سبد خرید شما خالی است.
در مورد قیرهای اصلاح شده با پلیمر می توان گفت که با افزایش روزافزون تردد خودروها، پوشش‌هاي متداول خیابان‌ها دیگر کارایی لازم را براي حمل‌ونقل ایمن و راحت وسایل نقلیه ندارند. زیرا این حجم تردد، زمان سرویس دهی آن‌ها را به شدت کاهش می دهد و در نتیجه هزینه نگهداري راه‌ها و لکه‌گیري آن‌ها نیز افزایش می یابد.
بدین دلیل، اصلاح آسفالت و افزایش ماندگاري آن، به عنوان یکی از مهم‌ترین مسائل حوزه راه سازي مطرح است. از گزینه‌هاي پیشنهادي در این زمینه، قیرهاي اصلاح شده با پلیمر (polymer-modified bitumens, PMBs) است که به‌منظور افزایش عملکرد و دوام مواد آسفالتی و نیز افزایش چسبندگی این مواد به یکدیگر تولید می‌شوند.
PMBها با اختلاط قیر و پلیمر (معمولا %٣ تا %٧ وزنی) از راه پراكنش پلیمر در قیر مذاب تولید می شوند. تقریبا %٧٥ PMB الاستومري، %١٥ پلاستومري و باقی‌مانده لاستیکی یا ترکیبی از این سه است.
ناگفته پیداست، افزایش عمر مفید و کیفیت بهتر PMB به بهبود الزامات اقتصادي نگهداري و ایمنی راه ها منجر می‌شود که می تواند بر هزینه بیشتر سرمایه‌گذاري اولیه غلبه کند. اما تهیه PMB مطلوب، به‌دلیل الزامات دشواري که آسفالت اصلاح شده باید داشته باشد، از جمله ویژگیهاي مکانیکی مناسب، پایداري مطلوب طی نگه داري، گرانروي سازگار با دستگاه‌ها و فرایندهاي راه سازي متداول در دماهاي زیاد و نیز مقرون به‌صرفه‌بودن از نظر اقتصادي، چندان ساده نیست.
با وجود همه این الزامات، دسترس‌پذیري انواع متنوعی از پلیمرها، احتمال دست یابی به این هدف (ساخت آسفالت هاي اصلاح‌شده با پلیمر) را افزایش می دهد. علت اصلی تمرکز بر پلیمرها براي اصلاح آسفالت، قابلیت تولید شبکه فیزیکی آن‌هاست که هم داراي بخش‌هاي بلوري و هم بخش‌هاي انعطاف‌پذیرند.
به‌طور کلی، پلیمرهایی که براي اصلاح آسفالت استفاده می شوند، معمولا به سه دسته تقسیم می شوند:
⦁ الاستومرهاي گرمانرم،
⦁ پلاستومرها و
⦁ پلیمرهاي فعال
تاریخچه
قیرهای اصلاح شده با پلیمرهاي سنتزي و طبیعی در سال ١٨٤٣ معرفی شد. تا دهه ٧٠ میلادي، اروپا در استفاده از PMB پیش قدم بود. در حالی که به‌علت هزینه زیاد PMB، استفاده از آن در ایالات متحده بسیار محدود بود. ترکیب قیري با پایه قیر و پلی‌ایزوبوتیلن در سال ١٩٤٠ ایجاد شد.
پس از بحران سال‌هاي ١٩٧٣ و ١٩٧٩،استفاده از قیرهای اصلاح شده پلیمري براي صنعت جاده سازي در طول مدت ٤٠ سال به‌تدریج افزایش یافت. در سال ١٩٧٠ پژوهش‌هایی براي تولید پلیمرهاي افزودنی به قیر شامل پلاستومرها و الاستومرهاي گرمانرم انجام گرفت. نتایج آن پژوهش‌ها توانست برخی از ویژگیهاي قیر، مانند کاهش دماي حساسیت یا افزایش مقاومت پیونده را در برابر تغییر شکل دائمی بهبود دهد.
در اواسط دهه ١٩٨٠، ایالات متحده استفاده از پلیمرهاي پیشرفته جدید و فناوري هاي اروپایی را براي تولید PMB آغاز کرد. Bowering الزامات قیرهاي پلیمري را در سال ١٩٨٤ مرور کرد. وي ادعا داشت، هزینه نسبتا زیاد PMB ممکن است، در مقایسه با کاهش هزینه‌هاي ناشی از کاهش ضخامت لایه و افزایش طول عمر PMB توجیه‌پذير باشد. در سال ١٩٨٩، Reese و همکاران در پژوهش خود، مقاومت زیاد PMB در برابر پیري و شکست را پس از دوره دوساله در کالیفرنیا مشاهده کردند.
در سال ١٩٩٧، ارزیابی هاي انجام شده در دپارتمان هاي ایالتی حمل‌ونقل نشان داد، ٤٧ ایالت از ٥٠ ایالت آمریکا، به شروع استفاده از پیونده هاي اصلاح شده در آینده تمايل داشته و ٣٥ ایالت، استفاده در حجم زیاد را خواستارند.در حال حاضر، ایالات متحده، چین، فرانسه، ایتالیا، پیش‌قراولان پژوهش در حوزه PMB هستند و از کشورهایی مانند ژاپن، آلمان، روسیه، بریتانیا و کانادا پیش‌ترند.
ویژگیهاي استفاده از قیرهای اصلاح شده پلیمری
پژوهش‌هاي سامانه‌اي بسیاري درباره ویژگی‌هایی مانند رئولوژي، حساسیت دمایی، شکل شناسی، رفتار دمایی، پایداري و پیري در PMBهاي مختلف انجام شده است.حاصل این پژوهش‌ها، مشخص شدن مزایا و معایب استفاده از PMBهاست.
به‌طور کلی، قیرهای اصلاح شده پلیمری سبب بهبود برخی از خواص زیر می‌شوند:
⦁ بهترشدن واکنش کشسانی،
⦁ مقاومت زیاد در برابر شکست در دماي کم و
⦁ مقاومت زیاد در برابر خط افتادن جاي چرخ وسایل نقلیه سنگین در دماي زیاد در قیر اصلاح‌شده با .SBS
⦁ ناپایداري گرمایی برخی از قیرهاي اصلاح‌شده با پلیمر،
⦁ جدایش فاز برخی از PMBها و
⦁ چسبندگی زیاد به مخازن ذخیره و کامیون‌هاي حمل و دشواري تمیزکردن سطوح آن ها پس از استفاده.
تلاش‌هاي بسیاري براي رفع معایب PMBها در سال ١٩٩٠ آغاز شد. در سال ١٩٩٦، Giavarini و همکاران ادعا کردند، قیر اصلاح شده با پلی‌پروپیلن می تواند با افزایش پلی‌فسفریک اسید (PPA) پایدار شود. آن ها معتقد بودند، PPA می‌تواند به بهبود پایداري انبارداري PMB با تغییر ساختار قیر از سل به ژل کمک کند. اما مهم‌ترین نکته در این راستا، بررسی نظریه براي درک رفتار قیر در هنگام جدایش است.
در اغلب موارد، عدم موفقیت قیر راه سازي را می‌توان از راه ویژگی هاي چسبندگی قیر بررسی کرد. بررسی این ویژگی‌ها به‌طور نظري را می‌توان با استفاده از نظریه‌هاي مرزي، مکانیکی، شیمیایی، الکتروستاتیکی و ترمودینامیکی انجام داد. پژوهش‌هاي زیادي نیز به بررسی چسبندگی اجزاي قیر در مجاورت آب اختصاص‌يافته است. اما پیش از استفاده از این نظریه‌ها، شناخت جامعی از شیمی قیر مورد نیاز است که در ادامه به بررسی آن پرداخته می شود.
شیمی قیرهاي پلیمري
در برخی از پژوهش هاي مربوط به ساختار نشان داده شده است، قیرهاي معدنی ساختار کلوئیدي ناهمگن دارند و PMB ها باید امولسیون روان‌کشسان چندفازي (پلیمر-آسفالتن-مالتن) داشته باشند. در برخی دیگر از پژوهش‌ها نیز ادعا شده است که قیرها همگن هستند. یادآور می‌شود، قطبیت پلیمرها نیز به‌طور مشخص بر سازگاري آن‌ها با قیر و در نهایت، بر پایداري نگهداري PMBهاي حاصل اثرگذار است.
امروزه، مولکول‌هاي قیر به دو دسته اصلی آسفالتن‌ها و مالتن‌ها تقسیم‌بندي می شوند. مالتن‌ها خود به سه گروه مواد اشباع، آروماتیک‌ها و رزین‌ها تقسیم می‌شوند. بدین دلیل، اجزاي SARA، به‌صورت مواد اشباع (S)، آروماتیک‌ها (A)، رزین‌ها (R) و آسفالتن‌ها (A) تعریف می‌شوند که وزن مولکولی، قطبیت و محتواي ناجورآروماتیک آن‌ها به‌صورت S<A<R<A افزایش می یابد.
این چهار جزء تشکیل‌دهنده قیر، به‌طور متفاوت با پلیمر برهم‌کنش دارند که معمولا به تورم اغلب مولکول‌هاي قیر اصلاح شده و ایجاد فازهاي پلیمري و باقی‌مانده قیري منجر می‌شود. درنتیجه، شکل شناسی دوفازي داراي فاز غنی از پلیمر (PRP) و فاز غنی از قیر (ARP) تشکیل می شود.
ساختار PMB را می‌توان با استفاده از فن ریزنگاري بررسی کرد. افزایش مقدار پلیمر (از %٤ به %٨ وزنی)، موجب تغییر چندانی در شکل ذرات شبکه‌اي جدیدي را حداقل با سه فاز ماتریس پیوسته از اجزاي باقی‌مانده قیر، ذرات پلیمر احاطه‌شده با اجزاي آروماتیک و ذرات جامد آسفالت، تشکیل داده اند. فرض می شود، شبکه پلیمري تشکیل‌شده در چنین سامانه چندفازي بر پایه ریزبلورک است که در آن چند زنجیر پلی‌اتیلن از راه ماتریس قیر به هم متصل شده اند و به عنوان تقویت کننده فاز قیر پیوسته عمل می کنند.
البته PMB می تواند ساختارهاي دیگري نیز داشته باشد. به‌عنوان نمونه، در بررسی مخلوط قیر و کوپلیمر دسته‌اي اتفاقی استیرن-بوتاديان (SBR ) با همان درصد پلیمر، ساختار متفاوتی مشاهده می شود. SBR به شکل ساختار الیافی دیده می شود و به‌دلیل ساختار بی‌شکل و رفتار لاستیکی آن، شبکه سه‌بعدي درون فاز قیر پیوسته ایجاد می‌کند.
افزایش درصد پلیمر نیز اثر محسوسی بر حالت توزیع ندارد. معمولا آسفالتن‌ها تمایلی به تورم با پلیمر ندارند. بسته به قابلیت تورم و شرایط عملکردي (مدت زمان، دما، تنش برشی و غیره) چند شکل شناسی مختلف در قیرهاي پلیمري ایجاد می‌شود. فقط زمانی که مقدار تورم پلیمر به‌وسیله مولکول‌هاي قیر به قدر کافی زیاد باشد، PRP می‌تواند فازي پیوسته باشد که این حالت مربوط به وارونگی فازي است.
در این حالت، پلیمر می‌تواند بر ویژگی هاي پیونده اثر قوي بگذارد یا به عبارت روشن‌تر، ویژگیهاي عملکردي قیر را بهبود بخشد. مطلوب‌ترين حالت، وقوع تورم کامل است که در این صورت، ARP می تواند ناپدید شود. البته به شرطی که این تورم، همراه با تخریب شبکه پلیمري نباشد.
از نقطه نظر عملکردي، کمینه تورم مورد نیاز، مقداري است که وارونگی فازي را تضمین کند. در این کمینه تورم، پلیمر ساختار اصلی خود را حفظ می‌کند و اغلب ویژگی هاي کلی، مشابه ویژگیهاي پلیمر دست‌نخورده (متورم نشده) باقی می ماند.
از سوي دیگر، تورم نسبتا کم، فقط زمانی حاصل می‌شود که اغلب اجزاي سازگار قیر به درون PRP مهاجرت کنند. این مهاجرت درونی، اختلاف درخور توجه اجزاي PRP و ARP را نشان می دهد. در چنین حالتی، PRP و ARP تمایل شدیدي براي جدایی ماکروسکوپی دارند که ناشی از اختلاف چگالی آن‌هاست. اگر این جدایش در مخازن نگه داري یا کامیون هاي حامل رخ دهد، همگنی درون مواد به‌کلی از بین می‌رود.
در این حالت، PRP به قدري گرانرو می‌شود که تجهیزات متداول پمپ‌کردن قابليت مکش آن را نخواهند داشت. بنابراین، گزینش‌پذیري در تورم و مهاجرت مولکول‌هاي قیر در PRP باید به‌اندازه کافی کم نگه‌داشته شود.
در مقادیر کم تورم، PRP در ARP پراكنش يافته و پلیمر اثر محسوسی بر رفتار پیونده ندارد (ویژگی ها شبیه قیر خالص است ). در نقطه وارونگی فاز (PI) ، تغییر ناگهانی در ویژگیهاي پیونده مشاهده می‌شود . اما در این حالت، سامانه پایداري لازم را براي نگهداري ندارد. افزایش بیشتر درجه تورم، موجب کاهش اندکی در عملکرد می‌شود، اما این مقدار، هنوز بسیار بیشتر از قیر پایه است.
با افزایش درجه تورم، مخلوط وارد ناحیه انحلال پذیري کامل (CS) می‌شود. در این ناحیه، سامانه به مخلوط همگنی تبدیل شده و دوباره، اثر پلیمر ناچیز می شود.
باید بر این نکته تاکید شود که به دلایلی چون فرمول بندي قیر، نوع و کمیت پلیمر و شرایط اختلاط، دست يابی به انحلال کامل در اغلب موارد، بسیار دشوار است.
ضمن اینکه زمان اختلاط نباید به حدي باشد که تولید قیر مقرون به صرفه نباشد. از سوي دیگر، فرایند اختلاط برشی زیاد-دماي زیاد می‌تواند باعث تخریب یا پیرسازي پلیمر و حتی قیر شود. به عبارت بهتر، زمان و نحوه اختلاط بر وزن مولکولی، شیمی پلیمر و قیر اثرگذار است.
براي رسیدن به محصول بهینه، افزون بر مسائل ترمودینامیکی و سینتیکی، باید شرایط تولید را نیز مدنظر قرار داد. به‌عنوان یک اصل کلی فرض می‌شود، ترکیبات با قطبیت هاي مشابه امتزاج‌پذیرند.
این اصل درباره ترکیبات با وزن مولکولی زیاد باید بیشتر مدنظر قرار گیرد. براي تبدیل این اصل کیفی به عبارت کمی، اولین بار Hildebrand و Scott از جذر دوم چگالی انرژي چسبندگی استفاده کردند. این پارامتر را بعدها Hansen به سه عبارت برهم‌کنش‌هاي غیرقطبی اتمی، دوقطبی مولکولی و پیوند هیدروژنی مولکولی تقسیم كرد.
درنتیجه، ظرفیت بازیابی کشسانی آن و مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی، افزایش می یابد. در مقابل، اگر مولکول‌هاي قیر از حوزه شیشه‌اي جدا شوند، تکان هاي شبکه از بین رفته و فرایند اصلاح قیر، وارد منطقه CS در شکل ٤ می شود.
چون دما در طول اصلاح، درست بیش از Tg بخش سخت قرار دارد و شبکه احتمالا تخریب می شود، بنابراین چنین شکل شناسی در طول فرایند اصلاح، از تورم ساده فاز نرم با یک فاز سخت دست‌نخورده و متورم‌نشده مشتق نشده است، بلکه احتمال داده می شود که حوزه سخت، در طول اختلاط، متورم شده یا ذوب شود.
زمانی مخلوط بازسازي می‌شود که تا زیر دماي Tg خنک شود. از آنجا که حوزه سخت، متشکل از فاز مستقل است، مناسب‌ترین نمونه سامانه سه فازي است که در آن PRP خود به دو زیرفاز متشکل از بخش هاي نرم متورم‌شده و بخش هاي سخت جزئی متورم‌شده تقسیم می‌شود.
کوپلیمر دسته‌اي پلی(استیرن–b بوتاديان–bاستیرن) (SBS) براي اصلاح قیر بسیار ارجح است. دماي انتقال شیشه‌اي بخش نرم (Tg) منفی و بخش‌هاي سخت مثبت است. افزون بر این، پلی(استیرن–bایزوپرن–bاستیرن) (SIS) و پلی(استیرن–bاتیلن-بوتاديان–b استیرن) (SEBS) که از هیدروژن‌دارکردن SBS به‌دست می‌آید، نیز براي این منظور به كار گرفته می‌شوند.
Smith و همکاران ایده تولید قیرهای اصلاح شده را با استفاده از پلیمرهاي فعال بررسی کردند. آن ها براي تولید این نوع آسفالت پلیمري، از دو جزء اصلی و مواد پرکننده استفاده کردند.
جزء اول آن شامل %٢٥ تا %٧٥ وزنی قیر، قطران زغال‌سنگ یا ترکیبی از آن‌ها بوده و جزء دوم، پلی‌یورتان تولیدشده از واکنش ترکیبات پلی ایزوسیاناتی و پلی‌ال با نسبت برابر یا مخلوطی از پلی‌یورتان و لاستیک SEBS) ،SBS یا (SIS بود. گروه ایزوسیاناتی در انتهاي پلی یورتان با گروه هیدروکسیل انتهایی قیر و قطران زغال سنگ واکنش می دهد.
فرمول‌بندي حاصل می تواند به عنوان غشا براي نگه داري مواد معدنی عمل کند. %١ تا %٦٦ وزنی مواد پرکننده نیز شامل کلسیم کربنات، تالک، آمونیوم پلی‌فسفات و غیره بود. این فرمول‌بندي با ذوب جزء اول، افزودن سایر ترکیبات به آن و اختلاط تولید شد.
پلاستومرهاي متداول استفاده‌شده در قیرهای اصلاح شده، پلی‌اولفین‌هایی مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن هستند. از آنجا که پلی‌اولفین‌ها به‌دلیل ماهیت غیرقطبی قابلیت افزوده‌شدن مستقیم به قیر را ندارند، به آن‌ها سازگارکننده اضافه می‌شود.
سازگارکننده هاي متداول داراي گروه‌هاي عاملی اپوکسی مانند گلیسیدیل متاکریلات (GMA) یا گلسیدیل آکریلات یا مالئیک انیدرید هستند. سایر گروه هاي عاملی اکسیژن دار، مانند استرهاي آکریلیک نیز می‌توانند به قیر افزوده شوند.
این اصلاح‌کننده‌ها به عنوان ترپلیمرهاي اتیلن فعال شناخته می شوند. سازوکار برهم‌کنش‌هاي پیشنهادي براي این اصلاح کننده ها، شامل سازوکارهاي فیزیکی و شیمیایی است. برهم‌کنش‌هاي فیزیکی مشابه قسمت PB در SBS است که به‌دلیل نفوذ، متورم می شود.
برهم‌کنش‌هاي شیمیایی به‌طور عمده به‌وسیله GMA یا MAH انجام می‌شود و به شبکه اي شدن ساختار قیر منجر می‌شود. اهمیت این دسته از پلیمرها در محدودیت مقدار استفاده از آن‌هاست (%٢/١ تا %٥/٥). اگر مقدار پلیمر بیشتر باشد، باعث ایجاد پیوند عرضی بین زنجیرهاي پلیمري نیز می‌شود که نتیجه آن ایجاد ژلی نامحلول و نفوذناپذیر است.
بهبود عملکرد قیرهاي پلیمري
از سال ٢٠٠٠، تلاش‌هاي بسیاري براي غلبه بر معایب قیرهاي پلیمري انجام شده است که از آن جمله می‌توان به روش‌هاي زیر اشاره کرد:
١- ولکانش با استفاده از سولفور:
Wen و همکاران به‌دلیل سازگاري کم قیر و کوپلیمر استیرن-بوتاديان-استیرن (SBS) و به‌منظور افزایش پایداري قیر اصلاح شده با SBS از روش ولکانش با سولفور در دماي °C١٨٠ استفاده کردند. در این فرایند، گوگرد با نفتن‌ها و گروه‌هاي آروماتیک واکنش داده و پیوند Ar- (S)X- Ar ایجاد می‌شود. در نتیجه، ویژگیهاي فیزیکی و مکانیکی مخلوط قیر-گوگرد بهبود می یابد.
٢- افزایش ضداکسنده:
اکسایش موجب تغییر ویژگی هاي رئولوژیکی و در نتیجه ویژگی هاي فیزیکی- شیمیایی قیر می شود. در این راستا Dessouky و همکاران به‌منظور افزایش مقاومت PMB در برابر اکسایش ناشی از تماس با اکسیژن هوا در دماهاي زیاد، از %٢ وزنی فنول هاي داراي ممانعت فضایی و % ٣ وزنی SBR (لاستیک استیرن-بوتاديان)، به‌عنوان ضداکسنده، استفاده کردند. مشاهدات آن ها نشان داد، افزون بر افزایش مقاومت در برابر اکسایش، استحکام PMB نیز به‌طور محسوس افزایش یافت.
٣- استفاده از خاک رس معدنی آب‌گریز:
Zhang و همکاران قیرهای اصلاح شده با مونت‌موریلونیت و SBS را با مخلوط‌کردن در حالت مذاب تولید کردند تا مقاومت PMB را در برابر تابش فرابنفش افزایش دهند. همچنین پس از پیرشدگی، گرانروي و افزایش نقطه نرم شدگی با افزایش خاک، کاهش می یابد.
٤- عامل دارکردن (شامل به‌کارگیري پلیمرهاي فعال):
Shivokhin و همکاران با افزایش %٤ وزنی از ٤،٤-دي فنیل‌متان ديایزوسیانات -(MDI)پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) به چسب قیري (bituminous mastic) اصلاح‌شده با %٣ وزنی SBS نشان دادند، گرانروي در سرعت‌هاي برش مختلف و در دماي °C٦٠، تقریبا ثابت باقی می ماند.
براي کاهش هزینه‌ها نیز پیشنهادهایی از جمله استفاده از ضایعات لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها و محصولات جانبی پلیمرهایی با منشأ گیاهی ارائه شده است تا در کارهاي آینده مورد توجه قرار گیرد. لاستیک خرده (crumb rubber, CR) که از ضایعات تایرهاي خودروهاي سواري و کامیون‌ها به‌دست می آیند، داراي %٥٠ لاستیک، %٢٠ توده کربنی، %١٥ فلز و %١٥ سایر مواد هستند.
برهم‌کنش هاي CR با قیر، اغلب فیزیکی است. اما برهم‌کنش‌هاي شیمیایی نیز نامحتمل نیستند. واکنش‌هاي شیمیایی بین لاستیک و قیر، زمانی قابل انتظار هستند که دما در بازه °C٢٠٠-١٧٠ باشد.
نتيجه گيري
قیرهای اصلاح شده پليمري با وجود برخورداري از مزاياي درخور توجه، در اغلب موارد، هنوز به مقبوليت كافي دست نيافته اند. شيمي، ساختار و خواص اين قير ها، وابستگي زيادي به اجزاي تشكيل دهنده آن ها، سازگاري با پليمر به كار رفته و شرايط توليد دارد.
براي دست يابي به قيري مطلوب، تورم مطلوب پليمر، ايجاد و حفظ ويژگي هاي اصلاحي و جلوگيري از دوفازي شدن محصول (پايداري) لازم است. وجود اجزاي مختلف با قطبش و انحلال پذيري مختلف، هزينه تمام شده زياد و امكان جدايش فازي اين قير ها طي تغييرات دما در شرايط عملكردي و زير بار تردد خودروها، چالش هاي عمده افزايش مقبوليت اين نوع از قيرهاست.
به طور كلي، چند روش عمومي براي رفع اين مشكلات وجود دارد كه نيازمند بررسي دقيق تر و انجام آزمون هاي عملياتي بيشتر، با توجه به اولويت كاهش هزينه تمام شده يا بهبود عملكرد قير توليدي است.
برای خواندن دستورالعمل آیین نامه بهداشت معدنکاران بر روی لینک کلیک کنید.
