آسفالت بتنی اصلاح شده با پلیمر

اصول اساسی کاربرد آسفالت بتنی اصلاح شده با پلیمر در صنعت راهسازی

بایندرهای اصلاح شده که با افزودن سیستم های ماکرومولکولی ترموپلاستیک پلاستومرها یا الاستومرها به بتن های آسفالت خالص سنتی برای جاده سازی حاصل می شوند، بیش از 20 سال است که وجود دارند. درک علمی این محصولات همچنان بسیار ضعیف است و به تحقیقات قابل ملاحظه ای برای درک بهتر روابط بین ترکیب، ساختار و خواص، علاوه بر روابط بین عملکرد مخلوط گرم (خراشیدگی، خستگی و ترک خوردگی) و خواص بایندرهای اصلاح شده که در محیط آزمایشگاه بررسی می شوند نیاز است. وضعیت فعلی دانش در مورد مسائل همراه با بحثِ اصول اساسی سازگاری قیر- پلیمر، مکانیسم اصلاح و تأثیر اجزاء بر خواص اتصال اصلاح شده در اینجا ارائه شده است.

در فرانسه، نوار های آزمایشی در اوایل سال 1963 با هدف تعیین رفتار آسفالت اصلاح شده با لاستیک های مختلف طبیعی یا مصنوعی تولید شدند. در ادامه، تحقیقات بیشتری در مورد افزدن پلیمرهای ترموپلاستیک به قیر با هدف بررسی چسب های جاده ای برای ترافیک با تراکم بالا یا چسب های جاده ای با دوام، یا کاهش ضخامت مسیر انجام شد. همچنین مقامات دولتی در اوایل سال 1972 با بیان انگیزۀ شرکت های نفتی و پیمانکاران به بایندرهای اصلاح شده و هدف آنها برای انجام آزمایشی با بایندرهای توسعه یافته، انگیزه ایجاد کردند. آنها حتی در تحقیقات امکان افزودن پلیمرهای ترموپلاستیک به قیر نیز شرکت کردند که به انتخاب با ارزش ترین کلاس های پلیمر کمک کرد.

داده های کلی از قیرهای اصلاح شده با پلیمر

یک بایندر ایده آل بایستی میزان چسبندگی را افزایش داده و حساسیت کمتری به دمای خیلی پایین داشته باشد، اما از طرفی از ویسکوزیته پایین در دماهای معمولی نیز برخوردار باشد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، حساسیت آن به زمان بارگذاری بایستی کم باشد؛ در حالی که مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی، مقاومت ضربه ای و خواص خستگی آن بایستی بالا باشد.

شکل 1:

در عین حال، دست کم بایستی همان کیفیت چسبندگی (فعال و غیر فعال) به بایندرهای سنتی را داشته باشد.

سازگاری

مهم تر از همه، باید به خاطر داشته باشیم که یک رابطه پیچیده بین ترکیب شیمیایی قیرهای جاده، ساختار کلوئیدی آنها، خواص فیزیکی و رئولوژیکی آنها وجود دارد. هر چیزی که ترکیب شیمیایی قیر را تغییر دهد، ساختار و خواص آن را هم تغییر می دهد. اگر بدون انجام اقدامات احتیاطی قیر جاده با یک پلیمر ترموپلاستیک گرماگرم مخلوط شود، یکی از سه نتیجه زیر رخ می دهد:

1.مخلوط ناهمگن می شود: این محتمل ترین نتیجه است (یعنی قدر این حالت، قیر و پلیمر با هم ناسازگار هستند). در این حالت، اجزای تشکیل دهنده مخلوط از هم جدا شده و مخلوط هیچ کدام از خواص چسب جاده ای را ندارد.

2. مخلوط کاملآ همگن است؛ بویژه در سطح مولکولی: این مورد از سازگاری کامل بین مواد بسیار نادر است. در این حالت، پلیمر توسط نفت موجود در قیر به طور کامل حل شده و هرگونه برهمکنش بین ماکرومولکولی را از بین می برد. این نوع چسب بسیار بادوام است اما تغییر کیفیت آن با توجه به کیفیت قیر اولیه، بسیار کم است و فقط ویسکوزیته آن افزایش می یابد. با این حال، این نتیجه مطلوب نیست.

3. مخلوط میکرومتجانس بوده و از دو فاز متمایز به هم پیوسته تشکیل شده است: این نوع سازگاری مطلوب است و خواص واقعی قیر اصلاح شده را نشان می دهد. در چنین سیستمی، پلیمر سازگار با جذب مقداری از نفت موجود در قیر متورم شده و فاز پلیمری متمایز از فاز قیر پسماند را تشکیل می دهد که شامل بخش های سنگین بایندر (بقیه نفت علاوه بر رزین ها و آسفالتین ها) می شود.

پلیمرهای سازگار

تجربه نشان می دهد که تعداد اندکی از پلیمرهای ترموپلاستیک به روشی که قبلآ تعریف شد، واقعآ با قیرهای جاده ای سازگار هستند. پلیمرهای صنعتی مورد استفاده برای اصلاح قیر اساسآ دو نوع هستند:

1.پلاستومرها: عمومآ کوپلیمرهای اتیلن وینیل استات (EVA) هستند که گریدهای آنها براساس محتوای وینیل استات و وزن مولکولی آنها (که با شاخص مذاب تعیین می شود) متفاوت است.

2. الاستومرهای ترموپلاستیک: شناخته شده ترین آنها کوپلیمرهای بلوک استایرن- بوتادین- استایرن (SBS) هستند. این الاستومرها با محتوای استایرن، وزن مولکولی و آرایش آنها (خطی یا ستاره ای) مشخص می شوند. از کوپلیمرهای استایرن-ایزوپرن-استایرن نیز استفاده می شود.

مکانیسم اصلاح

از آنجایی که یک بایندر اصلاح شده از دو مرحله مجزا تشکیل شده است، بایستی سه حالت مختلف را در نظر گرفت:

1.محتوای پلیمر کم (کمتر از 4 درصد): در این حالت، قیر همان فاز پیوستۀ سیستم است و فاز پلیمر ازطریق آن پراکنده می شود. فاز قیر با محتوای نفت کمتری که دارد، دارای محتوای آسفالتین نسبتآ بالاتری است؛ در نتیجه، انسجام و الاستیسیتۀ آن افزایش می یابد. علاوه براین، فاز پلیمری از طریق ماتریس قیر پراکنده می شود. در دمای بالا (حدود 60 درجه سلسیوس)، مدول سختی فاز پلیمری بالاتر از ماتریس است؛ این خواص تقویت کنندۀ فاز پلیمری باعث افزایش عملکرد مکانیکی چسب می شود. در دمای پایین، مدول سختی فاز پراکنده کمتر از ماتریس است که شکنندگی آن را کاهش می دهد. بنابراین می توان دید که فاز پلیمری پراکنده خواص چسب را در دماهای بالا و پایین افزایش می دهد. در این صورت، انتخاب قیر عامل تعیین کننده است.

2. محتوای پلیمر برای تبدیل شدن به فاز پلیمری ماتریس سیستم، به اندازه کافی زیاد است (در صورت انتخاب دقیق قیر و پلیمر، بیش از 7 درصد است): در واقع، این قیر نیست؛ بلکه پلیمری است که توسط نفت های موجود در قیر ترکیب شده است. خواص چنین سیستمی اساسآ با خواص قیر متفاوت است و به خواص پلیمر بستگی دارد. نبایستی از قیر اصلاح شده با پلیمر صحبت کرد، بلکه بایستی از چسب ترموپلاستیک حرف زد.

3. محتوای پلیمر حدود 5 درصد است: این ممکن است میکروساختارهایی را تشکیل دهد که در آن دو فاز پیوسته و متصل شده باشند. کنترل چنین سیستم هایی کاملآ دشوار است و مشکلات زیادی ایجاد می کنند (میکرومورفولوژی و خواص آن اغلب به تاریخچه دما بستگی دارد).

میکروسکوپ نوری فلورسانس بررسی مؤثری از میکروساختارها با بزرگنمایی کلی حدود 250 برابر ارائه می دهد. با این نوع مشاهده، فاز پلیمری روشن و فاز قیر سیاه است. نقش میکروساختارها در قیرهای اصلاح شده با پلیمر بسیار مهم است زیرا رابطه نزدیک بین میکروبافت قیر اصلاح شده و خواص فیزیکی آن را نشان می دهند. در نهایت، میتوان گفت که قیرهای اصلاح شده با پلیمر با محتوای پلیمری ثابت تولید شده از قیرهای گرید یکسان اما با منشأهای متفاوت می توانند ساختار و خواص متفاوتی (بویژه در تغییر شکل در دمای پایین)نیز داشته باشند.

بایندرهای اصلاح شده با پلیمر حاصل از اختلاط مواد ماکرومولکولی پلاستومر یا الاستومری گرمانرم با قیرهای جاده ای خالص سنتی اکنون بیش از 20 سال است که در دسترس هستند. آنها یک راه حل فنی مطلوب برای برخی از مشکلات خاص من جمله استفاده از ضد آب و پوشش پل های فولادی با عرشه ارتوتروپیک ارائه دادند. استفاده از روش پوشش سطحی در جاده هایی با تراکم ترافیک بالا، نیروی محرکه ای در راه اندازی و توسعۀ بایندرهای اصلاح شدۀ پرکاربرد و با قیمت مناسب (حدود دو برابر قیمت قیر خالص) با محتوای پلیمری نسبتآ کم محسوب می شد که امروزه یافت می شود. به نظر می رسد نفوذ چسب های اصلاح شدۀ جاده ای در بازار کشوری مانند فرانسه حدود 10 درصد از کل بازار چسب های قیری را به خود اختصاص داده است و اگر تکنیک های جاده سازی در سال های آینده کمی توسعه یابند، حجم بازار اشباع می شود. با این وجود، از نظر غلمی این محصولات نسبتآ شناخته شده هستند و به تحقیقات بیشتری برای درک بهتر روابط مخلوط/ ساختار/ خواص خودِ چسب ها و مخلوط های داغ تولید شده با آنها نیاز است.