کاربرد قیر در آسفالت

اصلاح خواص آسفالت با استفاده از ترموپلاستیکهای غیر لاستیکی

پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی وینیل کلرید، پلی استیرن و اتیلن وینیل استات پلیمرهای غیر پلاستیکی (non rubber thermoplastic) اصلی هستند که برای اصلاح خواص قیر جاده مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. این مواد به عنوان ترموپلاستیک ها بر اساس نقطه نرمی در دمای بالا و نقطه سخت شدن در دمای پایین مشخص می شوند. این پلیمرهای بر روی نقطه نفوذ بیشتر از نقطه نرمی تأثیر می گذارند که این رفتارشان برخلاف ترموپلاستیک های الاستومر است.

آسفالت در راهسازی

وقتی ترموپلاستیک ها با قیر مخلوط می شوند، در دمای مشخصی تجمع می کنند و باعث افزایش ویسکوزیته قیر می شوند. به هرحال این مواد نمی توانند باعث افزایش قابل توجه الاستیسیته قیر بشوند و وقتی گرم شوند، می توانند جدا شوند که ممکن است باعث پخش درشت (coarse dispersion) در هنگام سرد شدن بشود.

کوپلیمرهای پلی وینیل استات مواد ترموپلاستیک با ساختار تصادفی هستند که بوسیله کوپلیمریزاسیون اتیلن با وینیل استات سنتز می شوند. کوپلیمرهای با محتوای وینیل استات کم خواصی شبیه پلی اتیلن با دانسیته کم دارد. با افزایش مقدار وینیل استات خواص کوپلیمر تغییر می کند. خواص اتیلن وینیل استات بر اساس وزن مولکولی و مقدار وینیل استات به شکل زیر تعیین می شود.

وزن مولکولی: وزن مولکولی بسیاری از پلیمرها با یک معیار جایگزین تعیین می شود. یک روش استاندارد و جایگزین برای اتیلن وینیل استات ها اندازه گیری شاخص جریان ذوب (Melt Flow Index MFI) است. مقدار MFI یک آزمون ویسکوزیته است که مانند نقطه نفوذ به طور معکوس به وزن مولکولی مربوط است؛ مانند شاخص نفوذ که نفوذ بیشتر نشان دهنده وزن مولکولی میانگین کمتر و ویسکوزیته کمتر قیر است.

مقدار وینیل استات: به منظور درک اثرات عمده وینیل استات بر روی خواص قیر اصلاح شده ساختار نشان داده شده در شکل 5.11 را در نظر می گیریم. شکل نشان می دهد که تکه های پلی اتیلن ویژه از زنجیر چگونه نزدیک یکدیگر به صورت یک پک قرار می گیرند که این ناحیه به عنوان قیمت کریستالی شناخته می شود. به علاوه این شکل نشان می دهد که توده های وینیل استات چطور پک های نزدیک به هم را به منظور ایجاد نواحی آمورف قطع می کند. قسمت کریستالی نسبتاً سخت است و تأثیر تقویت کننده دارد و قسمت آمورف خاصیت لاستیکی دارد. درنتیجه واضح است که با افزایش مقدار وینیل استات نسبت ناحیه لاستیکی افزایش می یابد و با کاهش مقدار وینیل استات نسبت ناحیه کریستالی افزایش می یابد.

رنج وسیعی از کوپلیمرهای پلی وینیل استات موجود است که بر اساس MFI و مقدار وینیل استات مشخص شده اند. اتیلن وینیل استات به خوبی در قیر پخش شده و سازگاری خوبی با آن دارد و در دمای میکس آسفالت پایداری بالایی دارد. به هر حال در هنگام ذخیره سازی به صورت ساکن مقداری جدایش فاز ممکن است روی بدهد و به همین دلیل است که باید قیرهای اصلاح شده را قبل از استفاده مخلوط کرد.

صادرات قیر ایران، شرکت فیدار اصفهان صادرات قیر 60/70 و 40/50 و …

اصلاح خواص قیر بوسیله الاستومرهای ترموپلاستیک

پلی اورتان، کوپلیمرهای پلی اتر-پلی استر، کوپلیمرهای الفینی  و کوپلیمرهای بلوک استایرنی چهار گروه عمده از الاستومرهای ترموپلاستیک هستند که ثابت شده بیشترین پتانسیل را برای اختلاط با قیر دارند. کوپلیمرهای بلوک استایرنی به لاستیک ترموپلاستیک یا الاستومرهای ترموپلاستیک معروف است که ممکن است بوسیله عملیات متوالی پلیمریزاسیون پیوسته استیرن-بوتادی ان- استیرن (SBS ) یا استیرن-ایزوپرن-استیرن (SIS) تولید شود. در روشی دیگر یک پیش ماده دو بلوکی را می توان به وسیله پلیمریزاسیون متوالی استیرن و مونومر بلوک میانی به همراه واکنش با عامل اتصال دهنده تولید نمود. بنابراین علاوه بر کوپلیمرهای خطی، کوپلیمرهای چند بازویی تولید می شود. که به عنوان کوپلیمر چند شاخه ای یا شعاعی شناخته می شود (شکل 5-2).

الاستومرهای ترموپلاستیک قدرت و الاستیسیته (خاصیت ارتجاعی) خود را از پیوند عرضی مولکول ها به یک شبکه سه بعدی به دست می آورند. این نتیجه به وسیله تجمع بلوک انتهایی پلی استیرن به میزبان های جداگانه به دست می آید. همان طور که  شکل 5-3 نشان می دهد اتصالات عرضی فیزیکی برای ماتریکس یک پلی بوتادی ان یا پلی ایزوپرن لاستیکی ایجاد می شود. بلوک های انتهایی پلی استایرن به پلیمر قدرت می دهد و بلوک میانی به مواد یک کشش استثنائی می دهد. در دمای بالاتر از دمای انتقال شیشه ای پلی استایرن  (100 درجه سانتی گراد)، پلی استایرن نرم می شود و پذیرنده ها ضعیف می شوند و حتی تحت فشار از هم تفکیک خواهند شد و فرآیند پذیری را آسان خواهد کرد. بعد از سرد شدن پذیرنده ها مجدداً به هم می پیوندد و قدرت و قابلیت ارتجاعی مجدداً احیا می شود این یعنی مواد گرمانرم یا ترموپلاستیک هستند.  

کیفیت پخش پلیمر در قیر به عوامل زیر بستگی دارد:

• ساختار قیر

• نوع و غلظت پلیمر

• نرخ برش ایجادشده به وسیله همزن

وقتی پلیمر به قیر داغ اضافه می شود، قیر شروع به نفوذ در ذرات پلیمر می کند زیرا پذیرنده های استیرن شروع به حل شدن و متورم شدن می کنند. وقتی این اتفاق می افتد، اگر بخواهیم در یک زمان معقول پخش پلیمر اتفاق بیافتد مقدار برش اعمال شده به ذرات متورم شده مهم است. بنابراین برش متوسط و ترجیحاً برش بالا برای همزن لازم است تا الاستومرهای ترموپلاستیک به شکل راضی کننده در قیر پخش بشوند.

شکل 5-2

شکل 5-3

فروش قیر 60/70، صادرات قیر، قیمت قیر

تأثیر اصلاح کننده های قیر بر آسفالت

قیر مسئول ایجاد خواص ویسکو-الاستیک در آسفالت است و نقش بزرگی در تعیین کارایی آسفالت مخصوصاً مقاومت در برابر تغییر شکل و ترک دائمی بازی می کند. به طور کلی نسبت کشش های واردشده به آسفالت که مربوط به ویسکوزیته جریان است مانند غیرقابل بازگشت بودن (non-recoverable)، با افزایش دما و زمان بارگذاری (loading time) افزایش می یابد. این تأثیر در شکل زیر قسمت های a و b نشان داده شده است. شکل a پاسخ یک نمونه آسفالت به یک آزمایش کشش ساده را نشان می دهد. کشش ناشی از بکار بردن بار، یک پاسخ الاستیک سریع و به دنبال آن یک افزایش جزئی در کشش با زمان را نشان می دهد تا هنگامی که بار برداشته بشود. تغییر کشش بازمان به دلیل رفتار ویسکوز مواد است. با برداشتن بار، کشش الاستیک بلافاصله بازیافت می شود و مقداری بازیافت اضافی بازمان اتفاق می افتد. این پدیده به نام الاستیسیته تأخیری (Delayed elasticity) شناخته می شود. نهایتاً یک کشش اضافی باقی می ماند که غیر قابل بازیافت است و این مستقیماً به دلیل رفتار ویسکوز است.

پاسخ یک نمونه آسفالت به پالس ناشی از حرکت بار ترافیک در شکل b نشان داده شده است. در اینجا تمایز بین دو جزء پاسخ الاستیک ممکن نیست اما یک کشش کوچک دائمی و کشش بزرگ الاستیک نشان داده شده است. همچنین کشش دائمی نشان داده شده در شکل b برای یک پالس بار منفرد و کوچک است در حالی که میلیون ها بار بر روی جاده اعمال می شود و یک تجمع عظیم اتفاق خواهد افتاد. این جزئی است که باعث تغییر شکل می شود. با توجه به آنچه گفته شد واضح است که چرا تغییر شکل در دمای بالای محیط و وقتی ترافیک کند است یا ساکن است بیشتر اتفاق می افتد.

یکی از اولین نقش های اصلاح کننده های قیر افزایش مقاومت آسفالت به تغییر شکل دائمی در دمای بالای جاده است بدون اینکه تأثیر منفی بر خواص قیر و آسفالت در سایر دماها داشته باشد. این امر به دو روش قابل دستیابی است که هر دو روش باعث کاهش در کشش دائمی می شوند. روش اول سخت کردن قیر است به طوری که پاسخ کلی ویسکوالاستیک آسفالت کاهش یابد. روش دوم افزایش جزء الاستیک قیر است که باعث کاهش جزء ویسکوز می شود.

افزایش سختی قیر مانند افزایش سختی دینامیک آسفالت است. این امر باعث بهبود پخش بار مواد، افزایش مقاومت ساختار و افزایش طول عمر موردنظر آسفالت می شود. همچنین با بکاربردن لایه های نازک تر می توان به مقاومت ساختار مشابهی دست یافت. افزایش جزء الاستیک قیر باعث افزایش انعطاف پذیری آسفالت می شود. افزایش انعطاف پذیری در مواردی که کشش قابل انبساط (کرنش) زیاد است مطلوب می باشد.

قیمت قیر