راهنمای جامع قیر، بخش پنجاه و یکم-خصوصیات مهندسی قیر
خصوصیات مهندسی قیر
استفاده از قیر در مواردی مانند بهکارگیری آن بهعنوان یک بایندر در ترکیبات کامپوزیتی متنوع بر اساس خواص مکانیکی آن بوده و این خصوصیات تابع مدتزمان بارگذاری و درجه حرارت میباشند. بهمنظور تأمین نیازهای صنعتی، ساختمانی و جادهای، قیر در گریدهای مختلف با خصوصیات مکانیکی متنوع تولید میشود. در کاربریهای صنعتی قیر، نوع خواص مکانیکی و تطابق آن با خصوصیات مواد الاستیک سخت و محکم، از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.
برای طراحی روسازی، پیشبینی و اندازهگیری ویژگیهای اساسی مکانیکی مواد سازنده آسفالت از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است (Bonnaure و همکاران، ۱۹۷۷). مدول سختی آسفالت به مدول سختی قیر و کسر حجمی اجزاء مختلف مخلوط (سنگدانه ها، قیر و هوا) بستگی دارد. علاوه بر این، مدول سختی قیر یک پارامتر مناسب برای خصوصیات شکست قیر و آسفالت ساختهشده از آن میباشد (Heukelom، ۱۹۶۶).
مفهوم مدول سختی
یک ماده ویسکوز مادهای است که طبیعت آن نیمه سیال است. هنگامیکه به آن تنشی وارد شود، تغییر شکل و یا تمایل به تغییر شکل در آن ایجاد میشود. هر تغییر شکلی در آن به علت عدم برگشتپذیری پس از برداشته شدن با اعمالی، بهصورت دائمی خواهد بود. مواد الاستیک در هنگام اعمال تنش، تغییر شکل و یا تمایل به تغییر شکل در آنها ایجاد خواهد شد، اما پس از برداشته شدن بار اعمالی هرگونه تغییر شکل ایجادشده در آن بهطور کامل برگشتپذیر میباشد.
با توجه به تعاریف فوق، قیر را میتوان یک ماده ویسکوالاستیک نامید. میزان رفتار ویسکوز و یا الاستیک آن تابع درجه حرارت و دوره زمانی اعمال تنش میباشد. در دمای بالا و یا مدتزمان بارگذاری طولانی، مانند یک مایع ویسکوز عمل کرده درحالیکه در دماهای خیلی پایین و یا زمان اعمال تنش کوتاه، مانند یک جامد الاستیک رفتار خواهد کرد. در محدوده درجه حرارت و مدتزمان بارگذاری میانگین که شرایط معمول در زمان سرویس میباشد، قیر رفتار ویسکوالاستیک دارد.
بهمنظور تبیین خصوصیات ویسکوالاستیک، مفهوم مدول سختی بهعنوان یک پارامتر اساسی برای توصیف خصوصیات مکانیکی قیر معرفیشده است. اگر تنش کششی σ در دوره زمانی بارگذاری t=0 اعمال شود، کرنش 𝜀 بهسرعت بهدستآمده که بازمان بارگذاری افزایش نمییابد. مدول الاستیک 𝝚 مواد توسط قانون هک بهصورت تنش تقسیمبر کرنش بیانشده است.
در مورد مواد ویسکوالاستیک همچون قیر، تنش کششی σ اعمالشده در دوره زمانی t=0 منجر به افزایش کرنش 𝜀 حاصله (بهصورت نامتناسب بازمان بارگذاری) میشود. مدول سختی St در دوره بارگذاری t بهصورت نسبت بیت تنش اعمالی و کرنش حاصله تعریف میشود.
بدین ترتیب نتیجه میگیریم که مقدار مدول سختی به درجه حرارت و مدتزمان بارگذاری (که ناشی از ماهیت خود قیر است) بستگی دارد. درنتیجه لازم به ذکر است که درجه حرارت T و زمان بارگذاری t هر مدول سختی باید اندازهگیری شود.
روش اندازهگیری مدول سختی قیر اغلب بر مبنای تغییر شکل برشی آن است. مقاومت در برابر برش برحسب مدول برشی Gبیانشده که بهصورت زیر تعریف میشود:
مدول الاستیک و مدول برشی بهصورت زیر با یکدیگر مرتبط هستند:
که در آن 𝝻، نسبت پواسون است. مقدار 𝝻 به تراکمپذیری مواد بستگی داشته و ممکن است برای قیرهای خالص تراکم ناپذیر به مقدار ۵% در نظر گرفته شود. درحالیکه مقادیر کمتر از ۵% برای آسفالت در نظر گرفته میشود؛ و درنتیجه:
در آزمون خزش استاتیک، یکبار ثابت اعمالشده و تغییر شکل حاصله بهعنوان تابعی از مدتزمان بارگذاری اندازهگیری میشود. تغییر شکل در بازه زمانی ۱ تا ۱/۵ ثانیه و یا بیشتر را میتوان اندازهگیری کرد.
در تستهای دینامیک، تنش برشی معمولاً بهعنوان یک تنش متغیر سینوسی با دامنه و فرکانس ثابت به کار گرفته میشود. تغییر شکل مواد تحت آزمون نیز اغلب بهصورت سینوسی، متناسب با فرکانس تنش اعمالی میباشد. آزمونهایی در مقادیر فرکانسهای متفاوت انجامگرفته و نسبت تنش به کرنش را میتوان در مقابل معکوس فرکانس زاویهای رسم کرد.
درجه الاستیسیته قیر تحت شرایط آزمون از طریق بررسی میزان پاسخ تغییر شکل ناشی از تنش اعمالی بهدستآمده و به آن زاویه فازی میگویند. برای مواد بسیار الاستیک این زاویه فازی ۰ بوده و برای مواد بسیار ویسکوز ۹۰ درجه میباشد. در قیاس با مدول الاستیک 𝝚 و مدول برشی G، مدول سختی قیر را میتوان از رابطه زیر به دست آورد (Vanderpoel,1954)
SE ~ 3SG
توصیف تجربی رابطه تنش-کرنش و همچنین رئولوژی قیر با جزئیات کامل در فصل شماره ۷ موردبررسی قرار میگیرد.
با ترکیب کردن آزمون خزش با آزمون دینامیک، محدوده قابلتوجهی از مدول سختی و زمان بارگذاری را میتوان پوشش داد. به نظر میرسد یک منحنی سختی-زمان بارگذاری بهدستآمده در دماهای مختلف برای یک گرید قیر به یکشکل بوده و در صورت جابجایی حول محور زمان بارگذاری، منطبق خواهند شد.
تأثیر تغییرات درجه حرارت و زمان بارگذاری بر مدول سختی سه نوع قیر متفاوت را در اشکال شماره ۶-۱۴، ۶-۱۵ و ۶-۱۶ نشان دادهشده است.
شکل شماره ۶-۱۴ نشاندهنده یک قیر با PI پایین (۲/۳-) میباشد. در زمان بارگذاری بسیار کوتاه، مدول سختی عملاً ثابت بوده و تا حد زیادی مستقل از دما و زمان بارگذاری است. تأثیر PI را میتوان بهوضوح با ترکیب اشکال ۶-۱۴ و ۶-۱۵ نشان داد. قیر با PI بالاتر (۵+)، (شکل شماره ۶-۱۵)، در دمای بالاتر و زمان بارگذاری بیشتر بهطور قابلتوجهی سختتر میباشد (حساسیت کمتری نسبت به دما دارد).
شکل شماره ۶-۱۶ ارتباط بین یک قیر با نفوذپذیری ۱۰۰ و PI=-1 را در زمان بارگذاری ۰/۰۲ ثانیه (که معادل عبور وسیله نقلیه با سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت است) با مدول سختی تقریباً ۱۰۷pa در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد را نشان میدهد که در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد شاهد کاهش این مدول تا حد ۵˟ ۱۰۴ pa میباشیم.
در دمای پایین مدول سختی بالا بوده و بهتبع آن تغییر شکل دائمی رخ نمیدهد؛ اما در دمای بالا و یا زمان بارگذاری طولانی (حرکت کند وسایل نقلیه و یا ترافیک ثابت)، مدول سختی بهطور قابلملاحظهای کاهشیافته و تحت این شرایط، تغییر شکل دائمی سطح آسفالت جاده بسیار محتمل خواهد بود.
بهمنظور درک کامل اهمیت مدول سختی و اندازهگیری آن، لازم است که تغییر شکل مواد جامد و مایع ساده را تحت تنش بررسی کرده و پسازآن است که میتوان رفتار تغییر شکل مواد ویسکوالاستیک را درک کنیم.
شکل ۶-۱۴ تأثیر درجه حرارت و زمان بارگذاری بر مدول سختی قیر با PI پایین
شکل ۶-۱۵ تأثیر درجه حرارت و زمان بارگذاری بر مدول سختی قیر ۱۵/۱۱۵
شکل ۶-۱۶ تأثیر درجه حرارت و زمان بارگذاری بر مدول سختی قیر با نفوذپذیری ۱۰۰
برای مشاهده ادامه مطلب برروی لینک زیر کلیک کنید:
برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: