آزمایشات قیر، آزمایش افت وزنی قیر، آزمایش مارشال آسفالت، مجموعه آزمایشات قیر و آسفالت، گزارش کار آزمایشگاه قیر و آسفالت

آزمون (تست) های  استاندارد تعیین خواص قیرها

قیر یک ماده پیچیده است و نسبت به تنش یک واکنش پیچیده نشان می دهد. پاسخ قیر به یک تنش، به دما و مدت زمانی که این تنش وارد می شود بستگی دارد؛ بنابراین، طبیعت هر آزمون قیر و آنچه به خواص قیر اشاره دارد باید متناسب با طبیعت مواد تفسیر شود.

طیف وسیعی از آزمون ها شامل آزمون های تعیین خواص تا آزمون های بسیار بنیادی رئولوژیک و آزمون های مکانیکی روی قیرها انجام شده است. در این فصل به دسته بندی آزمون های قیر و معرفی خواص مهم قیرها می پردازیم.

1. آزمون های  استاندارد خواص قیرها

از آنجایی که طیف گسترده ای از قیرها تولید می شود، داشتن آزمون هایی برای مشخص کردن گریدهای مختلف ضروری است. آزمون های نفوذ و نقطه نرمی دو آزمونی هستند که در انگلستان برای مشخص کردن گریدهای مختلف قیر استفاده می شود. اگرچه این دو آزمون های تجربی دلخواه هستند، با استفاده از نتایج آن ها ممکن است خواص مهندسی مهمی مانند ویسکوزیته دمای بالا و سختی در دمای پایین را تخمین زد. استفاده از آزمون نفوذ برای مشخص کردن انسجام قیر به اواخر قرن نوزدهم باز می گردد.

همانطور که آزمون های نفوذ و نقطه نرمی تجربی هستند، ضروری است که همیشه در شرایط یکسانی انجام شوند. موسسه نفت (IP)، انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM) و موسسه استاندارد انگلیس (BS) برای قیر آزمون های استانداردی تعریف کرده اند. در بسیاری از موارد روش ها یکسان است و بنابراین به صورت مشترک منتشر شده اند. به هرحال برخی روش ها مانند روش نقطه نرمی در IP و ASTM در جزئیات باهم تفاوت دارند و به همین دلیل برای مربوط کردن نتایج این دو روش از فاکتور تصحیح استفاده می کنند.

اکثر روش ها محدودیت هایی برای ارزیابی قابل قبول بودن نتایج آزمون ها بیان می کنند. محدودیت تنوع نتایج به دست آمده بوسیله یک کاربر (Repeatability) و بوسیله کاربران مختلف در آزمایشگاه های مختلف (Reproducibility) مشخص شده است؛ بنابراین، تلرانس (Tolerance) اجازه تفاوت بین کاربرها و تجهیزات در آزمایشگاه های مختلف را داده است.

دانلود کاتالوگ قیر (مشخصات بشکه قیر و قیرهای نفوذی)

چسبندگی امولسیون های قیر

در کاربردهایی که از قیر به عنوان عامل چسبنده بین دو جامد استفاده می شود بسیار مهم است که قیر بتواند سطح را آغشته کند تا سطح تماس حداکثر بشود. برای سطوح خشک کشش سطحی بحرانی آغشته شدن توده دانه ها باید به اندازه کافی بالا باشد تا بتوان مطمئن شد قیر به راحتی روی سطح پخش می شود. به طور کلی چسبندگی حاصل، انسجام قیر را افزایش می دهد. به هرحال، وقتی سطح یک دانه بوسیله آب پوشانده شود، آغشته شدن دانه یک پدیده سه فازی خواهد بود که فقط اگر تعادل انرژی سطحی به نفع آغشتگی بوسیله قیر باشد می تواند واقع شود. امولسیفایرهای کاتیونی به خصوص در کاهش انرژی سطحی دانه های قطبی کارآمد هستند و یک حالت پایداری ترمودینامیکی با کمترین انرژی سطحی را ایجاد می کنند که حاصل جذب شدن امولسیفایر به سطح دانه های معدنی است.

همچنین بیشتر امولسیفایرهای کاتیونی عوامل ضد سلب (anti-stripping agents) هستند، درنتیجه اتصال اولیه تضمین شده است. به هرحال کیفیت پیوند بین قیر و توده دانه های معدنی به چندین عامل به شرح زیر بستگی دارد:

• نوع و مقدار امولسیفایر

• درجه و ساختار قیر

• مقدار PH محلول امولسیفایر

• پخش اندازه ذرات در امولسیون

• نوع دانه

مراحل تولید نفت، قیر شرکتی، نقطه اشتعال، تعریف امولسیون، کاربرد قیر، فروش قیر، راپچر دیسک، تعریف نفوذ، ایزوگام اصفهان، وزن مخصوص

تولید قیر امولسیونی

بیشتر قیرهای امولسیونی بوسیله آسیاب کلوئیدی پیوسته (colloid mill) تولید می شود. این دستگاه شامل یک روتور (چرخانه) سرعت بالا است که با سرعت 1000 تا 6000 دور بر دقیقه در یک سیم پیچ می چرخد. فضای بین روتور و سیم پیچ معمولاً 0.25 تا 0.50 میلی متر و قابل تنظیم است.

قیر داغ و محلول های امولسی فایر به طور جداگانه اما همزمان به داخل آسیاب کلوئیدی پیوسته وارد می شوند. دمای این دو ترکیب برای کنترل فرآیند مهم است. ویسکوزیته قیر ورودی به آسیاب کلوئیدی نباید بیشتر از 0.2 پاسکال یا 2 پواز باشد. معمولاً از قیر پن گرید برای ساخت امولسیون قیر استفاده می شود و برای رسیدن به ویسکوزیته ذکر شده دما را در رنج 100 تا 140 درجه سانتی گراد تنظیم می کنند. برای جلوگیری از جوشیدن آب، دمای آب را طوری انتخاب می کنند که دمای مخلوط نهایی کمتر از 90 درجه سانتی گراد بشود. وقتی قیر و محلول های امولسی فایر وارد آسیاب کلوئیدی می شوند تحت تأثیر نیروی برشی شدیدی قرار می گیرند که باعث می شود قیر به ذرات کوچکی تبدیل بشود. این ذرات بوسیله امولسی فایر پوشانده می شود و سطح قطرات را یک بار الکتریکی فرا می گیرد. نیروی الکترواستاتیک بوجود آمده مانع از تجمع دوباره ذرات می شود.

وقتی قیر استفاده شده از نوع پن گرید و نرم نباشد فرآیند بسیار سخت تر است. دمای بالاتری برای پمپ کردن و پخش شدن قیر در آسیاب لازم است و برای پخش شدن قیر آسیاب باید از نیروی بیشتری استفاده کند و درنتیجه باعث افزایش دمای محصول می شود. برای استفاده از قیرهای با ویسکوزیته بالا به همراه امولسی فایرهای معمولی از آسیاب های تحت فشار استفاده می شود و باعث افزایش خروجی با قیرهای معمولی می گردد. امولسیون های با دمای بیشتر از 130 درجه سانتی گراد تحت فشار تولید می شوند و امولسیون تولید شده باید قبل از ذخیره سازی در تانک های معمولی تا کمتر از 100 درجه سانتی گراد سرد شود.

بجای آسیاب کلوئیدی می توان از مخلوط کن استاتیک (static mixer) استفاده کرد. این مخلوط کن فاقد قطعات محرک است. تنش بالای موردنیاز برای تولید امولسیون بوسیله پمپ کردن مواد ورودی با سرعت بالا بر روی تیغه های طراحی شده برای ایجاد جریان بسیار ناآرام بوجود می آید. نداشتن قطعه متحرک و اورنگ های شافت (shaft seals) از مزایای بارز این نوع بلندر است و از مزایای دیگر این مخلوط کن استاتیک کنترل سایز ذرات قیر و درنتیجه کنترل خواص امولسیون است.

از یک فرآیند بچ می توان برای تولید حجم کم از امولسیون استفاده کرد. نوع مخلوط کن استفاده شده بر اساس خواص نهایی محصول انتخاب می شود. می توان از پروانه سرعت بالا برای امولسیون جاده ای با ویسکوزیته بالا و یا از یک میکسر آهسته با تیغه Z برای امولسیون های خمیر مانند صنعتی استفاده کرد.

شماتیک تجهیزات تولید امولسیون قیر به شکل پیوسته و بچ در شکل زیر نشان داده شده است.

قیرهای مولتی گرید

بایندر جاده ایده آل باید سختی و رفتار خزشی واحدی در تمام محدوده دماهای سرویس دهی داشته باشد. قیرهای مولتی گرید به همین منظور ایجادشده و نسبت به قیرهای نفوذی حساسیت کمتری نسبت به دما دارند.

در اواسط سال های 1980 کمپانی شل یک رنج از قیرهای مولتی گرید به نام مولتی فالت (Multiphalte) را معرفی کرد که بوسیله فرآیند پالایش ویژه ای تولید می شوند. قیرهای مولتی فالت حساسیت دمایی کمتری دارند و این باعث بهبود کارایی قیر در دماهای بالا و نشان دادن خواص بهتر در دماهای پایین نسبت به گرید های سخت می شود و به همین دلیل استفاده از مولتی فالت ها در روکش جاده ها مناسب است.

شکل 5.13 مفهوم قیر مولتی فالت را نشان می دهد. این شکل ماژول های (modulus) کامل چهار نوع قیر در دمای 10 درجه سانتی گراد را نشان می دهد. در فرکانس های بالا یا رنج دمای پایین سختی مولتی فالت کمتر از قیرهای نفوذی از درجه مشابه است و در ناحیه فرکانس های پایین یا دمای بالا مولتی فالت ماژول بیشتری از قیرهای نفوذی دارد. این نتایج به روشنی نشان می دهد که قیرهای مولتی فالت تا زمانی که رفتار خود در دمای پایین را حفظ کنند دارای مقاومت rutting بهتری نسبت به قیرهای نفوذی هستند.

کمپانی شل در سال 1990 مولتی فالت (HM High Modulus) را در فرانسه اجرا کرد. این مولتی گرید 20/30 نسبت به قیرهای نفوذی سخت در دماهای پایین کارایی بهتری دارد بنابراین خطر ایجاد ترک ناشی از خستگی دمایی را کاهش می دهد. همچنین MH خواص anti-rutting و ویژگی های ساختاری عالی دارد.

مطالعات آزمایشگاهی زیادی بر روی قیرها و آسفالت های مولتی گرید به منظور پیش بینی کارایی آن ها در جاده و مقاومت rutting آن ها و شکستی در دمای پایین انجام شده است. بیشتر آزمایشات بررسی مقاومت تغییر شکل قیرهای مولتی گرید توسط آزمون wheel-track در ( French Laboratoires Central des Ponts et Chaussees) به اختصار (LCPC ) انجام شده است. این آزمون به طور پیوسته عمق شیار به وجود آمده توسط چرخ در دمای 60 درجه سانتی گراد را اندازه گیری می کند. شکل 5/14 تغییر شکل مولتی فالت 35/50، مولتی فالت HM و قیر نفوذی 35/50 را در این آزمون نشان می دهد. این تغییر شکل بعد از 30000 دور برای بایندر های مولتی فالت بیش از نصف است.

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