وبلاگ
نقش رئولوژی قیر در افزایش دوام و عملکرد آسفالت
رئولوژی قیر و آسفالت
قیر یکی از فراوردههای حاصل از تقطیر نفت خام است، آسفالت نیز مخلوطی از قیر و مصالح است که در آن قیر نقش بایندر یا ماده چسباننده را ایفا میکند و یکی از مهمترین اجزای تعیینکننده در روسازی است. این ماده در حین تولید، تحت دماهای مختلف قرار میگیرد و پس از بهره برداری نیز باید در برابر تغییرات دمایی و بارهای ترافیکی مقاومت کند. بنابراین، شناخت رفتار رئولوژی قیر میتواند نقش مهمی در انتخاب مواد مناسب و افزایش عمر آسفالت داشته باشد. بررسی رئولوژی، اطلاعاتی درباره ویژگیهایی مانند ویسکوزیته، قوام و رفتار ویسکوالاستیک در اختیار کاربر قرار میدهد. این اطلاعات به تولیدکنندگان کمک میکند تا عملکرد قیر و آسفالت را در شرایط مختلف راحت تر ارزیابی کنند. در این مقاله در مورد قیر و آزمونهای مربوط به آن صحبت میکنیم. در این مقاله به بررسی دستگاه DSR رئومتر برشی دینامیکی می پردازیم.
قیر و آسفالت چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟
قیر محصول پالایش نفت خام است و از هزاران ترکیب با وزن مولکولی بالا و پایین، از جمله هیدروکربنها، رزینها، پارافینها، مومها، چربیها، روغن های سنگین، لیگنینها یا پلیمر پیچیده، پروتئینها و آسفالتینها تشکیل شده است. این ماده در دمای محیط رفتاری چسبناک و ویسکوالاستیک دارد. اما آسفالت، ترکیبی از قیر و مواد معدنی مختلف مانند سنگ، شن، ماسه و مصالح خرد شده است. در این ترکیب، قیر نقش چسباننده را ایفا میکند و باعث کنار هم نگه داشتن ذرات معدنی میشود. به همین دلیل، هنگام بررسی آسفالت، بررسی رفتار قیر اهمیت دارد.
چالش های رایج در روسازی جاده
سطح جاده در طی زمان در شرایط محیطی مختلفی قرار میگیرد. از یک طرف، عبور خودروها بار زیادی به روسازی وارد میکند و از طرف دیگر، تغییرات دمایی میتواند رفتار مواد تشکیل دهنده آن را تغییر دهد. یکی از این آسیبها، ایجاد شیار (Rutting) در مسیر حرکت خودروهاست. این پدیده به مرور میتواند باعث تغییر شکل دائمی سطح جاده شود. آسیب دیگر، ایجاد ترک های ناشی از تغییرات دمایی است. تغییرات فصلی میتواند باعث ایجاد ترک های ریز در آسفالت شود. اگر این ترکها گسترش پیدا کنند، نفوذ آب و یخ نیز میتواند روند تخریب روسازی را سریعتر کند. بنابراین، یکی از اهداف اصلی در مهندسی آسفالت این است که ترکیب مناسبی از قیر و مصالح انتخاب شود تا روسازی
تاثیر دما بر رفتار قیر
قیر در دماهای مختلف رفتار متفاوتی نشان میدهد، و ویژگیهای آن در هنگام گرم شدن، تولید، پمپاژ و اجرای آسفالت با زمانی که آسفالت روی سطح جاده سرد شده است، تفاوت دارد. برای مثال، در کارخانه، مخلوط باید در دمایی تولید شود که امکان جابهجایی، پمپاژ و اختلاط مناسب آن وجود داشته باشد. پس از اجرای روسازی نیز با کاهش دما، خواص قیر تغییر میکند و آسفالت به تدریج به وضعیت نهایی خود نزدیک میشود.
نقش رئولوژی در کیفیت قیر و آسفالت
برای رسیدن به کیفیت بالا، بررسی ویژگیهای قیر اهمیت زیادی دارد؛ این ویژگیها با استفاده از رئومتر قابل اندازه گیری هستند. آسفالت باید در مراحل مختلف تولید و استفاده، ویسکوزیته متفاوتی داشته باشد. به عنوان مثال، در کارخانه، مخلوط باید قابلیت پمپاژ و ترکیب شدن داشته باشد و پس از اعمال روی سطح جاده، متراکم شود. با آزمونهای رئولوژی میتوان خواص آن را بهبود بخشید.
رئولوژی قیر
مواد معمول مورد اندازهگیری
قیر
قیر خالص، که در دمای اتاق خواص ویسکوالاستیک بالایی از خود نشان میدهد، به عنوان بایندر اصلی در مخلوطهای روسازی جاده عمل میکند. به همین دلیل، باید در دماهای بالا در برابر جدا شدن اجزا پایدار بماند و از طرف دیگر، در دماهای پایین دچار شکستگی نشود.
آزمون
آزمونهایی مانند تعیین نقطه نرمی به روش Ring and Ball و آزمون نفوذ پذیری قیر (Penetration Test) از روشهای قدیمی برای ارزیابی قیر هستند. این آزمون ها برای طبقهبندی و تحلیل برخی ویژگیهای قیر مفید هستند، اما برای ارزیابی دقیق کیفیت محصول کافی نیستند. خواص رئولوژی قیر را می توان با آزمونهای نوسانی (Oscillatory Tests) در محدودهی دمایی متغیر (مثلا ۰ تا ۷۰ درجه سانتیگراد) با استفاده از یک رئومتر مجهز به سیستم کنترل دمای Peltier با دقت بالا تعیین کرد.
قیر اصلاح شده با پلیمر (Polymer-Modified Bitumen – PMB)
در شرایطی که روسازی باید بار ترافیکی بیشتری را تحمل کند یا در برابر شرایط محیطی سختتری قرار بگیرد، میتوان خواص قیر را با استفاده از مواد اصلاحکننده تغییر داد. یکی از روشهای رایج در این مورد، افزودن پلیمر به ترکیب است که محصول حاصل قیر اصلاحشده با پلیمر یا (PMB) نام دارد. هدف از این اصلاح، ایجاد تعادل بهتر بین سختی و انعطاف پذیری ماده در محدودههای دمایی مختلف است. PMB در مقایسه با نمونه معمولی میتواند چسبندگی بیشتری به ذرات معدنی داشته باشد و از نظر بازیابی ساختاری پس از اعمال بار نیز عملکرد بهتری نشان دهد. برای مثال این ماده روی پلها و در آسفالت متخلخل برای کاهش صدای ناشی از حرکت خودروها به کار میرود.
آزمون
حتی مقدار کمی پلیمر در این مخلوط میتواند تغییر محسوسی در رفتار رئولوژیکی آن ایجاد کند. میزان افزودنیهای پلیمری میتواند تا حدود ۷ درصد قیر را تشکیل دهد. از جمله این افزودنی ها میتوان به ترکیبی از پلیمرهای ترموپلاستیک مانند استایرن-بوتادین-استایرن (SBS)، اتیلن-وینیل استات (EVA) یا پودر لاستیک فرسوده (GTR) اشاره کرد. آزمونهای رئولوژی وابسته به دما میتوانند تاثیر این پلیمرها بر رفتار ویسکوالاستیک نمونه را نشان دهند.
آسفالت اصلاح شده با لاستیک (Rubber-Modified Asphalt)
استفاده از لاستیک تایرهای فرسوده در تولید، علاوه بر جنبه زیست محیطی، میتواند بر عملکرد خود آسفالت نیز اثر بگذارد. در این روش، لاستیک حاصل از تایر وارد ساختار میشود و میتواند برخی ویژگیهای مکانیکی و رئولوژی آن را تغییر دهد.
مزایای مهم این روش عبارتند از:
- افزایش عمر روسازی جاده
- کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری
- کاهش صدای ناشی از عبور خودروها
- بهبود برخی ویژگی های عملکردی
- کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از تایرهای فرسوده
آزمون
یکی از روش های مورد استفاده در این مورد،استفاده از دستگاه رئومتر برشی دینامیکی (Dynamic Shear Rheometer) یا (DSR) است. این روش امکان بررسی رفتار ویسکوالاستیک وابسته به دمای نمونه را فراهم میکند. این نوع اندازه گیری را میتوان برای آسفالت اصلاح شده با لاستیک دارای ذراتی تا حدود ۲ میلیمتر نیز انجام داد. نتایج این آزمون میتواند تغییر نرمی و افزایش الاستیسیته نوع اصلاح شده را در مقایسه با نمونه معمولی نشان دهد.
جمعبندی
یک آسفالت مناسب باید بتواند در برابر بار مداوم، تغییرات دمایی و سایر عوامل محیطی عملکرد خود را حفظ کند. از آنجا که قیر نقش اصلی را بهعنوان ماده چسباننده در مخلوط آسفالت بر عهده دارد، شناخت رفتار آن اهمیت ویژه ای پیدا میکند. رئومتری با امکان بررسی رفتار ویسکوالاستیک و تغییرات خواص ماده در دماهای مختلف، اطلاعاتی فراتر از آزمونهای سنتی در اختیار تولیدکنندگان قرار میدهد. این موضوع در مورد قیر اصلاحشده با پلیمر (PMB) و آسفالت اصلاحشده با لاستیک اهمیت بیشتری دارد؛ زیرا افزودن اصلاحکنندهها میتواند رفتار ماده را به شکل محسوسی تغییر دهد. در نتیجه، استفاده از این آزمونها میتواند به انتخاب مواد مناسبتر، کنترل کیفیت بهتر و در نهایت طراحی روسازیهایی با عملکرد پایدارتر و عمر بیشتر کمک کند.