کاربرد پلی اتیلن در اسفالت

استفاده از پلی اتیلن در مخلوط های آسفالت گرم

در دو دهه گذشته، علاوه بر عدم رسیدگی کامل به دلیل کمبود بودجه، افزایش ترافیک جاده ای نیز باعث تشدید شرایط در شبکه حمل و نقل جاده ای اردن شده است. برای حل این مشکل، برخی اقدامات همچون تأمین بودجه برای حفظ و نگهداری جاده ها، بهبود طراحی راه ها، استفاده از مصالح با کیفیت و همچنین استفاده از روش های بسیار کارآمد در فرایند ساخت و ساز جاده ای ممکن است اثرگذار باشد. استفاده از پلیمر در مخلوط آسفالت بعنوان اصلاح کننده در دهه 80 قرن گذشته آغاز شد و در تعدادی از کشورهای جهان بصورت آزمایشی بکار گرفته شد. در این تحقیق، پلی اتیلن بعنوان یک نوع پلیمر برای بررسی چشم اندازهای بالقوه در افزایش خواص مخلوط آسفالت استفاده می شود. همچنین هدف از این مطالعه، تعیین بهترین نوع پلی اتیلن مورد استفاده و نسبت آن در این مخلوط است. دو نوع پلی اتیلن برای پوشش سنگدانه ای (پلی اتیلن با پگالی بالا (HDPE) و پلی اتیلن با چگالی بالا (LDPE)) به مخلوط اضافه شدند. پلیمرها در دو حالت (آسیاب شده و آسیاب نشده) به مخلوط اضافه شدند. طرح مخلوط مارشال ابتدا برای تعیین میزان مطلوب بیندر قیر و سپس برای بررسی خواص مخلوط اصلاح شده مورد استفاده قرار گرفت. در مجموع، 105 نمونه (21 نمونه برای تعیین محتوای بیندر و نمونه های باقی مانده برای بررسی تأثیر اصلاح مخلوط های آسفالت) تهیه شد. محتوای مطلوب آسفالت 5.4 درصد بود. هفت نسبت پلی اتیلن از هر نوع و حالت (6، 8، 10، 12، 14، 16 و 18 درصد) با وزن مناسب بیندر محتوا برای آزمایش انتخاب شدند. آزمایشات شامل تعیین چگالی فله، ثبات و جریان می شود. طرح مخلوط مارشال مستلزم تعیین درصد حفره های هوا و حفره های هوای داخل سنگدانه هایمینرال است. نتایج حاصل شده ازاین آزمایشات نشان داد که اصلاح کننده پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) آسیاب شده خواص مهندسی بهتری را ارائه می دهد. نسبت توصیه شده اصلاح کننده 12 درصد وزنی از محتوای قیر است. همچنین مشخص شد که علاوه بر افزایش ثبات، چگالی را کاهش داده و هم حفره های هوا و هم حفره های هوای داخل سنگدانه های مینرال اندکی افزایش می دهد.

در دو دهه گذشته، علاوه بر عدم رسیدگی کامل به دلیل کمبود بودجه، افزایش ترافیک جاده ای نیز باعث تشدید شرایط در شبکه حمل و نقل جاده ای اردن شده است. برای حل این مشکل، برخی اقدامات همچون تأمین بودجه برای حفظ و نگهداری جاده ها، بهبود طراحی راه ها، استفاده از مصالح با کیفیت و همچنین استفاده از روش های بسیار کارآمد در فرایند ساخت و ساز جاده ای ممکن است اثرگذار باشد. شبکه حمل و نقل جاده ای در اردن در درجه اول دارای طرح انعطاف پذیری است. عوامل متعددی من جمله خواص مصالح (بیندر، سنگدانه، افزودنی) و نسبت این موارد در مخلوط آسفالت عملکرد این انعطاف پذیری را تحت تأثیر قرار می دهند. قیر را میتوان با افزودن انواع افزودنی نیز اصلاح کرد. معمولآ با افزودن پلیمر، میزان سفتی قیر افزایش یافته و حساسیت دمایی آن را بهبود می بخشد. این افزایش سفتی نیز باعث افزایش مقاومت مخلوط در برابر پوسیدگی ناشی از هوای گرم شده و امکان استفاده از قیر پایه نسبتآ نرم تری را فراهم می کند که به نوبه خود عملکردی بهتری در دمای پایین دارد. همچنین بیندرهای اصلاح شده با پلیمر از خواص چسبندگی و انسجام بهبود یافته ای برخوردار هستند. پلیمرها را میتوان به مخلوط های بتنی آسفالت اضافه کرد تا یک ماده با روکش سنگدانه ای ایجاد شود؛ این روکش ها زبری سطح را افزایش داده و بنابراین، مخلوط های آسفالتی با خواص مهندسی برتر تهیه می شوند. پلیمرهای مورد استفاده در اصلاح قیر به پلاستومر یا الاستومر دسته بندی می شوند؛ پلاستومرها شامل اتیلن وینیل استات، پلی اتیلن (پایدار و ناپایدار) و ترکیبات مختلف با پایه پلی اتیلن می شوند. این محصولات ممکن است به اختلاط برشی بالا نیاز داشته باشند که به روند اصلاح بستگی دارد. همچنین ویسکوزیته و سفتی قیر را در دمای معمولی افزایش می دهند. با این حال، تأثیر قابل توجهی بر افزایش کشسانی قیر ندارند. الاستومرها (یا لاستیک ها) شامل لاستیک طبیعی، پلی بوتادین، پلی ایزوپرن، کوپلیمر ایزوبوتن- ایزوپرن، پلی کلروپرن، کوپلیمر استایرن بوتادین و کوپلیمر استایرن- بوتادین- استایرن هستند. این محصولات معمولآ در بیندر آسفالت در دمای بالای 160 درجه سلسیوس با میکسر برشی بالا آسیاب می شوند. این نوع پلیمرها الاستومری هستند که قابلیت بازگشت یک ماده به حالت اولیه خود، در صورت تخلیه (حذف) بار را نشان می دهند. علاوه براین، این پلیمرها بجای تقویت الاستومری، ویسکوزیته قیر را افزایش می دهند. در این تحقیق، استفاده از پلی اتیلن که یکی از انواع پلاستومرها است، در اصلاح خواص مخلوط آسفالت مورد بررسی قرار گرفت.

مقایسه عملکرد مخلوط آسفالت با توجه به نوع و حالت پلی اتیلن افزوده شده در ادامه بیان شده است. این مقایسه همچنین شامل مخلوط آسفالت معمولی (بدون پلی اتیلن) می شود که بعنوان گروه کنترل عمل می کند.

روابط بین چگالی فله و محتوای پلی اتیلن: تراکم فلۀ مخلوط آسفالت بتنی اصلاح شده، صرف نظر از نوع یا حالت اصلاح شده، کمتر از مخلوط معمولی آسفالت بتنی (2.293 گرم/ سانتیمتر مکعب) است. برای هر دو نوع اصلاح کننده در هر دو حالت، حداکثر چگالی فله زمانی مشخص می شود که محتوای پلی اتیلن در حدود 12 درصد باشد. اگرچه تفاوت در چگالی فله به دلیل نوع و حالت اصلاح کننده چندان مطرح نیست، اما مخلوط آسفالت بتنی اصلاح شده با HDPE دارای بیشترین تراکم حجمی (2.28 گرم/ سانتیمتر مکعب) است.

روابط بین پایداری مخلوط و محتوای پلی اتیلن: بطور کلی، پایداری مخلوط های اصلاح شدۀ آسفالت بتنی، صرف نظر از نوع و حالت اصلاح کننده، بیشتر از مخلوط معمولی آسفالت بتنی بدون اصلاح کننده (1450 کیلوگرم) است. رابطۀ پایداری و محتوای اصلاح کننده باتوجه به نوع اصلاح کننده متفاوت است. بیشترین پایداری برای مخلوط آسفالتی اصلاح شده با HDPE (2347 کیلوگرم) گزارش شده است؛ یعنی بیشتر از مخلوط اصلاح شده (نوع) اما آسیاب نشده (حالت). پایداری مخلوط های اصلاح شده با LDPE در هر دو حالت بدون هیچ روند مشخصی متغیر است.

روابط بین جریان و محتوای پلی اتیلن: بطور کلی، جریان مخلوط های اصلاح شدۀ آسفالت بتنی، صرف نظر از نوع و حالت اصلاح کننده، بیشتر از مخلوط معمولی آسفالت بتنی بدون اصلاح کننده (2.25 میلی متر) است. استثنائاتی از مخلوط های اصلاح شده با 8 درصد وزنی LDPE گزارش شده است. رابطه بین جریان و محتوای پلی اتیلن به نوع اصلاح کننده بستگی دارد. جریان مخلوط های آسفالت بتنی اصلاح شده با HDPE آسیاب نشده بطور کلی بیشتر از مخلوط های اصلاح شده با سایر اصلاح کننده ها است. با افزایش نسبت محتوای اصلاح شده با LDPE آسیاب شده، جریان بطور مداوم افزایش می یابد.

روابط بین (درصد) حفره هوا (AV) و محتوای پلی اتیلن: نسبت AV در مخلوط های اصلاح شدۀ آسفالت بتنی، صرف نظر از نوع اصلاح کننده، بیشتر از مخلوط معمولی آسفالت بتنی بدون اصلاح کننده (4.2 درصد) است. مخلوط آسفالت بتنی اصلاح شده با پلی اتیلن در انواع و حالت های مختلف دارای AV بیشتر از استانداردهای MPWH است. فقط مخلوط های اصلاح شده با 12 درصد وزنی قیر، صرف نظر از نوع آن، دارای AV هستند. نسبت AV در مخلوط های آسفالت بتنی اصلاح شده با پلی اتیلن همزمان با افزایش محتوای اصلاح کننده، کاهش می یابد؛ تا زمانی که AV به کمترین میزان برسد و سپس همزمان با افزایش میزان اصلاح کننده، افزایش می یابد.

با انجام آزمایشات مقدار مناسب پلی اتیلن (6-18 درصد) با درصد وزنی آسفالت مطلوب (5.4 درصد)، معادل 0.34-1.03 درصد وزن کل سنگدانه مشخص شد. با این حال، محتوای اصلاح کننده مطلوب 12 درصد بود؛ معادل O.68 درصد از وزن کل سنگدانه. این مقدار تمام ذرات سنگدانه را پوشش نمی دهد، با این حال بافت سطحی ناهمواری ایجاد می شود که خواص مهندسی مخلوط آسفالت را افزایش می دهد. پلی اتیلن آسیاب شده با افزایش سطح پلیمر که به راحتی به سنگدانه ها متصل می شود، سنگدانه ها را بهتر پوشش می دهد. نتایج حاصل از این آزمایشات نشان داد که مخلوط اصلاح شده علاوه بر داشتن ثبات بالاتر، دارای VMA بالاتری نسبت به مخلوط های اصلاح نشده است. تفاوت چندانی بین AV ها در مخلوط اصلاح شده و نشده وجود ندارد. نسبت 4 درصدی AV چسبندگی آسفالت را به منظور جلوگیری از فرورفتگی افزایش داده و همچنین مقاومت سایشی آن را نیز افزایش می دهد. بطور کلی، استفاده از پلی اتیلن در مخلوط آسفالت تغییر شکل آن را کاهش داده و علاوه بر افزایش مقاومت سایشی مخلوط، چسبندگی بین سنگدانه ها و آسفالت را نیز افزایش می دهد.