دسته: قیرهای اصلاح شده و پلیمری

تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر

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

Posted on by
Share

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       تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر

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.

تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیرشکل 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

تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر

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        تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر

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

فرمول 3       تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر

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 Pi با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

 فرمول 4               تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر

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

تست نفوذپذیری و رفتار حرارتی قیر

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

ما مشاهده کردیم که محدوده Pi 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، Pi یک شاخص تبعیض‌آمیز برای طبقه‌بندی رفتار رئولوژیکی قیر است. به‌طور مثال، مقدار Pi قیر دمیده بزرگ‌تر از 1+ و مقدار Pi قیرStright-run،بین مثبت 1 و منفی 1است. فقط مواد بسیار حساس مانند قیر زغالی، Pi کم‌تر از 1- دارند. مقدار Pi بزرگ‌تر از 2+ نشان‌دهنده قیر ژله‌ای است درحالی‌که Pi 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 و روش آزمون در ارزیابی عملکرد قیر اصلاح شده با نانو سیلیکا و ساسوبیت

Posted on by
Share

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.

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

جدول 1   آنالیز نانو سیلیکا

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

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.

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

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.

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

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.

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

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

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

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

نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

Posted on by
Share

نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

تأثیرات عوامل بر روی S/N

شکل شماره 1 نشان‌دهنده اثر دمای اختلاط، زمان اختلاط، مقدار خرده تایرهای لاستیک و سرعت اختلاط بر روی شاخص نفوذ PI است. همان‌طور که مشاهده می‌شود مقدار بیشینه PI در دمای اختلاط 150 درجه سانتی گراد به دست می‌آید. درنتیجه افزایش زمان اختلاط و مقدار خرده تایرهای لاستیکی، PI نیز افزوده می‌شود. شاخص نفوذ PI با سرعت اختلاط رابطه معکوس داشته و با افزایش سرعت اختلاط، PI کاهش می‌یابد. همان‌طور که در شکل شماره 1 دیده نی شود، شرایط بهینه اختلاط در دمای اختلاط 150 درجه سانتی گراد، مدت‌زمان اختلاط 120 دقیقه، مقدار خرده تایر لاستیکی به میزان 10 درصد وزنی قیر و سرعت اختلاط 250 دور در دقیقه به دست می‌آید.

نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

شکل 1   میانگین اثر عوامل

ارزیابی آماری نتایج آزمون

ANOVA یک آنالیز آماری مهم و ابزار تشخیص است که به ما برای کاهش خطای واریانس کمک می‌کند. ستون تحت %P ایده‌ای را در مورد درجه مشارکت عوامل بر روی پاسخ‌های اندازه‌گیری شده می‌دهد. اگر %P بالا بود، سهم عوامل در پاسخ‌های خاص بیش‌تر است. بدین ترتیب، درصورتی‌که %P کم بود، سهم عوامل در پاسخ‌های خاص کم‌تر است. (Srinivasan و همکاران 2003).

نتایج ANOVA قبل از ادغام همان‌طور که در جدول شماره 5 نشان داده‌شده بیان می‌کند که ،مقدار خرده تایرهای لاستیکی و سرعت اختلاط نقش قابل‌ملاحظه‌ای بر روی PI بازی می‌کند. به‌هرحال به دلیل آنکه اثر زمان و سرعت اختلاط قابل‌اغماض است آن‌ها را در جدول شماره 6 ادغام کردیم. سهم پارامترها بر PI  بیشینه در جدول شماره 6 ارائه‌شده است. مقادیر پارامترهای ارائه‌شده در جدول شماره 7 شرایط بهینه‌ای است که در آن PI بیشینه به دست می‌آید. مقادیر عددی نقاط ماکزیمم در هر نمودار، بهترین مقدار از پارامتر مخصوص است. مقدار ماکزیمم برای هر پارامتر در جدول شماره 7 ارائه‌شده است. علاوه بر این درصورتی‌که نقشه آزمون ارائه‌شده در جدول شماره 4 به‌خوبی مطالعه شود، مشاهده می‌شود که آزمایش مربوط به شرایط بهینه (A:1 B:3 C:3 D:1) در طول کار آزمایشگاهی انجام نمی‌پذیرد. در این آزمون تست تائید، موردنیاز بوده و مرحله مهمی درروش تاگوچی است؛ بنابراین باید در نظر داشت که مقدار 11/2 S/N که در جدول شماره 7 ارائه‌شده یک نتیجه پیش‌بینی‌شده با استفاده از فرمول 2 است. برای تست نتیجه پیش‌بینی‌شده، آزمایش تائیدیه به تعداد دو بار در شرایط کاری بهینه انجام‌گرفته است. از میانگین نتایج آزمون تائیدیه، مقدار S/N به میزان 11/4 به‌دست‌آمده است. همان‌طور که دیده می‌شود نتیجه آزمون تائیدیه به‌دست‌آمده بسیار نزدیک به PI پیش‌بینی‌شده است.

                       نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

بنابراین می‌توان گفت که اثرات تعاملی عوامل بر روی PI بایندر بسیار ناچیز بوده و همچنین ثابت‌شده که روش تاگوچی را می‌توان با موفقیت در آزمون  PI با تعداد بسیار محدود آزمایش و در مدت‌زمان کوتاه به کار گرفت.

نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

جدول 5   نتایج ANOVA قبل از ادغام

نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

جدول 6   نتایج ANOVA بعد از ادغام

نتایج و مباحث بهینه سازی حساسیت دمایی قیر توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی با استفاده از روش Taguchi

جدول 7   آمار عملکرد در شرایط بهینه

نتیجه‌گیری

نتایج زیر را می‌توان از این مطالعه استنباط کرد:

  • طبق جدول ANOVA، مهم‌ترین پارامتر مؤثر بر روی حساسیت دمایی، مقدار خرده تایرهای لاستیکی استفاده‌شده است.

  • شرایط بهینه که باعث به حداکثر رسیدن شاخص نفوذ PI می‌شود شامل: دمای اختلاط 150 درجه سانتی گراد، مدت‌زمان اختلاط 120 دقیقه، خرده تایرهای لاستیکی به میزان 10 درصد از وزن کل قیر و سرعت اختلاط 250 دور در دقیقه است.

  • در شرایط بهینه در حدود 85 درصد بهبود در حساسیت دمایی بایندر حاصل می‌شود.

  • مشاهده‌شده که نتایج آزمون تائیدیه در مواردی با نتایج پیش‌بینی‌شده توسط روش تاگوچی مشابهت دارد. این امر دلیلی بر مؤثر بودن روش تاگوچی است و نشان می‌دهد که استفاده از آن مقرون‌به‌صرفه است.

  • روش تاگوچی را می‌توان در مطالعات تجربی مشابه به‌عنوان جایگزین روش‌های طراحی آزمایش مرسوم و گران‌قیمت به کار گرفت.

بهینه‌سازی حساسیت دمایی قیر اصلاح‌شده توسط تایرهای لاستیکی ضایعاتی

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

Posted on by
Share

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

مباحث و نتایج پیرامون اصلاح خصوصیات قیر با نانو سیلیکا

مباحث و نتایج پیرامون اصلاح خصوصیات قیر با نانو سیلیکا

Posted on by
Share

مباحث و نتایج پیرامون اصلاح خصوصیات قیر با نانو سیلیکا

خزش برشی

نتایج آزمون خزش برای دمای 50 درجه سانتی گراد در شکل شماره 10 نشان داده‌شده است. در هر چرخه بارگذاری، زمان بارگذاری و بازیابی به ترتیب معادل 1 ثانیه و 9 ثانیه بوده و این چرخه برای 20 نوبت تکرار شده است (10 چرخه با بارگذاری 100pa و 10 چرخه با بارگذاری 3200pa). کرنش الاستیک آنی آسفالت در طول مراحل بارگذاری گسترش‌یافته و کرنش ویسکوالاستیک آسفالت به‌عنوان کرنش خزشی انباشته‌شده در زمان تخلیه محاسبه‌شده است. کرنش الاستیک آنی آسفالت بعد از تخلیه بار محوشده و کرنش الاستیک تأخیری به‌تدریج بازیابی می‌شود (Wang 2011). کرنش ویسکوالاستیک غیرقابل‌بازیابی یک کرنش دائمی است (Wang و همکاران 2011). تجزیه‌وتحلیل داده‌ها نشان می‌دهد که افزایش مقدار نانو سیلیکا و پیری در RTFO، اثر قابل‌توجهی در کاهش سطح کرنش دائمی دارد. همان‌طور که در شکل شماره 10 نشان داده‌شده است، روند در میان چرخه‌های مختلف ثابت است. به‌هرحال، مجموع سطح فشار دائمی با افزایش تعداد چرخه‌ها، افزایش می‌یابد.

مباحث و نتایج پیرامون اصلاح خصوصیات قیر با نانو سیلیکا-نتایج آزمون خزش برای نمونه اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده در دمای 50 درجه سانتی گراد. (A) بایندر آسفالت اصلاح‌شده و دست‌نخورده پیر نشده. (B) بایندر آسفالت اصلاح‌شده و دست‌نخورده پیر شده

شکل 10    نتایج آزمون خزش برای نمونه اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده در دمای 50 درجه سانتی گراد. (A) بایندر آسفالت اصلاح‌شده و دست‌نخورده پیر نشده. (B) بایندر آسفالت اصلاح‌شده و دست‌نخورده پیر شده

طیف‌سنجی تبدیل فوریر مادون‌قرمز (FTIR)

نتایج FTIR نشان می‌دهد که نانو سیلیکا می‌تواند مقاومت در برابر پیری قیر را با کاهش سطح کربوکسیلیک اسیدها و سولفوکسیدها در نمونه اصلاح‌شده با نانو سیلیکا در مقایسه با نمونه اصلاح‌نشده بهبود می‌بخشد. اگرچه کربوکسیلیک اسیدها به‌طور طبیعی در آسفالت حضور دارند، ولی غلظت آن‌ها به‌طور چشمگیری در طول فرآیند پیرشدگی اکسیداتیو (شکل شماره 11) افزایش می‌یابد.

برای تعیین کمیت تأثیرگذاری بیش‌تر نانو سیلیکا بر کاهش پیرشدگی اکسیداتیو آسفالت، شاخص کربونیل برای هر دو نمونه اصلاح‌شده با نانو سیلیکا و اصلاح‌نشده قبل و بعد از پیرشدگی RTFO محاسبه‌شده است. همان‌طور که در جدول شماره 3 ملاحظه می‌کنید، شاخص کربونیل بایندر اصلاح‌شده با نانو سیلیکا با افزایش درصد نانو سیلیکا، کاهش می‌یابد؛ بنابراین، نانو سیلیکا می‌تواند عامل امیدوارکننده‌ای برای ایجاد تأخیر درروند پیرشدگی اکسیداتیو بایندر آسفالت باشد.

مباحث و نتایج پیرامون اصلاح خصوصیات قیر با نانو سیلیکا-آنالیز طیفی FTIR بایندر آسفالت اصلاح‌شده و دست‌نخورده. (A) بایندر آسفالت پیر نشده و (B) بایندر آسفالت پیر شده

شکل 11    آنالیز طیفی FTIR بایندر آسفالت اصلاح‌شده و دست‌نخورده. (A) بایندر آسفالت پیر نشده و (B) بایندر آسفالت پیر شده

مباحث و نتایج پیرامون اصلاح خصوصیات قیر با نانو سیلیکا-شاخص کربونیل قیر اصلاح‌شده پیر نشده و پیر شده

جدول 3    شاخص کربونیل قیر اصلاح‌شده پیر نشده و پیر شده

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

نتیجه‌گیری از مبحث بهبود خصوصیات قیر با استفاده از نانو سیلیکا

مواد و روش‌های آزمون مورداستفاده در اصلاح قیر به‌وسیله نانو سیلیکا

Posted on by
Share

مواد و روش‌های آزمون مورداستفاده در اصلاح قیر به‌وسیله نانو سیلیکا

این بخش به توصیف مواد مختلف مورداستفاده در این آزمون پرداخته و همچنین منابع هریک از مواد و روش‌های آماده‌سازی آن‌ها را شرح می‌دهد.

آماده‌سازی مواد و نمونه‌ها

قیر پایه مورداستفاده در این مطالعه از نوع قیر نفوذی AC 60/70 است. سپس این بایندر آسفالت با 2 درصد، 4 درصد و 6 درصد وزنی نانو سیلیکا ترکیب‌شده است. اختلاط به‌وسیله یک مخلوط‌کن برش بالا در 4000 دور در دقیقه و به مدت 2 ساعت انجام پذیرفت. جهت تهیه این مخلوط می‌توان ظرف آلومینیومی را با 260-250 گرم از آسفالت پر کرد و سپس آن را درون بخاری حرارتی قرارداد. هنگامی‌که دمای آسفالت به 180 درجه سانتی گراد رسید، مقدار مشخصی از نانو سیلیکا به آن افزوده‌شده و به مدت 2 ساعت دیگر ترکیب می‌شود. با استفاده از این روش یک نمونه درست نخورده و سه نمونه آسفالت اصلاح‌شده با نانو سیلیکا (NSMA) به دست می‌آید. برای سهولت در اشاره به هریک از نمونه‌ها، آن‌ها را با استفاده از کلمات مخفف NEAT(دست‌نخورده)، NSMA 2%(نمونه تهیه‌شده با 2 درصد وزنی نانو سیلیکا)، NSMA 4% (نمونه تهیه‌شده با 4 درصد وزنی نانو سیلیکا) و NSMA 6% (نمونه تهیه‌شده با 6 درصد وزنی نانو سیلیکا) نام‌گذاری می‌شود. برای اطمینان از آن‌که قطعات و ذرات نانو سیلیکا به‌صورت یکنواخت درون ماتریکس آسفالت پراکنده‌شده باشند از تصویربرداری SEM استفاده‌شده است. تصویربرداری SEM (اسکن میکروسکوپ الکترونی) آسفالت به‌طورکلی برای فهمیدن تغییرات ریزساختارهای نمونه اصلاح‌شده و برای ارزیابی ساختارهای ماتریکس ،مانند پراکندگی فیزیکی ذرات نانو سیلیکا استفاده می‌شود (کاووسی و باغبانی 2014). آنچه به‌وضوح در شکل شماره 1 دیده می‌شود ذرات نانو سیلیکایی است که به‌خوبی در ماتریکس آسفالت پراکنده‌شده‌اند.

تصویربرداری SEM ریزساختارهای نانو سیلیکا، NEAT و آسفالت اصلاح‌شده با نانو سیلیکا در بزرگنمایی 18000. A (NSMA 2%) ،B(NSMA 4%) و C(NSMA 6%)

شکل 1    تصویربرداری SEM ریزساختارهای نانو سیلیکا، NEAT و آسفالت اصلاح‌شده با نانو سیلیکا در بزرگنمایی 18000. (A (NSMA 2% و(B(NSMA 4%  و (C(NSMA 6%

روند پیرشدگی

تمام نمونه‌های بایندر آسفالت توسط آزمون RTFOT به‌منظور شبیه‌سازی اختلاط داغ در طول فرآیند تولید در کارخانه، تحت پیرشدگی قرار گرفتند. این پیرشدگی جهت ارزیابی تأثیر نانو رس بر حساسیت حرارتی قیر طی 3 مرحله انجام‌گرفته است که شامل:

بدون اعمال پیرشدگی:

ارزیابی مشخصات رفتاری قیر و نانو رس پس از اختلاط به مدت 20 دقیقه

اعمال پیرشدگی کوتاه‌مدت:

ارزیابی مشخصات رفتاری نمونه‌ای که پس از ترکیب شدن درون سینی پخش‌شده و به مدت 2 ساعت در دمای 165 درجه سانتی گراد قرارگرفته است.

اعمال پیرشدگی بلندمدت:

ارزیابی مشخصات رفتاری نمونه‌ای که پس از اختلاط به مدت 12 ساعت در دمای 90 درجه سانتی گراد  قرارگرفته است.

پس از آماده‌سازی نمونه‌ها قیر و نانو سیلیکا، آزمایش‌های درجه نفوذ، نقطه نرمی و خاصیت انگمی بر روی آن‌ها انجام و نتایج در شکل‌های شماره 2 تا 4 نشان داده‌شده است. افزودن نانو سیلیکا به قیر باعث کاهش درجه نفوذ و خاصیت انگمی و افزایش نقطه نرمی قیر می‌شود. نتایج به‌وضوح نشان‌دهنده آن است که با افزایش نانو سیلیکا حساسیت حرارتی قیر کاهش می‌یابد.

شکل 2    تغییرات شاخص پایداری نفوذ متناسب با نوع و مقدار نانو رس

شکل 3    تغییرات شاخص افزایش نقطه نرمی متناسب با نوع و مقدار نانو رس

شکل 4    تغییرات شاخص شکل‌پذیری متناسب با نوع و مقدار نانو رس

خصوصیات رئولوژیکی پویا

در این مطالعه برای اندازه‌گیری مدول و ویسکوزیته ترکیب از دستگاه رئومتر برشی پویا استفاده‌شده است. آزمون خزش برشی مکرر با یک دوره بارگذاری و بازیابی برای هر نمونه انجام‌گرفته است. آزمون خزش تحت دو نوع تنش برشی ثابت 100 و 3200 Pa برای 10 دوره با یک‌بار زمان بارگذاری و 9 بار زمان بازیابی در 50 درجه سانتی گراد انجام‌گرفته است.

طیف‌سنجی تبدیل فروسرخ فوریر (FTIR)

طیف‌سنج مادون‌قرمز را می‌توان در تبیین ساختارهای ارگانیک با شناسایی پیوندهای بین‌اتمی در ترکیبات شیمیایی به کار گرفته شود. پیوندهای شیمیایی در محیط‌های مختلف درشدت ها و فرکانس‌های مختلف جذب خواهند شد. فرکانسی که در آن جذب اشعه مادون‌قرمز به‌عنوان یک پیک نشان داده می‌شود، می‌تواند به‌طور مستقیم در ارتباط با پیوند در ساختار شیمیایی مواد باشد. هر پیوند بین‌اتمی می‌تواند طی حرکات مختلف ارتعاش یابد (کشش و یا خم شدن). جذب کششی معمولاً پیک‌های بزرگ‌تری را ایجاد می‌کند.

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

مباحث و نتایج پیرامون اصلاح خصوصیات قیر با نانو سیلیکا

اصلاح قیر با استفاده از پلیمرها

نتیجه گیری از مبحث اصلاح قیر با استفاده از پلیمرها

Posted on by
Share

نتیجه گیری از مبحث اصلاح قیر با استفاده از پلیمرها

اعم از آزمون های معمولی بایندر و یا روش های رئولوژیکی پیشرفته تر که مورد استفاده قرار گرفته اند نتایج بدست آمده از تمام آن ها دال بر این است که پلیمرهای اصلاح کننده، خصوصیات رئولوژیکی قیر را با افزایش ویسکوزیته، مدول مختلط و واکنش الاستیک افزایش می دهند. آزمون نفوذپذیری، نقطه نرمی، فراس، شکل پذیری، بازیابی الاستیک و ویسکوزیته دما بالا، افزایش سفتی و بهبود حساسیت دمایی قیر اصلاح شده با هر دو نوع اصلاح کننده های الاستومری و پلاستومری را نشان می دهد. به هرحال، رئومتر برشی پویا، کروماتوگرافی ژل نفوذی و تصاویر فلورسنت برای تشخیص تغییرات پیچیده  مورفولوژی، شیمیایی و رئومتری همراه با پلیمرهای اصلاح کننده قیر EVA نیمه بلورین و SBS های بلوکی استایرن اصلاح کننده قیر، لازم و ضروری می باشد. با توجه به پلیمرهای اصلاح کننده ،نتایج نشان دهنده تغییرات در مورفولوژی با افزایش اصلاح کننده ها از سیستم فاز قیری غالب به سیستم فاز پلیمر غالب می باشد. نتایج DSR ترکیب بندی مختلف ساختارهای بلورین در دماهای متفاوت برای پلیمر اصلاح کننده قیر EVA نیمه بلورین و افزایش دما بالا فرکانس پایین پاسخ الاستیک پلیمر SBS اصلاح کننده قیر را شناسایی کرده است.

اثرات پیری شبیه سازی شده آزمایشگاهی تفاوت در میان قیرهای نفوذی، قیرهای اصلاح شده با پلیمر SBS و EVA را نشان می دهد. اثر پیری اکسایشی برای قیر نفوذی به عنوان افزایش در سختی و پاسخ الاستیک مشاهده می شود. به هرحال، اثرات پیرشدگی آزمایشگاهی برای قیرهای اصلاح شده با پلیمر SBS و EVA شامل تغییر و ایجاد پیچیدگی قابل توجهی در ماهیت شیمیایی بایندر، مورفولوژی و به تبع آن ویژگی های رئولوژیکی است. حد و اندازه این تغییرات نه فقط توسط نوع و ماهیت پلیمر بلکه توسط مقدار پلیمر و سازگاری بین پلیمر و قیر پایه دیکته شده است.

استفاده از هر دونوع پلیمر اصلاح کننده قیر الاستومری و پلاستومری در مخلوط آسفالت ابزاری را فراهم می کند که باعث افزایش مقاومت مخلوط در برابر تغییر شکل دائمی و شکست خستگی می شود.

آزمون‌های خواص فیزیکی متداول برای قیر اصلاح شده پلیمری

Posted on by
Share

آزمون‌های خواص فیزیکی متداول برای قیر اصلاح شده پلیمری

نفوذپذیری و نقطه نرمی

بااینکه نفوذپذیری و نقطه نرمی آزمون‌های تجربی هستند ولی به‌طور خاص برای تعیین پایداری قیرهای اصلاح‌نشده مورداستفاده قرارگرفته و هنوز هم در عمل برای تعیین اثرات پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر استفاده می‌شوند. اثرات پلیمرهای اصلاح‌کننده بر روی قیرها با پایه مختلف برحسب نفوذپذیری (BS EN 1426) و درجه حرارت نقطه نرمی (BS EN 1427) در شکل‌های شماره 3-8 و 4-8 نشان داده‌شده است. نتایج برای تمامی 5 گروه PMB به‌وضوح یک کاهش در نفوذپذیری و یک افزایش در نقطه نرمی را با افزایش مقدار پلیمر و متعاقباً اصلاح پلیمری را نشان می‌دهد. افزایش در سفتی بایندر (کاهش در نفوذپذیری و افزایش نقطه نرمی) را می‌توان مستقیماً به اثر سفتی ناشی از افزودن هردو نوع پلیمر پلاستومری (EVA) و الاستومری (SBS) نسبت داد (Airey و 2003Rahimzade ).

شکل شماره 3-8 مقادیر نفوذپذیری برای قیرهای اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده با پلیمرهای EVA و SBS

شکل شماره 3-8      مقادیر نفوذپذیری برای قیرهای اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده با پلیمرهای EVA و SBS

شکل شماره 4-8 مقادیر نقطه نرمی برای قیرهای اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده با پلیمرهای EVA و SBS

شکل شماره 4-8      مقادیر نقطه نرمی برای قیرهای اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده با پلیمرهای EVA و SBS

شکل 3-8 نشان می‌دهد که اگرچه تغییراتی در مقادیر نفوذپذیری واقعی بین 5 گروه PMB وجود دارد ولی هیچ روند متمایزی را نمی‌توان شناسایی کرد؛ بنابراین آزمون نفوذپذیری نسبتاً  به مورفولوژی پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر EVA و SBS غیر حساس بوده و بیانگر اثر سفتی است که می‌تواند از طریق افزودن هر نوع ماده پرکننده و یا حتی براثر پیرشدگی قیر صورت گیرد.

اطلاعات به‌دست‌آمده از آزمون نقطه نرمی بینش بهتری را در رابطه با اثرات نسبی پلیمرهای اصلاح‌کننده ارائه می‌کند. نتایج به نمایش درآمده در شکل 4-8 تفاوت‌های روشنی را در افزایش نقطه نرمی برای پلیمرهای اصلاح‌کننده EVA و SBS نشان می هد. پلیمر اصلاح کننده EVA یک افزایش نسبتاً سازگاری را در نقطه نرمی با افزایش مقدار پلیمر از 3 درصد وزنی به 7 درصد وزنی نشان می دهد. به هرحال، برای پلیمرهای اصلاح کننده قیر SBS در مقدار پلیمر کم این افزایش نسبتاً جزئی است (تقریباً 10 درصد) ولی یک افزایش شدید را در مقدار پلیمر 5 درصد وزنی تا حدود 60 درصد نشان داده و دوباره هنگامی که مقدار پلیمر تا 7 درصد وزنی افزوده می شود این افزایش را شاهد هستیم. این منحنی S شکل برای پلیمر اصلاح کننده قیر SBS نشان می‌دهد که زیر مقدار SBS اصلی، هیچ شبکه پلیمری دنباله‌داری در بایندر وجود ندارد و پلیمر به‌سادگی به‌عنوان یک پرکننده عمل کرده درحالی‌که در مقادیر بالاتر پلیمر تشکیل یک شبکه پیچیده کرده و قیر به‌سادگی به‌عنوان یک توسعه‌دهنده  عمل می‌کند (Serfass و همکاران 1992). علاوه برافزایش در سختی قیر (کاهش نفوذپذیری و افزایش نقطه نرمی) شاهد یک کاهش چشمگیر در حساسیت دمایی با افزایش پلیمر اصلاح‌کننده (همان‌طور که در جدول 2-8 با افزایش شاخص نفوذ PI نشان داده‌شده) هستیم (Pfeiffer و 1936Van Doormal ). به‌هرحال باید توجه داشت که حساسیت دمایی PMB ها بیش از کل محدوده دمای معمول  به همراه بایندرهای قیری ثابت نیست. این موضوع در نمودار داده‌های آزمون قیر (Heukelom (1969 در شکل شماره 5-8 نشان داده‌شده است که در آن رابطه ویسکوزیته-درجه حرارت برای پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر SBS معمول را می‌توان با رابطه خطی نشان داده‌شده برای قیر نفوذی نرمال مقایسه کرد.

جدول شماره 2-8 تغییرات در خصوصیات بایندرهای معمول اصلاح‌شده با پلیمرهای اصلاح‌کننده EVA و SBSجدول شماره 2-8      تغییرات در خصوصیات بایندرهای معمول اصلاح‌شده با پلیمرهای اصلاح‌کننده EVA و SBS

شکل شماره 5-8 رابطه ویسکوزیته-درجه حرارت برای پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر

شکل شماره 5-8      رابطه ویسکوزیته-درجه حرارت برای پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر

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

پارامترهای عملکرد تجربی و ویسکوزیته برای قیر اصلاح‌شده پلیمری

آزمایش‌های مورداستفاده برای بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی الیاف پلی‌پروپیلن تقویت‌کننده مخلوط آسفالت

آزمایش‌های مورداستفاده برای بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی الیاف پلی‌پروپیلن تقویت‌کننده مخلوط آسفالت

Posted on by
Share

آزمایش‌های مورداستفاده برای بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی الیاف پلی‌پروپیلن تقویت‌کننده مخلوط آسفالت

آزمون مارشال در آزمایشگاه تحت شرایط استاندارد ASTDM 1559-76 انجام می‌پذیرد. برای ترکیب مخلوط الیاف پلی‌پروپیلن، دمای اختلاط به شیوه‌ای کنترل می‌شود که مقدار آن کم‌تر از 143 درجه سانتی گراد باشد. کنترل این درجه حرارت بسیار مهم می‌باشد به این مفهوم که الیاف پلی‌پروپیلن نمی‌توانند تا دمای حدود 146 درجه سانتی گراد گرم شوند زیرا این الیاف در این دما نرم و ذوب‌شده و تأثیرگذاری خود را در مخلوط قیری متراکم از دست می‌دهند (Prowell و همکاران 2000). آزمون‌های جریان و پایداری مارشال بر روی نمونه‌های آسفالت اصلاح‌شده با الیاف پلی‌پروپیلن انجام‌شده است. این آزمایش‌ها ممکن است برای روشن کردن اثرات مثبت الیاف پلی‌پروپیلن بر آسفالت بتنی در نظر گرفته شوند ولی به‌منظور محاسبه عمر خستگی این مخلوط‌های مخصوص آزمون بارگذاری مکرر  کشش غیرمستقیم (به‌عبارت‌دیگر آزمون کشش) نیز با استفاده از دستگاه آزمون جهانی مواد برای آسفالت و نمونه آزاد (UMATTA) آزمونگر (ELE-UMATTA 1994) انجام پذیرد.

خواص مواد الیاف پلی‌پروپیلن استفاده‌شده در مطالعات اصلاحی بر مبنای روش خشک در جدول 2-6 خلاصه‌شده است. از ذرات آهکی به‌دست‌آمده از سنگ منشأ و قیر 60/70 به‌دست‌آمده از نزدیک‌ترین پالایشگاه در آماده‌سازی نمونه استفاده‌شده است. خصوصیات فیزیکی قیر در جدول 3-6 ارائه‌شده است. خصوصیات فیزیکی ذرات دانه‌درشت و ذرات دانه‌ریز به ترتیب در جدول 4-6 و 5-6 نشان داده‌شده است.

جدول شماره 2-6 خواص مواد الیاف پلی‌پروپیلن استفاده‌شده در مطالعات اصلاحی بر مبنای روش خشک

جدول شماره 2-6      خواص مواد الیاف پلی‌پروپیلن استفاده‌شده در مطالعات اصلاحی بر مبنای روش خشک

جدول شماره 3-6 خواص فیزیکی قیر

جدول شماره 3-6      خواص فیزیکی قیر

جدول شماره 4-6 خواص فیزیکی ذرات دانه‌درشت

جدول شماره 4-6      خواص فیزیکی ذرات دانه‌درشت

جدول شماره 5-6 خواص فیزیکی ذرات دانه‌ریز

جدول شماره 5-6      خواص فیزیکی ذرات دانه‌ریز

درجه‌بندی مخلوط و محدودیت درجه‌بندی را می‌توان در جدول شماره 6-6 مشاهده کرد. وزن مخصوص ظاهری پرکننده‌ها 2602kg/m3  است.

جدول شماره 6-6

جدول شماره 6-6   

آزمایش‌های اولیه آزمون مارشال نسبت بین قیر و ذرات استفاده‌شده در مخلوط متراکم قیری اصلاح‌شده بر مبنای روش خشک با استفاده از الیاف پلی‌پروپیلن را بیان کرده است. در این آزمون‌ها، مقدار بهینه قیر (به‌دست‌آمده با میانگین پایداری بیشینه و واحد وزن، 4 درصد حفره‌ها از هوا و 80 درصد حفرات از آسفالت پرشده است) به مقدار 5/5 درصد تعیین‌شده است (Tapkin 2008). در این تحقیق، آسفالت بتنی با 0/3 درصد، 0/5 درصد و 1 درصد الیاف پلی‌پروپیلن در وزن کل، در مقدار قیر بهینه 5/5 درصد موردبررسی قرارگرفته است و تقریباً همین مقدار به‌عنوان نمونه مرجع تعیین‌شده است.

انواع مختلف الیاف پلی‌پروپیلن در آماده کردن مخلوط قیری متراکم اصلاح‌شده مورداستفاده قرارگرفته است. این‌ها شامل انواع M-03 (چند رشته‌ای با 3 میلی‌متر طول)، M-09 (چند رشته‌ای با 9 میلی‌متر طول) و الیاف ضـایعاتـی است {شکل 1-6 (b)،(a)و(c)}. الیـاف نـوع M-03 بهترین نوع الیاف برای فرآوری بوده و با توجه به ثبات نتایج آزمون با نمونه مارشال (فیزیکی و مکانیکی)، مقدار 1 درصد الیاف اضافه‌شده در وزن کل ذرات به‌عنوان مقدار بهینه تعیین‌شده است. برای چندین سال، آزمون‌های زیادی بر روی ذرات و مواد قیری انجام شد و مقدار قابل‌توجهی اطلاعات به دست آمد. خواص مهم فیزیکی و مکانیکی نمونه مارشال در 0/3 درصد، 0/5 درصد و 1 درصد الیاف پلی‌پروپیلن در وزن کل {(واحد وزن kg/m3)، درصد حفرات در ذرات معدنی (VMA)، درصد حفرات پرشده با آسفالت (Vf)، درصد حفرات هوا (Va)، پایداری (kg)، جریان (mm) و بهره مارشال (kg/mm)} در شکل 2-6 تا 8-6 نشان داده‌شده است.

شکل شماره 1-6 انواع الیاف پلی‌پروپیلن: (a) M-03 (چند رشته‌ای با 3 میلی‌متر طول)، (b) M-09 (چند رشته‌ای با 9 میلی‌متر طول) و (c) الیاف پلی‌پروپیلن ضایعاتی

شکل شماره 1-6      انواع الیاف پلی‌پروپیـلن: a) M-03) (چند رشـته‌ای با 3 میلی‌متر طول)، b) M-09) (چند رشته‌ای با 9 میلی‌متر طول) و (c) الیاف پلی‌پروپیلن ضایعاتی

از شکل شماره 2-6 استنباط می‌شود که واحد وزن نمونه مارشال با شیوه‌ای منظم به‌وسیله افزایش مقدار الیاف پلی‌پروپیلن استفاده‌شده در فرآیند اصلاح، کاهش می‌یابد. نمونه اصلاح‌شده با 1 درصد پلی‌پروپیلن (مقدار بهینه اصلاح‌کننده)6/46 درصد سبک‌تر از نمونه مرجع است. این‌یک پدیده مهم است به این معنا که، مخلوط آسفالت سبک‌تری می‌توان به دست آورد که نتیجه آن کاهش هزینه‌های حمل‌ونقل آسفالت و کاهش هزینه انجام پروژه در درازمدت است. همان‌طور که در شکل 5-6 مشاهده می‌شود الیاف پلی‌پروپیلن اصلاح‌کننده حجم فضای خالی (Va) را در مخلوط حاصله به میزان 479 درصد افزایش می‌دهد. این میزان افزایش برای طراحی روسازی جهت استفاده در مناطق گرمسیر بسیار مهم است. در این شرایط آب و هوایی افزایش حفرات هوا فضای کافی را برای جایگزینی بایندر قیری فراهم کرده و از تراوش قیر و مشکلات این‌چنینی جلوگیری می‌کند.

شکل شماره 2-6 اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار واحد وزن

شکل شماره 2-6      اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار واحد وزن

شکل شماره 3-6 اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار حفرات در ذرات معدنی (VMA)

شکل شماره 3-6      اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار حفرات در ذرات معدنی (VMA)

با توجه با رفتار مکانیکی، مقدار پایداری به میزان 158 درصد افزایش‌یافته و مقدار جریان در حدود 36 درصد کاهش می‌یابد که نشان روشنی از استفاده از الیاف پلی‌پروپیلن نوع M-03 اصلاح‌کننده بر مبنای روش خشک است.

شکل شماره 4-6 اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار حفرات پرشده با آسفالت (Vf) شکل شماره 4-6      اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار حفرات پرشده با آسفالت (Vf)

شکل شماره 5-6 اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار حفرات هوا (Va)

شکل شماره 5-6      اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار حفرات هوا (Va)

شکل شماره 6-6 اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار پایداری

شکل شماره 6-6      اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار پایداری

شکل شماره 7-6 اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار جریان

شکل شماره 7-6      اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار جریان

شکل شماره 8-6 اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار بهره مارشال

شکل شماره 8-6      اثر افزودن الیاف پلی‌پروپیلن بر مقدار بهره مارشال

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

رئولوژی قیر پلیمری اصلاح‌شده

 

 

فرآوری قیر اصلاح‌شده به‌وسیله پلیمرهای ضایعاتی گرماسخت(Termosetting)

Posted on by
Share

فرآوری قیر اصلاح‌شده به‌وسیله پلیمرهای ضایعاتی گرماسخت(Termosetting)

با توجه به گزارش‌های پیشین، خصوصیات حرارتی-رئولوژیکی CTRMB ها تا حد زیادی تحت تأثیر شرایط فرآوری قرار می‌گیرند. این بخش‌بر روی مطالعات آزمایشگاهی شامل دستگاه‌های فرآوری و دمای پخت اعمالی که بر روی ویژگی‌های مورفولوژی و رئولوژیکی نتایج حاصل از اصلاح قیر توسط خرده تایرهای لاستیکی مؤثر است، تمرکز می‌کند.

در اینجا ما از غلظت CTR  نه درصد وزنی (اندازه ذرات 0/4 میلی‌متر و درجه حرارت 180 درجه سانتی گراد) استفاده می‌کنیم. نتایج قبلی به‌دست‌آمده توسط محققین ثابت کرده است که این غلظت، خصوصیات رئولوژیکی مشابه نسبت به آنچه توسط افزودن 3 درصد وزنی SBS به دست می‌آید را دارا می‌باشد.

تأثیر دستگاه فرآوری

شکل 5-5 نشان‌دهنده وابستگی دمایی ذخیره‌سازی (′G) و مدول اتلاف (″G) قیر اصلاح‌شده به‌دست‌آمده از آزمایش‌های نوسانی در دستگاه‌های فرآوری مختلف است. نتایج نمونه‌های دست‌نخورده (قیر دست‌نخورده در معرض پروتکل‌های فرآوری برای اصلاح قرار داده‌شده ولی بدون افزودن پلیمر) نیز در این شکل نمایش داده‌شده است. این آزمایش‌های حرارتی-رئولوژیکی به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان یک ابزار برای ارزیابی عملکرد پایانی  پلیمر اصلاح‌کننده قیر مورداستفاده قرارگرفته است (Fawcett و همکاران 1999، Fuentes-Auden و همکاران 2008).

همان‌طور که مشاهده می‌شود، سیر تکاملی قیر دست‌نخورده رفتار ویسکوالاستیک خطی را نشان می‌دهد. به‌خوبی می‌دانیم که انتقال مستقیم از ناحیه ابری (شیشه‌ای) به منطقه نیوتنی با افزایش درجه حرارت همراه است. به‌طورکلی، افزودن لاستیک منجر به افزایش مدول الاستیک و ویسکوز در منطقه دمابالا و کاهش اندک آن در منطقه دماپایین می‌شود.

شکل شماره 5-5 سیر تکاملی (a) مدول ذخیره‌سازی و (b) مدول اتلاف با درجه حرارت در 1 هرتز برای قیر اصلاح‌نشده و CTRMB های فرآوری شده در دستگاه‌های مختلف در 180 درجه سانتی گراد

شکل شماره 5-5      سیر تکاملی (a) مدول ذخیره‌سازی و (b) مدول اتلاف با درجه حرارت در 1 هرتز برای قیر اصلاح‌نشده و CTRMB های فرآوری شده در دستگاه‌های مختلف در 180 درجه سانتی گراد

به‌هرحال، تفاوت‌های قابل‌اغماض در مقادیر ″G تابع فرآوری CTRMB ها در دستگاه‌های مختلف مشاهده شده و فقط یک افت اندک در مدول الاستیک بعد از فرآیند برشی بالا به‌دست‌آمده است. این نتایج را می‌توان به‌حساب آنکه تمام نمونه‌ها همان مقدار از لاستیک‌های محلول و یا پراکنده در 180 درجه سانتی گراد در طول 1/5 ساعت را داشته باشند، توضیح داد (مشاهده جدول 4-5)

جدول شماره 4-5 محتوای لاستیک حل‌شده در نمونه‌های مطالعه شده قیرهای اصلاح‌شده

جدول شماره 4-5      محتوای لاستیک حل‌شده در نمونه‌های مطالعه شده قیرهای اصلاح‌شده

درصد ترکیبات محلول در لاستیک خام در حدود 11 درصد وزنی است. درنتیجه، فقط در حدود 4 درصد وزنی لاستیک به‌صورت محلول و یا پراکنده در قیر به دلیل دی پلیمریزاسیون جزئی (شکستن ستون اصلی زنجیره اصلی) و دی ولکانیزاسیون (تقسیم پیوندهای اتصالات عرضی سولفور) ذرات لاستیک وجود دارد. درنتیجه، تأثیر دستگاه فرآوری چشم‌گیر نیست زیرا درجه حرارت (180 درجه سانتی گراد) برای تولید لاستیک از طریق دی پلیمریزاسیون و یا دی ولکانیزاسیون به هراندازه‌ای به مقدار کافی نمی‌باشد (Billiter و همکاران 1996،Zanzotto و 1996Kennepohl وnavarro و همکاران 2007).

علاوه براین، اندازه قطعات لاستیک استفاده‌شده در این مطالعه (بزرگ‌تر از 5 میکرومتر) می‌تواند به‌اندازه کافی برای حذف هر نوع فعالیت شیمیایی-کلوئیدی و غلظت حرکت براونی بزرگ در نظر گرفته شود؛ بنابراین رفتار رئولوژیکی مشاهده‌شده را باید با در نظر گرفتن فعل‌وانفعالات هیدرودینامیکی و یا مکانیکی بین ذرات در فاز قیری توضیح داد. به این معنا که اندازه ذرات در اثر فرآیند برشی/حرارتی کاهش‌یافته که این را می‌توان به کاهش مدول ذخیره‌سازی بعد از فرآیند توضیح داد (Navarro و همکاران 2002)

تأثیر درجه حرارت فرآوری بر رئولوژی خرده تایرهای لاستیکی اصلاح‌کننده قیر (CTRMB)

به‌منظور مطالعه تأثیرات درجه حرارت فرآوری، آزمایش‌های درجه حرارت رفت‌وبرگشت و منحنی جریان بر روی هردو قیر اصلاح‌نشده و نمونه CTRMB، در دماهای متفاوت در مقیاس آزمایشگاهی با دستگاه دارای پروانه 4 پره ای انجام‌گرفته است.

شکل 6-5 نشان‌دهنده مدول ویسکوالاستیک آزمایش درجه حرارت رفت‌وبرگشت در رژیم ویسکوالاستیک خطی است. با توجه به قیرهای اصلاح‌نشده (نمونه دست‌نخورده) افزایش در درجه حرارت فرآیند تغییر کیفی در رفتار ویسکوالاستیک خطی ندارد.

شکل شماره 6-5 سیر تکاملی (a) مدول ذخیره‌سازی و (b) مدول اتلاف با درجه حرارت در 1 هرتز برای قیر اصلاح‌نشده و CTRMB های فرآوری شده در دماهای مختلفشکل شماره 6-5      سیر تکاملی (a) مدول ذخیره‌سازی و (b) مدول اتلاف با درجه حرارت در 1 هرتز برای قیر اصلاح‌نشده و CTRMB های فرآوری شده در دماهای مختلف

پیرشدگی قیر یک فرآیند بسیار پیچیده است که تولید ترکیبات شیمیایی و ساختارهای کلوئیدی متنوع می‌کند (Garcia-Morales و همکاران 2004). افزایش مقدار آسـفالتن که در جدول 5-5 ارائه‌شده است به‌عنوان نتیجه فرآیند می‌تواند این تأثیرات را توضیح دهد.

در مقابل، درجه حرارت فرآوری تأثیر پیچیده‌تری در مورد CTRMB ها دارد. بدین ترتیب در منطقه درجه حرارت بالا، افزایش در درجه حرارت فرآوری به‌خصوص از 120 تا 180 درجه سانتی گراد منجر به افزایش مقادیر ′G و ″G می‌شود.

ازنقطه‌نظر عملکرد فنی، در محدوده بیشینه حرارتی سرویس، افزایش مشاهده‌شده در مدول ویسکوز و الاستیک برای تمام نمونه‌ها (قیرهای مسن و CTRMB ها) باعث افزایش مقاومت در برابر شیار شدگی آسفالت حاصله می‌شود (Navarro و همکاران 2004). علاوه بر این، همان رفتار در دمای سرویس پایین باعث می‌شود که انعطاف‌پذیری بایندر کم‌تر و شکنندگی آن بیش‌تر شده و حساسیت بیش‌تری به ترک خردگی براثر تأثیرات دمایی داشته باشد. درنتیجه دمای فرآیند بالا باعث ایجاد اثرات منفی بر روی عملکرد قیر اصلاح‌شده شده درحالی‌که در مقابل، افزودن خرده تایرهای لاستیکی باعث بهبود خصوصیات سرویس در هردو محدوده دمابالا و دماپایین می شود. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که درجه حرارت بهینه فرآوری CTRMB برای خرده تایرهای لاستیکی استفاده‌شده در این پژوهش 210 درجه سانتی گراد است.

شکل 7-5 و 8-5 رفتار جریان ویسکوز را در 50 درجه سانتی گراد و 135 درجه سانتی گراد برای قیر اصلاح‌نشده و CTRMB های تولیدشده در درجه حرارت‌های مختلف فرآوری را نشان می‌دهند. همان‌طور که انتظار می‌رفت، اطلاعات موجود در شکل 7-5 نشان می‌دهد که افزایش در درجه حرارت فرآوری همیشه موجب بازده بیش‌تر مقدار ویسکوزیته در 50 درجه سانتی گراد برای قیر اصلاح‌نشده و به‌طور عمده در 250 درجه سانتی گراد می‌شود. به‌طور مشابه افزایش دمای فرآوری CTRMB به بالای 180 درجه سانتی گراد منجر به افزایش مقدار ویسکوزیته در 50 درجه سانتی گراد می‌شود. به‌هرحال منحنی جریان ویسکوز باکمی تغییر به مقادیر کم‌تر برای CTRMB های فرآوری شده در دمای فرآیند بالاتر منتقل می‌شود.

جدول شماره 5-5 مقادیر آسفالتن برای قیر اصلاح‌نشده به‌عنوان تابعی از شرایط فرآوری

جدول شماره 5-5      مقادیر آسفالتن برای قیر اصلاح‌نشده به‌عنوان تابعی از شرایط فرآوری

شکل شماره 7-5 منحنی جریان ویسکوز در 50 درجه سانتی گراد برای قیر دست‌نخورده و CTRMB های فرآوری شده در درجه حرارت‌های مختلفشکل شماره 7-5      منحنی جریان ویسکوز در 50 درجه سانتی گراد برای قیر دست‌نخورده و CTRMB های فرآوری شده در درجه حرارت‌های مختلف

شکل شماره 8-5 منحنی جریان ویسکوز در 135 درجه سانتی گراد برای قیر دست‌نخورده و CTRMB های فرآوری شده در درجه حرارت‌های مختلف

شکل شماره 8-5      منحنی جریان ویسکوز در 135 درجه سانتی گراد برای قیر دست‌نخورده و CTRMB های فرآوری شده در درجه حرارت‌های مختلف

در 135 درجه سانتی گراد (شکل 8-5) قیر اصلاح‌نشده همیشه یک رفتار نیوتنی را از خود نشان می‌دهد درصورتی‌که CTRMB ها رفتار نازک شدن برشی را در سرعت‌های برشی حد واسط و کم از خود نشان می‌دهند. CTRMB ها رفتار ویسکوالاستیک بیش‌تری نسبت به قیرهای اصلاح‌نشده دارند (Airey 2003 و Navarro و همکاران 2002). علاوه بر این تمامی مقادیر ویسکوزیته قیر اصلاح‌نشده در 135 درجه سانتی گراد زیر 3Pa.s است ولی CTRMB ها گرانروی بیش‌تری را نسبت به این محدوده ویسکوزیته در سرعت برشی کم دارند. فقط در سرعت برشی بالا منحنی جریان ویسکوز تمایل به نزدیک شدن به این مقدار را دارد. ازنقطه‌نظر مهندسی، این‌یکی از نتایج مهمی است که در کاربردهای صنعتی مانند پمپاژ، اداره کردن و اختلاط قیر که در محدوده سرعت برشی بالا رخ می‌دهد کاربرد دارد.

آنچه در این بخش نشان داده شد این است که خصوصیات CTRMB ها به‌طور عمده به دمای فرآوری بستگی دارند. همان‌طور که در جدول 4-5 ارائه شد، لاستیک‌های حل‌شده در فاز قیری باقیمانده ثابت و برابر مقدار اولیه برای دمای فرآوری بین 90 و 120 درجه سانتی‌گراد‌است و درنتیجه این شرایط به مقدار کافی برای شکستن پیوندهای شبکه‌ای شیمیایی شدید نمی‌باشد. بدین ترتیب رفتار رئولوژیک مشاهده‌شده درنتیجه حضور قطعات لاستیک متورم شده توسط ترکیبات سبک اجزاء مالتنیک است (Airey 2003 و Navarro و همکاران 2005). به‌وسیله افزایش دمای فرآوری، انحلال و پراکندگی لاستیک در قیر به دلیل افزایش سرعت شکست پیوندهای شبکه‌ای به‌وضوح افزایش می‌یابد. دو اثر متفاوت بر خصوصیات رئولوژیکی محصول به‌دست‌آمده تأثیرگذار است. نخست مربوط به فاز قیری است که  به‌وسیله افزایش مقدار اجزاء محلول اصلاح می‌شود (Navarro و همکاران 2002). دومین اثر مرتبط است با ذرات جامد لاستیک باقیمانده که باعث کاهش غلظت می‌شود (Navarro و همکاران 2005).

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

قیر تقویت‌شده با الیاف پلی‌پروپیلن