بخشی از مقاله
خلاصه
تركهاي خستگی از مهمترین علل خرابی روسازيهاي انعطافپذیر محسوب میشوند. هدف این تحقیق بررسی تأثیر پلیمر استایرن بوتادین استایرن - SBS - بر روي خستگی مخلوطهاي آسفالت ولرم - WMA - میباشد. از این رو آزمایش کشش غیر مستقیم خستگی - - ITFT بر روي دو مخلوط آسفالت ولرم ساخته شده با آسفامین و ساسوبیت و همچنین آسفالت گرم در دماي 20 درجه سانتیگراد و در دو سطح تنش 300 و 450 کیلوپاسکال انجام گرفت. همچنین به منظور بررسی حساسیت رطوبتی مخلوطهاي آسفالت ولرم پلیمري، آزمایش کشش غیر مستقیم - IDT - بر روي نمونه خشک واشباع مطابق آیین نامه آشتو 283 انجام شد. نتایج حاصل از آزمایش نشان داد که مخلوطهاي آسفالت ولرم پلیمري عمر خستگی کمتري نسبت به مخلوطهاي آسفالت گرم پلیمري دارند. همچنین مقایسه خستگی آسفالتهاي ولرم پلیمري نشان داد که مخلوطهاي آسفالت ولرم پلیمري ساخته شده با ساسوبیت عمر خستگی بیشتري نسبت به مخلوط آسفالت ولرم پلیمري ساخته شده با آسفامین دارد.
کلمات کلیدي: ساسوبیت، آسفامین، آسفالت ولرم و گرم، پلیمر SBS، خستگی.
1. مقدمه
با افزایش گازهاي گلخانهاي و افزایش نگرانیهاي جهانی در مورد آلودگی، صنعت آسفالت در دو دههي گذشته تلاشهاي گستردهاي را در جهت دستیابی به مخلوطهاي آسفالتی که بدون تغییر در ویژگی مصالح، مصرف انرژي را کاهش دهد انجام داده است. متأسفانه تولید آسفالت گرم - HMA - ، بخاطر مصرف درصد زیادي از انرژي و انتشار گازهاي آلاینده مورد انتقاد است. این مصرف انرژي، در نتیجه خشک کردن و حرارت دادن مصالح سنگی و قیر در دماي بالاي 140 درجه سانتیگراد ناشی شده است. از این رو دست یابی به مخلوطهایی که با کاهش دما کارائی مصالح را حفظ و عملکرد مکانیکی یکسانی را نشان دهد ضروري بنظر میرسداخیراً. تکنولوژيهاي جدیدي به نام آسفالت ولرم - WMA4 - براي روسازي معرفی شدهاند که مخلوطهاي آسفالتی با دماي 15 تا 50 سانتیگراد کمتر از آسفالت گرم - HMA5 - تولید میکند. هدف از تولید آسفالت ولرم، تولید مخلوطهایی با مقاومت، دوام و عملکردي مشابه با آسفالت گرم میباشد. مخلوطهاي آسفالتی بر طبق دماي تولید و انرژي مصرفیشان به صورت زیر طبقهبندي میشوند:[1]
• -مخلوطهاي آسفالتی سرد - - - CMA6 مخلوطهاي آسفالتی تولید شده در دماي معمولی با استفاده از قیر امولسیون یا کفقیر.
• -مخلوطهاي آسفالتی نیمه گرم - - - HWMA1 مخلوطهاي آسفالتی تولید شده در دماي زیر بخار آب
• -مخلوطهاي آسفالتی گرم - - WMA - مخلوطهاي آسفالتی تولید شده در دماي 140-100درجه سانتیگراد
• -مخلوطهاي آسفالتی داغ - - HMA - مخلوطهاي آسفالتی تولید شده در دماي 180-150 درجه سانتیگراد مخلوطهاي آسفالتی گرم نیز برحسب نحوه تولید به سه دسته کفزا، آلی و شیمیایی طبقه بندي میشوند.
. هدف این تحقیق بررسی تأثیر پلیمر استایرن-بوتادین-استایرن - SBS - بر روي خستگی مخلوطهاي آسفالت ولرم - WMA - میباشد. به همین منظور آزمایش کشش غیرمستقیم خستگی با تنش ثایت در دماي 20 درجه سانتیگراد بر روي دو نمونه آسفالت ولرم پلیمري ساخته شده با آسفامین و ساسوبیت و آسفالت پلیمري انجام شد. پلیمر مورد استفاده در این آزمایش پلیمر استایرن بوتادین استایرن - SBS - بود. همچنین آزمایش حساسیت رطوبتی نمونهها با استفاده از آزمایش کشش غیر مستقیم مورد ارزیابی قرار گرفت.
2. پبشینه
اصلاح قیر با پلیمر استایرن – بوتادین – استایرن - SBS - به علت اینکه رشته هاي استایرن ایجاد یک رفتار ترموپلاستیکی و رشته هاي بوتادین ایجاد حالت الاستیکی درمخلوط میکنند، باعث عملکرد بسیار خوب قیر درمحدوده دمائی بالا وپائین - مقاومت بهتر درمقابل تغییرشکل دردماي بالا وهمچنین انعطاف پذیري بیشتر دردماي پائین - میشود. از این رو این پلیمر یکی از بهترین مواد اصلاح کننده قیرها می باشد.
امروزه استفاده از قیرهاي اصلاح شده با پلیمر در تولید مخلوطهاي آسفالتی بویژه براي راههاي با ترافیک سنگین مورد توجه جدي قرار گرفته است. فواید استفاده از قیر اصلاح شده با پلیمر بشرح زیر میباشد:
• مقاومت شیارشدگی در دماي بالا را بهبود میبخشند.
• ترك خوردگی دمائی را با نرم کردن قیر کاهش میدهند.
• ترك خوردگی خستگی را کاهش میدهند.
• در مواردي که روسازي در معرض بارهاي سنگین و کندرو مثل تقاطعها و خطوط بالارو کامیونها قرار دارد، عملکرد تحت تنشهاي شدید را ارتقاء میبخشد.
• کاهش ضخامت روسازي در روسازيهاي با عمر بالا
کیم و همکارانش نشان دادند که مخلوطهاي اصلاح شده با SBR, SBS داراي عمر خستگی بیشتري نسبت به نمونه هاي غیرمسلح هستند. علت این امر را اثر SBR, SBS در کاهش شدت خرابی بیان نمودند.[2]
کنت نشان داد که انواع مختلف پلیمرها باعث افزایش عمر خستگی از 2 تا 4 برابر میشود و علت این امر را کاهش تركهاي مویی به علت زنجیره پلیمري موجود در مخلوط در اثر عمر متقابل پلیمر و قیر و افزایش چسبندگی قیر به سنگدانهها عنوان نمود .[3] سرفاس و همکارانش اثر رشتههاي پشمی و سلولزي را بر افزایش عملکرد مخلوطهاي آسفالتی و عمر خستگی آنها مورد بررسی قرار دادند . آنها بیان داشتند که در تعداد تکرار بار یکسان در نمونههاي اصلاح نشده تركهاي خستگی و شیار افتادگی مشاهده میشود در حالی که در نمونههاي اصلاح شده اثر قابل توجهی مشاهده نشد .[4]
هوانگ و همکارانش رویههاي آسفالتی اصلاح شده با تارهاي پلی پروپلین را مورد بررسی قرار دادند، آنها نتیجه گرفتند که مخلوط هاي اصلاح شده داراي سختی بیشتري هستند .[4] کلرن نشان داد که اضافه نمودن تارهاي کربنی اثر قابل توجهی بر افزایش یا کاهش عمر خستگی ندارد اما سختی مخلوط را تا 25 درصد افزایش می دهد .[5]
در سال , 2004 کنت نیومن با انجام آزمایش تیر خمشی بر روي مخلوط هاي آسفالتی اصلاح شده با پلیمرهاي MSBS, SBS, SB, SBR, MCR به این نتیجه رسید که پارامتر G*sinδ نشانه مفیدي براي بررسی خستگی آسفالتهاي پلیمري نیست، همچنین نتایج آزمایشات او نشان داد که مقاومت در برابر خستگی آسفالتهاي پلیمري به ترتیب بیشترین به کمترین متعلق به مخلوط اصلاح شده با پلیمرهاي MCR, SBS, SBR, MSBS, SB است.[2]
3. مواد و روش آزمایش
3.1. مصالح
تحقیق انجام گرفتهي حاضر شامل مخلوط آسفالتی ولرم با دو نوع افزودنی - ساسوبیت و آسفامین - و قیر با درجه نفوذ 70-60 اصلاح شده با پلیمر ١SBS و مخلوط آسفالت پلیمري٢ ساخته شده با SBS می باشد. ساسوبیت یک مادهي کریستالین ریز هیدروکربن پلی اتیلنی چربیدار بلند زنجیر است، که از تبخیر زغال سنگ - که از فرایند fischer – tropsch استفاده می کند، - تولید میشود. ساسوبیت بدلیل توانایی در کاهش ویسکوزیتهي قیر آسفالت، هم در طول فرآیند اختلاط آسفالت و هم در طول عملیات ریختن، بعنوان بهبود دهندهي روانی آسفالت شناخته میشود. این کاهش ویسکوزیته امکان کاهش دماهاي کار را به اندازهي 20 الی 50 درجه سانتیگراد میدهد. بررسیهاي صورت گرفته نشان میدهد که ساسوبیت، باید به میزان 0/8 درصد وزن قیر یا بیشتر اضافه شود ولی این میزان نباید از 3 درصد وزن قیر فراتر رود. وقتی ساسوبیت به میزان %1/5 وزن قیر اضافه میگردد، یک ترکیب یکسان با قیر پایه تشکیل میدهد و ویسکوزیتهي قیر را کاهش میدهد اگرچه ساسوبیت هیچ آبی در ساختار خود ندارد ولی در اثر فعل و انفعال آن با قیر، سنگدانه، آهک هیدراته، بر میزان عریانشدگی تاثیر میگذارد.[6]
آسفامین بهترین نوع شناخته شده زئولیت مصنوعی است که در رنج دماي بین 185-85 درجه سانتیگراد آب خود را آزاد میکند. آسفامین هنگامی که به قیر اضافه میگردد آب داخل خود را آزاد میکند و باعث میشود تا قیر بطور میکروسکوپی بصورت کف در آید وسبب افزایش کارآئی و پوشش سنگدانهها در دماي پایین شود. آسفامینهامعمولاً به مقدار %3 وزنی مخلوط به قیر اضافه میگردد.[7]
مصالح سنگدانهاي از کارخانهي آسفالت ماکادام شرق واقع در جاده پاکدشت در جنوب شرق تهران انتخاب شد. در این تحقیق دانهبندي مورد استفاده بمنظور تهیه نمونهها از نوع دانهبندي پیوسته شماره 4 آییننامه 234روسازي آسفالتی راههاي ایران است.منحنی دانهبندي همراه با حدود مشخصات دانه-بندي شماره 4نشریه234در شکل 1 آمده است.
شکل :1 منحنی دانه بندي مصالح سنگی مورد استفاده در طرح اختلاط
.2.3 طرح اختلاط
طرح اختلاط مخلوطهاي آسفالتی به روش مارشال انجام شد. تولید نمونه آسفالتی پلیمري WMA بمنظور مقایسه با آسفالت پلیمري، با استفاده از %5/5 درصد قیر - میزان قیر بهینه آسفالت - PMA انجام پذیرفت. تحقیقات نشان داده است که تغییر میزان قیر در مخلوطها بر ویژگی مخلوطهاي بدست آمده تأثیرگذار میباشد و از طرفی نیز تغییر دماي اختلاط و تراکم بر میزان قیر بهینه مخلوطهاي آسفالتی تأثیر گذار است. ولی بدلیل اینکه مخلوطهاي آسفالت WMA باعث کاهش درصد قیر میگردد و از این رو احتمال بالا رفتن حساسیت رطوبتی وجود دارد. تا انجام مطالعات کافی در مورد نحوه تعیین درصد قیر بهینه مخلوطهاي آسفالت WMA توصیه میشود تا مخلوطهاي آسفالتی WMA در درصد قیر بهینه مشابه با آسفالت HMA تهیه گردند.[9] به منظور تهیه نمونه آسفالتی پلیمري ابتدا قیر 70/60 با استفاده از همزن دور بالا و %5 پلیمر SBS اصلاح گردید سپس به منظور تهیه مخلوط-آسفالتی WMA پلیمري با ماده افزودنی ساسوبیت، 1/5 درصد وزنی قیر ساسوبیت و براي تهیه مخلوط آسفالتی WMA با ماده افزودنی آسفامین 0.3 درصد وزنی مخلوط آسفامین به قیر 70/60 اصلاح شده با SBS اضافه گردید. فرج خداري نیز در سال 2010 با انجام آزمایش DSR مقدار بهینه استفاده از پلیمر SBS را براي بهبود عمر خستگی، 5 درصد عنوان کرد.[7]
.3.3 روش آزمایش .1.3.3آزمایش مقاومت کششی غیر مستقیم
نمونههاي ساخته شده بر اساس آئیننامهي AASHTO T283 ، داراي 100mm قطر و 63/5 ± 2/5mm ضخامت میباشد. نمونهها داراي % 7± 0/5 فضاي خالی میباشند. تراکم نمونهها با استفاده از تراکم مارشال انجام شد و تعداد کوبش چکش براي تعیین درصد هواي مورد نظر با سعی و خطا بدست آمد و سپس نمونهها در دماي 25 ºC مورد آزمایش قرار گرفت، نمونههاي اشباع نیز مطابق با آئیننامهي AASHTO T283 اشباع شده و مورد آزمایش قرار گرفت.
.2.3.3 آزمایش کشش غیرمستقیم خستگی
آزمایش کشش غیر مستقیم خستگی، بمنظور انجام آزمایشات خستگی مخلوطهاي آسفالتی پلیمري مورد استفاده قرارگرفت. این آزمایش با استفاده از دستگاه UTM و دستگاه کشش غیر مستقیم انجام گرفت. در این آزمایش روش بارگذاري از طریق کنترل تنش انجام گردید و شکل بار از نوع نیمه سینوسی١ با 0/25 ثانیه زمان بارگذاري و 0/75 ثانیه زمان استراحت در مجموع با فرکانس 1 هرتز اجرا گردید. همچنین آزمایش در دو سطح تنش 300 و 450 کیلو پاسکال و در دماي 20 درجه سانتیگراد انجام گرفت.
4. تحلیل نتایج
4.1. نتایج آزمایش کشش غیر مستقیم
شکل 2 الف میزان مقاومت کشش غیر مستقیم را در دو حالت خشک و تر براي مخلوط آسفالت پلیمري و پلیمري ولرم نشان میدهد وشکل 2 ب میزان نسبت مقاومت کششی را نشان میدهد. همانگونه که در شکل 2 الف نشان داده شده میزان مقاومت کشش غیر مستقیم براي مخلوطهاي آسفالت پلیمري بیشترین مقدار را در بین مخلوطهاي آسفالتی داراست. همچنین مقاومت کشش غیر مستقیم در حالت اشباع براي مخلوط آسفالت ولرم پلیمري ساخته شده با آسفامین کمترین مقدار در بین مخلوطها باشدمی که این موضوع احتمالاً به دلیل وجود میزان آب آزاد شده توسط آسفامین در داخل مخلوط میباشد.
شکل:2 - الف - مقاومت کشش غیر مستقیم مخلوطها - ب - نسبت مقاومت کششی مخلوطها
همچنین با توجه به شکل 2 ب میزان نسبت مقاومت کششی١ براي مخلوطهاي آسفالت پلیمري بیشترین مقدار را در بین مخلوطهاي آسفالتی داراست. همچنین نسبت مقاومت کششی براي مخلوط آسفالت ولرم پلیمري ساخته شده با آسفامین کمترین مقدار در بین مخلوطها میباشد. همچنین نسبت مقاومت کششی براي مخلوط آسفالت پلیمري و ولرم پلیمري با ساسوبیت بزرگتر از 80 درصد است که منطبق با آیین نامه AASHTO283 می باشد در حالیکه مخلوط آسفالت ولرم پلیمري با آسفامین حداقل آیین نامه را برآورده نکرده است.
.1.4 نتایج آزمایش خستگی
منحنی سختی در برابر سیکل بارگذاري شامل سه فاز است: در فاز اول ترکهاي ریز در پوشش نازك قیري بین سنگدانه ها پدید می آید، که انحناي آغازین گراف این پروسه را نشان می دهد .این تغییرات سریع در مرحله انتقالی پدیده ترمومکانیکی که ناشی از تغییر شکل ناشی ازرفتار ویسکوالاستیک در مخلوط هاي آسفالتی می باشد رخ می دهد .در فاز دوم این تغییرات حرارتی پایان یافته و ترکهاي اولیه ایجاد می شوند، که منجر به یک الگوي ترك بزرگ بصورت تدریجی می شود که در نهایت در فاز سوم شکست نمونه آسفالتی با یک رشد سریع گسترش می یابد
به منظور بررسی تأثیر SBS بر روي مخلوطهاي آسفالتی WMA در مقایسه با HMA ، آزمایش کشش غیر مستقیم خستگی بر روي نمونههاي آسفالت WMA اصلاح شده با SBS انجام گرفت. آزمایش در دو سطح تنش 300 و 450 انجام گرفت. انتخاب سطوح تنش بالا بدلیل وقتگیر بودن آزمایش بود. شکل 3 الف و ب به ترتیب منحنی تغییر شکل تجمعی در برابر تعداد بارگذاري را در دو سطح تنش 300 و 450 نشان میدهد. با در نظر گرفتن ورودي فاز 3 بعنوان نقطه خستگی، نتایج حاصل از آزمایشات نشان داد که مخلوطهاي آسفالت ولرم اصلاح شده با پلیمر عمر خستگی کمتر نسبت به آسفالت پلیمري دارد. همچنین مخلوط آسفالتی WMA ساخته شده با ساسوبیت عمر خستگی بهتري را نسبت به مخلوط آسفالت WMA ساخته شده با آسفامین نشان داد. بنابرین پلیمر SBS تأثیر زیادي بر خستگی مخلوطهاي آسفالتی ولرم نداشته و براي این مخلوطها با توجه به هزینه بالاي این نوع مخلوطها توجیهپذیر نمیباشد. نتایج حاصل از آزمایشات در هر دو سطح تنش در شکل 3 آورده شده است. مقایسه عمر خستگی مخلوطها در دو سطح تنش نیز نشان میدهد که با افزایش سطح تنش عمر خستگی مخلوطهاي آسفالتی کاهش مییابد.همچنین تأثیر افزایش سطح تنش بر میزان کاهش عمر خستگی در مخلوطWMA پلیمري ساخته شده با آسفامین بسیار بیشتر از دو مخلوط آسفالتی دیگر میباشد. تعداد سیکلهاي شکست مخلوطهاي آسفالتی در نقطه ورودي در فاز 3 در جدول 1 آورده شده است.
شکل:3 مقایسه عمر خستگی مخلوطهاي پلیمري در دو سطح تنش الف - سطح تنش300 کیلوپاسکال - ب - سطح تنش 450 کیلوپاسکال
جدول:1 تعداد سیکلهاي شکست مخلوطهاي آسفالتی
5. نتیجهگیري
به منظور ارزیابی اثر پلیمر SBS بر روي خستگی مخلوطهاي آسفالت ولرم ساخته شده با آسفامین و ساسوبیت و آسفالت پلیمري آزمایش کشش غیر مستقیم خستگی در دو سطح تنش 300 و 450 کیلوپاسکال انجام شد . همچنین میزان حساسیت رطوبتی مخلوطهاي آسفالت پلیمري و ولرم پلیمري با استفاده از آزمایش کشش غیرمستقیم مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتایج حاصل از آزمایش نشان داد که مخلوط آسفالت پلیمري و آسفالت ولرم پلیمري با ساسوبیت حداقل آیین نامه AASHTO283 - %80 - را براي حساسیت رطوبتی برآورده میکنند درحالیکه مخلوط آسفالت ولرم پلیمري با آسفامین با نسبت مقاومت کششی %71 حداقل آیین نامه را برآورد نکرد. همچنین نتایج نشان داد که مخلوطهاي آسفالت ولرم پلیمري عمر خستگی کمتري نسبت به مخلوطهاي آسفالت گرم پلیمري دارند و مقایسه خستگی آسفالتهاي ولرم پلیمري با ساسوبیت و آسفامین نشان داد که مخلوط آسفالت ولرم پلیمري ساخته شده با ساسوبیت عمر خستگی بیشتري نسبت به مخلوط آسفالت ولرم پلیمري ساخته شده با آسفامین دارد.
