تحقیق مقاله کاربرد پلیمر ها در صنعت راهسازی

- مقدمه

امروزه صنعت راهسازی یکی از مهمترین شاخه های مهندسی می‌باشد که به سرعت در حال رشد است. گسترش سریع شبکه راهها، افزایش ترافیک و بار محوری ناشی از آن، همچنین افزایش تقاضا برای بهبود کیفیت خدمات، سبب تلاش بیشتر مهندسان به منظور بالا بردن کیفیت راهها و نگهداری آنها گشته است.

تا اوایل قرن بیستم جاده ها عمدتا خاکی بودند و راههای داخل شهری سنگفرش می‌شدند، امروزه، با پیشرفت تکنولوژی به روسازی راه بسیار اهمیت داده می‌شود.

در این میان مناسبترین ماده ای که برای روسازی راه به کار می‌رود، آسفالت است. زیرا از مواد دیگری ارزانتر است، در برابر تغییرات شرایط جوی پایدار می‌باشد، خاصیت ارتجاعی دارد، به فراوانی و در همه جا  در دسترس است و می‌توان آن را (با اصلاحات لازم) در هر آب و هوایی به کار برد.

تا چندین دهه قبل آسفالت به صورت معمول خود (مخلوطی از قیر و سنگدانه) به کار می‌رفت. ولی امروزه مهندسان بنا به دلایل زیر سعی در بهبود خواص آسفالت دارند:

آسفالت با مشکلاتی نظیر ترک خوردن، شیار شیار شدند (Rutting) فرسوده شده بر اثر نمکها، جمع شدن بر اثر گرما یا شکننده شدن بر اثر سرما و … روبروست.

توجه به ایمنی و راحتی جاده ها از مهمترین اصول راهسازی مدرن است. مثلا سطح جاده باید طوری باشد که اصطکاک لازم را ایجاد کرده از لیز خوردن اتومیبلها جلوگیری نماید. همچنین صدای ناهنجار ایجاد ننماید. یعنی دارای سطحی هموار باشد  نیز از جمع شدن آب روی جاده جلوگیری شود.

طراحان و مهندسان در پی یافتن روشها و مواد مناسبی برای اصلاح آسفالت هستند. از جمله مهمترین موادی که تا کنون برای این منظور به کار رفته اند و نتایج بسیار رضایت بخشی به همراه داشته اند. پلیمرها می‌باشند.

در این مقاله سعی شده است به دو کاربرد عمده پلیمر در بهبود خواص آسفالت اشاره شود:

استفاده از پلیمر برای اصلح خواص قیر.

استفاده از شبکه های (Mesh) پلیمری برای تسلیح آسفالت.

استفاده از پلیمر برای اصلاح قیر PMB2

قیر به عنوان چسبنده ای ایده آل برای ساخت آسفالت به کار می‌رود. این ماده در دمای بالا مایع شده می‌تواند با سنگدانه ها مخلوط شود آنها را به هم بچسباند و تشکیل آسفالت دهد. در دمای معمول، قیر به صورت یک ماده ویسکو الاستیک عمل می‌کند به علاوه چسبندگی خوبی داشته، در برابر نفوذ آب مقاوم می‌باشد. با این همه، برخی از مشکلات راهها نظیر خرد شدن آسفالت بر اثر خستگی، ایجاد شیار بر روی آسفالت بر اثر افزایش بار محوری، روان شدن آسفالت در اثر گرما، کنده شدن و خرد شدن سنگدانه ها و … مربوط به قیر مصرفی می‌باشند. بنابراین شیمیدانها سعی زیادی در بهبود خواص قیر دارند.

یکی از راههای اصلاح یک ماده اضافه کردن مواد دیگر به آن می‌باشد مثل ساخت آلیاژهای گوناگون.

پلیمرها از اولین مواد اصلاح کننده ای بودند که برای افزودن به قیر پیشنهاد شدند زیرا:

منشا پلیمرها وقیر هر دو ماده خام واحدی می‌باشد (نفت). بنابراین ساختار اصلی آنها قابل مقایسه است.

با استفاده از فرآیندهای شیمیایی می‌توان پلیمرهای جدید با خواص مطلوب تهیه کرد (تنوع).

پلیمرها موادی پایدار و قابل بازیافت هستند (توجیه اقتصادی).

اواسط دهه 70 میلادی یک شرکت نفتی توانسته با اضافه کردن EVA3  ، به قیری با انعطاف پذیری بهتر دست یابد کمی‌بعد با کشف 4SBS ها  شیمیدانها توانستند خواص قیر را باز هم بهبود بخشند.

EVA ها پلاستیک5 و SBS ها الاستومر6 هستند، امروزه، برای اصلاح قیر از هر دو گروه EVA و SBS ها بهره گرفته می‌شود.

اولین آزمایش موفقیت آمیز PMB ها در اواخر دهه 70 میلادی در جاده های انگلستان انجام شد.

2-1 بهبود خواص قیر با اضافه کردن پلیمر

قیر خوب قیر است که حساسیت حرارتی آن کم بوده، چسبندگی مناسب داشته باشد و در دمای پایین شکننده نشود. مواد پلیمری حساسیت حرارتی قیر را، مخصوصا در دمای بالا که قیر جاری می‌شود، کاهش می‌دهند یعنی دمای نرم شدن (Softening Point) را افزایش می‌دهند تا قیر دیرتر روان شود.

این مواد همچنین مقاومت در برابر خستگی را بالا می‌برند (زیرا باعث می‌شوند قیر در دمای پایین هم، همچنان انعطاف پذیری خود را حفظ کند.) و نیز چسبندگی قیر را به میزان زیاد افزایش می‌دهند.

شکل 1 حساسیت حرارتی واقعی قیر و حساسیت حرارتی ایده آل آن را نشان می‌دهد.

یک چسبنده (Binder) ایده آل باید در دمای معمولی رفتاری ثابت داشته باشد. سپس در دمای اختلاط به ماده ای ویسکوز تبدیل شود. قیر در طبیعت رفتار ایده آلی نشان نمی‌دهد و در برابر تغییرات دما دچار تغییرات پیوسته می‌شود. با اضافه کردن پلیمر مناسب، منحنی حساسیت حرارتی قیر می‌تواند به شکل 2 تغییر یابد.

استفاده از پلیمر بهبود شایانی در رفتار ویسکو الاستیک قیر پدید می‌آورد. این مواد خاصیت الاستیکی قیر را در دماهای بالاتر حفظ می‌نمایند.

باید توجه داشت لازمه تغییرات ذکر شده پدید آمدن یک شبکه پلیمری در داخل قیر می‌باشد یعنی تا زمانی که این شبکه بوجود نیامده است بهبودی در خاصیت قیر مشاهده نمی‌شود.

2-2 مواردی از کاربرد آسفالت پلیمری

2-2-1 با افزایش ترافیک و بار محوری ناشی از آن مشاهده می‌شود که سطح بسیاری از جاده ها (مخصوصا در هوای گرم) شیار، شیار و ناهموار می‌شود. قبلا برای جبران این نقیصه از آسفالت سفت تر استفاده می‌شد که این امر باعث شکنندگی آسفالت (مخصوصا در هوای سرد) می‌شد. ولی اکنون با استفاده از PMB می‌توان از نرم شدن آسفالت در دمای بالا و در نتیجه از ایجاد شیار بر روی آن و همچنین از شکنندگی آسفالت در دمای پایین جلوگیری کرد.پیشگیری از شکنندگی نتیجه حفظ الاستیسیته PMB ها در دمای پایینتر می‌باشد.

2-2-2 از بین بردن آبهای سطحی در روزهای بارانی ایمنی جاده ها را افزایش می‌دهد. آسفالت زهکشی یا متخلخل آسفالتی است دارای دانه بندی منقطع و درشت. آب از بین این دانه ها رد می‌شود و به کانالهای آبی انتقال می‌یابد. این نوع آسفالت چند مشکل عمده دارد:

سنگدانه های آن به علت درشتی خیلی زود کنده می‌شوند.

بر اثر فشارهای ترافیکی ممکن است روی آسفالت شیار ایجاد شود (به علت فضای خالی بین سنگدانه ها).

آب نیز سنگدانه ها را کنده، با خود می‌برد.

اضافه کردن پلیمر به قیر هر سه مشکل را حل می‌کند. زیرا با استفاده از پلیمر از یک سو می‌توان از قیر نرمتر استفاده کرد. با مصرف پلیمر و کم کردن حساسیت حرارتی قیر از جاری شدن آن در دمای بالا جلوگیری می‌شود و با این کار می‌توان غشا ضخیمتری از قیر دور سنگدانه ایجاد کرد و باعث چسبندگی سنگدانه ها به هم شد. و از سوی دیگر با استفاده از پلیمر چسبندگی قیر بالا رفته، سنگدانه ها بهتر به هم چسبیده وهر سه نقیصه بر طرف می‌شود.

2-2-3 در بسیاری جاها از آسفالت کم ضخامت برای پوشاندن جاده های خاکی استفاده می‌شود دلایل این استفاده، بهبود کیفیت رانندگی و افزایش مقاومت در برابر لیز خوردن ماشینها است.

لایه نازک آسفالت با چند اشکال عمده روبروست.

سنگدانه های آن خیلی زود بر اثر خستگی (معمولا در هوای سرد) کنده می‌شوند. با استفاده از پلیمرها می‌توان قیری انعطاف پذیر تر که در دمای سرد خاصیت ارتجاعی را حفظ می‌کند به کار گرفت و از ترد شدن آسفالت و کنده شدن سنگدانه های آن جلوگیری کرد.

لایه نازک آسفالت در هوای گرم شل می‌شود و بر اثر تنشهای برشی وارده مثل ترمز ماشینها به سرعت جمع می‌شود که با استفاده از پلیمر دمای روانی قیر را می‌توان طوری بالا برد که در هوای گرم جاری نشود.

مشکل لایه های نازک آسفالت این است که چنانچه در لایه های زیرین (Pavement) آنها ترکی رخ دهد. این ترک به سرعت به آسفالت منتقل شده و سطح آنرا می‌شکافد. چسبندگی زیاد PMB ها این نقیصه را نیز بر طرف می‌سازد.

همچنین در مورد جاهایی که سطح جاده را با سنگدانه (Chipping) می‌پوشانند، برای چسباندن سنگها به جاده، به آستری از قیر احتیاج داریم که PMB ها به علت چسبندگی زیاد می‌توانند آستر مناسبی برای این کار باشند.

2-2-4 در مورد آسفالت گرم که لایه ای کلفت از آسفالت فشرده می‌باشد و در برابر خستگی مقاومت زیادی دارد مساله مطرح کار آیی کم آسفالت هنگام بخش کردن، مخصوصا در هوای سرد است. PMB با استفاده از قیر انعطاف پذیرتر این مشکل را بر طرف می‌کند همچنین از ایجاد شیار جلوگیری کرده، مقاومت در برابر خستگی را افزایش می‌دهد.