تحقیق مقاله آسفالت و خصوصیات آن

مقدمه

مخلوطهای قیری که در ایران به آسفالت موسوم هستند از اختلاف قیر و مصالح سنگی بدست می‌آیند. آسفالت انواع مختلف دارد و از آن برای ساختن لایه‌ های رویه، اساس و زیراساس روسازی راهها و فرودگاهها استفاده میشود. از آنجا که خصوصیات آسفالت‌ها بستگی به خصوصیات مصالح تشکیل دهنده آن یعنی قیر و مصالح سنگی دارد، لذا در این فصل ابتدا خصوصیات مصالح سنگی مورد بحث قرار گرفته و سپس بشرح خصوصیات آسفالتها پرداخته شده است. خصوصیات و مشخصات فنی قیرها در بخش پنجم آمده است.

مصالح سنگی

مصالح سنگی معمولاً‌ یا بطور طبیعی در طبیعت در طبیعت یافت می‌شوند و یا بطور مصنوعی و بصورت غیرمستقیم بصورت تفاله برخی از کارخانجات ذوب فلزات تولید میشود. مصالح سنگی طبیعی گاهی بصورت آماده از بستر رودخانه و یا معادن شن و ماسه‌ای که در طول مسیر راهها قرار دارند بدست می‌آیند، لیکن در اغلب موارد لازمست که مصالح سنگی را از شکستن سنگهای موجود در معادن سنگ تهیه کرد. شکستن سنگ در کارخانجات سنگ شکن که انواع مختلفی دارد انجام میشود. اگر مقدار سنگ شکسته مورد نیاز برای تهیه آسفالت قابل توجه باشد از کاخانجات سنگ شکن ثابت و در غیر اینصورت از کارخانجات سنگ شکن سیار استفاده میشود.

برای تهیه سنگ شکسته ابتدا سنگ های بزرگ موجود در معادن سنگ با استفاده از مواد منفجره شکسته شده و سپس این سنگها به کارخانه سنگ شکن حمل میشود. در کارخانه سنگ شکن این سنگها در یک یا چند مرحله بکمک سنگ شکن‌ها شکسته میشوند تا دانه‌بندی‌های لازم بدست آید.

شکستن سنگها معمولاً‌ در دو، سه و یا در چهار مرحله انجام میشود. مرحله اول شکستن سنگها بکمک سنگ‌شکن‌های اولیه که معمولاً‌ از نوع فکی، چکشی، و یا دوار هستند انجام میشود. مصالح شکسته شده با استفاده از سرندهای لرزنده سرند شده و قسمت درشت دانه‌تر با استفاده از سنگ شکن‌های ثانوی که معمولاً‌ از نوع چکشی، استوانه‌ای، و یا مخروطی هستند به مصالح با دانه‌های کوچکتر تبدیل می‌‌شود. برای شکستن و خردکردن بیشتر مصالح سنگی از آسیاب‌های میله‌دار، گوی دار و یا سنگ شکن استوانه ای استفاده میشود.

نحوه انتخاب نوع و تعداد سنگ‌شکن‌ها و مراحل شکستن سنگها بستگی به عوامل زیاد داشته و از آنجا که این مطلب موضوع درس روشهای اجرای ساختمان است از ذکر آن در اینجا خودداری میشود.

مصالح سنگی شکسته شده دارای قابلیت باربری و استقامت بیشتری نسبت به مصالح گردگوشه (رودخانه ای) است زیرا دانه های اینگونه مصالح دارای لبه‌های تیز و سطحی زبر بوده و بهتر در یکدیگر قفل و بست میشود. مصالح شکسته شده از مصالح رودخانه‌ای یا گردگوشه گرانتر است و از این نظر در مواردی که بهرد و نوع مصالح دسترسی باشد، باید در انتخاب آنها عوامل اقتصادی در نظر گرفته شود. در مواردی که استفاده از مصالح رودخانه‌ای تنها راه حل است، باید بمنظور افزایش استقامت و ظرفیت باربری بیشتر مصالح سنگی را شکسته و سپس مورد استفاده قرار داد.

امروزه علاوه بر مصالح سنگی طبیعی استفاده از مصالح سنگی مصنوعی نیز در اغلب ممالک صنعتی دنیا متداول گشته است. این مصالح معمولاً‌ بطور غیرمستقیم و بصورت تفاله کارخانه هائی نظیر کارخانه آهن‌گدازی بدست می‌آید. این مصالح که به اسلگ موسوم است سیلیسی بوده و بعلت داشتن وزن مخصوص کمتری از وزن مخصوص آهن در بالای کوره آهن گدازی جمع شده که آنرا بسادگی از آهن مذاب جدا میکنند. این مواد را معمولاً‌ در اثر سرد کردن ناگهانی که بکمک پاشیدن آب بروی مواد مذاب صورت میگیرد خرد کرده و از آن در راهسازی استفاده میکنند.

مصالح سنگی که برای ساختن انواع آسفالت بکار میرود باید دارای مشخصات ویژه‌ای باشد. مشخصات مورد نظر عبارتند از: دانه‌بندی، سختی، دوام، تمیزی، شکل دانه‌ها و کیفیت سطح دانه‌ها.

دانه بندی

دانه بندی مصالح سنگی یکی از مهم‌ترین عواملی است که بر روی استقامت و ظرفیت باربری آسفالت تاثیر می‌گذارد. دانه‌بندی مصالح سنگی با انجام آزمایش دانه بندی و رسم منحنی دانه بندی مشخص میشود. دانه بندی مصالح سنگی معمولاً‌ با استفاده از الک‌های با اندازه‌های 62.5، 50، 37.5، 25، 19،؟ 15.5، 12.5 و 9.5 میلی متر و الک‌های با سوراخهای مربع شکل با شماره‌های 4، 8، 16، 30، 50، 100، 200 انجام میشود. شماره یک الک مشخص کننده تعداد سوراخهای آن در هر 2.5 سانتی‌متر (1 اینچ) است.

دانه‌بندی مناسیب مصالح سنگی آسفالت با توجه به عوامل متعددی از قبیل: نوع روسازی، نوع و محل قرارگرفتن لایه مورد نظر در سیستم روسازی، ضخامت لایه آسفالتی و اندازه بزرگترین دانه انتخاب میشود. حدود دانه‌بندی‌های مناسب در هر مورد توسط آئین نامه‌های فنی مشخص میشوند که معمولاً  بصورت دو منحنی حدی هستند که منحنی دانه‌بندی مصالح سنگی باید بین این دو منحنی حدی و حتی الامکان در وسط و بموازات آنها قرارگیرد.

دانه بندی مناسب مصالح سنگی آسفالت با توجه به عوامل متعددی از قبیل: نوع روسازی، نوع و محل قرار گرفتن لایه موردنظر در سیستم روسازی، ضخامت لایه‌ آسفالتی و اندازه بزرگترین دانه انتخاب میشود. حدود دانه بندی‌های مناسب در هر دو مورد توسط آئین‌نامه‌های فنی مشخص میشوند که معمولاً‌ بصورت دو منحنی حدی هستند که منحنی دانه بندی مصالح سنگی باید بین این دو منحنی حدی و حتی‌الامکان در وسط و بموازات آنها قرار گیرد.

مصالح سنگی را میتوان از نقطه نظر نوع دانه بندی، به یکی از سه نوع: توپر، توخالی (باز)، و یک اندازه تقسیم نمود. مصالح سنگی با دانه بندی توپر به مصالح اطلاق کرده و باندازه کافی دانه‌های با اندازه‌های مختلف داشته باشد. مصالح سنگی با این نوع دانه بندی بسیار مناسب برای ساختن بتن آسفالتی گرم است.

مصالح سنگی با دانه بندی توخالی دارای منحنی دانه بندی یکنواختی نبوده و در مقایسه با مصالح سنگی با دانه بندی توپر دارای مقدار ریزدانه (مواد رد شده از الک شماره 200) کمتر و تخلخل بیشتری است. از مصالح سنگی با این دو نوع دانه بندی معمولاً‌ برای ساختن لایه‌های آسفالتی زیرین روسازی استفاده میشود.

مصالح سنگی با دانه های یک اندازه همانطوریکه از نام آن بر‌می‌آید دارای دانه‌های کم و بیش یک اندازه است و از آن برای ساختن رویه آسفالت سطحی، اساس و رویه‌های ماکارام، و اندودهای آببندی استفاده میشود.

مصالح سنگی با دانه بندی توپر دارای وزن مخصوص، استقامت و ظرفیت باربری بیشتری نسبت به مصالح سنگی با دانه بندی توخالی و یا مصالح سنگی با دانه‌های یک اندازه هستند. باید توجه داشت که علاوه بر نوع دانه‌بندی اندازه بزرگترین دانه مصالح سنگی نیز در میزان وزن مخصوص مصالح آسفالتی موثر است.

روشهای مخلوط کردن مصالح سنگی

معمولاً در طرح آسفالت‌ها لازمست که دو یا چند نوع مصالح سنگی که هیچکدام به تنهائی دارای دانه بندی مطلوب نیستند به نسبتهائی با یکدیگر مخلوط شوند تا مخلوط بدست آمده دارای دانه بندی مورد نظر که توسط آئین‌نامه‌ها تعیین میشود باشد. دراین بخش دو روش متداول برای مخلوط کردن دو یا چند نوع مصالح سنگی شرح داده میشود. این روشها عبارتند از: روش خطا و آزمون و روش معادلات چند مجهولی.

سختی

مصالح سنگی که در ساختن آسفالت‌ها بکار میروند باید در برابر وزن وسائل نقلیه سنگین و همچنین وزن غلتکها مقاومت کافی داشته باشد و نباید در اثر تنشهای ناشی از وزن آنها شکسته و خرد شود. با استفاده از آزمایش سایش لوس‌آنجلس، نشانه‌ای از مقاومت مصالح سنگی در برابر تنشهای وارد به آنها بدست می آید. مصالح سنگی که برای رویه اساس و زیر اساس آسفالتی بکار میروند نباید میزان سائیدگی آنها در آزمایش سایش لوس‌آنجلس از مقدار معینی بیشتر باشد.

دوام

مصالح سنگی که در ساختن آسفالت‌ها بکار میروند باید در برابر عوامل جوی مقاوم باشند. مصالحی که در اثر یخبندان و یا در اثر تغییرات رطوبت شکسته و خرد میشوند نباید در لایه‌های آسفالتی روسازی مصرف شوند. نشانه‌ای از مقاومت مصالح سنگی در برابر عوامل جوی بکمک آزمایش دوام و با استفاده از سولفات سدیم یا منیزیم انجام میگیرد. نحوه انجام آزمایش به این ترتیب است که مقدار معینی از مصالح سنگی پس از آنکه بمدت 16 تا 18 ساعت در محلول اشباع شده سولفات سدیم و یا سولفات منیزیم قرار گرفت از محلول خارج شده و در یک گرمخانه با گرمای ثابت 110 درجه سانتیگراد قرار میگیرد تا کاملاً خشک شود. این عمل چندین بار (معمولا 5 دفعه) تکرار میشود. پس از آن نمونه مصالح بکمک جریان آب کاملاً شسته شده و پس از خشک شدن در گرمخانه با استفاده از الک دانه بندی جدید آن تعیین میشود. با مقایسه دانه بندی جدید مصالح با دانه بندی اولیه آن مقدار متوسط افت وزنی مصالح که در اثر مقاومت مصالح سنگی در برابر عوامل جوی معمولا‌ً فقط در مواردی بکار میرود که اطلاعات تجربی کافی در مورد نحوه عملکرد مصالح سنگی موردنظر در شرایط جوی مورد بحث موجود نباشد.

مصالح سنگی در برابر سولفات منیزیم مقاومت کمتری در مقایسه با سولفات سدیم از خود نشان میدهند و لذا میزان افت آنها بیشتر است. طبق آئین‌نامه سازمان برنامه و بودجه افت مصالح سنگی در آزمایش دوام پس از آنکه به تعداد بار با استفاده از محلول سولفات سدیم مورد آزمایش قرار گرفت نباید از 8 درصد وزنی مصالح بیشتر شود آئین نامه ASTM حداکثر افت مصالح سنگی را وقتی به تعداد 5 بار با استفاده از محلول سولفات سدیم و یا سولفات منیزیم مورد آزمایش قرار می‌گیرد به ترتیب به 12 درصد و 18 درصد محدود میکند.

تمیزی

مصالح سنگی آسفالت‌ها باید تمیز باشد و از هر گونه مواد خارجی و مضره از قبیل مواد آلی سنگهای نرم و کم دوام و خاک رس‌ عاری باشد. برای تعیین مقدار نسبی خاک رس و مواد ریزدانه در مصالح سنگی از آزمایش هم ارز ماسه (ارزش ماسه‌ای) استفاده میشود. در این آزمایش مقدار معینی از مصالح سنگی، رد شده از الک شماره 4 در آبی که حاوی مقدار معینی از کلرور کلسیم، گلیسیرین و فورمالدهاید است قرار داده شده و با تکان دادن شدید استوانه مدرج حاوی نمونه و آب مواد رسی و ریزدانه چسبیده به دانه‌های ماسه از آن جدا میشود. سپس با استفاده از جریان آب تحت فشاری که حاوی مواد تسریع کننده فوق‌الذکر است و توسط لوله مخصوصی از ته نمونه جریان می‌یابد مواد رسی و ریزدانه نمونه از ماسه جدا شده و بصورت معلق در بالای لایه ماسه قرار میگیرد.

مصالح سنگی که در راه‌سازی برای ساختن لایه‌های آسفالتی بکار میروند بناید بیش از حد مجاز مواد رسی و ریزدانه داشته باشند. بعبارت دیگر ضریب هم ارز ماسه این مصالح نباید از حدی کمتر باشد. طبق آئین‌نامه سازمان برنامه و آئین نامه BCEOM حداقل مقدار قابل قبول هم ارز ماسه مصالح سنگی بتن آسفالتی برابر 50 درصد است.

خصوصیات سطح و شکل دانه ها

استقامت و قابلیت باربری لایه های آسفالتی متناسب با استقامت و قابلیت باربری مصالح سنگی آن است. از این جهت مصالح سنگی باید دارای زاویه اصطحکاک داخلی زیادی باشد تا دانه‌های‌ آن بخوبی در یکدیگر قفل و بست شده و در اثر نیروهای خارجی استقامت زیادی داشته باشد. مصالح سنگی شکسته شده بیش از مصالح سنگی طبیعی (گردگوشه) دارای استقامت و ظرفیت باربری است. در مواردی که دسترسی به مصالح سنگی کاملاً شکسته نباشد میتوان از مصالح سنگی طبیعی شکسته شده در ساختن لایه‌های آسفالتی استفاده کرد. هر اندازه دانه‌های مصالح سنگی طبیعی بیشتر شکسته شوند بهمان نسبت استقامت آن نیز بیشتر شده و ظرفیت باربری آن افزایش می‌یابد.

میزان شکستگی مصالح سنگی با انجام آزمایش تعیین درصد شکستگی تعیین میشود. نحوه آزمایش به این ترتیب است که پس از آنکه قسمت درشت دانه مصالح سنگی با الک کردن از کل نمونه‌ مورد آزمایش جدا شد تک تک دانه‌ها مورد بررسی قرار گرفته و تعداد وجوه شکسته آنها تعیین میشود. درصد شکستگی دانه‌ها از تقسیم وزن دانه‌هائی که دارای بیش از یک و یا دو (بستگی به مورد) جبهه شکسته هستند به کل وزن دانه‌ها بدست می‌آید. اندازه الک مورد استفاده برای جدا کردن دانه‌های درشت مصالح سنگی از کل نمونه بستگی به نوع آسفالت و همچنین آئین‌نامه مورد استفاده دارد. این اندازه معمولا الک شماره 4 و یا الک شماره 8 است. بر اساس آئین نامه BCEOM مصالح مصرفی برای بتن آسفالتی و آسفالت سطحی باید کاملا شکسته باشند. دانه‌های مصالح سنگی باید علاوه برداشتن سطوح شکسته سطحی زبر داشته باشند و باید از بکار بردن  مصالح سنگی با دانه‌های پهن و یا دراز برای تهیه آسفالت خودداری شود. دانه‌های پهن یا دراز در اثر تنشهای ناشی از وزن غلتک ها و یا وسائل نقلیه سنگین خرد میشوند. طبق آئین‌نامه ASTM دانه‌های پهن و یا دراز به دانه هائی اطلاق میشود که نسبت بزرگترین بعد به کوچکترین بعد منشور محاطی آن دانه بزرگتر از عدد 5 باشد.

دانه‌های مصالح سنگی لایه‌های آسفالتی باید قادر باشند که قیر مصرفی را بخوبی بخود جذب کرده و نگهدارند تا عمل چسبیدن دانه‌های سنگی بیکدیگر بخوبی انجام شود. هر اندازه اندود قیری بهتر به دانه ها بچسبد و بیشتر پایدار باشد استقامت آسفالت نیز بیشتر بوده و دوام آن نیز بیشتر خواهد بود. سنگهائی نظیر بازالت، دلومیت و سنگهای آهکی بخوبی قیر را جذب کرده و سطح قیراندود شده حتی در مجاورت آب نیز نسبتاً‌ پایدار است. اینگونه سنگها به سنگهای هایدروفوبیک موسوم هستند. سنگهای سیلیسس نظیر کوارتزها اندود قیری را بخوبی بخود نگه نداشته و این اندود بخصوص در مجاورت آب بسهولت از مصالح سنگی جدا میشود. این نوع سنگها به سنگهای هایدرو قیلیک موسوم هستند.

برای بدست آوردن نشانه‌ای از مقاومت مصالح سنگی قیراندود شده در برابر اثر آب، آزمایش فشاری تک محوری انجام میشود. نحوه آزمایش به این ترتیب است که تعدادی نمونه استوانه‌ای شکل بقطر و ارتفاع 10 سانتی‌متر از مصالح سنگی که با قیر اندود و متراکم شده‌ اند تهیه شده و نصف تعداد کل نمونه‌ها مستقیماً‌ مورد آزمایش فشاری تک محوری و نصف دیگر نمونه‌ها پس از آنکه مدت معینی در آب قرار گرفتند تحت آزمایش قرار می گیرند. با مقایسه نتایج بدست آمده تاثیر آب بر روی مقاومت آسفالت مورد آزمایش تعیین میشود.

بتن آسفالتی گرم

این نوع مصالح که مرغوبترین نوع آسفالت محسوب میشود از یک استخوان بندی مصالح سنگی خوب دانه‌بندی شده با حداقل فضای خالی که قیر سطح دانه‌ها را اندود کرده و آنها را بیکدیگر چسبانده است تشکیل میشود. بتن آسفالتی در کارخانه آسفالت پزی که ممکن است ثابت یا سیار باشد ساخته شده و سپس به حل مصرف حمل میشود. برای ساختن بین آسفالتی مصالح سنگی دانه بندی شده و همچنین قیر بین 130 تا 170 درجه سانتی‌گراد حرارت داده‌شده و با یکدیگر بخوبی مخلوط میشوند تا لعاب نازکی از قیر سطح تمام دانه‌ها را اندود نماید. آسفالت تهیه شده در حالی که هنوز گرم است با کامیونهای مخصوص به محل مصرف حمل شده و بصورت گرم و با استفاده از ماشینها پخش آسفالت در سطح آماده شده راه پخش و با غلتک زدن متراکم میشود (حدود 120 درجه سانتی‌گراد).

مصالح سنگی

مصالح سنگی بتن آسفالتی گرم شامل مصالح سنگی درشت، مصالح سنگی ریز و گرد سنگ (فیلر) است. این مصالح را از جهت سهولت تهیه و انبار کردن و برای آنکه دانه بندی مصالح دراثر جابجا کردن مصالح بهم نخورد بطور جداگانه در سیلوهای مجزا انبار میکنند.

مصالح سنگی درشت به مصالحی اطلاق میشود که بر روی الک شماره 8 (الک شماره 10 در بعضی آئین‌نامه‌ها) باقی می‌ماند. این مصالح باید از سنگ یا شن شکسته و یا از مخلوط آندو تهیه شده و باید تمیز  سخت و با دوام باشد. برای تعیین میزان شکستگی، تمیزی، سختی و دوام مصالح بترتیب از آزمایشات تعیین درصد شکستگی هم ارز ماسه، سایش لوس‌آنجلس و دوام استفاده میشود.

مصالح سنگی ریز به مصالحی اطلاق میشود که از الک شماره 8 عبور می‌کنند. این مصالح باید از شکستن سنگ و یا شن و یا از ماسه طبیعی و یا از مخلوط آنها تهیه شده و باید تمیز و سخت و با دوام باشد.

فیلر به مصالحی اطلاق میشود که از الک شماره 200 عبور میکند و باید عاری از مواد رسی و آلی باشد. در مواردی که فیلر حاصل از شکستن سنگ و شن برای تامین مقدار فیلر مورد نیاز آسفالتی کافی نبوده و یا فیلر حاصل مرغوب نباشد میتوان از گردسنگ آهکی، آهک شکفته و یا سیمان پرتلند برای این منظور استفاده کرد.

مهمترین نقش فیلر در بتن آسفالتی افزایش عمرروسازی و ازدیاد مقاومت آن در برابر تاثیر آب است. علاوه بر اینها استفاده از فیلر در بتن آسفالتی سبب ازدیاد قدرت باربری، کاهش تغییر شکل نسبی، افزایش مقاومت در برابر ضربه، افزایش مقاومت برشی و فشاری، افزایش کند روانی و کاهش شکنندگی آن میشود. باید توجه داشت که با وجود این محسنات مصرف مقدار زیاد فیلر در بتن آسفالتی سبب کاهش تخلخل، افزایش مقاومت در برابر تراکم و کاهش استقامت (بعلت کاهش اصطکاک داخلی) مصالح میشود.

پس از آنکه مصالح سنگی درشت، مصالح سنگی ریز و فیلر لازم برای ساختن بتن آسفالتی تهیه و در سیلوهای مربوطه که به سیلوهای مصالح سرد موسوم است انبار شد از این مصالح نمونه‌برداری شده و دانه بندی آنها تعیین میشود. سپس با دردست داشتن دانه بندی این مصالح و حدود منحنی‌های دانه بندی مطلوب نسبت های لازم از هر یک از این مصالح تعیین میشود تا با اختلاط آنها منحنی دانه بندی مطلوب بدست آید. حدود منحنی‌های دانه بندی مطلوب برای مصالح سنگی بتن آسفالتی تابعی از نوع لایه آسفالتی، ضخامت لایه، اندازه درشت‌ترین دانه و آئین‌نامه فنی مورد استفاده است.

باید توجه داشت که دانه بندی‌های پیشنهاد شده توسط آئین‌نامه‌های فنی کلا جنبه راهنما داشته و اگر در منطقه‌ای استفاده از دانه بندی‌هائی بغیر از آنچه که این آئین نامه‌ها مشخص کرده اند نتیجه خوبی داده باشند میتوان از اینگونه  مصالح برای ساختن بتن آسفالتی استفاده نمود.

قیر

قیری که برای ساختن بتن آسفالتی گرم بکار میرود از نوع قیر خالص با درجه نفوذ 50-40، 70-60، 100-85، 150-120، است که درجه نفوذ مناسب باید بر اساس شرایط جوی منطقه و میزان آمد و شد وسائل نقلیه سنگین انتخاب شود. قبل از مصرف قیر انتخاب شده باید بر روی آن آزمایشاتی انجام شود تا اطمینان حاصل گردد که مشخصات فنی آن منطبق بر مشخصات فنی مطلوب است.

مقدار قیر بتن آسفالتی گرم تابع خصوصیات و دانه بندی مصالح سنگی انتخابی بوده و مقدار آن با انجام آزمایش استقامت بدست می‌آید. آزمایش استقامت دارای انواع مختلف است که متداول‌ترین آن در ایران آزمایش استقامت مارشال میباشد. قیری که در ساختن بتن آسفالتی بکار میرود بعلت اندود کردن دانه‌های مصالح سنگی و چسباندن آنها بیکدیگر سبب میشود که استقامت بتن آسفالتی افزایش یابد. افزایش استقامت بتن آسفالتی با افزایش نسبت درصد آسفالتی افزایش یابد. افزایش استقامت بتن آسفالتی با افزایش نسبت درصد قیر مصرفی تا رسیدن استقامت به یک مقدار حداکثر ادامه یافته و پس از آن با افزایش مقدار قیر، از استقامت بتن آسفالتی بشدت کاسته میشود.

علت این امر افزایش ضخامت اندود قیری دور دانه های مصالح سنگی است که سبب میشود که از زاویه اصطکاک داخلی مصالح سنگی بتن آسفالتی کاسته شده و همچنین دانه های مصالح سنگی از اتکاء بر یکدیگر خارج شوند.