرایند مهمی در طراحی روسازی‌های آسفالتی جدید است.

عوامل تاثیر گذار بر روی رفتار خستگی مخلوط‌های آسفالتی

عوامل تاثیر گذار بر روی رفتار خستگی مخلوط‌های آسفالتی شامل مشخصات مواد تشکیل دهنده مخلوط آسفالتی (درصد هوا، نوع و مقدار قیر، ضخامت غشای قیر، مشخصات رئولوژیکی قیر و نوع و دانه بندی مصالح سنگی) و شرایط بارگذاری (روش آزمایش‌، دما‌، مد بارگذاری، زمان استرحت بین بارهای متوالی، اندازه و فرکانس پارارمترهای تنش‌ یا کرنش که در طول آزمایش‌) هستند.

اگر چه قیر سهم وزنی کمی در مخلوط آسفالتی دارد، نقش بسزایی در رفتار خستگی روسازی ایفا می‌کند. قیر خصوصیات ویسکوالاستیک مخلوط را در دوران تولید، اجرا و خدمت رسانی کنترل می‌کند. رفتار قیر وابسته به دما و نرخ بارگذاری است. درصد قیر مصرفی و خصوصیات ذاتی آن از جمله ویسکوزیته به طور مستقیم و تاثیر میزان قیر در میزان قیر در مقدار فضای خالی و نقش قیر در پیر شدگی مخلوط آسفالتی به طور غیر مستقیم در عمر روسازی بتن آسفالتی موثرند. بنابراین با توجه به نقش کلیدی قیر می‌توان انتظار داشت با درک کامل از قیر و کنترل خصوصیات آن بتوان تا حدود زیادی عمر روسازی را افزایش داد.

قیر ماده‌ای به رنگ قهوه‌ای تیره تا سیاه است که ساختار شیمیایی آن متشکل از هیدروکربورهای مختلف است. ترکیب شیمیایی قیربه فرایند تولید و نفت خام اولیه‌ای که از آن مشتق شده، بسیار وابسته است. در دماهای پایین یا بارگذاری‌های کوتاه مدت، قیر مشابه یک جسم جامد الاستیک، عمل می‌کند و در دماهای بالا ‌یا بارگذاری‌های طولانی، عملکرد آن مانند یک مایع ویسکوز خواهد بود. اما در دماها و مدت زمان بارگذاری کیانی قیر رفتاری بسیار پیچیده از خود نشان می‌دهد.

ویسکوزیته قیر مهم‌ترین عامل تاثیر گذاری در انعطاف پذیری مخلوط و پاسخ به بارهای سیکلی است. قیرهای با ویسکوزیته کمتر به دلیل سختی کمتر، عمر خستگی بیشتری دارند. با کاهش ویسکوزیته قیر از ۲۷۰ به ۱۶۰ سانتی استوکس‌، عمر خستگی حدود ۲۰ درصد افزایش می‌یابد. افزایش درصد قیر سبب افزیش عمر خستگی می‌شود. درصد قیر بهینه مخلوط به خصوصیات مصالح سنگی و دانه بندی آن بستگی دارد. تحقیقات نشان می‌دهد که عمر خستگی یک نمونه با افزایش درصد قیر از ۴ درصد به ۶ درصد‌، به مقدار ۷۰ درصد افزایش می‌یابد. هر چند افزیش درصد قیر باعث افزایش عمر روسازی می‌شود اما خطر بروز تغییر شکل لایه‌ی قیر را باید در نظر گرفت‌. درصد‌ قیر مخلوط آسفالتی در کنترل پایداری و تغییر شکل‌های دائم آن بسیار موثر است.

رشد عوامل ترافیکی مانند بارهای سنگین‌تر‌، حجم‌های بالاتر و فشارهای تایر بیشتر، محققان را بر آن داشته‌ تا در‌صدد اصلاح مخلوط‌های آسفالتی برآیند. با توجه به تاثر قیر بر خصوصیات روسازی آسفالتی، تحقیقات زیادی در زمینه اصلاح خصوصیات قیر انجام گرفته است. استفاده از افزودنی‌ها یک روش متداول برای اصلاح قیر است.‌ اضافه کردن افزودنی‌ها در سال‌های اخیر از محبوبیت بالایی برخوردار است که این مسئله به دلیل بهبود خصوصیات متنوع مورد نیاز برای ایجاد روسازی‌هایی با عملکرد بهتر است. پلیمرها یکی از مهمترین اصلاح کننده‌های قیر به شمار می‌روند. که سبب بهبود عملکرد مخلوط در دماهای بالا و پایین، مقاومت در برابر شایر شدگی و ترک‌های گرمایی و افزایش کارایی آن می‌شود.

اصلاح کننده‌های پلیمری قیر

در پلیمرها مانند قیر، از نفت تولید شده و موادی پایدار و قابل بازیافت هستند و با استفاده از فرایند شیمیایی می‌توان پلیمرهای جدید با خواص مطلوب تهیه نمود. استفاده از پلیمر، بهبود شایانی در رفتار ویسکوالاستیک قیر پدید می‌آورد. این مواد خاصیت الاستیکی‌ را در دماهای بالاتر حفظ می‌نمایند. لازمه تغییرات ذکر شده پدید آمدن یک شبکه پلیمری در داخل قیر است. یعنی تا زمانی که این شبکه به وجود نیامده باشد، بهبودی در خصوصیات قیر مشاهده نمی‌شود. باید توجه داشت که کارایی پلیمر به مقدار زیادی به وسیله مقدار آسفالتین در قیر تحت تاثیر قرار می‌گیرد. همچنین علی رغم تولیدات زاید مواد پلیمری، تعداد نسبتاً کمی از آنها برای اصلاح قیر مناسب است‌. که به برخی از آن اشاره می‌شود.

پلاستیک‌ها

پلاستیک‌ها از پلیمرهای مصنوعی هستند که تحت فشار و دما، قابل ذوب و شکل پذیر هستند و به دو دسته اصلی ترموست‌ها و ترموپلاستیک‌ها تقسیم می‌شوند.‌ ترموست‌ها به علت شرایط خاص مولکولی، در اصلاح قیر کاربردی ندارند. ترموپلاست‌ها آن دسته از پلاستیک‌ها هستند که در اثر گرما، نرم و پس از سرد شدن مجدداً جامد می‌شوند. ‌این عمل به دفعات، بدون اینکه در جنسیت پلاستیک‌ها تغییر حاصل شود، می‌تواند انجام گیرد. از انواع ترموپلاست‌ها می‌توان پلی وینیل‌ها، پلی اتیلن‌ها‌، پلی استرها و پلی پروپیلن را نام برد. که بسته به درصد اختلاط قیر سبب افزایش نقطه نرمی‌، کاهش درجه نفوذ و حساسیت حرارتی آن می‌شود.‌ عملکرد قیر را در دمای بالای بدون به مخاطره انداختن رفتار دمای پایین آن بهبود می‌بخشد.

لاستیک‌ها یا الاستومرها

لاستیک ماده‌ای آلی است که از طبیعت یا از طریق سنتز به دست می‌آید. مهم‌ترین نشانه لاستیک افزایش طول آن تحت تاثیر نیروی کششی و بازگشت به حالت اولیه پس از رها شدن است. لاستیک‌های با منشا غیر طبیعی از جمله پلی ایزوپرون، پلی بوتادین استادین و غیره وارد بازار شدند که عامل ولکانیزاسیون همه‌ی آنها گوگرد بوده ‌و بعد از آن انواع دیگری نیز با عامل ولکانیزاسیون پر اکسید‌ ابداع شدند. از مهم‌ترین لاستیک‌های شناخته شده استایرن بوتادین‌ رابر است.‌ از کوپلیمریزاسیون استایرن و بوتادین در سیستم امولسیون تولید می‌شود. ‌محصول به صورت شیرابه‌ای سفید رنگ حاصل می‌شود. در صورت شکسته شدن امولسیون، این لاستیک از آب جدا می‌شود. معمولاً این کوپلیمر به هر دو شکل امولسیون و پلیمر خالص به قیر اضافه می‌شود. و خاصیت بازیابی کشسان نمونه قیری را بهبود می‌بخشد.‌ در دمای پایین انعطاف پذیری قیر را افزایش و ترک‌های حرارتی را کاهش می‌دهد. همچنین بررسی‌های انجام شده در مورد روسازی‌های آسفالتی حاوی این نوع پلیمر نشان داده که مخلوط‌های اصلاح شده مقاومت بیشتری در برابر ترک‌های انعکاسی نسبت به مخلوط آسفالتی اصلاح نشده دارند.

ترکیبی (الاستمر و پلاستومر)

استفاده از افزودنی‌های پلیمری در شکل‌های پلاستیک و لاستیک به صورت مجزا، تنها برخی خواص را بهبود می‌بخشند و بر خواص دیگر بی‌تاثیر و یا دارای اثری ناچیز هستند. بنابراین با ترکیب الاستومر‌ها و پلاستومرها و استفاده توام از یک کاتالیست (روغن) جهت امتزاج بهتر و ایجاد مخلوطی نرم‌تر مجموعه اثرات مطلوبی را که الاستومرها و پلاستومرها به تنهایی در قیر ایجاد می‌کردند را بدون اثر متقابل و تاثیر منفی بر یکدیگر در قیر ایجاد نمایند. برای مثال استفاده از استایرن بوتادین رابر و پلی اتیل سبک به همراه روغن سنگین سبب بهبود بازیابی الاستیک و کارایی قیر می‌شود.

ترموپلاستیک الاستومرها

این پلیمرها دارای خواص توام پلاستیکی و لاستیکی هستند و به طور گسترده در بهبود خواص قیر به کار می‌روند. قیرهای اصلاح شده با این پلیمرها در دمای اختلاط و تراکم، دارای کندورانی مناسبی بوده و ضمن آن که در دمای خدمت دهی و خصوصاً دماهای پایین، خواص الاستی سیته آن حفظ می‌شود،‌ این امکان را فراهم می‌سازد تا قیرهای اصلاح شده با این پلیمرها را در هر یک از شرایط آب و هوایی سرد و گرم به کار بیرند.

استفاده از این پلیمر در مخلوط آسفالتی خاصیت چسبندگی بهتر، عملکرد خوب در هر دو محدوده دمای بالا و پایین، انعاطف پذیری بیشتر در دمای پایین، مقاومت در برابر تغییر شکل و شیار افتادگی در دماهای بالا، کاهش حساسیت دمایی، بهبود مقاومت کششی و افزایش مدول سختی را به همراه دارد.

مشکلات استفاده از قیرهای پلیمری

وقتی پلیمر و قیر با هم مخلوط ‌و برای استفاده در مخزن نگهداری می‌شوند، مخلوط قیر و پلیمر تمایل به جدا شدن از یکدیگر دارند. بنابراین یکی از مشکلات واقعی، نگهداری و ذخیره آن به صورت یک مخلوط هموژن است. برخی پلیمرها گرایش به ته نشین شدن دارند ولی در بیشتر موارد قیر ته نشین می‌شود و مواد پلیمری روی آن قرار می‌گیرند. اخیراً در صنعت تانکرهایی عمودی ساخته شده‌اند که به مخلوط‌کن‌های مخصوصی مجهز هستند و برای نگهداری PMB به کار می‌روند.

چسبندگی قیرهای اصلاح شده با پلیمر از قیر معمولی بسیار بیشتر است و به هر سطحی که با آن تماس پیدا کند مانند مخزن ذخیره قیر و کامیون حمل مواد می‌چسبند، به طوری که تمیز کردن این سطوح پس از استفاده بسیار دشوار است. همچنین قابلیت پمپ شدن مواد نیز می‌تواند به یک معضل تبدیل شود. زیرا غیر از مواردی استثنایی که از قیر نرم تر استفاده می‌کنید، با  استفاده از پلیمر در قیر معمولی، نقطه نرمی قیر افزایش می‌یابد. در نتیجه قیر در دمای معمولی سخت می‌شود. بنابراین باید با یک زمان بندی مناسب قبل از سرد شدن مواد، آسفالت را متراکم و هموار ساخت.

استفاده از اصلاح کننده‌ها سبب افزایش کیفیت قیر می‌شود. برخی پلیمرها همچون استایرن بوتادین استایرن، پلی فین و اتیل وینیل استات پس از اختلاط یک شبکه الاستیک سه بعدی را در قیر تشکیل می‌دهند و سبب بهبود رفتار ویسکوالاستیک قیر می‌شوند. افزودن پلیمرها خاصیت الاستیک قیر و چسبندگی آن به مصالح را افزایش می‌دهند و مقاومت مخلوط‌های آسفالتی را در برابر خستگی بالا می‌برند.

برخی از پلیمرهای مانند استایرن بوتادین نرخ بهبود ترک‌های خستیگ ناشی از بارگذاری را افزایش می‌دهند. و سبب افزایش عمر خستگی مخلوط آسفالتی می‌شوند. با انجام آزمایش‌های خستگی قیر و خستگی مخلوط آسفالتی می‌توان تاثیر هر یک از پلیمرها را در خواص قیر و مخلوط آسفالتی مورد ارزیابی قرار داد و با مقایسه کمی و کیفی و با توجه به شرایط اقتصادی پروژه از بهترین گزینه استفاده نمود. به علت اختلاط قیمت زیاد پلیمرها با قیر استفاده از آنها هزینه اولیه پروژه را بالا می‌برد. اما با توجه به افزایش چشمگیر عمر روسازی ، هزینه‌های نگهداری و مرمت کاهش می‌یابد و استفاده از پلیمرها توجیه اقتصادی پیدا می‌کند. عملاً در چشم اندازهای چندین ساله به صرفه‌تر خواهد بود.