آسفالت ماده‌ای سیاه، چگال و بسیار چسبنده یا شبه جامد می‌باشد. آسفالت ماده‌ای ترکیبی است که از مخلوط کردن شن و ماسه و قیر ساخته می‌شود و در ساخت جاده، باند فرودگاه و پشت بام ساختمان‌ها به کار گرفته می‌شود. در حقیقت آسفالت یک ماده سیمانی می باشد که رنگ آن از قهوه ای تا مشکی متغییر است و گسترده ترین اجزای تشکیل دهنده آن قیرها هستند که یا از طبیعت حاصل می شوند و یا درخلال پروسه های در ارتباط با نفت به دست می آیند. آسفالت ها آن طور که به رفتار و خصلت آن ها مربوط می شود شامل هیدروکربن هایی با ورزن مولکولی زیاد هستند که آسفالتن نامیده می شود. (پس این تولین نشانه از پلیمری بودن آسفالت است). آسفالت های سرد، گرم، حفاظتی، بتنی، پلیمری و… از نوع های مختلف آسفالت می باشند، که هر کدام خصوصیات و کاربرد های ویژه خود را دارند.

پلیمر چیست؟

پلیمرها زنجیره­ های بلندی از مواد آلی هستند که از قسمت­ های کوچکتری به نام منومر تشکیل شده ­اند و دارای خصوصیات منحصر به فردی هستند که به همراه خاک و سنگ به کار رفته و خصوصیات آنها را اصلاح می کنند، به عبارتی خواص و ظرفیت باربری مواد، مصالح و سازه های ژئوتکنیکی را افزایش می دهند. اصلاح قیر با پلیمر تاریخچه ای طولانی دارد. حتی قبل از تصفیه قیر، مردم شروع به اصلاح قیر طبیعی کردند و چند اختراع برای اصلاح آن با لاستیک طبیعی ارائه دادند. پلیمرهای سنتزی تا بعد از جنگ جهانی دوم به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفتند. یکی از مثال های شناخته شده، لاتکس نئوپرن (پلی کلروپرن) است که در آمریکای شمالی با روند افزایشی برای اصلاح قیر در دهه 1950 به کار برده شد.

پلاستومرها (plastomers): تاریخچه طولانی تری نسبت به الاستومرهای گرمانرم دارند. بیشتر پلاستومرهای متداول به صورت تجاری قبل از 1960 شروع به تولید شده اند. در ارتباط با الاستومرهای گرمانرم، کوپلیمر استایرن - بوتیلن - استایرن (SBS) قابل قبول تجاری به طور توسعه یافته در سال 1965 در آمریکا تولید شد و اولین نمونه هیدروژن دار شده آن (اشباع)، استایرن - اتیلن - بوتیلن - استایرن (SEBS) در سال 1972معرفی گردید. در سال های اخیر این پلیمرهای تجاری، به طور عمده در صنایع بسته بندی، لاستیک و چسب به کار برده شدند. قیر اصلاح شده پلیمری برای اولین بار در صنعت پوشش سقف و بعد از آن در راه سازی به کار برده شد.

در سال 1965، پلی پروپیلن اتاکتیک (APP)، که محصول جانبی تولید پروپیلن ایزوتاکتیک (IPP) بود، برای اصلاح قیر سقف سازی برای اولین بار در ایتالیا به کار برده شد. تا اوایل 1970، SBS به طور گسترده در اروپا مورد استفاده قرار نگرفت؛ در حالی که در سال 1978، آمریکایی ها شروع به استفاده گسترده از قیر در سقف سازی کردند. در سال 1980، اولین تولیدکننده آمریکایی قیر اصلاح شده پلیمری (PMB) شروع به کار نمود. اختراعی مربوط به اجزای قیر با قیر پایه و ایزوبوتیلن در اوایل 1940 ارائه شد. بعد از آن به خصوص بعد از معرفی SBS برای اصلاح قیر، اختراعات زیادی در سراسر جهان ارائه شد. در حدود 40 سال پیش به دلیل بحران نفت در سال های 1973 و 1979، اصلاح قیر با پلیمر برای ساختن جاده ها مورد توجه زیادی قرار گرفت.

در دهه 1970، پژوهشگران اثبات کردند که اضافه کردن پلیمرها، شامل پلاستومرها و الاستومرهای گرمانرم می تواند برخی خواص قیر راهسازی مانند کاهش حساسیت دمایی یا افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی را بهبود دهد. در دهه 1980، تقاضا برای استفاده از یک لایه نازک قیر در راهسازی، بررسی های سیستماتیک بیشتری در زمینه اصلاح قیر با پلیمر انجام شد. در سال 1984، محققان ادعا کرد که هزینه بالای PMB می تواند با کاهش ضخامت لایه و عمر طولانی جاده PMB، نادیده گرفته شود. در سال 1987 برنامه تحقیقات استراتژیک بزرگراه ها (SHRP) محبوبیت PMB را با توسعه مشخصات پایه- عملکرد برای قیر معمولی و قیر اصلاح شده که تاکید بر رئولوژی دارد، رواج داد. در اوایل دهه 1990، در بسیاری از کشورها علاقه به پژوهش درباره اصلاح قیر با پلیمر افزایش یافت. پژوهشگران به طور اصولی، خواص مکانیکی، رئولوژی، حساسیت دمایی، مورفولوژی، رفتار حرارتی، پایداری ذخیره و فرسودگی PMBهای متفاوتی را بررسی کردند. در این مورد، PMBهایی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گرفتند، مزایا و معایبی داشتند.

از یک طرف، اصلاح با پلیمر خواص بهتری از قیر را در بردارد مانند خاصیت ریکاوری الاستیک بهتر، مقاومت بالا در برابر ترک در دمای پایین و مقاومت در برابر شیار در دمای بالا در قیر اصلاح شده با SBS؛ از طرف دیگر، وجود تعدادی نقاط تیره مانند ناپایداری حرارتی برخی اصلاح کننده های پلیمری و جدایی فازها در برخی از PMBها بدست آمد. از دهه 1990 تلاش هایی برای رفع نقاط تیره PMBها آغاز گردید. در سال 1996، محققان ادعا کردند که قیر اصلاح شده با PP می تواند با افزودن پلی فسفریک اسید (PPA) پایدار گردد و PPA می تواند به بهبود پایداری ذخیره PMB با تغییر ساختار از سل به ژل کمک کند. پس از سال 2000، بررسی های PMB به دو زمینه تقسیم شدند: 1) ادامه بررسی عمیق مکانیسم اصلاح پلیمری و شکست آن 2) غلبه بر معایب برخی PMBها. زمینه اول به طور عمده بر تغییر شکل میکروساختار، ترک، فرسودگی و خستگی PMB تمرکز دارد.

برخی پژوهشگران باور دارند که قیر ساختار کلوئیدی هتروژنی دارد و PMB باید به عنوان امولسیون ویسکوالاستیک چند فازی ( پلیمر/ آسفالتن ها/ مالتن ها) بررسی گردد (شکل 1). در حالی که برخی دیگر ادعا می کنند که قیر یک محلول مولکولی همگن و پیوسته بر پایه حلالیت مشترک آنهاست و پلیمرها با حلالیت جزیی در قیر اثرات خوبی بر PMB دارند. همچنین، برخی محققان اعتقاد دارند که آسفالتن ها اجزای قطبی در قیر هستند و قطبیت اصلاح کننده های پلیمری تأثیر چشمگیری بر سازگاری آنها با قیر و پایداری PMBهای بدست آمده دارد؛ اما برخی دیگر بر این باورند که آسفالتن ها مولکول های غیر قطبی هستند. در دهه 2000 راهکارهای متفاوتی برای رفع نقاط تیره PMBها گزارش شده که شامل ولکانیزاسیون با گوگرد، افزودن آنتی اکسیدان ها، اضافه کردن رس معدنی آبگریز و عامل دار کردن (شامل کاربرد پلیمرهای فعال) می باشد.

دلیل استفاده از آسفالت پلیمر

امروزه با گسترش علم پلیمر راهکارهای جدیدی برای زندگی بهتر ارائه می شود. هر ساله دولت ها هزینه هنگفتی را برای راه سازی و ترمیم آسفالت های ترک خورده و فرسوده می پردازند. با توجه به این که مواد اولیه آسفالت قیر ها و ترکیباتی مشابه هستند که از نفت استخراج می شود با مطالعه بر روی این مواد مشاهده شد که می توان با افزودن مواد پلیمری جلوی ترک خوردن و فرسودگی آسفالت ها را گرفت. مطالعه انجام داده شده توسط محققان نشان داد که استفاده از این روش ۵۰ درصد هزینه ها را کاهش می دهد.

انوپلیمرا

• ترموپلاستیک­ ها:

این دسته از پلیمرها در دماهای اختلاط و اجرا مشکلی نداشته و از گرانروی مناسبی برخوردار می­ باشند اما در اجرا خواص بهینه لازم را برای بهبود خواص قیر دارا نیستند.

• ترموست ­ها:

این گونه پلیمرها در دماهای بهره­ وری مناسب بوده و خواص لازم را برای قیر تأمین می­نمایند ولی در دمای اختلاط و اجرا گرانروی بسیار بالایی داشته و این دو عمل را با مشکل مواجه می ­کند.

• ترموپلاستیک الاستومرها:

این پلیمرها که جهت اختلاط با قیر سنتز شده­اند. جدیدترین و مؤثرترین پلیمرها برای تغییر خواص قیر خصوصاً برای مصارف راهسازی می­ باشند.

مشکلات و نارسایی­هایی که در اختلاط رابرها و پلاستیک­ها با قیر، موجود بوده در این پلیمرها حل شده است. انواع پلیمرهای ترموپلاستیک الاستومر به شرح زیر می باشند:

 پلی یورتان­ ها

 کوپلیمر پلی اتر- پلی استر

 کوپلیمرهای الفینیک

کوپلیمرهای بلوک استایرین

از بین پلیمرهای بالا کوپلیمرهای بلوک استایرینی به خاطر ویژگی هایی که دارند برای ساخت آسفالت پلیمری استفاده می شود. البته کوپلیمر بلوک استایرینی نوع های مختلی دارد از جمله –SB , -ABS , -SBS , -SEBS , -SIS که نوع –SBS به خاطر خصوصیات فوق العاده ای که دارد بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

از جمله ویژگی های این نوع پلیمر می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• به جهت ویسکوزیته پایین پلی بوتادین این پلیمرها خاصیت لاستیکی خود را تا دماهای بسیار پایینی حفظ می کنند.
• این پلیمرها با درصد های کمی(۳ تا ۵ درصد) قادر به تورم در قیر و ایجاد فاز پیوسته می باشند.
• پلیمر مذکور دارای غلظتی حدود ۵-۶ درصد است و هنگامیکه متورم میشود یک حجم مهمی از قیر صنعتی و اسفالت را اشغال می کند. به همین دلیل درجه حرارت شیشه ای پلی استایرن ۱۰۰+ درجه سانتی گراد میباشد تا زمانی که دمای محیط به این درجه نرسد پلی استایرن سخت است و با افزودن به قیر صنعتی این بخشهای پلی استایرن در تابستان از زیاد نرم شدن اسفالت جلوگیری می کند.
• پلیمر ها در مقابل نفوذ یک سری از عوامل شیمیایی وطبیعی مقاوم هستند به همین دلیل با افزودن این پلیمر به قیر صنعتی عمر مفید اسفالت را می توان درمقابل باران و برف و… افزایش داد.

 خواصی که پلیمرهای ترموپلاستیک الاستومر در بتن­های آسفالتی ایجاد می­ نماید:

• خاصیت چسبندگی عالی
• عملکرد در هر دو محدوده دمای بالا و پایین
• ازدیاد طول و قابلیت الاستیسیته
• انعطاف­پذیری بیشتر در دماهای پایین
• مقاومت بهتر در مقابل حرکت و تغییر شکل در دمای بالا
• کاهش حساسیت دمایی
• بهبود در استحکام کششی
• افزایش مدول سختی در دماهای بالا