امروزه دیگر قیرهای معمولی جوابگوی نیاز جاده ای ما نبوده و نمایش خوبی نیز ندارند بنابراین باید از یك بایندر با خواص برتر استفاده گردد كه این باعث افزایش فواصل زمانی بین روكش ها میشود. برای حل مشكلات قیرهایی كه به صورت پلیمری اصلاح شده اند مخصوصاً آنها كه دارای رزین ترموپلاستیك الاستومری همانند SBSمیباشند تولید گردیده اند.
كشورهای مختلف از سال های گذشته به فكر استفاده از اسفالت های اصلاح شده با پلیمر افتاده اند تا بتوانند جوابگوی نیازهای ترافیكی آنها باشند. البته نوع بخصوص پلیمر مورداستفاده در هر كشور فرق می كند ولی رزین های ترموپلاستیك الاستومر اكثریت قاطع اصلاح كننده های قیر را تشكیل می دهند كه مخصوصاً این مسئله در اروپا به خوبی مشهود است. آمار نشان می دهد كه قیرهای اصلاح شده با موفقیت برای كاربردهای جاده ای بالغ بر 25 سال مورداستفاده قرار گرفتند و علی الخصوص در سالهای اخیر در اكثر نقاط جهان برای كاربردهای جاده ای برای پوشاندن سطوح راه ها مورد استفاده قرار گرفتند.قیرهای مصرفی برای طرح مخلوط های آسفالتی در ایران عموماً از دو نوع 60/70 یا 85/100 انتخاب گردیده كه مشخصات و خواص آسفالت تولیدی با آنها به گونه ای نمیباشد كه بتواند در برابر تغییر شكل، دمای پایین و بالا و ترك خوردگی از خود مقاومت نشان دهد بنابراین چاره ای جز اصلاح خواص قیر توسط پلیمرها وجود ندارد.
شكی نیست كه افزودن هرنوع پلیمر به قیر باعث بهبود خواص قیر خواهد شد. اما دلیل انتخاب SBS به منظور اصلاح خواص قیر در این است كه مطابق مراجع و منابع مختلف معتبر و علمی، SBS بهترین پلیمری است كه هم میتواند خواص لاستیكی و پلاستیكی مناسب به قیر بدهد و هم اینكه باعث بهبود عملكرد آن نسبت به ترك های ناشی از خستگی، ترك های در دمای پایین، مقاومت در برابر تخریب و تغییر شكل های ذاتی قیر گردد. در نتیجه آسفالت تهیه شده توسط قیر اصلاح شده با SBS میتواند انعطاف پذیری خود را در دماهای پایین به راحتی حفظ كرده و در برابر Rutting و ترك های ناشی از خستگی نیز به راحتی از خود مقاومت نشان می دهد.
قیمت تمام شده اسفالت های اصلاح شده با SBS اگرچه به دلیل استفاده از پلیمرها بیشتر از آسفالت های معمول میباشد، اما از آنجایی كه با استفاده از آنها طول عمر مفید آسفالت افزایش قابل ملاحظه ای می یابد بنابراین از لحاظ اقتصادی كاملاً توجیه دارد و استفاده از آنها توصیه می گردد. با استفاده از قیرهای اصلاح شده با SBS در ساخت روسازی آسفالتی انعطاف پذیری در دمای پایین و مقاومت نسبت به پیرشدگی افزایش یافته و پیدایش شیارهای عرضی و عریان شدگی تاخیر قابل ملاحظه ای می یابد.
داشتن روسازی مناسب و ماندگار بر سطح راه های كشور موجب افزایش ضریب ایمنی سفرهای جاده ای در كشور شده و میزان تصادفات را به حداقل خواهد رساند. از طرفی افزایش دوام آسفالت و كاهش نیاز به ترمیم مجدد آن ضمن آنكه از هدر رفتن آسفالت كه یك سرمایه ملی است جلوگیری می گردد، از آلودگی محیط زیست در اثر رها شدن حجم وسیع آسفالت تراشیده شده نیز ممانعت به عمل می آید.
بنابراین هم از لحاظ اقتصادی و فنی و هم از لحاظ اجتماعی و زیست محیطی استفاده از قیرهای اصلاح شده با پلیمر مناسب به نظر می رسد.
پلیمر:
پلیمر زنجیره های بلندی از مواد آلی هستند كه از قسمت های كوچكتری به نام مونومر تشكیل شده اند و دارای خصوصیات منحصر به فردی هستند كه عبارتند از:
1- دارای دمای انتقال درجه دومی به نام Tg میباشد.
2- دارای جرم ملكولی متفاوت و توزیع جرم ملكولی میباشد.
3- ماده ای ویسكوالاستیك بوده و به همین خاطر دارای مكانیزم های استهلاك تنشی فراتر از مواد دیگر میباشد.
4- نسبت جرم به خواص آن در مقایسه با مواد دیگر بسیار بالاست. به طوریكه میتوان پلیمرهایی با یك ششم وزن فولاد ساخت كه مدولی بیش از فولاد داشته باشد.
انواع پلیمرها:
1- ترموپلاستیك ها
2- ترموست ها
3- ترموپلاستیك الاستومرها
پلیمرهای ترموپلاست:
این دسته از پلیمرها در دمای اختلاط و اجرا مشكلی نداشته و از گرانروی مناسبی برخوردار میباشند. اما د راجرای خواص بهینه لازم را برای بهبود خواص قیر دارا نیستند.
پلیمرهای الاستومر:
اینگونه پلیمرها در دماهای بهره وری مناسب بوده و خواص لازم را برای قیر تامین می نمایند ولی در دمای اختلاط و اجرا گرانروی بسیار بالایی داشته و این دو عمل را با مشكل مواجه می كند.
پلیمرهای ترموپلاست الاستومر:
این پلیمرها كه جهت اختلاط با قیر سنتز شده اند جدیدترین و مؤثرترین پلیمرها برای تغییر خواص قیر خصوصاً برای مصارف راه سازی میباشند. مشكلات و نارسایی هایی كه در اختلاط رابرها و پلاستیك ها با قیر موجود بوده در این پلیمرها حل شده است. انواع پلیمرهای ترموپلاستیك الاستومر به شرح زیر میباشند:
پلیمر SBS:
پلیمر SBS (استایرن- بوتا دی ان- استایرن) پلیمری از خانواده ترموپلاستیك الاستومرها میباشد. به این مفهوم كه ساختار ملكولی آن متشكل از واحدهایی با خواص ترموپلاستیكی (بلوك های پلی استایرن) و واحدهایی با خواص لاستیكی (ملكول های پلی بوتا دی ان) بوده است. به بیان دیگر SBSدو خاصیت لاستیكی و ترموپلاستیكی را به طور همزمان دارا میباشد.
مزیت عمده SBS نسبت به سایر پلیمرهای ترموپلاست در این است كه پس از اختلاط كامل قیر و SBSزنجیرهای SBS به صورت یك شبكه كامل لاستیكی درآمده و ذرات قیر را درون خود به طور پراكنده نگهداری می نماید.
به این فرآیند تبدیل فاز یا Phase Inversionگفته میشود. درحقیقت زمانی پلیمر میتواند باعث بهبودی خواص قیر گردد كه پدیده تبدیل فاز در آن به وقوع پیوندد.
برای تعیین مقدار بهینه SBS قیر خالص با درصدهای مختلف SBS بوسیله دستگاه هموژنایزر با دور بالا تهیه شده و ساختار شبكه ای آن بوسیله یك میكروسكوپ فلورسنت مورد بررسی قرار می گیرد. نتیجه اینكه در نمونه های حاوی مقادیر كم پلیمر حتی با افزایش دما و زمان اختلاط تغییر فاز اتفاق نمی افتد درحالیكه در نمونه های با درصد پلیمر بیشتر تغییر فاز كاملاً مشهود خواهد بود.
خواص آسفالت های پلیمری:
خواصی كه پلیمرهای ترموپلاستیك الاستومر در بتون های آسفالتی ایجاد می نماید عبارتند از:
1- خاصیت چسبندگی عالی
2- عملكرد در هر دو محدوده دمای بالا و پایین
3- ازدیاد طول و قابلیت الاستیسیته
4- انعطاف پذیری بیشتر در دماهای پایین
5- مقاومت بهتر در مقابل حركت و تغییر شكل در دمای بالا
6- كاهش حساسیت دمایی
7- بهبود در استحكام كششی
8- افزایش مدول سختی در دماهای بالا
روش های تولید قیر پلیمری:
نحوه امتزاج پلیمر و قیر باید به صورتی باشد كه پلیمر در فاز آروماتیك قیر متورم و در مواردی محلول گشته و پس از انجام اختلاط مناسب در دمای صحیح به شكل كاملاً یكنواخت در قیر پراكنده شود.
1- استفاده از پودر بسیار ریز پلیمر و اختلاط آن با قیر با استفاده از همزن های با سرعت برشی پایین
2- استفاده از دانه های متخلخل پلیمر و همزن های با سرعت برش بالا
3- استفاده از دانه های معمولی پلیمر و همزن های با سرعت برش بالا
عوامل مؤثر در اختلاط مناسب پلیمر و قیر:
1- تركیب شیمیایی قیر
2- تركیب شیمیایی پلیمر
3- سایز ذرات پلیمر
4- دمای اختلاط
5- زمان اختلاط
6- درصد پلیمر
7- نحوه اختلاط
مزایای استفاده از قیر پلیمری در راه سازی:
- دوام آسفالت پلیمری در برابر آب
- مقاومت مخلوط آسفالتی پلیمری در مقابل تغییر شكل های شیاری
- انعطاف پذیری در دمای پایین
- مقاومت نسبت به پیرشدگی با اكسیژن و اشعه UV
موارد مصرف قیر پلیمری در صنعت راهسازی:
- آسفالت های حفاظتی
- بازیافت
- رویه های آسفالتی (توپكا)
- درزگیری ترك ها
- ژئوتكستایل ها
منبع: فصلنامه دانشكده مهندسی پلیمر دانشگاه امیركبیر/نشریه P.E.T
كشورهای مختلف از سال های گذشته به فكر استفاده از اسفالت های اصلاح شده با پلیمر افتاده اند تا بتوانند جوابگوی نیازهای ترافیكی آنها باشند. البته نوع بخصوص پلیمر مورداستفاده در هر كشور فرق می كند ولی رزین های ترموپلاستیك الاستومر اكثریت قاطع اصلاح كننده های قیر را تشكیل می دهند كه مخصوصاً این مسئله در اروپا به خوبی مشهود است. آمار نشان می دهد كه قیرهای اصلاح شده با موفقیت برای كاربردهای جاده ای بالغ بر 25 سال مورداستفاده قرار گرفتند و علی الخصوص در سالهای اخیر در اكثر نقاط جهان برای كاربردهای جاده ای برای پوشاندن سطوح راه ها مورد استفاده قرار گرفتند.قیرهای مصرفی برای طرح مخلوط های آسفالتی در ایران عموماً از دو نوع 60/70 یا 85/100 انتخاب گردیده كه مشخصات و خواص آسفالت تولیدی با آنها به گونه ای نمیباشد كه بتواند در برابر تغییر شكل، دمای پایین و بالا و ترك خوردگی از خود مقاومت نشان دهد بنابراین چاره ای جز اصلاح خواص قیر توسط پلیمرها وجود ندارد.
شكی نیست كه افزودن هرنوع پلیمر به قیر باعث بهبود خواص قیر خواهد شد. اما دلیل انتخاب SBS به منظور اصلاح خواص قیر در این است كه مطابق مراجع و منابع مختلف معتبر و علمی، SBS بهترین پلیمری است كه هم میتواند خواص لاستیكی و پلاستیكی مناسب به قیر بدهد و هم اینكه باعث بهبود عملكرد آن نسبت به ترك های ناشی از خستگی، ترك های در دمای پایین، مقاومت در برابر تخریب و تغییر شكل های ذاتی قیر گردد. در نتیجه آسفالت تهیه شده توسط قیر اصلاح شده با SBS میتواند انعطاف پذیری خود را در دماهای پایین به راحتی حفظ كرده و در برابر Rutting و ترك های ناشی از خستگی نیز به راحتی از خود مقاومت نشان می دهد.
قیمت تمام شده اسفالت های اصلاح شده با SBS اگرچه به دلیل استفاده از پلیمرها بیشتر از آسفالت های معمول میباشد، اما از آنجایی كه با استفاده از آنها طول عمر مفید آسفالت افزایش قابل ملاحظه ای می یابد بنابراین از لحاظ اقتصادی كاملاً توجیه دارد و استفاده از آنها توصیه می گردد. با استفاده از قیرهای اصلاح شده با SBS در ساخت روسازی آسفالتی انعطاف پذیری در دمای پایین و مقاومت نسبت به پیرشدگی افزایش یافته و پیدایش شیارهای عرضی و عریان شدگی تاخیر قابل ملاحظه ای می یابد.
داشتن روسازی مناسب و ماندگار بر سطح راه های كشور موجب افزایش ضریب ایمنی سفرهای جاده ای در كشور شده و میزان تصادفات را به حداقل خواهد رساند. از طرفی افزایش دوام آسفالت و كاهش نیاز به ترمیم مجدد آن ضمن آنكه از هدر رفتن آسفالت كه یك سرمایه ملی است جلوگیری می گردد، از آلودگی محیط زیست در اثر رها شدن حجم وسیع آسفالت تراشیده شده نیز ممانعت به عمل می آید.
بنابراین هم از لحاظ اقتصادی و فنی و هم از لحاظ اجتماعی و زیست محیطی استفاده از قیرهای اصلاح شده با پلیمر مناسب به نظر می رسد.
پلیمر:
پلیمر زنجیره های بلندی از مواد آلی هستند كه از قسمت های كوچكتری به نام مونومر تشكیل شده اند و دارای خصوصیات منحصر به فردی هستند كه عبارتند از:
1- دارای دمای انتقال درجه دومی به نام Tg میباشد.
2- دارای جرم ملكولی متفاوت و توزیع جرم ملكولی میباشد.
3- ماده ای ویسكوالاستیك بوده و به همین خاطر دارای مكانیزم های استهلاك تنشی فراتر از مواد دیگر میباشد.
4- نسبت جرم به خواص آن در مقایسه با مواد دیگر بسیار بالاست. به طوریكه میتوان پلیمرهایی با یك ششم وزن فولاد ساخت كه مدولی بیش از فولاد داشته باشد.
انواع پلیمرها:
1- ترموپلاستیك ها
2- ترموست ها
3- ترموپلاستیك الاستومرها
پلیمرهای ترموپلاست:
این دسته از پلیمرها در دمای اختلاط و اجرا مشكلی نداشته و از گرانروی مناسبی برخوردار میباشند. اما د راجرای خواص بهینه لازم را برای بهبود خواص قیر دارا نیستند.
پلیمرهای الاستومر:
اینگونه پلیمرها در دماهای بهره وری مناسب بوده و خواص لازم را برای قیر تامین می نمایند ولی در دمای اختلاط و اجرا گرانروی بسیار بالایی داشته و این دو عمل را با مشكل مواجه می كند.
پلیمرهای ترموپلاست الاستومر:
این پلیمرها كه جهت اختلاط با قیر سنتز شده اند جدیدترین و مؤثرترین پلیمرها برای تغییر خواص قیر خصوصاً برای مصارف راه سازی میباشند. مشكلات و نارسایی هایی كه در اختلاط رابرها و پلاستیك ها با قیر موجود بوده در این پلیمرها حل شده است. انواع پلیمرهای ترموپلاستیك الاستومر به شرح زیر میباشند:
- پلی یورتان ها
- كوپلیمر پلی اتر- پلی استر
- كو پلیمر الفینیك
- كوپلیمرهای بلوك استایرنی
انواع كوپلیمر بلوك استایرنی عبارتند از:- كوپلیمر پلی اتر- پلی استر
- كو پلیمر الفینیك
- كوپلیمرهای بلوك استایرنی
- SB
- ABS
- SBS
- SEBS
- SIS
انواع كوپلیمرها الفینیك عبارتند از:- ABS
- SBS
- SEBS
- SIS
- EVA
- EMA
- EBA
- EMA
- EBA
پلیمر SBS:
پلیمر SBS (استایرن- بوتا دی ان- استایرن) پلیمری از خانواده ترموپلاستیك الاستومرها میباشد. به این مفهوم كه ساختار ملكولی آن متشكل از واحدهایی با خواص ترموپلاستیكی (بلوك های پلی استایرن) و واحدهایی با خواص لاستیكی (ملكول های پلی بوتا دی ان) بوده است. به بیان دیگر SBSدو خاصیت لاستیكی و ترموپلاستیكی را به طور همزمان دارا میباشد.
مزیت عمده SBS نسبت به سایر پلیمرهای ترموپلاست در این است كه پس از اختلاط كامل قیر و SBSزنجیرهای SBS به صورت یك شبكه كامل لاستیكی درآمده و ذرات قیر را درون خود به طور پراكنده نگهداری می نماید.
به این فرآیند تبدیل فاز یا Phase Inversionگفته میشود. درحقیقت زمانی پلیمر میتواند باعث بهبودی خواص قیر گردد كه پدیده تبدیل فاز در آن به وقوع پیوندد.
برای تعیین مقدار بهینه SBS قیر خالص با درصدهای مختلف SBS بوسیله دستگاه هموژنایزر با دور بالا تهیه شده و ساختار شبكه ای آن بوسیله یك میكروسكوپ فلورسنت مورد بررسی قرار می گیرد. نتیجه اینكه در نمونه های حاوی مقادیر كم پلیمر حتی با افزایش دما و زمان اختلاط تغییر فاز اتفاق نمی افتد درحالیكه در نمونه های با درصد پلیمر بیشتر تغییر فاز كاملاً مشهود خواهد بود.
خواص آسفالت های پلیمری:
خواصی كه پلیمرهای ترموپلاستیك الاستومر در بتون های آسفالتی ایجاد می نماید عبارتند از:
1- خاصیت چسبندگی عالی
2- عملكرد در هر دو محدوده دمای بالا و پایین
3- ازدیاد طول و قابلیت الاستیسیته
4- انعطاف پذیری بیشتر در دماهای پایین
5- مقاومت بهتر در مقابل حركت و تغییر شكل در دمای بالا
6- كاهش حساسیت دمایی
7- بهبود در استحكام كششی
8- افزایش مدول سختی در دماهای بالا
روش های تولید قیر پلیمری:
نحوه امتزاج پلیمر و قیر باید به صورتی باشد كه پلیمر در فاز آروماتیك قیر متورم و در مواردی محلول گشته و پس از انجام اختلاط مناسب در دمای صحیح به شكل كاملاً یكنواخت در قیر پراكنده شود.
1- استفاده از پودر بسیار ریز پلیمر و اختلاط آن با قیر با استفاده از همزن های با سرعت برشی پایین
2- استفاده از دانه های متخلخل پلیمر و همزن های با سرعت برش بالا
3- استفاده از دانه های معمولی پلیمر و همزن های با سرعت برش بالا
عوامل مؤثر در اختلاط مناسب پلیمر و قیر:
1- تركیب شیمیایی قیر
2- تركیب شیمیایی پلیمر
3- سایز ذرات پلیمر
4- دمای اختلاط
5- زمان اختلاط
6- درصد پلیمر
7- نحوه اختلاط
مزایای استفاده از قیر پلیمری در راه سازی:
- دوام آسفالت پلیمری در برابر آب
- مقاومت مخلوط آسفالتی پلیمری در مقابل تغییر شكل های شیاری
- انعطاف پذیری در دمای پایین
- مقاومت نسبت به پیرشدگی با اكسیژن و اشعه UV
موارد مصرف قیر پلیمری در صنعت راهسازی:
- آسفالت های حفاظتی
- بازیافت
- رویه های آسفالتی (توپكا)
- درزگیری ترك ها
- ژئوتكستایل ها
منبع: فصلنامه دانشكده مهندسی پلیمر دانشگاه امیركبیر/نشریه P.E.T
