تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر ۳۵/۵۰ و قیر اصلاح‌شده ۱۳/۴۰-بخش سوم

نتایج و مباحث

 تست نفوذپذیری

به‌خوبی مشخص‌شده است که “سختی” قیر در فشارهای پایین می‌تواند با شاخص نفوذ و نقطه نرمی قیر که رفتار آن در نمو گراف Van der Poel خلاصه‌شده، در ارتباط باشد.

پس از کارهای Van der Poel، بسیاری از دانشمندان در جهت توصیف قیر به‌عنوان یک ماده با خاصیت ویسکوالاستیک خطی، با استفاده از مدل رئولوژیکی تلاش کردند. این مدل نیازمند منحنی اصلی ساخت برای مدول ترکیب دینامیک و زاویه فازی است. زاویه فازی عبارت است از اختلاف‌فاز بین تنش و کرنش در یک تغییر شکل نوسانی و معیاری از ویژگی‌های ویسکوالاستیک مواد است. اگر زاویه فازی معادل 90 درجه باشد، درنتیجه بایندر را می‌توان یک بایندر صرفاً ویسکوز در نظر گرفت و بالعکس زاویه فازی 0 درجه نشان‌دهنده یک جامد الاستیک ایدئال است.

توانایی بایندر قیری در ذخیره انرژی تغییر شکل در دمای بالا و از دست دادن انرژی تغییر شکل از تغییر جریان در دماهای پایین به ترتیب قابلیت ارتجاعی و انعطاف‌پذیری نامیده می‌شود. در ساخت این منحنی‌های رسمی، اصل انطباق دما زمان (TTSP) و یا روش کاهش متغیرها به کار گرفته‌شده است. TTSP توسط Lesueur این‌گونه توصیف‌شده که اثر افزایش زمان بارگذاری (یا کاهش فرکانس) بر روی خصوصیات مکانیکی یک ماده معادل افزایش درجه حرارت است. این نشان می‌دهد که تابع آرامش با یک تغییر درجه حرارت و یا رفتار مواد، فقط به سمت بالا و پایین منتقل می‌شود که به آن رئولوژیک حرارتی ساده می‌گویند.

به‌هرحال، این روش‌ها فقط برای فشارهای به‌طور نسبی کوچک (بالای 0/1) و تنش‌ها در رفتارها با محدوده ویسکوالاستیک خطی کاربرد دارد. درحالی‌که فیلم نازک بایندر قیری بین ذرات و دانه‌ها در معرض تنش‌ها و کرنش‌های بزرگ قرار دارند. هم چنین در آزمون مکانیکی دینامیک (آزمون‌های رئولوژیکی)، حساسیت دمایی بایندر ممکن است به‌وسیله اندازه‌گیری پارامترهای مختلف ویسکوز و الاستیک (مانند مدول ذخیره‌سازی و اتلاف) ویسکوزیته (دینامیک و ترکیب) در درجه حرارت‌ها و فرکانس‌های مختلف ارزیابی شود.

ما در پژوهش خود، از روش به‌خوبی شناخته‌شده تست نفوذپذیری (تست مکانیکی استاتیک) با اضافه کردن بارهای متغیر به‌منظور گسترش دامنه تنش و کرنش استفاده کردیم. این روش می‌تواند اطلاعات تکمیلی بهتری را نسبت به روش رئولوژیکی ارائه دهد.

در مطالعه اخیر، ما قیر را به‌عنوان یک ماده ویسکوالاستیک ناهمگون در نظر گرفتیم که در معرض بارهای مختلف (100، 150، 200، 250، 300 و 350 گرم) و درجه حرارت‌های مختلف (5، 10، 15، 20، 25، 30، 35 و 40 درجه سانتی گراد) قرارگرفته است. تمرکز اصلی بر جستجوی قابلیت‌ها از طریق استفاده از آزمون نفوذپذیری، تعیین حساسیت دمایی A که به‌صورت تغییر در پارامتر ثبات به‌عنوان تابعی از درجه حرارت در مقابل تغییرات بار تعریف می‌شود، است. این روش به ما اجازه می‌دهد که ارزیابی مناسبی از حساسیت دمایی داشته باشیم، زیرا این روش رفتار مکانیکی استاتیک را برای تغییرات بارگذاری و درجه حرارت‌های مختلف (کم‌تر از درجه حرارت نقطه نرمی) به کار می‌گیرد.

شکل شماره 2 پاسخ نفوذ قیر دست‌نخورده 35/50 و قیر اصلاح‌شده 13/40 را در مقابل بار اعمالی و درجه حرارت برای مدت‌زمان نفوذ 5 ثانیه نشان می‌دهد. طرح Log به ما اجازه می‌دهد که توابع اتصالی مناسبی را برای نشان دادن پاسخ قیر به‌عنوان تابعی از درجه حرارت، به‌کارگیریم.

 فرمول 1      

که در آن P، عمق نفوذ همراه با بار اعمالی، A حساسیت دمایی و C یک مقدار ثابت است. در پژوهش ما، انتظار می‌رود که هر دو پارامتر اتصالی (A و C) وابسته به بار اعمالی باشند؛ بنابراین این دو را می‌توان به‌عنوان تابعی از بار اعمالی بیان کرد.

به نظر می‌رسد که پارامتر اتصالات به‌سادگی در ارتباط با بار اعمالی با استفاده از تابع خطی ساده باشد که این موضوع در شکل شماره 3 نشان داده‌شده است. این برای قیر 35/50 مؤثرتر است درحالی‌که برای قیر 13/40 به نظر نمی‌رسد که تقریب خطی در بارگذاری‌های کوچک همان‌طور که در شکل شماره 3 نشان داده‌شده مناسب باشد. حساسیت دمایی A با درجه حرارت رابطه معکوس داشته درحالی‌که C با افزایش درجه حرارت افزایش می‌یابد.

شکل 2    نمودار نفوذپذیری در مقابل بار اعمالی و درجه حرارت برای مدت‌زمان نفوذ 5 ثانیه. (a) قیر دست‌نخورده 35/50 و (b) قیر اصلاح‌شده 13/40

شکل 3    پارامتر اتصالات که رابطه بین نفوذپذیری، درجه حرارت و بار اعمالی را برای مواد مطالعه شده توصیف می‌کند

بکار گیری پارامتر اتصالات برای هردو ماده موردمطالعه، تابع دقیق زیر را برای قیر 35/50 :

فرمول 2        

و تابع زیر را برای قیر اصلاح‌شده 13/40 ارائه می‌کند:

فرمول 3       

که در آن F بار اعمالی است.

کم‌ترین حساسیت دمایی A در بیش‌ترین وزن بار به همراه تغییرات اندک حساسیت دمایی به ترتیب برای قیر دست‌نخورده 35/50 و قیر اصلاح‌شده 13/40 از 0/0460 (برای 100 گرم) تا 0/0406 (برای 350 گرم) و از 0/0409(برای 100 گرم) تا 0/0332 (برای 350 گرم) بار اعمالی مشاهده‌شده است. هم‌چنین اشاره‌شده که حساسیت دمایی A برای قیر اصلاح‌شده 13/40 دربار 100 گرم، اغلب معادل مقدار A برای قیر دست‌نخورده  35/50 در 350 گرم بار اعمالی است. کاهش مقدار حساسیت دمایی در قیر اصلاح‌شده 13/40 در مقایسه با قیر دست‌نخورده 35/50 می‌تواند ناشی از اصلاحات پلیمری باشد. نتایج مشابهی نیز توسط Sengoz و همکاران ارائه‌شده است که کاهش در حساسیت دمایی را به مقاومت پلیمر اصلاح‌کننده مخلوط آسفالت EBA (اتیلن بوتیل اکریلات) در برابر ترک‌خوردگی در مقایسه با مخلوط SEBS (استایرن-اتیلن بوتیلن-استایرن) و EVA (اتیلن ونیل استات) با تغییرات حرارتی نسبت داده‌شده است. AL- Hadidy و Tan با استفاده از نشاسته (ST) و SBS (استایرن-بوتادین-استایرن) به‌عنوان افزودنی در (SMA) مخلوط آسفالت ماتریکس سنگی (5 درصد وزنی ST و SBS را با قیر 70/100 ترکیب کردند) و نشان دادند که حساسیت دمایی با افزودن ST و SBS به مخلوط آسفالت کاهش می‌یابد.

در اغلب تست‌های استاندارد در 100 گرم بارگذاری و مدت‌زمان 5 ثانیه، مقدار A بین 0/015 و 0/06 متغیر است که تنوع قابل‌توجهی در حساسیت دمایی قیر از منابع مختلف را نشان می‌دهد.

شاخص نفوذ P_i با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

 فرمول 4               

جدول شماره 3 خلاصه‌ای از شاخص نفوذ P_i را به‌عنوان تابعی از بار اعمالی برای قیر دست نخورده 35/50 و قیر اصلاح‌شده 13/40 ارائه می‌کند.

جدول 3    شاخص نفوذ P_i به‌عنوان تابعی از بار اعمالی برای قیر 35/50 و قیر اصلاح‌شده 13/40

ما مشاهده کردیم که محدوده P_i برای قیر دست‌نخورده 35/50 و قیر اصلاح‌شده 13/40 به ترتیب بین (1/0- و 0/1-) و (1/0- و 1/3) است. برای قیر دست‌نخورده 35/50 بیش‌ترین مقدارشاخص نفوذ  (0/1-) مربوط به بیش‌ترین بار اعمالی (350 گرم) بود درحالی‌که کم‌ترین مقدارشاخص نفوذ  (0/907-)برای بار اعمالی 100 گرم به دست آمد. برای قیر اصلاح‌شده 13/40، بیش‌ترین مقدار شاخص نفوذ (1/272) مربوط به بیش‌ترین بار اعمالی (350 گرم) و کم‌ترین مقدار شاخص نفوذ (0/144-) برای کم‌ترین مقدار بار اعمالی (100 گرم) به دست آمد. به‌طورکلی، برای بار اعمالی به مقدار 100 گرم، P_i یک شاخص تبعیض‌آمیز برای طبقه‌بندی رفتار رئولوژیکی قیر است. به‌طور مثال، مقدار P_i قیر دمیده بزرگ‌تر از 1+ و مقدار P_i قیرStright-run،بین مثبت 1 و منفی 1است. فقط مواد بسیار حساس مانند قیر زغالی، P_i کم‌تر از 1- دارند. مقدار P_i بزرگ‌تر از 2+ نشان‌دهنده قیر ژله‌ای است درحالی‌که P_i کم‌تر از 0 معمولاً از نوع Sol است.

حدادی و همکاران شاخص نفوذ قیر اصلاح‌شده کو پلیمری را برای درجه حرارت‌های مختلف و بار اعمالی 100 گرم اندازه‌گیری کرده و نتایج را با قیر اصلاح‌شده 80/100 مقایسه کرده است. آن‌ها شاخص نفوذ 0/625- را برای قیر اصلاح‌نشده گزارش کردند. در مطالعه آن‌ها، افزودن کوپلیمر (اتیلن ونیل استات) منجر به افزایش هردو شاخص نفوذپذیری و سختی قیر شده است که به‌تبع آن باعث بهبود حساسیت دمایی بایندر می‌شود.

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

تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر ۳۵/۵۰ و قیر اصلاح‌شده ۱۳/۴۰-بخش چهارم

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

تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر ۳۵/۵۰ و قیر اصلاح‌شده ۱۳/۴۰

مواد و روش آزمون در ارزیابی عملکرد قیر اصلاح شده با نانو سیلیکا و ساسوبیت

مواد

1-   نانو سیلیکا

نانو سیلیکا با مشخصات ارائه‌شده در جدول شماره 1 و 2 برای این مطالعه مورداستفاده قرارگرفته است. همان‌طور که در جدول شماره 2 مشاهده می‌کنید، مساحت سطح نانو سیلیکا برای تأثیرگذاری بر خواص بایندر بسیار بزرگ و مطلوب است.

جدول 1   آنالیز نانو سیلیکا

جدول 2   خواص نانو ذرات اکسید سیلیکون

2-   قیر و Sasobit

رایج‌ترین قیر موجود با گرید 60/70 تولیدشده در پالایشگاه‌های ایران به‌عنوان قیر پایه در این مطالعه مورداستفاده قرار گرفت. مشخصات و ویژگی‌های قیر پایه در جدول شماره 3 ارائه‌شده است.

ساسوبیت یک موم مصنوعی است که از هیدروکربن‌ها با زنجیره بلند تشکیل‌شده است. این ماده توسط پلیمریزاسیون طی فرآیند Fisher-Tropsch به دست می‌آید. ساسوبیت مورداستفاده در این پژوهش از شرکت Sasol wax آفریقای جنوبی تهیه‌شده است.

جدول 3   ویژگی‌های قیر استفاده‌شده در این پژوهش

روش آزمون

در این پژوهش، از روش ذوب داغ برای اختلاط قیر پایه با اصلاح‌کننده‌ها، ساسوبیت و نانو سیلیکا استفاده‌شده است. در روش ذوب داغ، اصلاح‌کننده‌های قیر که شامل ساسوبیت و نانو سیلیکا هستند به ترتیب در درجه حرارت معادل 160 درجه سانتی گراد و 180 درجه سانتی گراد به قیر دست‌نخورده اضافه می‌شوند. میزان ساسوبیت مورداستفاده برای تمام نمونه‌ها به مقدار 2 درصد وزنی بود، درحالی‌که مقدار نانو سیلیکا استفاده‌شده از 2 تا 6 درصد وزنی (از مقدار کل وزن بایندر) متفاوت بود. از دستگاه همگن‌ساز Silverson با نرخ برشی 3000 دور در دقیقه و زمان اختلاط حدود 30 دقیقه برای آماده‌سازی قیر اصلاح‌شده استفاده گردید. خصوصیات فیزیکی بایندر اصلاح‌شده در جدول شماره 4 ارائه‌شده است.

جدول 4   خصوصیات فیزیکی قیر اصلاح‌شده

در جدول شماره 5، مدل ترکیب استاندارد مخلوط آسفالت گرم استفاده‌شده برای آماده‌سازی آسفالت ارائه‌شده است.

ویژگی‌های ذرات و دانه‌های بکار رفته نیز در جدول شماره 6 به تصویر کشیده شده است. از ذرات گرم شده با دمای 135 درجه سانتی گراد برای تولید آسفالت حاوی نانو سیلیکا اصلاح‌کننده قیر استفاده‌شده است.

جدول 5   مدل اختلاط مخلوط آسفالت (عبور کرده از غربال برحسب درصد)

جدول 6   خواص ذرات و دانه های بکار رفته

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

نتایج و مباحث ارزیابی عملکرد قیر اصلاح شده با نانو سیلیکا و ساسوبیت-بخش اول

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

ارزیابی عملکرد قیر اصلاح‌شده با نانو سیلیکا

بهینه‌سازی حساسیت دمایی قیر اصلاح‌شده توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش TAGUCHI-بخش دوم

مقدمه

به‌طور رضایت بخشی میل به استفاده از مواد قیری در آسفالت بزرگراه‌ها و باند فرودگاه‌ها وجود دارد. به‌هرحال در سال‌های اخیر، افزایش سطح ترافیک، ساخت و حضور کشنده‌های بزرگ‌تر و سنگین‌تر باعث افزایش فشار تایرها بر روی آسفالت شده است. به این دلایل نیاز به بهبود خواص مواد قیری موجود، احساس شده است. اصلاح‌کننده‌های قیر راه‌حلی برای غلبه بر کمبودهای ذاتی قیر و درنتیجه بهبود عملکرد مخلوط قیر ارائه می‌کنند (Brule و همکاران 1988، Brown و همکاران 1990،Isacsson & Lu 1995).

بهترین و شناخته‌شده‌ترین شکل اصلاح‌کننده‌ها، پلیمرهای اصلاح‌کننده است که به‌طور سنتی برای بهبود حساسیت دمایی قیر با عملکرد افزایش سفتی قیر در دمای سرویس بالا و کاهش سفتی آن در دمای سرویس پایین استفاده می‌شود (Brule و همکاران 1991، Collins و همکاران 1991،  King و همکاران 1993)

تایرها یکی از پلیمرهای مورداستفاده در مخلوط آسفالت گرم (HMA) است. مقدار زیادی از تایرهای لاستیکی مستعمل در HMA مورداستفاده قرار می‌گیرد. در سال‌های اخیر، استفاده از تایرهای لاستیکی ضایعاتی در مخلوط‌های قیری به دلیل دسترسی زیاد به تایرهای لاستیکی استفاده‌شده و رهایی از مشکلات زیست‌محیطی حاصل از آن‌ها، افزایش‌یافته است. علاوه بر این کاربری‌ها، مطالعات زیادی بر روی مخـلوط‌های قیــری اصـلاح‌شـده با تایرهــای لاسـتیـکـی انجــام‌گرفـته اســت (Soon-Jae و هــمـکاران 2008، Cheuk & Wing 2007، Celik & Atis 2007).

به‌طورکلی دو فرآیند به نام‌های فرآیند خشک و فرآیند مرطوب در اصلاح قیر به‌وسیله خرده تایرهای لاستیکی وجود دارد. درروش خشک، خرده تایرها با مخلوط قیری به‌عنوان جایگزین برخی از ذرات و دانه‌های معدنی در مخلوط ترکیب‌شده و درروش مرطوب، خرده تایرها جهت اصلاح خواص فیزیکی و شیمیایی قیر اضافه می‌شوند. هنگامی‌که خرده تایرهای لاستیکی با استفاده از روش مرطوب به قیر اضافه می‌شود، حساسیت دمایی قیر بهبود می‌یابد. درروش مرطوب، مقدار تایرهای لاستیکی، دمای اختلاط، زمان و سرعت اختلاط از عوامل مؤثر در تعیین حساسیت دمایی بایندر حاصله هستند (Freddy و همکاران 1991، Pfeiffer 1950).

Pfeiffer و Van Doormaal در سال 1936 میلادی بیان کردند که حساسیت دمایی توسط شاخص نفوذ PI تعیین می‌شود. PI توسط نقطه نرمی (آزمون گلوله و حلقه) و نفوذپذیری در 77 درجه فارنهایت و با فرض اینکه نفوذپذیری قیر در این نقطه نرمی 800 باشد، تبیین می‌گردد. مقادیر PI محدوده‌ای از حدود 3- برای قیرها با حساسیت دمایی بالا و تا حدود 7+ برای قیرهای دمیده با حساسیت دمایی پایین دارد. فواید استفاده از تایرهای لاستیکی مستعمل در قیر شامل کاهش تعداد تایرهای ضایعاتی، افزایش انعطاف‌پذیری آسفالت هنگام قرارگیری تحت بارهای سنگین که منجر به کاهش مشکل ترک‌خوردگی و بهبود دوام آسفالت می‌شود و افزایش مقاومت آسفالت در برابر شکست حرارتی در آب‌وهوای سرد و شیار شدگی در آب‌وهوای گرم است.

هضم ذرات تایر در قیر مذاب بر عملکرد مخلوط قیر مؤثر است. دمای اختلاط، زمان اختلاط و مقدار تایر لاستیکی، تأثیر فراوانی بر خواص هضم تایر در قیر مذاب دارد. هدف از مطالعه اخیر یافتن شرایط بهینه برای به دست آوردن حساسیت دمایی بیشینه در قیر اصلاح‌شده با تایر لاستیکی است. مطالعات آزمایشگاهی طوری طراحی‌شده بود که شرایط کاری مطلوب که از عوامل مؤثر بر حساسیت دمایی است، با استفاده از روش تاگوچی به دست آید. یکی از فواید روش تاگوچی نسبت به روش‌های معمول طراحی آزمایش، علاوه بر نگه‌داشتن هزینه‌های آزمایش در سطح پایین، کاهش تنوع در اطراف هدف می‌باشد. از دیگر فواید آن این است که شرایط کاری بهینه تبیین شده در کار آزمایشگاهی را می‌توان اغلب در محیط تولید واقعی اعمال کرد (Bilen و همکاران 2001).

برای مطالعه ادامه مطالب این فصل برروی لینک زیر کلیک کنید:

مواد و روش های مورد استفاده در بهینه‌سازی حساسیت دمایی قیر اصلاح‌شده توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش TAGUCHI