بخشی از مقاله
طرح یک مخلوط آسفالتی مقاوم براي منطقه گرمسیري
خلاصه
براي تضمین عملکرد مطلوب روسازي، فاکتورهاي آب و هوایی باید در طراحی مخلوط آسفالتی لحاظ شود. شیارشدگی یکی از مهمترین خرابیهاي روسازيهاي انعطافپذیر در مناطق گرمسیري به حساب میآید. هدف کلی این پژوهش تعیین یک مخلوط آسفالتی مقاوم در برابر شیارشدگی براي منطقه گرمسیري بود. در این پژوهش فعالیت هاي مربوط به طرح اختلاط،عمدتا بر روي خصوصیات آیین نامهاي مصالح سنگی و رفتار قیر در این نوع شرایط آب وهوایی متمرکز است. به همین دلیل، طرح دانهبندي لایههاي توپکا و بیندر به موازات اصلاح قیر توسط افزودنیهاي
ژنریک و تجاري در دستور کار قرار گرفت. خواص رئولوژیک قیرهاي اصلاح شده بوسیله آزمایش هاي سوپرپیو و مقاومت در برابر شیارشدگی قیرهاي اصلاحشده توسط شاخص شیارشدگی سوپرپیو (G*/sinδ) بررسی شده و همچنین مقاومت نمونههاي آسفالتی در برابر شیارشدگی با انجام آزمایشهاي خزش دینامیکی و جریان زمان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایشها منجر به دستیابی به یک دانهبندي بهینه با استفاده از مصالح موجود در منطقه و انتخاب افزودنی تامینکننده بیشترین مقاومت در برابر شیارشدگی گردید.
1. مقدمه
تغییر شکلهاي ماندگار سبک گسیختگی عمده روسازيهاي انعطافپذیر بهشمار میآیند. تغییر شکلهاي ماندگار از قبیل شیارشدگی و فشردگی تحت بارگذاري سنگین و به ویژه در مناطق گرمسیري بعلت سختی کمتر مخلوط در دماهاي بالا شدیدتر است. شیارشدگی در روسازيهاي انعطافپذیر را می توان بصورت گسترش تدریجی گودشدگی طولی در مسیر حرکت وسیله نقلیه با افزایش تعداد تکرارهاي بارگذاري تعریف کرد.
علت آن ترکیبی از تراکم و تغییرشکلهاي برشی است که در یک یا چند لایه اتفاق میافتد .[1] به منظور تعیین میزان تغییر شکل دائم یک مخلوط آسفالتی، پارامترهاي بدست آمده از آزمونهاي آزمایشگاهی مورد بررسی قرار میگیرند و عملکرد مخلوط پیشبینی میشود. رفتار مخلوط متاثر از نرخ بارگذاري، دما، پیرشدگی قیر و درصد هواي مخلوط است. [2] شیارشدگی روسازيهاي آسفالتی میتواند ناشی از چهار مکانیزم تحکیم1، جریان پلاستیک2 و تغییر شکل مکانیکی3 باشد. [3] یک روسازي آسفالتی با تراکم پایین، در زیر ترافیکمخصوصاً( در آب و هواي گرم و در تقاطعها که سرعت بارگذاري پایین و یا ساکن است) براي تحکیم، مستعد است. وقتی که مخلوط گرم آسفالتی بعلت مقدار بیش از حد قیر، منافذ هواي ناکافی، سنگدانه گردگوشه زیاد در مخلوط، یا میزان بالاي مصالح عبوري از الک 200 پایداري کمی داشتهباشد، جریان پلاستیک ایجاد میشود. ظرفیت سازه-
اي نامناسب سیستم روسازي بهدلیل کمی مقاومت و یا ضخامت لایههاي روسازي براي تحمل ترافیک طرح بر روي خاك بستر موجود شیارشدگی ناشی از تغییر شکل مکانیکی را پدید میآوردعموماً. براي کاهش اثرات شیارشدگی، استفاده از دانهبندي متراکم در سنگدانهها مطلوبتر است. در صورتی که عملیات تراکم به خوبی صورت گیرد، مخلوطهاي داراي دانهبندي متراکم یا پیوسته حفرههاي هواي کمتر و تماس بیندانهاي بیشتري نسبت به مخلوطهاي با دانهبندي باز یا منقطع دارند. درصد قیر کمتر، دانهبندي درشتتر، استفاده از مصالح تیزگوشهتر و زبرتر، درصد هواي بیشتر، گرانروي بیشتر قیر و درصد فیلر بیشترعموماً باعث کاهش شیارشدگی و فشردگی مخلوط آسفالتی خواهند شد .[4] هدف این مقاله پیشنهاد یک مخلوط آسفالتی مقاوم در برابر شیارشدگی براي منطقه گرمسیري است که شامل بررسی روسازي آسفالتی گرمترین منطقه آب و هوایی کشور خواهدبود.
2. روش طرح
به منظور دستیابی به هدف این پژوهش عملیات ارزیابی عملکرد و کیفیت مخلوط آسفالتی مورد استفاده، چگونگی وضعیت قیر و دانهبندي بکار گرفتهشده صورت گرفت. خرابی شیارشدگی، روزدگی قیر و کارآیی نامناسب مخلوط از جمله مشکلات رایج در شرایط آب و هوایی گرم است
.روش طرح زیر در جهت رسیدن به دانهبندي مناسب، نوع و درصد بهینه قیر مورد استفاده قرار گرفت. به منظور دستیابی به طرح اختلاط مناسب، نمونههاي 4 اینچی بر اساس روش مارشال نشریه MS2 انستیتو آسفالت که جهت تهیه طرح اختلاط و کنترل عملیات آسفالتی براي سنگدانههاي با حداکثر اندازه 25 میلیمتر و دانهبندي متراکم و پیوسته کاربرد دارد، با استفاده از نمونه مصالح معدن جنوب کشور و قیر پایه 60-70 ساخته شد
3. ارزیابی و اصلاح قیر
3.1 ارزیابی قیر پایه
جهت ارزیابی قیر مصرفی در این پژوهش، آزمایش هاي کلاسیک و سوپرپیو بر روي قیر پایه صورت پذیرفت. نتایج آین آزمایشها در جداول 1 و2 نشان داده شده است. اگر چه رده اسمی قیر مورد پایه بر حسب درجه نفوذ 60/70 است ولی نتایج آزمایش درجه نفوذ (جدول(1 بیانگر نرمتر بودن قیر از رده اسمی آن است.
بر اساس استاندارد ASTM D6373-99 و نتایج آزمایشهاي شارپ ارایه شده در جدول2 ، رده قیر مورد استفاده فعلی در مناطق گرم کشور PG64-22 است .براساس پهنهبندي رده عمکردي قیر کشور که در شکل 2 نشان داده شدهاست، قیر مورد نیاز براي گرمترین منطقه کشور PG76-10 است که این بهبود میتواند از طریق اصلاح خصوصیات قیر با افزودنیهاي مختلف انجام شود.
3.2 اصلاح قیر
همانطور که در قسمت قبل اشاره گردید، قیر مصرفی موجود جوابگوي شرایط آب و هوایی گرم نیست بنابر این استفاده از افزودنی هاي قیر جهت اصلاح این نقصان ضروري است. علاوه بر نتایج اشاره شده در جدول هاي 2و3، پژوهش انجام شده توسط افلاکی و طباطبایی نیز موید این نکته است که قیر پایه استفاده شده در ایران جوابگوي نیاز شرایط آب وهوایی همه مناطق ایران نیست. بر اساس این پژوهش (شکل(3، قیر PG 76 -22 در زمره رده عملکردي است که بطور پایه در ایران موجود نیست و بایستی با استفاده از افزودنیهاي مناسب تولید گردد.[5] بطور کلی یک قیر اصلاحشده ایدهآل باید چسبندگی تقویتشده و حساسیت دمایی بسیار پایین در محدوده دمایی سرویسدهی، و گرانروي2 کم در دماهاي اجرا داشته باشد. این قیر میبایست در عین داشتن مقاومت بالا در برابر تغییر شکل دائمی، خستگی و ترك هاي برودتی، حساسیت کمی نسبت به زمان بارگذاري داشته باشد. قیر اصلاحشده باید خصوصیات چسبندگی سطحی قیرهاي اصلاحنشده را داشته باشد. در نهایت لازم است که قیر اصلاحشده ایدهآل خصوصیات پیرشدگی مناسبی، چه در زمان اجرا و چه در زمان سرویس دهی، داشته باشد.[4] گرانروي هر یک از قیرهاي خالص و اصلاح شده ، بوسیله ویسکومتر چرخشی (RV) طبق استاندارد ASTM D 4402-02، در دماي 135 درجه سانتیگراد (نزدیک دماي تراکم) و با سرعتهاي زاویهاي 5، 20، 50 و 100 دور بر دقیقه اندازهگیري شد.
براي اندازهگیري گرانروي قیرهاي خالص از اسپیندل1 شماره 21 و براي اندازهگیري گرانروي قیرهاي اصلاح شده از اسپیندل شماره 27 استفاده شد.گرانروي یکی از معیارهایی است که به کمک آن میتوان خصوصیات مکانیکی قیر را ارزیابی کرد. اضافه کردن اصلاحکنندهها سبب تغییر در نوع فاز بیندر و تبدیل آن به فاز قیر-پلیمر و یا پلیمر میشود. گرانروي قیر قادر به ارزیابی این تغییر فاز در خصوصیات فیزیکی قیر است. از این رو به منظور تعیین درصد اصلاحکننده مورد استفاده، از پارامتر گرانروي در 135 درجه سانتیگراد و 20 دور بر دقیقه استفاده شد. بدین ترتیب درصدي که در آن گرانروي به 3 Pa·s (حد کارایی مشخص شده در دستورالعمل سوپرپیو، در 135 درجه سانتیگراد، در20 دور بر دقیقه) میرسد، به عنوان درصد بهینه هر اصلاحکننده تعیین شد. شکل 4 نمونهاي از نتایج آزمایشهاي تعیین درصد اصلاحکننده و شکل 5 درصدهاي اصلاحکننده استفاده شده در پژوهش حاضر و مقادیر گرانروي آنها را نشان میدهند.
4. آزمایشهاي انجامشده روي مخلوطهاي آسفالتی
با مطالعه پیرامون دانهبنديهاي مورد استفاده در مناطق گرمسیر و نیز مقاوم در برابر شیارشدگی در گام اول میانگین این دانهبنديها، به عنوان اولین دانهبندي مورد استفاده در طراحی و ساخت لایه بیندر و دانهبندي با حداکثر اندازه سنگدانه 19 میلیمتر به موازات دانهبندي لایه بیندر در طراحی لایه توپکا مورد استفاده قرار گرفت. این دو دانهبندي هر دو از دانهبنديهاي درشتدانه هستند. با توجه به دادههاي بدست آمده از دانهبندي اولیه و عدم تأمین حداقلهاي مورد نیاز در برخی از خصوصیات مورد بررسی مانند نرمی زیاد مخلوط و درصد فضاي خالی مصالح سنگی مخلوط، و نیز مشاهده گرد گوشه بودن حجم قابل توجهی از مصالح درشت دانه(روي الک شماره (4 تصمیم به اصلاح سنگدانه هاي مورد استفاده(حذف سنگدانه- هاي گردگوشه) گرفته شد. همچنین به منظور تقویت ماستیک 1/5درصد آهک به کل مخلوط اضافه گردید. در این روش با حذف سنگدانههاي گرد گوشه از دپوي مصالح مورد استفاده، سنگدانههاي صد در صد شکسته در ساخت و طراحی مخلوط آسفالتی استفاده شده است. در ادامه روند طراحی تصمیم به درشتتر کردن دانهبندي اول گرفتهشد. نتایج نهایی آزمایشهاي انجام شده بر مخلوطهاي گرم آسفالتی ساختهشده با دانهبنديهاي نهایی، قیر پایه و مصالح صددرصد شکسته(براي لایه توپکا) و مصالح معمولی (براي لایه بیندر) تهیهشده از معادن سنگ مورد بررسی در این پژوهش به تفکیک در شکل6 نمایش دادهشدهاست. با
