عملکرد روسازی ساخته‌شده با مخلوط آسفالت-لاستیک

خرده لاستیک‌های به‌دست‌آمده از تایرهای فرسوده به‌طور گسترده‌ای در اصلاح قیر (به روش مرطوب) و یا به‌عنوان جایگزین بخشی از اجزاء معدنی (دانه‌ها) در مخلوط آسفالت (در روش خشک) به‌صورت زیر مورداستفاده قرار می‌گیرد:

• مخلوط آسفالت-لاستیک برای ساخت لایه‌های روسازی جاده‌ها

• SAM (تنش غشاء جاذب رطوبت) روکش آسفالت و SAMI (تنش غشاء جاذب رطوبت بین لایه‌ای)

• لایه واشری (ضد آب)

از بایندر اصلاح‌شده قیر-لاستیک (مقدار خرده لاستیک در حدود 25 درصد وزنی قیر) با استفاده از تکنولوژی روسازی دوباره که به‌اصطلاح SAM نامیده می‌شد برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری لایه‌ها استفاده شد. (SAM (Stress Absorbent Membrane می‌تواند در لایه‌های ضد آب و یا به‌اصطلاح لایه‌های واشری مورداستفاده قرار گیرد. تنش غشاء جاذب رطوبت مقاومت زیادی را در برابر تغییر شکل و شکستگی از خود نشان می‌دهد. روکش SAM به همراه ذرات دانه‌درشت یا شن هیچ آسیب و تخریب‌شدگی را در خود بعد از گذشت 12 الی 15 سال از عملیات روسازی در شرایط آب و هوایی مختلف نشان نداده است (EPPS،1994).

دیگر کاربرد بایندر قیر-لاستیک استفاده در لایه‌های SAMI

(Stress Absorbent Membrane Interlayer) به‌عنوان لایه کاهنده فشار است. این‌ها لایه‌های قیر-لاستیک نازکی هستند که در سطوح دارای شکستگی و آسیب‌دیده تحت لایه‌های قیری جدید باضخامت کم‌تر از 10 سانتی‌متر قرارگرفته‌اند.

بایندرهای قیر-لاستیک به دلیل خصوصیات ویسکوالاستیک که در بیش از یک محدوده گسترده دمایی دارند، اغلب به‌عنوان اجزاء پرکننده مورداستفاده قرار می‌گیرند. از آن‌ها برای آب‌بندی اتصالات در روسازی‌ها و دیگر سازه‌ها در مهندسی عمران استفاده می‌شود. پرکننده‌ها به همراه قیرهای اصلاح‌شده لاستیکی توسط چسبندگی عالی به سطح بالایی صفحات مجاور، مقاومت بار ترافیکی، شرایط آب و هوایی و مقاومت شیمیایی مشخص می‌شوند (EPPS،1994).

رویه آسفالت ساخته‌شده از مخلوط آسفالت-لاستیک معمولاً توسط مزایای زیر در مقایسه با رویه آسفالت معمولی مشخص می‌شود:

• بهبود خواص اصطکاکی و ضد لغزشی

• افزایش مقامت پیرشدگی لایه‌های روسازی

• افزایش دوام و مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی

• افزایش مقاومت در برابر ترک‌خوردگی در دمای پایین

• بهبود مقاومت شیار شدگی

• افزایش دوام خستگی و فرسایش

• کاهش هزینه‌های نگهداری جاده‌ها

بهبود خواص اصطکاکی را به‌طور ویژه می‌توان برای لایه‌های سطحی ساخته‌شده از مخلوط آسفالت به همراه لاستیک که با استفاده از روش خشک تهیه‌شده مشاهده کرد. افزودن خرده لاستیک به مخلوط آسفالت مقاومت مخلوط را در برابر سرما و یخ‌زدگی افزایش داده و باعث افزایش ضریب اصطکاک بین تایر خودرو و سطح جاده شده که این امر سبب کاهش حدود 25 درصدی طول ترمز برای توقف خودروها می‌شود (EPPS،1994).

مخلوط‌های آسفالت در طول عملیات تولید، روسازی، تراکم و سرویس آسفالت تحت فرایند پیرشدگی قرار می‌گیرد. شدت پیرشدگی به درجه حرارت، دسترسی به اکسیژن (از هوا)، نوع بایندر و ضخامت لایه بایندر که سطح ذرات دانه‌ها را پوشش می‌دهد بستگی دارد. در مخلوط با مقدار کم بایندر، لایه فیلم قیری پوشش دهنده ذرات نازک بوده (5-4 میکرومتر) و باعث افزایش سرعت پیرشدگی می‌شود. طبق تحقیقات Kandhal وChakraborty در سال 1996 ، پیرشدگی هنگامی‌که ضخامت فیلم بایندر پوشاننده ذرات و دانه‌ها بزرگ‌تر از 9 میکرومتر باشد به‌شدت کاهش می‌یابد. افزایش ویسکوزیته قیر اصلاح‌شده با لاستیک اجازه استفاده از مقدار بیش‌تری از بایندر در مخلوط را داده (Siusarski1999وMassucco1994)(Gawel) که منجر به افزایش غشاء احاطه‌کننده ذرات تا 25-19 میکرومتر می‌شود. افزایش ضخامت فیلم بایندر قیر-لاستیک در اطراف ذرات و دانه‌ها از عوامل افزایش قابل‌توجه مقاومت آسفالت در برابر پیرشدگی است.

استفاده از بایندر قیر-لاستیک در مخلوط آسفالت دوام آن را افزایش می‌دهد. لایه سطحی با بایندر اصلاح‌شده با لاستیک افزایش مدول سختی در دماهای سرویس بالا و کاهش مدول سختی در دماهای سرویس پایین را نشان می‌دهد. ماهیت ویسکوالاستیک بایندر قیر-لاستیک باعث افزایش مقاومت سطح جاده‌ها در برابر ترک‌خوردگی در دماهای پایین و افزایش مقاومت در برابر شیار شدگی در دماهای بالا می‌شود.

آسفالت‌هایی که تحت‌فشارهای متعدد چرخ‌های وسایل نقلیه قرار دارند ممکن است به دلیل فرسودگی دچار شکست و ترک‌خوردگی شوند. طراحی مخلوط آسفالت باید به‌گونه‌ای باشد که لایه‌های آسفالت دارای عمر خستگی و فرسودگی بلندمدت باشند. تجارب سرویس روسازی‌ها نشان می‌دهد که لایه‌های ساختار جاده با بایندر قیر-لاستیک بیش از دو برابر نسبت به لایه‌های روسازی با بایندر اصلاح‌نشده دارای عمر خستگی بالاتر بوده و در برابر فرسایش مقاوم‌تر هستند (EPPS،1994).

روسازی جاده‌ها با مخلوط آسفالت-لاستیک معمولاً توسط دوام طولانی‌مدت و درنتیجه نیاز کم‌تر به تعمیرات مشخص می‌شوند. این‌یک تأثیر قابل‌توجه در کاهش هزینه‌های سرویس در مقایسه با روسازی‌ها و آسفالت‌های سنتی است. کاهش اختلالات و اتلاف زمان برای استفاده‌کنندگان از جاده‌ها به خاطر کاهش مقدار تعمیرات از جنبه‌های مهم اجتماعی است.

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

استفاده از پلیمرهای ضایعاتی برای اصلاح قیر

فعل‌وانفعالات انجام‌گرفته بین قیر و لاستیک

باور عمومی بر این است که فعل‌وانفعالات بین قیر و لاستیک یک واکنش شیمیایی نیست بلکه یک پدیده انتشاری می‌باشد. هنگام قرار گرفتن در قیر مذاب، خرده لاستیک‌ها ترکیبات قیر با پارامتر حلالیت مشابه را جذب کرده و شروع به متورم شدن می‌کنند. این مقدار تورم ممکن است به حد 3 تا 5 برابر حجم اولیه خود باشد (Massucco و همکاران 1994). افزایش تورم به‌صورت یک نرخ خطی در 90 ثانیه ابتدایی بوده و بعدازآن شاهد افزایش در کاهش نرخ تورم هستیم (Joseph و همکاران 1994). ابعاد خرده لاستیک تا زمانی که غلظت مایع در سراسر مخلوط یکنواخت شود و تعادل بین ذرات و تورم حاصله برقرار شود، افزایش خواهد یافت (Blow 1971).

مقدار تورم به درجه حرارت اختلاط، مدت‌زمان، ماهیت شیمیایی، گرانروی قیر، ترکیبات و اندازه ذرات لاستیک بستگی دارد. سازگاری لاستیک و سیال نیز یکی از عوامل بسیار مهمی است که بر تورم تأثیرگذار می‌باشد. ماهیت شیمیایی قیر تعیین‌کننده تعادل تورمی است درحالی‌که گرانروی قیر تعیین‌کننده نرخ نفوذ به بخش عمده‌ای از لاستیک است (Stroup-Gardiner و همکاران 1993). نرخ نفوذ (انتشار) با کاهش ویسکوزیته مایع افزایش می‌یابد. طبق گزارش‌های Airey و همکاران در سال 2003، نرخ اولیه جذب قیر و احتمالاً مقدار تورم لاستیک وابسته به گرانروی (درجه نفوذ) بایندر است. بایندرهای نرم‌تر (ویسکوزیته کم) بیش‌ترین نرخ جذب رادارند. مطالعات Gawel و همکاران (2006) نشان می‌دهد که مقدار تورم لاستیک در قیرهای نرم‌تر (با درجه نفوذ بالا) به‌طور هنگفتی بیش‌تر از انواع سفت‌تر آن (با درجه نفوذ پایین) است (جدول 1-4).

فعل‌وانفعالات قیر-لاستیک تابع وزن مولکولی قیر است (Stroup-Gardiner و همکاران 1993). قیر غنی از ترکیبات با وزن مولکولی کم تعامل بیش‌تری با لاستیک دارد. ترکیبات و اجزاء سبک قیر نفوذ بیش‌تر و راحت‌تری درون ماتریکس داخلی پلیمر دارند.

آنالیزHP-GPC بایندر قیری قبل و بعد از اصلاح به‌وسیله خرده‌های لاستیکی نشان‌دهنده افزایش اندازه مولکولی اجزاء بزرگ و کاهش اندازه مولکولی اجزاء کوچک‌تر است (Putman و 2010Amirkhanain). مشخص‌شده است که ترکیبات غیر قطبی، سری آلکان ها و سری آلکیل بنزن‌ها دارای بیش‌ترین گرایش به نفوذ در ذرات لاستیک هستند (Gawel و همکاران 2006). جذب ترجیحی ترکیبات با زنجیره آلیفاتیک های خطی در لاستیک حاکی از آن است که این ترکیبات سازگاری خوبی با اسکلت پلیمرهای خطی لاستیک دارند.

جدول شماره 1-4      درصد تورم لاستیک در قیر (ضخامت لاستیک850 میلی‌متر)(تورم به‌عنوان درصد افزایش حجم لاستیک است). منبع Gawel و همکاران 2006

اطلاعات مختلفی در تألیفاتی  که راجع به اثر ترکیب‌بندی شیمیایی قیر در نرخ و مقدار تورم لاستیک ارائه‌شده، وجود دارد. طبق گفته Singleton و همکاران (2000)، ترکیبات قیر اثر قابل‌توجهی را بر نرخ برهم‌کنش بین قیر و لاستیک درصورتی‌که به مقدار کافی اجزاء با وزن مولکولی کم حضورداشته باشند، ندارد.

ترکیبات شیمیایی قیرها بسته به درجه و نوع نفت خام و همچنین تکنولوژی تولید آن‌ها متفاوت است (Baginska و Gawel 2004).

Putman وAmirkhanian در سال 2010 تعیین کردند که فعل و انفعالات بین لاستیک و بایندر قیری از منابع مختلف به‌وسیله محاسبه اثر متقابل (IE) امکان‌پذیر است. اثر متقابل به‌صورت تغییرات بیس پس از تخلیه بایندر برای بایندر اصلاح‌شده با لاستیک نسبت به بایندر بیس بیان می‌شود.(فرمول 1-4)

فرمول 1-4                                                     

تفاوت‌های قابل‌توجه در مقدار IE بین قیر از خاستگاه‌های مختلف نشان‌دهنده تأثیر منبع بایندر بر فعل‌وانفعالات قیر-لاستیک است. Frantzis در سال 2004، روش تبیین ضرایب انتشار و حلالیت لاستیک در قیر را ارائه کرد. افزایش جرم لاستیک در قیر در دمای 180 درجه سانتی گراد برای مدت‌زمان مختلف اندازه‌گیری کرده و منحنی جذب آن را به دست آورده است. ضریب انتشار از طریق شیب ناحیه خطی منحنی جذب محاسبه می‌شود. این مطالعه نشان داد که بایندر ها از خاستگاه‌های متفاوت دارای مقدار ضریب انتشار مختلف هستند. به‌طور مثال، قیر ونزوئلا که دارای مقدار بسیار بالایی از آروماتیک‌هاست در مقایسه با قیر کویت با مقدار آروماتیک بسیار کم‌تر، ضریب انتشار بالاتری دارد. در میان قیرها از منابع خام مشابه، بایندر ها با درجه نفوذ بالاتر (نرم‌تر) ضریب انتشار بالاتری نیز دارند (Frantzis 2004).

گرایش اجزاء سازنده قیر (اجزاء عمومی) به نفوذ در ذرات لاستیک به‌وسیله برخی از محققان هنگام ارزیابی فعل‌وانفعالات بین قیر و لاستیک محاسبه‌شده است (Singleton و همکاران 2000، Gawel و همکاران 2006، Ould Henia و 2008Dumont). اگرچه مقایسه نتایج به‌دست‌آمده تحت شرایط تجربی متفاوت ممکن است در مورد نتایج به‌دست‌آمده تردید ایجاد کند، اما ضروری است که توجه داشته باشید (بر مبنای اطلاعات به‌دست‌آمده توسط این محققین) که تغییرات در ترکیب‌بندی عمومی قیر به ترکیب‌بندی قیر پایه بستگی دارد. Singleton و همکاران (2000) برای قیر با محتوای آروماتیک (تعیین‌شده به‌وسیله روش SARA) در محدوده 50 تا 65 درصد وزنی یک کاهش در ساختار و اجزاء آروماتیک را بعد از پخت به‌وسیله لاستیک گزارش کرده‌اند. Ould Henia و Dumont در سال 2008 یک بایندر با محتوای آروماتیک بالا (86-70 درصد وزنی با استفاده از روش SARA) را مورداستفاده قرار داده و نتیجه‌گیری کردند که اجزاء آروماتیک قیر یک مؤلفه اصلی در مهاجرت به سمت شبکه لاستیک است. بایندر قیری مورداستفاده آن‌ها در این مطالعه دارای مقدار ترکیبات اشباع بسیار پایین بوده است. الگوی متفاوت تغییرات (تعیین‌شده با استفاده از ASTM D4124 در سال 2009) توسط Gawel و همکاران در ترکیب‌بندی قیر به‌دست‌آمده از نفت خام روسیه را موردمطالعه قرار گرفته و الگوی متفاوت تغییرات بایندر ها با مقدار آروماتیک کم‌تر و محتوای اشباع بیش‌تر (جدول 2-4) را در مقایسه با بایندرهای ذکرشده در بالا را مشاهده کردند.

طبق اطلاعات جدول شماره 2-4 می‌توان استنباط کرد که برای قیر از نوع پارافین-نفتنیک (قیر روسیه)، ترکیبات اشباع از اجزاء اصلی نفوذ در لاستیک هستند. نفوذ ترجیحی ترکیبات اشباع درون ماتریکس داخلی پلیمر ممکن است توسط تشابه پارامتر حلالیت ترکیبات اشباع و پارامتر حلالیت لاستیک توضیح داده شود. پایداری قیر و لاستیک ممکن است به‌وسیله مقایسه پارامتر حلالیت ترکیبات ارزیابی شود. ترکیبات قیر از منظر پارامتر حلالیت باهم متفاوت می‌باشند (Yen و 1994Chilingarian). برای قیرهایی که ترکیب‌بندی آن در جدول 2-4 توصیف‌شده است، پارامتر حلالیت اجزاء به شرح زیر است:

ترکیبات اشباع δ=17.5، آروماتیک‌ها δ=18.2، رزین‌ها δ=19.5 و آسفالتن ها δ=22.3 MPa^1/2

به‌هرحال برای قیرها با ماهیت شیمیایی متفاوت ممکن است پارامتر انحلال اجزاء تشکیل‌دهنده آن‌ها دارای مقداری انحراف از اعداد ذکرشده در بالا باشد (Rogel 1997). لاستیک به‌دست‌آمده از تایر اتومبیل‌ها عمدتاً دارای ترکیب لاستیک استایرن-بوتادین (δ=17.5) و لاستیک طبیعی (δ=14.8) است (Brandrup و 1989Immergut). مقایسه پارامتر انحلال ترکیبات جداشده از قیر روسیه با پارامتر انحلال لاستیک شواهدی دال بر اینکه ترکیبات اشباع بهترین سازگاری با لاستیک رادارند ارائه می‌کند.

افزایش در مقدار آروماتیک قیر بعد از غوطه‌وری لاستیک (جدول 2-4) را می‌توان از هردو منظر کاهش محتوای ترکیبات اشباع و مهاجرت ترکیبات مشابه از لاستیک به قیر توضیح داد. استفاده از روش NMR توسط Miknis و Michonدر سال 1998 نشان داد که روغن استفاده‌شده در تولید تایر و روغن موجود در قیر دارای ترکیبات مشابه هستند. این مشاهدات آن‌ها را وادار کرد به این نتیجه برسند که احتمالاً روغن‌ها در طول فرایند پخت مبادله می‌شوند. آنالیز GC-MS ترکیبات مولکولی برخی اجزاء استخراج‌شده از خرده لاستیک‌ها قبل و بعد از غوطه‌وری در قیر مذاب (از ترکیبات عمومی مشخص‌شده در جدول 2-4) کاهش قابل‌توجهی را در مقدار اسید نشان داده است. میرستیک، پالمتیک (غالب) و اسید استاریک که به‌وفور در لاستیک وجود دارد، به‌عنوان مؤلفه‌های سیستم پخت هستند.

جدول شماره 2-4      ترکیبات عمومی قیر با گرید 70/100(تولیدشده از نفت خام روسیه) قبل و بعد از غوطه‌وری لاستیک. اقتباس از Gawel و همکاران 2006

این یافته نشان می‌دهد که در طول غوطه‌وری لاستیک در قیر مذاب، اسیدها از ماتریکس لاستیک به داخل قیر نفوذ می‌کنند. در طول جداسازی بایندر باقی‌مانده به اجزاء عمومی احتمالاً این اسیدها در بخش نفتن-آروماتیک متمرکز می‌شوند. این موضوع از افزایش محتوای اجزاء بعد از اصلاح توسط لاستیک استنباط می‌شود (جدول 2-4).

به نظر می‌رسد که نفتنیک اسیدها در قیر نیز به فعل‌وانفعالات با لاستیک کمک می‌کنند. برخی از قیرهای ونزوئلا مقدار اسید بالاتر و درنتیجه تعامل بهتری را با لاستیک نشان می‌دهند. کاهش مشاهده‌شده در مقدار اجزاء آروماتیک‌های قطبی (جدول 2-4) را می‌توان به تجزیه جزئی آروماتیک‌های قطبی درنتیجه پیرشدگی قیر در دمای بالا نسبت داد. تجزیه آروماتیک‌های قطبی تحت پیرشدگی در آزمایشگاه در قیر به‌دست‌آمده از نفت خام نوع پارافین-نفتنیک (به‌طور مثال از نفت خام روسیه) مشاهده شد است (Gawel و 2004Baginska )

بررسی متون مربوطه بیان‌گر آن است که در فعل‌وانفعالات قیر-لاستیک، مقدار بیشینه تورم بیش‌تر به ماهیت خرده لاستیک‌ها بستگی دارد تا به ماهیت شیمیایی قیر البته به‌شرط اینکه اجزاء اصلی سبک به مقدار کافی در بایندر حضورداشته باشد. در بخش لاستیک، فعل‌وانفعالات به مقدار خرده لاستیک‌ها، اندازه ذرات، نوع تایر (تایر خودرو سواری و یا کامیون)، روش فرایند و ترکیبات پلیمر آن بسـتگـی دارد (Billiter و هـمکاران 1997،Bahia و Davies،1995Dias و 2008Picado-Santos).

مقدار لاستیک بایندر به‌عنوان یک عامل کمک‌کننده مهم در تورم لاستیک شناخته‌شده است. محققین به این نتیجه رسیده‌اند که تورم لاستیک از نسبت قیر-لاستیک مستقل بوده به شرطی که به‌اندازه کافی اجزاء سبک قیر وجود داشته باشند. این‌یک مورد برای پلیمرهای کلاسیک متورم شده در حلال که در آن مقدار حلال به‌اندازه کافی برای به دست آوردن تورم به نسبت مستقل از مقدار پلیمر اضافه‌شده وجود داشته باشد.

تأثیرات اندازه ذرات لاستیک بر روی نرخ و مقدار تورم لاستیک در قیر مذاب در شکل 3-4 نشان داده‌شده است. نرخ تورم به‌طور محسوسی برای نمونه لاستیک‌های ضخیم کم‌تر است. بعد از 120 دقیقه غوطه‌وری در قیر مذاب، مقدار تورم تقریباً بیش از دو برابر برای نمونه لاستیک با اندازه 0/5 میلی‌متر نسبت به نمونه لاستیک با اندازه 0/85 میلی‌متر است. بعد از گذشت 180 دقیقه از مدت‌زمان آزمایش، انسجام لاستیک نازک‌تر به‌طور چشمگیری کاهش‌یافته بنابراین روند تورم متوقف می‌شود.

سطح خاصی از خرده لاستیک‌ها ویژگی مهم تأثیرگذاری بر فعل‌وانفعالات بین قیر و لاستیک دارند (Heitzmanو1992Dias و 2008Picado-Santos). با توجه به شکل ناهموار و سطح خرده لاستیک‌های به‌دست‌آمده از روش مکانیکی تعامل بهتری با قیر نسبت به خرده لاستیک‌های تولیدشده به‌وسیله روش برودتی (با شکل مکعبی و سطح صاف) دارند.

شکل شماره 3-4      نرخ تورم لاستیک در قیر با گرید 70/100 در 200 درجه سانتی گراد

ارزیابی ترکیب شیمیایی خرده لاستیک‌ها دشوار است زیرا تنوع زیادی در نوع تایرها و فرایندهای روکش وجود دارد (Airy و همکاران 2003). به‌طورکلی تایر کامیون‌ها دارای مقدار زیادی لاستیک طبیعی در مقایسه با تایر خودروهای سواری است. ترکیب لاستیک نیز بین بخش‌های یک تایر متفاوت است. تایرهای مختلف در پارامتر انحلال نیز باهم تفاوت دارند. پارامتر انحلال برای تایرهای لاستیکی محدوده‌ای از 17.8 الی 20.8 MPa^1/2 است (Hansen و 2004Smith ).

پارامتر انحلال مشابه مایع و لاستیک باعث ایجاد اطمینان از سازگاری بهتر اجزاء بوده و بنابراین بهترین فعل‌وانفعالات بین لاستیک و مایع (قیر) به دست می‌آید. آرایش مولکولی شبکه پلیمر به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای تحت تأثیر درجه تورم است (Airey و همکاران 2003). هرچه تعداد آرایش مولکولی در لاستیک بیش‌تر، میانگین طول زنجیره لاستیک بین آرایش مولکولی کوتاه‌تر و درنتیجه نرخ انتشار و نفوذ اجزاء سبک‌تر قیر به درون لاستیک نیز کم‌تر است. امکان نفوذ اجزاء سبک قیر به درون لاستیک وجود دارد هرچند باعث کاهش پایداری کلوئیدی بایندر قیری شود. اگر قیر از اجزاء سبک غنی بوده و درعین‌حال حاوی مقدار آسفالتن زیاد (اجزاء سنگین) هم باشد، افزودن خرده لاستیک ممکن است منجر به انعقاد آسفالتن ها شود. برای جلوگیری از این امر آسفالتن ها با درجه نفوذ بالا مورداستفاده قرار می‌گیرد.

هنگام اختلاط با قیر مذاب، قطعات لاستیک دچار دی ولکانیزاسیون و دی پلیمریزاسیون می‌شوند. اگر لاستیک تا یک حدی دی ولکانیزه نشود، تولید بایندر ناهمگون با لاستیک که عمدتاً به‌عنوان یک پرکننده انعطاف‌پذیر است می‌کند (Giavarini 1994). دی ولکانیزاسیون بیش‌ازحد منجر به تخریب خصوصیات بایندر می‌شود. بهبود در الاستیسیته بایندر ممکن است به‌وسیله آرایش مولکولی اضافی پلیمر در بایندر اصلاح‌شده با لاستیک به دست آید (Gawel و 1999Slusarski).

فعل‌وانفعالات بین لاستیک و قیر بر عملکرد مربوط به خصوصیات بایندر باقیمانده اثرگذار است. بیش‌ترین اثر مورد انتظار، تورم لاستیک در قیر مایع، کاهش قابل‌ملاحظه در ویسکوزیته بایندر است. قیر با مقدار کم اجزاء سبک و مقدار زیاد آسفالتن یک بایندر با ویسکوزیته بالا را تولید می‌کند (Ould Henia و 2008Dumont). افزایش قابل‌توجه در سختی و رفتار ویسکوالاستیک بایندر باقیمانده منطبق با از دست دادن ترکیبات سبک قیر ناشی از انتشار آن‌ها به داخل لاستیک و پیری اکسایشی و همچنین همراه با درهم شکست لاستیک است (Huang 2008).

تفاوت در اطلاعات گزارش‌شده در مورد فعل‌وانفعالات قیر-لاستیک به موارد زیر نسبت داده می‌شود:

دمای مخلوط و زمان‌های مختلف، استفاده از قیرها با ماهیت شیمیایی متفاوت و یا لاستیک‌ها با اندازه ذرات و ترکیب‌بندی شیمیایی مختلف و تغییرات در پارامتر انحلال ترکیبات با افزایش دما. اگرچه پیرشدگی قیر در دمای ترکیب 160 تا 210 درجه سانتی گراد به نظر از اهمیت بیش‌تری نسبت به فعل‌وانفعالات قیر-لاستیک برخوردار است (Singleton و همکاران 2000، Ould Heniaو 2008Dumont).

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

خصوصیات قیرهای اصلاح شده لاستیکی

فوم قیر جهت استفاده در عایق‌کاری

یکی از اولین اصول طراحی معماری عایق‌بندی ساختمان است و دلیل آن هزینه‌های بالای تهویه مطبوع و گرمایش ساختمان است، درنتیجه جهت افزایش بهره‌وری استفاده از عایق امری اجتناب‌ناپذیر می‌باشد. فوم‌های پلی اورتان می‌توانند به‌عنوان عایق حرارتی بکار روند. فوم‌های پلی اورتان به دلیل وجود هوای محبوس در ساختار لانه‌زنبوری‌شان رسانایی حرارتی بسیار کمی داشته و درنتیجه یک محافظ انرژی بسیار عالی است. مثال‌هایی از کاربردهای ساختمانی آن‌ها شامل: عایق‌بندی و پوشش لایه‌های کف و سقف ساختمان، تخته‌های روی بام، روکش، عایق‌کاری محیط، اسپری کردن به دیوارها و سقف، تانکرهای صنعتی، پنل های پرده‌ای دیوار و سقف و غیره است (Szycher 1999). برای چنین کاربردهایی فوم قیری پایدار ممکن است که به‌عنوان یک تکنولوژی نوین درزمینه صنعت عایق‌کاری در نظر گرفته شود.

فوم قیری پایدار ممکن است با استفاده از فرایند مشابه مورداستفاده برای فوم‌های پلی اورتان به دست آید (Eares 2004). نخست در طول فرایند و پخت حرارت بالا، MDI-PPG با ترکیبات قیر واکنش داده و منجر به تولید قیر اصلاح‌شده می‌شود. مرحله دوم پس از افزودن آب آغاز می‌شود و شامل چندین مرحله است (Izquierdo و همکاران 2010). در ابتدا و ازآنجاکه قابلیت حلالیت آب در قیر بسیار کم است، سیستم واکنش بلافاصله و بشدت به مدت 30 ثانیه جهت اطمینان از پراکندگی مناسب واکنش‌دهنده‌ها هم زده و به‌خوبی مخلوط می‌شود. سپس تحریک متوقف‌شده و هسته حباب‌های گاز رشد می‌کند. این حباب‌ها در فاز مایع پراکنده بوده و دارای ناپایداری ترمودینامیکی است. همان‌طور که در بخش قبلی به آن اشاره شد، در غلظت‌های پایین پلیمر، فوم قیری حاصله ناپایدار است (ازآنجاکه بخش عمده ترکیب فوم به سمت بالا و تا مقدار بیشینه گسترش‌یافته و سپس کاهش می‌یابد). در مقابل، در غلظت‌های پلیمری زیاد و کافی (مانند 10 درصد وزنی MDI-PPG) در مورد فوم‌های پلی اورتان کاهشی در مقدار نهایی فوم مشاهده نشده است. در این مورد اخیر، واکنش‌های مربوط به آب منجر به کاهش چشمگیر در ثبات قیر اصلاح‌شده است.

مهم است تأکید کنیم که تمام فوم‌های قیری دارای دانسیته مشابه (400-gr/m³350) بوده و درنتیجه خصوصیات حرارتی-مکانیکی آن‌ها ممکن است به‌خوبی باهم منطبق باشد. با در نظر گرفتن آن‌که دانسیته تقریبی قیر و MDI-PPG به ترتیب 1/2 و 1/0 گرم بر مول است، تولید فوم کاهش قابل‌توجهی در دانسیته مواد دارد.

شکل 14-3 نشان‌دهنده منحنی جریان ویسکوز در 60 درجه سانتی گراد برای قیر اصلاح‌شده با 10 درصد وزنی MDI-PPG و فوم قیری متناظر آن‌ها به‌عنوان یک تابع زمان پخت در 90 درجه سانتی گراد در محدوده 1 ساعت (پس از آغاز فرایند) تا 7 روز است. آنچه قابل‌مشاهده است، مقدار ویسکوزیته متناظر با قیر اصلاح‌شده که فقط پس از فرایند به دست می‌آید (1 ساعت در شکل 14-3) شبیه قیر دست‌نخورده است. درنتیجه انتظار می‌رود که کاهش ویسکوزیته را براثر افزودن یک مایع با ویسکوزیته کم (پیش پلیمر) که به‌وسیله واکنش قیر-پلیمر در طول اختلاط میسر می‌شود را مشاهده کنیم. به‌هرحال در دماهای پخت بالا (در 90 درجه سانتی گراد و با عدم حضور آب) یک کاهش اندک در ویسکوزیته به وجود می‌آید که این امر بعد از گذشت 7 روز از پخت اهمیت دارد. با این اوصاف، افزودن آب منجر به تغییرات قابل‌توجهی در خواص جریان می‌شود. توسعه سیستم با ساختار بالا به دلیل واکنش‌های شیمیایی در طول فرایند دمیدن شیمیایی است.

شکل شماره 14-3      منحنی جریان ویسکوز در 60 درجه سانتی گراد برای قیر اصلاح‌شده با 10 درصد وزنی MDI-PPG و فوم قیری (تولیدشده با 10 درصد وزنی MDI-PPG و 2 درصد وزنی آب) به‌عنوان تابعی از زمان پخت در 90 درجه سانتی گراد. اقتباس از Izquierdo و همکاران 2010

این موضوع به‌خوبی شناخته‌شده است که خصوصیات ویسکوالاستیک خطی پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر با طیف گسترده‌ای از دماهای سرویس، می‌تواند به‌وسیله روش‌های دینامیکی مکانیکی تعیین شود.

سیر تکاملی هر دو مدول برشی مجموعه (سفتی و به‌طورکلی مقاومت در برابر تغییر شکل)،*G و تانژانت اتلاف،tanδ(با رابطه معکوس با الاستیسیته کلی نمونه) با دما در شکل شماره 15-3 ارائه‌شده است. آنچه قابل‌مشاهده است، مدول مجموعه به‌طور قابل‌توجهی در طول زمان پخت افزایش می‌یابد. درنتیجه افزودن 2 درصد وزنی آب به قیر اصلاح‌شده با 10 درصد وزنی MDI-PPG باعث افزایش بازده مقدار مدول مجموعه به‌طور عمده در دمای بالای 60 درجه سانتی گراد و باگذشت زمان کم از شروع پخت می‌شود. درجه حرارت مجموعه افزایش زمان پخت را اعلام کرده و بیانگر کاهش قابل‌توجهی در حساسیت دمایی مواد است.

از سوی دیگر، مقادیر تانژانت اتلاف برای فوم قیری به‌طور چشمگیری کم‌تر از قیر اصلاح‌شده با 10 درصد وزنی MDI-PPG است و همیشه این مقدار کم‌تر از 1 باقی می‌ماند. این امر نشان‌دهنده رفتار الاستیک غالب است که بعد از گذشت 1 روز از زمان پخت بارزتر می‌شود. بیشینه تانژانت اتلاف در دمای حدود 50 درجه سانتی گراد مربوط به فرایند تغییر شکل آرام ساختارهای جدید که براثر واکنش‌های بین قیر و پلیمر تکامل‌یافته‌اند است. به‌هرحال این فرایند در فوم‌های قیری که عمدتاً دارای الاستیک متوسط می‌باشند رخ می‌دهد. در حقیقت کم‌ترین مقدار تانژانت اتلاف زیر 1 نشان‌دهنده منطقه الاستیک و قابل‌انعطاف در قیرهای اصلاح‌شده مشاهده نشده است. این رفتار براثر توسعه در طول شکل‌گیری فوم بر پایه شبکه شیمیایی سه‌بعدی در تمامی قسمت‌های قیر است. درنتیجه یک رفتار ژل‌مانند در نمونه مطالعه شده آزمایشگاهی مشاهده‌شده و به‌تبع آن ویژگی‌های الاستیک بایندر تا حد زیادی بهبودیافته است.

شکل شماره 15-3      آزمایش رفت‌وبرگشت دما در نوسانات برشی در 10rad/s  برای فوم قیری (اصلاح‌شده با 10 درصد وزنی MDI-PPG و 2 درصد وزنی آب)، سیر تکاملی مدول برشی مجتمع (a) و تانژانت اتلاف (b) به‌عنوان یک تابع زمان پخت در دمای 90 درجه سانتی گراد. اقتباس از Izquierdo و همکاران 2010

در شکل 16-3 که با میکروسکوپ اتمی تصویربرداری شده است، تصاویر (a) و (b) نشان‌دهنده تصاویر فازی متناظر در قیر دست‌نخورده و قیر اصلاح‌شده بعد از گذشت 7 روز از زمان پخت در دمای 90 درجه سانتی گراد است. دو منطقه با دو سطح شدت نور متفاوت (تیره و روشن) به‌وضوح از هم متمایز است. درنتیجه ذرات جامد آسفالتن ها (رگه‌های سیاه‌وسفید) به نظر توسط پوسته جامد رزین‌ها (مناطق خاکستری روشن) پوشش داده‌شده و به‌وسیله ماتریکس مالتنی (تاریک‌ترین مناطق) محصورشده که در آن میسل های آسفالتن (مانند آسفالتن های Peptis شده توسط رزین‌ها) پراکنده‌شده‌اند. برای قیرهای اصلاح‌شده با 10 درصد وزنی MDI-PPG شکل b) 16-3)، نشان‌دهنده مناطق آسفالتنیک فشرده‌تر در مقایسه با قیر دست‌نخورده است. درنتیجه، افزودن پلیمر باعث افزایش توسعه ساختارهای ماتریکس قیر با توجه به تشکیل پیوندهای شیمیایی بین پلیمر و ترکیبات قطبی قیر می‌شود.

شکل c) 16-3) نمایانگر تصویر میکرو گراف فوم قیر بعد از شروع 7 روز از زمان پخت در دمای 90 درجه سانتی گراد است. در مقابل نتایج نشان داده‌شده در شکل a) 16-3) و (b)، بیانگر این است که ساختار کلوئیدی قیر آشکار نمی‌باشد. زیرا درنتیجه واکنش آب که قبلاً نیز راجع به آن بحث شد، این ساختار ناپدید می‌شود. درنتیجه این میکرو گراف نشان‌دهنده ماتریکس مستمر فاز سخت (مناطق روشن) است که به شبکه سه‌بعدی ترکیبات قیر-پلیمر با وزن مولکولی زیاد نسبت داده می‌شود. علاوه بر این، پراکندگی مناطق نرم (مناطق تیره) به‌وضوح قابل‌تشخیص است که ناشی از فاز غیر واکنشی و یا حضور حباب‌های گاز می‌باشد. شکل c) 16-3) نشان‌دهنده ساختار کروی و یا توپ مانند است که شبیه ساختار فوم‌های پلی اورتان است (Yontz و همکاران 2008).

شکل شماره 16-3      میکرو گراف میکروسکوپی اتمی در 25 درجه سانتی گراد برای قیر دست‌نخورده (a)، قیر اصلاح‌شده (b) بعد از گذشت 7 روز از زمان پخت در دمای 90 درجه سانتی گراد و فوم قیری (c). ابعاد 25*25 میکرومتر. اقتباس از Izquierdo و همکاران 2010

این نتایج بیانگر این است که استفاده از پلیمرهای واکنشی سنتز شده توسط واکنش ′4,4 methylenebis (فنیل ایزوسیانات)MDI با poly(پروپیلن گلیکول)PPG با وزن مولکولی کم، یک روش امیدبخش در تولید مواد پوششی مبتنی بر قیر و فوم قیری پایدار است. به‌طور خاص، امکان به دست آوردن بایندر فومی پایدار با استفاده از قیر معمولی اصلاح‌شده با 10 درصد وزنی MDI-PPG و 2 درصد وزنی آب وجود دارد. این فوم‌ها یک ریزساختار مشابه فوم‌های پلی اورتان را ارائه می‌کنند. گرانروی و خصوصیات ویسکوالاستیک خطی بایندرهای اصلاح‌شده از زمانی که بایندر فومی اصلاح‌شده به دست آمد به‌طور چشمگیری بهبودیافته است.

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

لاستیک‌های اصلاح‌کننده قیر

قیر اصلاح‌شده بر پایه پلی اورتان/اوره

در اصلاح کوتاه‌مدت و بلندمدت قیر به‌وسیله پیش پلیمرهای مبتنی بر MDI به نظر می‌رسد که یک فرایند پیچیده‌ای شامل عوامل دیگری که قبلاً در نظر گرفته نمی‌شد وجود داشته باشد(نتایج اصلاح فقط تحت تأثیر یک واکنش بین پیش پلیمر و برخی ترکیبات قیر نیست).

طبق اظهارنظر بالا،آزمایش‌های پخت شامل یک‌لایه نازک از قیر اصلاح‌شده است که تحت شرایط محیطی قرار می‌گیرد.آزمایش‌های اضافی بر روی لایه ضخیم که در یک ظرف درباز قرار داده‌شده است انجام‌شده و از مناطق بالای آن‌که در معرض هوا قرار داشته و قسمت تحتانی آن‌که در مجاورت هوا نبوده نمونه‌برداری شده است.شکل 9-3 نشان‌دهنده وابستگی معمول توابع ویسکوالاستیک خطی (الاستیک،′G،ویسکوز،″G،مدول) در دمای انتخاب‌شده محدوده 20- تا 120 درجه سانتی گراد برای نمونه PMB شامل 8 درصد وزنی MPI-PEG گرفته‌شده از قسمت بالایی و پایینی ظرف است که بایندر به مدت 4 ماه ذخیره‌شده است.ازاین‌پس از این نمونه‌ها به‌عنوان نمونه بالا و نمونه پایین اشاره خواهد شد.برای هر دمای آزمایش منحنی مربوطه ′G و″G،نمونه بالا مقادیر بیشتری نسبت به نمونه پایین نشان می‌دهند.در طیف وسیعی از دماهای موردمطالعه قرارگرفته برای نمونه بالا ′G بالاتر از ″G قرارگرفته است.

نمونه پایین نشان‌دهنده مقادیر بیش‌تری از مدول الاستیک در دماهای زیر 10 درجه سانتی گراد و رفتار چسبنده غالب در دماهای بالا 80 درجه سانتی گراد است.به‌عنوان یک نتیجه،افزودن پلیمر و فرایند پخت منجر به تولید مواد پیچیده‌تر با افزایش رفتار الاستیک و کاهش حساسیت دمایی می‌شود.

شکل شماره 9-3      وابستگی متداول بین ذخیره‌سازی و کاهش مدول در دمای بین 20- تا 120 درجه سانتی گراد برای قیر اصلاح‌شده با 8 درصد وزنی MDI-PEG ،نمونه‌برداری شده از قسمت بالایی و پایینی ظرف بعد از چهار ماه ذخیره‌سازی تحت شرایط اتاق.اقتباس از Martin-Alfonso و همکاران 2008

ازاین‌رو،قیر اصلاح‌شده در تماس با محیط بیرونی دستخوش تفاوت‌های چشمگیری در رفتار رئولوژیکی آن نسبت به نمونه پایین شده است.رطوبت هوا (و اکسیداسیون قیر) منجر به ترویج واکنش‌های بین‌مولکولی شده،وزن مولکولی ترکیبات قیر را افزوده و باعث افزایش مدول و خاصیت ویسکوالاستیک می‌شود.به نظر می‌رسد اصلاح بلندمدت قیر به واکنش دمایی بین پلیمرهای واکنشی و ترکیبات قیر و شرایط محیطی (احتمالاً به دلیل رطوبت هوا) مربوط باشد.تحت چنین شرایطی آب به‌راحتی در قیر پخش‌شده و واکنش بین گروه‌های NCO–باقیمانده جهت افزایش وزن مولکولی پلیمر-قیر بیش‌تر خواهد شد.

مشخص‌شده که دو نوع واکنش شیمیایی در طول واکش بین مولکول‌های عامل دار NCO و آب رخ می‌دهد.یکی از آن‌ها واکنش ایزوسیانات با آب است که منجر به تولید کربامیک اسید ناپایدار شده که به آمین و دی‌اکسید کربن تجزیه می‌شود.نوع دیگری از واکنش منجر به ایجاد شبکه شده و نتیجه واکنش بین گروه‌های ایزوسیانات با آمین که معمولاً در طول تجزیه کربامیک اسید به وجود آمده،تشکیل اوره آمونیوم است.هر دو نوع واکنش حرارت زا بوده و باعث افزایش ویسکوزیته متوسط به دلیل توسعه شبکه قیر-پلیمر می‌شود (Zang 2002).

بنابراین سازوکار اصلاح شیمیایی از طریق یک مجموعه سه واکنشی ارائه‌شده است(Carrera و همکاران 2010).نخست انتظار می‌رود پلیمر بدون آب MDI اصلاح‌کننده قیر منجر به واکنش بین گروه‌های NCO– پیش پلیمر با گروه‌های عاملی شامل اتم‌های هیدروژن فعال (به‌طور عمدهOH-) حاضر در میسل‌های آسفالتن شود(Mondal-Khakhar2004).این واکنش می‌تواند به‌صورت زیر نوشته شود:

واکنش 1-3      

واکنش 1-3 منجر به تشکیل تعداد زیادی پیوندهای اورتان(نقطه اوج در 1725cm^-1  نشان داده‌شده در شکل 10-3) بین پلیمر و گروه‌های اصلی قیر(حاضر در آسفالتن ها،رزین‌ها و آروماتیک‌ها) شود که گهگاه ممکن است باعث پیوند دامنه‌های آسفالتن به یکدیگر شود.این نخستین واکنش در اصلاح کوتاه‌مدت قیر است.

در مرحله دوم،دامنه‌های آسفالتن بزرگ ممکن است حتی با تشکیل پیوندهای اوره بزرگ‌تر شود(نقطه اوج در 1460cm^-1  نشان داده‌شده در        شکل 10-3).افزایش آب به‌وسیله واکنش با گروه‌های NCO– در این دامنه‌های بزرگ آسفالتن در دسترس می‌باشد.افزایش آب منجر به تجزیه کربامیک اسید ناپایدار به آمین و دی‌اکسید کربن می‌شود(واکنش 2-3).در مرحله نهایی انتظار می‌رود که آمین‌های بسیار واکنش‌پذیر با گروه‌های ایزوسیانات در سمت چپ زنجیره MDI-PPG که قبل از آن با ترکیبات قیر پیوند برقرار کرده‌اند واکنش داده و تشکیل گروه‌های اوره را دهد(واکنش 3-3)(Seguraوهمکاران2005). این مجموعه از واکنش‌ها به‌صورت زیر نوشته می‌شود:

واکنش 2-3                                                   

واکنش 3-3                                  

شکل شماره 10-3      طیف FTIR که پیوندهای C=O (اورتان/اوره)برای قیر B دست‌نخورده  و اصلاح‌شده با 4 درصد وزنی PPG-MDI را قبل و بعد از افزودن آب نشان می‌دهد.اقتباس از Carrera  و همکاران 2010

به‌عنوان یک نتیجه،افزودن پلیمر(و واکنش آن با رطوبت هوا)از عوامل گسترش ریزساختارهای جدید(در طول اصلاح بلندمدت قیر)برای ارائه عملکرد رضایت‌بخش‌تر در هنگام افزایش درجه حرارت که احتمالاً به دلیل تشکیل پیوند شیمیایی بین پلیمر و ترکیبات قطبی قیر است می‌باشد.بنابراین آب می‌تواند به‌آرامی در قیر پخش‌شده و با گروه‌های NCo باقیمانده آزاد واکنش داده و منجر به افزایش وزن مولکولی مولکول‌های قیر-پلیمر شود.

این رویکرد ممکن است برای افزایش سرعت اصلاح قیر جهت جلوگیری از اصلاح بلندمدت قیر استفاده شود.همان‌طور که در شکل 11-3 نشان داده می‌شود،به نظر می‌رسد که افزودن آب در طول عملیات مخلوط باعث تحریک افزایش اصلاح کوتاه‌مدت شود مخصوصاً اگر آب در مراحل نزدیک به پایان فرایند تولید اضافه شود.

    شکل شماره 11-3      سیر تکاملی با زمان گشتاور  نرمال (M/M₀ ) در طول فرایندهای مختلف قیر/  MDI-PEG /پیوندهای آب،در 90 درجه سانتی گراد و 60 دور در دقیقه.اقتباس از Martin-Alfonso و همکاران 2008

بر این اساس کنترل دقیق شرایط فرایند در طول واکنش نخست که منجر به تشکیل تعداد زیادی از پیوندهای اورتان بین پلیمر و گروه‌های اصلی قیر می‌شود،از عوامل مهم برای تولید چنین محصولاتی است.این نتیجه پیشنهاد می‌کند که اگر واکنش MDI-PPG و قیر با موفقیت توسط فرایندهای بلندمدت قبل از افزایش آب انجام پذیرد مقدار قابل‌توجه بیشتری قیر اصلاح‌شده را می‌توان به دست آورد.شکل 12-3 نشان‌دهنده سیرتکاملی پارامتر شیارشدگی G^*|/sinδ| با درجه حرارت برای قیرهای مختلف اصلاح‌شده با MDI-PPG – آب است.افزودن MDI-PPG و آب باعث افزایش قابل‌توجهی در تولید،افزایش شیارشدگی دمای بحرانی به مقادیر نزدیک یا بالاتر از 90 درجه سانتی گراد شود.چنین افزایشی بیش‌تر برای دوره واکنشی بلندمدت بین قیر و پلیمرهای واکنشی آشکار می‌شود(شکل 12-3).به‌طور مشابه،با افزودن    MDI-PPG اصلاح‌کننده قیر B به نظر می‌رسد که تغییرات قابل‌توجهی در درجه نفوذ و درجه حرارت نقطه نرمی بعد از فرایند 24 ساعته رخ‌داده که منجر به تشکیل بایندر قیری سخت‌تر می‌شود.به‌عنوان‌مثال بعد از افزودن 4 درصد وزنی MDI-PPG،درجه نفوذ از 200-150 تا مقدار 70-60 کاهش پیداکرده و درجه حرارت نقطه نرمی تا 64 درجه سانتی گراد افزوده می‌شود(Carrera و همکاران 2010).

شکل شماره 12-3      وابستگی به دمای پارامتر شیارشدگی G^*|/sinδ| برای قیر دست‌نخورده و بایندر اصلاح‌شده با MDI-PPG-آب (از قیر C و D) بعد از یک ساعت و 24 ساعت مخلوط در دمای 90 درجه سانتی گراد.اقتباس از Carrera و همکاران 2010

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

فوم قیری

اصلاح قیر با استفاده از پلی یورتان ها

   مقدمه

این فصل در مورد اصلاح‌کننده‌های واکنشی مبتنی بر پلیمرهای حاوی گروه‌های عامل مخصوصاً پلیمرهای ایزوسانات عامل دار با وزن مولکولی کم می‌باشد.یک اصلاح کوتاه‌مدت قیر در طول عملیات مخلوط کردن و یک اصلاح بلندمدت قیر در طول مدت طولانی پخت انجام می‌پذیرد.به‌هرحال نتایج تجربی نشان می‌دهد که درجات قیر به واکنش قیر و ریزساختارها بستگی دارد.بر این اساس،ماهیت کلوئیدی قیر به‌شدت تحت تأثیر خصوصیات نهایی نمونه قیر اصلاح‌شده به‌وسیله پلیمرهای واکنشی مبتنی بر ایزوسیانات می‌باشد.به همین ترتیب،مکانیسم اصلاح‌کننده‌های واکنشی قیر شامل مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که شناسایی‌شده است.بنابراین اصلاح قیر به‌وسیله تشکیل درجا پلیمرهای مبتنی بر پلی یورتان/اوره که در ماتریکس قیر است،توصیف‌شده است.مجموعه‌ای از واکنش‌ها بین آب و ایزوسیانات پایه قیر اصلاح‌شده برای ارتقاء فوم در فرایند دماپایین استفاده‌شده است که می‌تواند در کاربردهای جدیدی که در آن به یک بایندر فومی  نیاز است مورداستفاده قرار گیرد.روش فوم واکنشی پیشنهادشده در اینجا شامل واکنش‌های بین آب و گروه ایزوسیانات های آزاد است که باعث تولید یک آمین و آزاد شدن دی‌اکسید کربن است.

   اصلاح قیر به‌وسیله پلیمرها

قیر به‌عنوان یک ماده قهوه‌ای تیره تا مشکی‌رنگ توصیف‌شده که به‌طور عمده از تقطیر جزء به‌جزء نفت خام به دست می‌آید.این ماده به‌طور گسترده به‌عنوان بایندر مصالح معدنی در روکش جاده‌ها و پیاده‌روها استفاده می‌شود.هم‌چنین یک ماده ضد آب بوده که به‌عنوان درزگیر کاربرد داشته و برای عایق سازی پشت‌بام‌ها هم استفاده می‌شود.(Singh و همکاران 2003؛Ait-Kadi و همکاران 1996).

قیر یک ساختار پیچیده شیمیایی بالا را نشان می‌دهد.این شامل انواع مختلفی از مولکول‌ها می‌باشد که در دو گروه اصلی (ازنظر حلالیت در هپتان نرمال)تقسیم‌بندی می‌شوند که شامل مالتن ها و آسفالتن ها است.آسفالتن ها از دووجهی‌های تغلیظ شده و گروه‌های قطبی هترواتم،سیستم‌های آروماتیک‌های قطبی حلقوی و مقدار زیادی گروه‌های عامل دار قطبی هترواتم تشکیل‌شده است(Dong و همکاران 2005).اجزاء مالتن می‌تواند به سه بخش تقسیم‌بندی شود،این بخش‌ها شامل:اشباع‌ها،آروماتیک‌ها و رزین‌هاست که بر اساس تفاوت در حلالیت و قطبیت تقسیم‌بندی می‌شوند(Redelius 2000).

مواد افزودنی پلیمری مانند پلی الفین ها،کو پلیمرهای بلوکی،خورده لاستیک و یا پلیمرهای بازیافتی به‌طور گسترده‌ای جهت بالا بردن خواص قیر استفاده می‌شوند(Ait-Kadi و همکاران1996،Fawcett و Mc Nally 2001،Navarro و همکاران 2004،Garcia-Morales و همکاران 2004).یک افزودنی قیر باید باعث بهبود خصوصیات بایندر در هر دو شرایط سرویس‌های دماپایین و سرویس‌های دمابالا شود(Zanzotto و همکاران 2000).درنتیجه باید دارای قدرت کافی برای مقاومت در  برابر بارهای ترافیکی در دماهای بالا که ممکن است باعث تغییر شکل دائمی شود را داشته باشد و همچنین انعطاف‌پذیری کافی را برای جلوگیری از تنش‌های حرارتی بیش‌ازحد در دماهای روسازی پایین را دارا باشد.علاوه بر آن باید توانایی تحمل حرارتی در زمان سرویس را بدون شکست و یا تغییر شکل داشته باشد(Ait-Kadi و همکاران1996).علاوه بر این عامل اصلاح‌کننده قیر باید به‌راحتی در یک مخلوط با ویسکوزیته زیاد در دمای سرویس مخلوط شود.می‌بایست دارای ویسکوزیته‌ای باشد که اجازه استفاده از آن در تولید مواد استاندارد برای سنگ‌فرش را بدهد.علاوه بر این،باید دارای مقاومت بسیار زیادی در برابر نور ماوراءبنفش،فعل‌وانفعالات حرارتی و آب،عدم شسته شدگی مواد تشکیل‌دهنده آن‌که برای محیط‌زیست مضر می‌باشد بوده و به‌راحتی نیز در دسترس باشد(Garcia-Morales و همکاران2004).

پلیمرهایی که به‌طورمعمول برای اصلاح قیر مورداستفاده قرار می‌گیرند شامل کو پلیمرهای استایرن-بوتادین-استایرن (SBS)،اتیلن وینیل استات (EVA)،پلی‌اتیلن(LDPE،HDPE و غیره) و پلیمرهای ضایعاتی(پلاستیک‌های ضایعاتی مصرف‌شده در کشاورزی،تایر لاستیکی خورد شده و غیره) می‌باشند.در اغلب پلیمرها،فرایند مخلوط ممکن است اثر قابل‌توجهی بر مشخصات فنی حاصل از ترکیب و همچنین در هزینه‌های کل عملیات داشته باشد(Luو Isacsson،2001).بدین ترتیب فرایند حرارتی برش بالا(170-180درجه سانتی گراد)برای کاستن تفاوت ویسکوزیته بین پلیمر و قیر برای به دست آوردن پراکندگی پلیمری مناسب ضروری می‌باشد.درنتیجه،بایندر نهایی ممکن است تحت یک پیرشدگی اولیه که عمدتاً به دلیل اکسیداسیون ترکیبات مالتن و تخریب پلیمری قرارگرفته که منجر به کاهش عملکرد مکانیکی مورد انتظار بایندر قیری شود(Fawcett و Mc Nally 2001، Luو Isacsson 2001،Airey 2003).علاوه براین استفاده از پلیمرها با وزن مولکول بالا ممکن است منجر به ایجاد عملکرد ترمودینامیکی ناپایدار قیر اصلاح‌شده شود و به‌راحتی جدایش فازی در طول ذخیره‌سازی در دمای بالا رخ دهد.

به‌عنوان یک جایگزین،استفاده از پلیمرهای واکنشی به‌عنوان اصلاح‌کننده‌های بایندر مورد ارزیابی قرارگرفته است. این پلیمرهای واکنشی ارزان‌تر،برای مخلوط شدن راحت‌تر و دارای سازگاری بیشتری با قیر نسبت به پلیمرهای استاندارد است؛زیرا توانایی تشکیل پیوند شیمیایی با بعضی از ترکیبات قیر رادارند و درنتیجه باعث تغییر در ساختار و خصوصیات بایندر نهایی می‌شوند.به‌تبع آن استحکام بایندر اصلاح‌شده افزایش‌یافته ،منجر به کاهش حساسیت دمایی شده و پایداری ذخیره‌سازی را بهبود می‌بخشد (2005،TrakarnprukوChanathup).مثال‌هایی از پلیمرهای واکنشی استفاده‌شده برای برنامه‌های کاربردی قیر شامل پلی اتیلن-کو-متیل اکریلات،Terpolymerهای اتیلن،گلیسیدیل متا کریلات حاوی حلقه‌های اپوکسی و گروه استر،معمولاً متیل،اتیل یا بوتیل اکریلات،پلیمرهای مبتنی بر ایزوسیانات،رزین‌های فنولیک و غیره است.

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

اصلاح قیر به‌وسیله پلیمرهای واکنشی مبتنی بر ایزوسیانات

شکست امولسیون قیری اصلاح شده پلیمری PMBE

همانطور كه در بخش پيش ، اظهار شد PMBEها و امولسيون هاي اصلاح نشده در برخي از خصوصيات بسيار به هم شبيه هستند ؛ بجز خصوصيات بايندر آن ها. اين امر در مورد خصوصيات شكست نيز اعمال مي شود كه در يك چهارچوب نظري مشابه براي هر دونوع امولسيون در نظر گرفته مي شود. به هرحال تفاوت ها در رئولوژي بايندر و مورفولوژي ويژه (لاتكس اصلاح كننده امولسيون) هنوز هم يافت مي شود.

براي درك و فهميدن شكست امولسيون قيري ، داشتن تعريف دقيق از آنچه كه شكست معني مي شود ، لازم است. آنچه براي تعريف شكست بيان مي شودنشان دهنده مجموعه ای است از تمام حوادث كه منجر به تحول امولسيون بايندر اوليه به بايندر نهايي مي شود. انعقاد به عنوان يك مرحله خاص در طول فرايند شكست معرفي مي شود كه در آن قطرات بايندر به قطرات بزرگتر تبديل مي شود كه درمورد جزئيات آن بعداً صحبت خواهيم كرد. اين تعاريف براي شكست و انعقاد در تطابق با تعاريف مورد قبول توسط اتحاديه بين المللي شيمي محض و كاربردي مي باشد.

قطرات اوليه بايندر داراي عمر محدود بوده و تمايل به انعقاد دارند. در اينجا ثبات باید به عنوان پايداري ترمودینامیکی تعبير و تفسير گردد نه به عنوان پايداري ذخيره سازي (Lesueur,Pohi-2004). امولسيون را هنگامي پايدار مي نامند كه قطرات ، هويت خود را به عنوان مخالف يك امولسيون ناپايدار در جايي كه قطرات تمايل به انعقاد براي تشكيل فرم نهايي بايندر دارند را حفظ كنند.از این رو،شکست امولسیون را می توان از نظر عقلانی به عنوان یک نتیجه از دو رویداد توصیف کرد(شکل 4-2):

1. ناپدید شدن دافعه الکترواستاتیک بین قطرات(انقباض ژله ای)

2. غلظت قیر بسیار بالا(تشکیل فیلم)

شكل شماره 4-2      مسیرهای شکست امولسیون قیری.انقباض ژله ای می تواند بر اثر واکنش بین ذرات فعال شده و یا با حضور عامل شکست (مانند آهک هیدراته و یا سیمان)این امر محقق شود

اولین مورد منتهی شدن به شکست بوسیله انقباض ژله ای با امولسیون های کاتیونی متداول تر است.گاهی اوقات عامل شکست به منظور ترویج بی ثباتی استفاده می شود.مانند آهک هیدراته و یا سیمان(Cross 1999 – Niazi , Jalili 2009).

توجه داشته باشید که شیر بسیار پایداری از آهک با 45 درصد کسرجامد در حال حاضر دردسترس بوده و به عنوان یک عامل شکست امولسیون در ریز رویه ها(Microsurfacing) و یا Tack coatها استفاده می شود.هنگامی که یک امولسیون طی انقباض ژله ای شکست،سینتیک تشکیل فیلم بایندر به وسیله سه پارامتر اداره می شود(Bonakdarو همکاران 2001):

• ویسکوزیته بایندر: یک بایندر نرم و یا یک بایندر نرم شده توسط عامل گدازنده بسیار سریع تر از نوع سخت آن منعقد می شود.دمای بالا به سود تشکیل فیلم است زیرا باعث کاهش ویسکوزیته قیر می شود.

• اندازه ذرات: وجود ذرات درشت باعث سینتیک آهسته تر انقباض است.

• کشش سطحی آب-بایندر: کشش و تنش بالاتر به معنای سینتیک سریع تر می باشد.

حضور سورفاکتانت بومی در برخی از قیرها،بسته به منشأ آن، به عنوان ارتباط دهنده سریعتر سینتیک شکست شناخته شده است. (Chaverot و همکاران 2008)

عامل دوم که در آن تبخیر ، یک نیروی محرکه برای شکست است نمونه ای از امولسیون های آنیونی است.با توجه به خطر موجود بر اثر عامل آب و هوایی که باعث تحریک در شکست امولسیون می شود تکنولوژی های معتبر بیشتر بر پایه شکست به وسیله انقباض ژله ای استوار شده اند. به هرحال شرایط مطلوب آب و هوایی ( به عنوان مثال گرم و خشک) معمولاً باعث شتاب در سینتیک شکست حتی برای طرح انقباض ژله ای است. به هر حال باید توجه داشته باشید که باید از تبخیر با سرعت زیاد اجتناب شود زیرا تبخیر آب می تواند باعث تشکیل یک پوسته ضد آب شود. (Lesueur و همکاان 2003). راه حل قابل ارائه در این حالت ممکن است در کاهش ضخامت فیلم امولسیون بوده ( فقط برای کاربردهایی مانند Chipseals) و یا صبر برای ایجاد شرایط خفیف تر دمایی (بطور مثال اجتناب از کار در ساعات گرم روز).

در تمامی موارد ، مورفولوژی فیلم بایندر نهایی وابسته به درجه حرارت می باشد. همانطور که در بخش قبلی توضیح داده شد روش خشک کردن سریع در آزمایشگاه می تواند باعث هدایت مورفولوژی شود این امر بخصوص درمورد امولسیون های اصلاح شده با لاتکس صدق می کند. (شکل 5-2)

هرگونه تلاش برای سرعت بخشیدن به فرایند شکست مصنوعی از طریق ایجاد شرایط خشک کردن بیش از حد وسریع ممکن است باعث از بین رفتن مورفولوژی امولسیون اصلاح شده با لاتکس گردد.این مورفولوژی خاص و منحصر بفرد امولسیون اصلاح شده با لاتکس است.

به عنوان نتیجه گیری،محتوای پلیمر کمتر از 2تا3درصد وزنی می تواند تفاوت های بزرگی در خصوصیات رئولوژیکی بایندر بهبود یافته وارد کند.برای داشتن فاز پلیمر پیوسته به بیش از 6 درصد وزنی PMB ساخته شده طی فرآیند گرم نیاز است.(Lesueur 2009).این امر به وضوح در کار Forbes و همکاران به اثبات رسیده است که در آن از مسیرهای مختلفی برای ساخت PMBE استفاده شده که از نظر مورفولوژی بایندر مورد مطالعه قرار گرفته اند.همان پلیمر یا به صورت یک لاتکس برای بدست آوردن                  

  Co-emulsification و یا  Post-addition  مورد استفاده قرار گرفته و یا با قیر برای داشتن امولسیون PMB مخلوط شده است(شکل 6-2).

با سه درصد وزنی همان قیر و پلیمر در تمام موارد،فاز غنی پلیمر پیوسته از امولسیون اصلاح شده با لاتکس بدون در نظر گرفتن مسیر انتخاب شده بدست می آید   (مانند Post  و یا Pre-addition).

شكل شماره 5-2      مسیر شکست امولسیون اصلاح شده با لاتکس.پس از شکست،قطعات کوچک لاتکس به وسیله ذرات بزرگتر محبوس می شوند(a).این امر در نهایت باعث ایجاد یک شبکه پلیمری پیوسته اطراف ذرات قیر می شود(b).اسکن نمایش داده شده از امولسیون اصلاح شده با لاتکس به وسیله میکروسکوپ الکترونی(c).در این مورد اخیر،نمونه تحت تاثیر O_sO₄ برای ساخت یک پلیمر غیر محلول قرار گرفته و قیر آن بوسیله MEK (متیل اتیل کتون)استخراج شده است.

شكل شماره 6-2      تاثیرات مسیر انتخاب شده بر مورفولوژی بایندر باقیمانده.پلیمر در تمامی موارد حضور دارد و به تعداد 3 درصد وزنی به قیر 180/220 اضافه شده است.در مورد اول(a) پلیمر به فرم لاتکس اضافه شده و یک                   Co-emulsified را با قیر تشکیل می دهد.این یک شبکه غنی پلیمر پیوسته را تشکیل می دهد.در مورد دوم (b) پلیمر برای تشکیل یک PMB ابتدا به قیر با یک فاز غنی آسفالتن پیوسته با اجزاء غنی پلیمر اضافه می شود.توجه داشته باشید که اندازه ذرات اجزاء غنی پلیمر کوچکتر از ذرات PMB اصلی می باشد.(Forbes و همکاران 2001)

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

موارد استفاده از امولسیون قیری اصلاح‌شده پلیمری

قیر اصلاح‌شده با پلیمر

مفهوم ساختن،مخلوط کردن و با آلیاژ کردن دو یا چند ماده برای شکل دادن یک محصول واحد با خصوصیات فیزیکی متفاوت نسبت به مواد تشکیل‌دهنده امر تازه‌ای  نیست.خصوصیات مکانیکی،الکتریکی،شیمیایی و دیگر مشخصات به‌وسیله رفتارهای فازی تبیین می‌شوند.به‌طور مثال از ترکیب فلز روی با مس یک فرم فازی واحد تشکیل می‌شود که آلیاژ برنج نامیده شده و دارای خصوصیات مکانیکی برتر نسبت به هر دو جزء تشکیل‌دهنده خود می‌باشد.مخلوط‌های پلیمری (Polyblends) مخلوط‌های فیزیکی از هومو و یا کوپلیمرها با ساختارهای متفاوت هستند.Bates در سال 1991 و Paul در سال 1980 مطالعاتی در مورد رفتار فازی پلیمر-پلیمر و قابلیت امتزاج پلیمر-پلیمر(قابلیت آمیختن و اختلاط بدون از دست دادن خواص خود)داشته‌اند.

همگنی و یکدستی در مخلوط به حرارت و آنتروپی اختلاط بستگی دارد.وضعیت امتزاج در مخلوط به‌وسیله انرژی آزاد اختلاط اداره می‌شود. (?G_mix)

فرمول 1-1                            

?H_mix،آنتالپی اختلاط است، ?S_mix تغییرات آنتروپی در اختلاط و T درجه حرارت مطلق است.

شرط لازم برای امتزاج این است که 0>G_mix و   باشد.که ϕ کسر مولی از یک جزء می‌باشد.

در فرمول 1-1 آنتروپی ترکیبی اختلاط بستگی به تعداد مولکول‌ها در واحد حجم طبق فرمول زیر اداره می‌شود:

فرمول 1-2                            

که با افزایش وزن مولکولی کاهش می‌یابد.مفهوم آن این است که هنگامی‌که اجزاء مخلوط پلیمرها هستند(به‌عنوان‌مثال مولکول‌های بزرگ)تغییرات آنتروپی در واحد حجم بسیار کوچک خواهد بود و درجه حرارت اختلاط( ?H_mix)  به‌تنهایی یکدستی و همگنی مخلوطرا تعیین می‌کند.درجه حرارت اختلاط تا حد زیادی ناشی از انرژی‌های پیوند(به‌طور مثال پیوندهای هیدروژنی)بین زنجیره‌های پلیمری مجاور هم می‌باشد.به‌طورکلی پلیمرها تمایل امتزاج با یکدیگر را ندارند،به‌استثنای مخلوط‌های پلی استایرن و اکسید پلی فنیلن.

اضافه کردن عوامل سازگار کننده پلیمرها ویا کنترل فاز مورفولوژی در طول فرآوری می‌تواند به امتزاج کمک کند.

قیر یکی از مواد ترموپلاستیک کم‌هزینه و مهم است که کاربردهای بسیاری در ساخت‌وساز و مهندسی مواد دارد.به‌هرحال قیر ازلحاظ خصوصیات مکانیکی ضعیف بوده زیرا در دماهای کم سخت و شکننده است و در محیط‌های گرم،نرم و روان می‌شود.یکی از روش‌های بهبود عملکرد قیر ترکیب آن با پلیمرهای مصنوعی است.تعداد زیادی از پلیمرها برای اصلاح قیر مورداستفاده قرارگرفته‌اند که شامل پلی‌اتیلن‌ها،پلی الیفین ها،هوموپلیمرها وکوپلیمرهای استایرن،آینومرها،اتیلن وینیل استات ها و کوپلیمرهای اکلیریک،لاستیک(رابر)،مخلوط‌های پلیمری و خیلی مواد دیگر می‌باشد.اخیراً علاقه شدیدی برای استفاده از پلاستیک بازیافتی و یا ضایعات پلاستیکی ازجمله تایرهای لاستیکی برای اصلاح قیر به وجود آمده است.

پلی‌اتیلن به‌عنوان یک اصلاح‌کننده جذاب برای قیر که در صنعت جاده‌سازی و عایق‌کاری پشت‌بام کاربرد دارد اثبات‌شده است.این امر دارای چندین دلیل می‌باشد ولی مهم‌ترین آن کم‌هزینه‌تر بودن این ماده نسبت به سایر اصلاح‌کننده‌هاست.به‌هرحال افزایش قیمت پلیمرهای بکر محققین را واداشت که در مورداستفاده از پلیمرهای بازیافتی و یا ضایعات پلیمر با قیر مطالعاتی را انجام دهند. Tappeiner و Male مدت‌ها پیش در سال 1993 فهمیدند که اضافه کردن پلیمرها بازیافتی با چگالی کم (LDPE) به قیر بسیار مفیدتر و دارای مزیت‌های بیشتری است تا اضافه کردن (LDPE) های بکر به آن.

مزایای دیگر آن شامل استحکام کششی بیش‌تر،افزایش خاصیت ضربه‌گیری،افزایش مقاومت در برابر خستگی و کاهش درجه حرارت شکنندگی است.علاوه بر این متوجه شدند که،اضافه کردن بیش از 20 درصد وزنی سایر پلیمرها به همراه LDPE های بازیافتی به قیر هیچ اثر سوء بر روی خصوصیات قیر اصلاح‌شده ندارد.

پراکندگی پلی‌اتیلن‌ها در قیر به‌آسانی در دمای 140 تا180 درجه سانتی گراد و تحت شرایط برش بالا(High shear) انجام می‌پذیرد.ذرات پلی‌اتیلن مذاب به‌تدریج جذب ترکیبات آلیفاتیک قیر شده و تا حدی حل می‌شوند که تشکیل یک فرم کشسان و الاستیک با ویسکوزیته بالا دهند.همچنین باعث افزایش نقطه نرمی شده،به‌خصوص در بارگذاری‌های بالاتر از پلی‌اتیلن.

Jew و همکاران نشان دادند که پراکندگی پلی‌اتیلن‌های اصلاح‌کننده را می‌توان تثبیت کرد و عملکردش را توسط شرایط اختلاط و حضور عوامل پراکنده‌کننده مانند کو پلیمرهای مسدودکننده(به‌طور مثال استایرن-بوتادین-استایرن) تحت تأثیر قرارداد.حضور یک کوپلیمر مسدودکننده برای کمک بیش‌تر در استحکام،کشیدگی و سختی است ولی باعث کاهش اندک مودول هم می‌شود.یکی از ضررهای PE های اصلاح‌کننده قیر این است که ذرات پلی استایرن تمایل به حرکت به سمت لایه سطحی قیر مایع رادارند.اخیراً Polacco و همکاران گزارش دادند که خصوصیات مکانیکی و رئولوژیکی طیف وسیعی از پلی‌اتیلن‌های عامل دار و غیرعامل دار و اختلافات فراوان ای را در برهم‌کنش‌های پلیمر-قیر مشاهده کرده‌اند.

استفاده از ترموپلاستیک های الاستومر برای اصلاح قیر به‌سرعت در حال رشد است.این مواد رفتار پلیمرهای خطی را در طول عملیات پرحرارت به‌عنوان رابرهای ولکانیزه در دمای محیط رادارند.انواع کلی رابرهایی که برای اصلاح خواص قیر مورداستفاده قرار می‌گیرند شامل استایرن-بوتادین رابر(SBR)،پلیمرهای شبکه‌ای،ترموپلاستیک رابرها مانند استایرن-بوتادین-استایرن(SBS) و استایرن-ایزوپرن-استایرن(SIS) و اولیفینیک رابرها ست.Bahl و همکاران به این نتیجه ریدند که هنگامی یک الاستومر ترموپلاستیک از کو پلیمرهای نوع مسدودکننده استایرن به قیر داغ اضافه کنیم،بلافاصله بعدازآن نفوذ به ذرات پلیمر آغازشده و دامنه استایرن رابرها متورم می‌شود.تحت تأثیر برش ،پلیمرهای متورم شده شروع به حرکت و پراکندگی در قیر می‌کنند(شکل 5-1).

Bull و همکاران فرض را بر این گذاشتند که پلی استایرن مسدودکننده SBS،به دامنه‌های کوچک‌تری متراکم شده که به‌صورت اتصالات عرضی فیزیکی برای پلی بوتادین مسدودکننده حد واسط به‌منظور تشکیل یک شبکه الاستومری تبدیل می‌شوند.Bull و Vonk فاز مورفولوژی مخلوط SBS –قیر را موردبررسی قرار داده و نشان دادند که چگونه ترکیبات قیر در دو فاز با الاستومرهای SBS آمیخته‌شده و تحت تأثیر خواص ترکیبی و خصوصیات هر فاز قرار می‌گیرد.

آن‌ها با بررسی بسیاری از عوامل به این نتیجه رسیدند که:

• ترکیب‌بندی قیر عامل مؤثر در خصوصیات مخلوط می‌باشد.

• خصوصیات مخلوط تا حد زیادی توسط فازهای تشکیل‌دهنده مدیریت می‌شود.

• مخلوط دو الاستومر با قیر درصورتی‌که وزن مولکولی آن‌ها شبیه هم باشد ممکن است تشکیل یک شبکه واحد دهند.

• قیر آروماتیسته بالا و دارای وزن مولکولی پایین،مخلوطی با نقطه نرمی پایین تشکیل می‌دهد.

شکل شماره 5-1    مراحل مخلوط شدن SBS در قیر-Bull و Vonk 1988

Rozeveld و همکاران مطالعاتی را در مورد شبکه مورفولوژی تعدادی از رابرها مبتنی بر استایرن و مخلوط‌های الاستومر قیر را انجام دادند.این مؤلفان یک شبکه از فیبرهای متشکل از آسفالتن ها / میسل های رزین با وزن مولکولی بالا را ارائه کردند.میکروسکوپ‌های اتمی و میکروسکوپ‌های کانفوکال لیزری اطلاعات مفیدی در مورد ریزساختارهای قیر و پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر ارائه دادند.(Jager و همکاران2004-Loeber و همکاران1996-Forbas و همکاران2001)

Heimerikx اثبات کرد که مورفولوژی SBS و ترکیبات قیر یک اثر قابل‌توجهی بر خصوصیات قیرهای اصلاح‌شده دارند.قیرهای اصلاح‌شده با SBS،کاربردهای بسیار زیادی پیداکرده‌اند.به‌طور عمده در صنعت جاده‌سازی و عایق‌کاری پشت‌بام‌ها؛با یک ترکیب معمولی شامل 3 تا 15 درصد وزنی SBS.

Valkering و Vonk نشان دادند که اصلاح قیر به‌وسیله کو پلیمرهای SBS خطی،  منجر به تغییرات قابل‌توجهی در خصوصیات رئولوژیکی قیر می‌شود(حتی در درصدهای وزنی کم‌تر از 3 درصد).این تغییرات مفید به توسعه فاز غنی از پلیمر نسبت داده می‌شود.

خصوصیات رئولوژیک و ویسکوالاستیک طیف وسیعی از پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر موردمطالعه قرارگرفته‌اند که فقط شامل SBS ها نمی‌شوند.به‌طور مثال شامل EVA،PP،PEو مخلوط‌های PE می‌باشد.عملکرد  SBSاصلاح‌کننده قیر هنگامی‌که در جاده‌سازی و عایق‌کاری پشت‌بام‌ها به‌کاربرده می‌شود یک موضوع اصلی و مهم برای تحقیق می‌باشد.به‌طور مثال Vonk و همکاران مقاومت در برابر پیری را در قیرهای اصلاح‌شده با SBS که به‌عنوان بایندر در جاده‌ها به‌کاربرده شده است را موردمطالعه قراردادند.بهبود خصوصیات(مانند بهبود انعطاف‌پذیری در دماهای پایین،مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی و مقاومت در برابر فرسایش)به‌وسیله SBSهای اصلاح‌کننده به دست می‌آید.به‌هرحال گرمایش بیش‌ازحد SBSهای اصلاح‌کننده قیر ممکن است منجر به ایجاد حالت ژله‌ای شود.به همین خاطر S(EB)Sهای اصلاح‌کننده قیر ممکن است برای مکان‌هایی که شرایط گرمایی شدید غالب است مفیدتر باشد.{ S(EB)S =استایرن-اتیلن+بوتایلن-استایرن}

مخلوط پلیمرها ازجمله SBSها با قیر ازلحاظ ترمودینامیکی ناپایدار می‌باشد و جدایش فازی در دماهای بالا اتفاق می‌افتد  که درنتیجه موجب کاهش خواص قیر می‌شود. تلاش‌های زیادی برای تمرکز بر روی بهبود پایداری حرارتی این مخلوط‌ها انجام‌گرفته است. یکی از این تلاش‌ها که بر پایه شکل‌گیری تعاملات یونی قابل‌برگشت بین قیر و SBS می‌باشد،توسط Engle و همکاران در سال 1991 انجام‌گرفته است.

قیر و SBS به‌وسیله پیوند در گروه‌های کربوکسیلیک اسید مخلوط اصلاح شیمیایی شده و سرانجام گروه‌های اسیدی به‌وسیله روی استات دی هیدارت خنثی می‌شود. هیچ‌گونه فاز جدایش ماکروسکپی در مخلوط حاصله در زیر میکروسکوپ نوری مشاهده نشد. امروزه بیشتر مطالعات بر روی استفاده از پلیمرهای واکنشی برای اصلاح خصوصیات مورفولوژی و رئولوژیکی و تثبیت پایداری قیر متمرکزشده است.

حاصل قیرهای اصلاح‌شده افزایش مقاومت شیار شدگی و ثبات قیر است. Morisson و همکاران  ترکیبات مختلفی از پلی‌اتیلن‌های کلردار را با قیر موردبررسی قرار داده و سعی در بهبود سازگاری بین دو جزء تشکیل‌دهنده به‌وسیله اضافه کردن مقادیر کوچک کاتالیست های Friedel-Craft و آلومینیوم‌تری کلراید بی‌آب کردند. کاتالیست برای وادار کردن انجام واکنش بین پلیمر و فاز قیری اضافه می‌شود.

بهبود سازگاری بین پلی‌اتیلن کلردار و قیر مشاهده‌شده که باعث افزایش قابل‌توجه خصوصیات در دمای بالا و دمای پایین می‌شود. هر دو پلیمر ترموپلاستیک و ترموسیتینگ (قابل سفت شدن در برابر حرارت) مورداستفاده قرارگرفته و بهبود قابل‌توجهی در خصوصیات مشاهده‌شده است ، مخصوصاً در افزایش نقطه نرمی و بهبود سفتی ، بهبود حالت پذیری در دماهای پایین و تر شوندگی.

خصوصیات مخلوط قیر – پلیمر ممکن است به‌وسیله اصلاح سازی شیمیایی هر یک از پلیمرها (کلرزنی – سولفوناسیون) و یا قیر توسط پیوند پلیمر بر روی قیر بهبود یابد. نتیجه اصلی این‌گونه اصلاحات ، افزایش سازگاری بین پلیمر و قیر می‌باشد. هنگامی‌که مواد گرماسخت (Thermoset) با قیر مخلوط شوند،خصوصیات مکانیکی پیشرفته و ازدیاد طول در نقطه شکست به دست می‌آید.

اپوکسیدها و رزین‌های پلی اورتان هنگامی‌که با قیر مخلوط می‌شوند ، استفاده‌های گسترده‌ای پیدا می‌کنند  مخصوصاً در رنگ‌های ضد خوردگی. اخیراً تلاش‌هایی در جهت اصلاح قیر خودبه‌خود و یا اصلاح مخلوط قیر-پلیمر توسط سیلیکات‌های ورقه‌ای         (نانو رس‌ها) انجام‌گرفته است. مخلوط سه‌تایی از پلیمر ، نانو رس و قیر می‌تواند به‌وسیله تکنیک فرآوری پلیمری متداول آماده شود. Sureshkumar و همکاران نشان دادند که نانو رس‌ها می‌توانند در عمل ، به‌عنوان یک سازگار کننده برای مخلوط قیر-EVA عمل کرده و باعث تغییر رفتار رئولوژیکی سیستم شود. افزودن نانو رس‌ها باعث بهبود بیشتر خاصیت پایداری در مخلوط قیر – SBS می‌شود.

رفتار رئولوژیکی و خصوصیات ویسکوالاستیک قیر و پلیمرهای اصلاح‌کننده بسیار مهم می‌باشد. رئولوژی تعدادی از پلیمرهای اصلاح‌کننده سیستم قیر تاکنون با جزئیات موردبررسی قرارگرفته است مخصوصاً Polacco و همکاران، رابطه بین پلیمرهای معمار و رفتار ویسکوالاستیک های غیرخطی آسفالت‌های اصلاح‌شده را توصیف کردند. و سودمند بودن رئولوژی را در تعیین شکل‌گیری ساختارهای شبکه‌ای اثبات کردند.

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

مقدمه‌ای بر قیر اصلاح‌شده پلیمری

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