1560[1]

Computer For Civil Software Engineering Group : www.CCSofts.com , www.CompCivil.comComputer For Civil Software Engineering Group : www.CCSofts.com , www.CompCivil.com

1387چهارمين كنگره ملي مهندسي عمران، دانشگاه تهران، ارديبهشت

استايرن– بوتادين -اصالح خواص قير با استفاده از پليمر استايرن

2، احمد گلي1سيد مهدي ابطحي صنعتي اصفهاندانشكده عمران، دانشگاه -1

راه و ترابري، دانشگاه علم و صنعت ايران-دانشجوي كارشناسي ارشد عمران [email protected]

:خالصهها به دليـل پوشش راه. دهي مشخص برخوردار استزيكي و مكانيكي محدود خود از قابليت كاربردي محدود و زمان سرويس قير با توجه به خواص في

نيـز ) آسـفالت مجـدد (تكرار پوشش . گرددها مي تخريب تدريجي روكش راه دچار استهالك و تغيير خواص و ... عبور ترافيك سنگين، شرايط جوي و .باشدخود مياي خاصداراي هزينه باال و دردسره

شوند كه درميـان انـواع پليمرهـاي عملكرد و افزايش كارايي قيربه آن اضافه مي بهبود كننده قير، به منظور پليمرها به عنوان مهمترين خانواده اصالح .رودكننده قير به شمار ميازجمله بهترين مواد اصالح) SBS( استايرن - بوتادين-موجود، پليمر استايرن

70/60بـا قيـر ) درصـد 5تـا 2( ترمو پالست با درصـدهاي وزنـي مختلـف -هاي االستومر به عنوان يكي از اصالح كننده SBSن پژوهش، پليمر درايافزايش اين پليمر موجب بهبود خصوصيات وكارايي قير . پااليشگاه اصفهان مخلوط شده و تأثير آن برخواص مختلف قير مورد بررسي قرارگرفته است

درصد وزني اين پليمر به قير 5 تا 3شود و تغيير درصد اين پليمر تأثير زيادي بر خواص مخلوط دارد به طوري كه افزايش باال و پايين مي دردماهاي .شودباعث كاهش قابل توجه درجه نفوذ و افزايش نقطه نرمي قير مي

.شـود ، عالوه بر آن باعث كاهش درصد افت وزني قير مي )مي شود منفي تر ( كاهش مي يابد SBSشكست فراس قيرها با افزايش درصد پليمر نقطه نزديكتـر شـود كـه نـشان دهنـده كـارايي بهتـر آن +) 1(شود شاخص نفوذپذيري قير به عدد ايده آل به قير باعث ميSBSهمچنين افزايش پليمر .درمصارف راهسازي است

)SBS( استايرن - بوتادين-ايرين است قير پليمري، هاي قير،اصالح كننده: هاي كليديواژه

مقدمه -1 اي برخوردار است قسمت عمده تحقيقات انجام شده درقير به عنوان يك ماده مصرفي در صنايع مختلف به ويژه راه و ساختمان از اهميت وجايگاه ويژه

ايشي سدراستحكام و پايداري پوشش جاده درمقابل عوامل فر) درصد 6 تا 4 ( كموزني قير است، زيرا اين ماده علي رقم درصد ءمعطوف به جزراهسازي بنابراين تالشهاي زيادي براي بهبود عملكرد قير به وسيله . عملكرد آسفالت مي شودنقش مهمي دارد و در نتيجه، هرگونه بهبود خواص قير، باعث بهبود

.]1[يا فيزيكي شده استميايي ياصالح ششود پليمرهايي كه به اين منظور استفاده مي. شودبه قير اضافه مييكي قير مانند پليمرها زعنوان اصالح كننده فييكي، مواد مختلفي به زدر اصالح في.... و SEPS و SEBSو شكلهاي ديگر نظير ) SBS و SIS( ن ر بوتادين و ايزوپ-، كوپليمر استايرنEVAپلي اتيلن، اتيلن وينيل استات : عبارتند از

] 2 و3[اين پليمر ضمن . باشدباشد كه دو خاصيت الستيكي و ترموپالستيكي را به طورهمزمان دارا مي ميSBSرترين افزودنيهاي قير، كوپليمر يكي از مؤث

.]4[بخشدبهبود ميميزان قابل توجهي ، خواص قير دردماي باالرا نيز به )FPB = -38تا حدود ( بهبود خواص قيردردماي پايين رد و فرموالسيون اين پليمر درهر يك از مناطق آب و هوايي سرد وگرم كشور وجود دارد و عملكرد آن در هردو شرايط بسياربنابراين امكان كارب

.بخش است ايتضر

استاديار دانشكده مهندسي عمران، دانشگاه صنعتي اصفهان -1 صنعت ايران راه و ترابري، دانشگاه علم و - دانشجوي كارشناسي ارشد عمران-2



ز توجيه ا]5[ ) مارك3= قيمت هر كيلو پليمر (گذاري اوليه بيشتر و اختالف قيمت پليمر با قير كاربرد اين پليمر در راهسازي، علي رغم هزينه سرمايهعمرجاده ها با اين روش، عمالً در هزينه هاي چندين نوبت بازسازي و روكش است، چراكه افزايش قابل توجه كارائي و طولاقتصادي كافي برخوردار

.]6[جويي خواهد نمودو استهالك ماشين آالت، صرفهمواد و مصالح جاده هاي معمولي، نيروي كار، بخش تجربي -2 مواد 2-1 مصرفي SBS استفاده شده و همچنين مشخصات 1 پااليشگاه اصفهان به عنوان قير پايه با مشخصات ارائه شده در جدول 70/60 قير راين تحقيق ازد

. آورده شده است 2نيز در جدول

مصرفي70/60مشخصات قير - 1جدول خاصيت انگمي نقطه نرمي درجه نفوذ وزن مخصوص شرآت سازنده قير٦٠ -٧٠ ٠٣/١ پاالیشگاه اصفهان ١٠٠ ٥١ ٦٦

مصرفيSBSمشخصات -2جدول درصد استایرن ساختار مولكولي شرآت سازنده نوع پليمرSBS Carl Prene 501 Dynasol ٣١ خطي

روشهاي كار 2-2 مخلوط كردن 1 -2-2

ابتدا قير را تا دماي ،براي اختالط). 1شكل ( استفاده شد Silverson از شركت LHRT مدل high-shear با قير از ميكسر SBSدر اختالط پليمر دقيقه 30 دوردردقيقه و به مدت 2500اضافه شده و با استفاده از همزن برش باال با سرعت به قير SBS درجه سانتيگراد گرم كرده و سپس پليمر 180

. الط انجام شدتثابت عمل اخودردماي

با پليمر دستگاه اختالط قير-1 شكل

تعيين درجه نفوذ 2-2-2 بدراين آزمايش ظرف كوچكي از قير دريك حمام آ. انجام شد C250 استاندارد ايران، دردماي2950 و ASTM-D5آزمايش طبق استاندارد اينC250 ثانيه برحسب 5به مدت ) گرمي100 (استاندارد تحت باردرقير استاندارد يك سوزن به مدت يك ساعت قرار داده شد و ميزان نفوذ mm1/0

.اندازه گيري شد تعيين نقطه نرمي 2-2-3



دو قرص قيري دردو حلقه برنجي . گيري شد استاندارد ايران اندازه2951 و ASTM-D36نقطه نرمي قير اوليه و قير هاي اصالح شده طبق استاندارد ، قير قرار داده شدصشد و سپس يك ساچمه استاندارد درمركز هرقر داغ برداشته پس ازسرد شدن، قير اضافي به وسيله يك كاردك، قالبگيري شدند

نقطه نرمي قير انتهاي دستگاه تماس پيدا كرد به عنوان هانجام شد ودمايي كه درآن قير و ساچمه ب درجه دردقيقه 5سپس آزمايش با سرعت گرمايش . مربوط گزارش شد

آزمايش افت وزني قير 2-2-4

ميليمتر و عمق 55 گرم از قير ذوب شده در داخل ظرف استوانه اي شكل به قطر داخلي 50ابتدا .انجام شد ASTM-D6ايش طبق استاندارد آزمايندرجه ( درجه سانتيگراد است 163 ساعت در گرم خانه كه داراي درجه حرارت ثابت 5شود بعد از سرد شدن، آن را به مدت ميليمتر ريخته مي35

.شودنتيجه آزمايش بر حسب مقدار كاهش وزن به نسبت كل نمونه سنجيده مي. باشد باقي مي ماندو مجهز به تهويه هوا مي) خت آسفالتحرارت پ

درصد افت وزني = ×100

نقطه شكست فراس 2-2-5به كار برده مي شود ) -C° 30حدود (يح رفتار قير در دماهاي خيلي پايين آزمايش نقطه شكست فراس يكي از معدود آزمايشاتي است كه براي تشر

دماي شكست عبارت است از دمايي كه در آن اولين شكست در سطح . هدف از اين آزمايش تعيين نقطه شكست مواد قيري در دماهاي پايين مي باشد .قير حاصل مي شود

از نمونه آزمايشي پوشيده مي شود و تحت شرايط آزمون در حالي كه دما به تدريج كاهش داده در اين آزمايش سطح يك پالك فلزي استيل نازك فنري 4/0 ± 01/0 آماده شده و مقدار mm20×41براي هر آزمايش سه پالك به ابعاد . گردد تا در سطح پوشش قيري ترك مشاهده شودمي شود خم مي

هنگام انجام آزمايش پالك ها را در جاي . كنندخت و با كنترل سرعت حرارت دهي، پخش ميگرم قير را روي صفحه فلزي انعطاف پذيري به شكل يكنوا باالي نقطه شكست C ° 10وقتي كه به دماي حداقل . آورندخود قرار داده و دماي محفظه ظرف را با سرعت يك درجه سانتيگراد در دقيقه، پايين مي

كنند و نمونه را بازرسي كرده و دستگيره را با همان ن دستگيره و با شدت يك دور در ثانيه خم ميمورد نظر رسيدند در هر دقيقه پالك را با چرخاند .كنند تا اولين شكست در سطح فيلم مشاهده شودگردانند و اين كار را آنقدر تكرار ميسرعت بر مي

:پذيريشاخص نفوذ 2-2-6

حساسيت حرارتي قير ناميده آيد،، كه از تغيير درشرايط حرارتي آن به وجود مي )يسكوزيتهدرجه نفوذ يا و (به طوركلي تغييرات حاصله درغلظت قير .شود كه براي قيرهاي گوناگون متفاوت استمي

)محاسبه حساسيت حرارتي قير به روش شاخص نفوذ كه يكي از اين روش ها،. شوندحساسيت حرارتي قيرها به روش هاي مختلفي محاسبه ميPenetration Index, PI )7[آيد است كه از معادالت زير به دست مي[:

CTCPenatA

BR0

&

0

25)25log(800log

−−=

AAPI

50150020

+−=

BRTكه در آن . دماي نقطه نرمي است & از انجام آزمايشهاي قير حاصل نتايج-3جدول

درصد پليمر نمونهSBS

درجه نفوذ در25°C

نقطه نرمي°C

وزنیافت%

نقطه شکست فراس°C

شاخص نفوذ پذیري

٣۶/١ ۵١ ۶۶ ـــــــــــ ١ ٨- ٢٧١۶/٠ - ٢ ٢ ۵٨ ۵٣١/٢ ٣ ٩- ١١۵۶٨/٠ - ٣ ٣ ۴۴ ۵٩/٠. ٨ ١١- ٣١۴۴/٠ + ۴ ۴ ۴١ ۵٠ ٩۴/٠ ١٣- ٠۵٣/٠ - ۵ ۵ ٣۶ ۶٠ ١۴/٠ ١۴- ۴۵ /٠+

نتايج و بحث -3

گرم خانه وزن نمونه قبل از ورود به -وزن نمونه بعد از خروج از گرم خانه وزن نمونه قبل از ورود به گرم خانه



. ، در صد به قير اضافه شد5 ، 4 ، 3 ، 2 با درصد هاي SBSپليمر در تهيه نمونه هاي قيري، بود و همچنين از نتايج اين آزمايشها، و نقطه شكست فراس افت وزني قير ،درجه نفوذ، نقطه نرمي: آزمونهاي كه بر روي نمونه ها انجام شد شامل

. شود ميشاخص نفوذ پذيري نمونه ها مورد بررسي قرارگرفت كه به ترتيب درباره آنها بحث درجه نفوذ 3-1

شود با افزايش مشاهده مي 3همانطور كه درجدول. رودمي و قيرهاي دميده و اصالح شده به كاراين آزمايش براي تعيين سختي نسبي قيرهاي خالص درصد بيشترين تأثير را 5و 3 ميتوان مشاهده كردكه درصد پليمرهاي 2با توجه به شكل. يابد به قيردرجه نفوذ قيركاهش ميSBSميزان پليمر

. دركاهش ميزان درجه نفوذ قير دارندالت فدردماي باال ازشيار شدن آسو اين نمونه قيرهاي پليمري باشدمي كاهش درجه نفوذ به معني كاهش رواني و افزايش قوام دردماهاي باالو متوسط

.كندجلوگيري مي

5866

364244

0

10

20

30

40

50

60

70

0%SBS

2%SBS

3%SBS

4%SBS

5%SBS

(dm

mذ(فوه نرجد

بردرجه نفوذ قيرSBSتاثير پليمر -2شكل

به طور همزمان داراي خاصيت الستيكي و ترموپالستيكي SBSباشد كه پليمر به اين علت ميSBS درجه نفوذ قيرهاي مخلوط شده با پليمر كاهش

ي شود كه بلوك هاي با خواص ترموپالستيكهاي مياني پلي بوتادين در قير ايجاد مياستايرن و بلوكهاي پلياست، بنابراين يك شبكه سه بعدي از بلوكگردد كه اين خصوصيت با باعث افزايش ويسكوزيته قير در دماهاي باال شده و در نتيجه باعث كاهش درجه نفوذ قير مي) .P.Sبلوك هاي پلي استايرن (

ير در دماهاي ق) .P.Bبلوك هاي مياني پلي بوتادين(در عين حال به علت وجود بلوك هايي با خواص االستيكي، . گرددآزمايش نقطه نرمي نيز اثبات مي .باشدپايين نيز داراي خاصيت االستيكي مناسب مي

نقطه نرمي 3-2

قيري كه درجه نرمي اش بيشتر باشد، كمتردر مقابل تغييرات . شودكند، نقطه نرمي قير ناميده مي پيدا مي روانيدرجه حرارتي كه قير درآن دما، حالت قابل توجهي در اثر ، درصد و بيشتر3صد پليمرشود درمشاهده مي 3همانطوركه درشكل. كندميدرجه حرارت حساس بوده وكندرواني آن كمترتغيير

. افزايش نقطه نرمي دارد



53

51

5958

61

46

48

50

52

54

56

58

60

62

0%SBS

2%SBS

3%SBS

4%SBS

5%SBS

(°Cی(رمه نقطن

قيرنقطه نرمي برSBS تاثير پليمر -3شكل

د ومنعطف پليمري درمحيط قير قير، زنجيرهاي بلن بهSBS به اين علت است كه با افزايش پليمر SBSدليل افزايش نقطه نرمي با افزايش مقدار پليمر

داده وباعث افزايش االستيسيته وهمچنين باالرفتن ويسكوزيته مخلوط شده، وسياليت قيردردماهاي در ساختمان داخلي قير تشكيل شبكه سه بعدي .شوددماي باالتر مي افتد كه اين موضوع منجر به كارايي بهتر قير درباالتر اتفاق مي

قير آزمايش افت وزني 3-3

نتايج حاصل از آزمايش در .آزمايش بر روي قيرها انجام شد ASTM-D6 نمونه تهيه و مطابق استاندارد 5براي آزمايش افت وزني هر يك از قيرها، . ارائه شده است4شكل

48.2

48.4

48.6

48.8

49.0

49.2

49.4

49.6

49.8

50.0

50.2

(gr) ونه

نمزنو

ه آون ل از ورود ب وزن نمونه قب 50 50 50 50 50

روج از آون وزن نمونه بعد از خ 49.32 48.85 49.55 49.98 49.98

0% SBS 2% SBS 3% SBS 4% SBS 5% SBS

1.36% 2.31% 0.90% 0.04% 0.04%

بر افت وزني قيرSBSاثر پليمر -4شكل

وط قيري، افت وزني قير به ميزان قابل توجهي كاهش يافته است به طوريكه در در مخل SBSشود با افزايش مقدار پليمر همان طور كه مشاهده مي

كه ( در مدت زمان پخت آسفالت (Aging)تواند پديده پيرشدگي آزمايش افت وزني مي.اين مقدار بسيار ناچيز است SBS درصد پليمر 5مورد قير با SBSمي توان مشاهده كرده كه پليمر 4را شبيه سازي كند كه با توجه به شكل ) شودمعموالً حداكثر پديده سخت شدن قير در اين مرحله ايجاد مي

مانند ( قير است (Age Hardening)هاي رويه آسفالتي كه علت آن سخت شدن تدريجي شود و بنابراين از بروز خرابيمانع از سخت شدن قير مي .كندجلوگيري مي) strippingعريان شدگي،

)PI( پذيرينفوذ شاخص 3-4

با درصدهاي مختلف باعث SBSافزايش پليمر . باشد از كارايي بهتري برخورداراست+ 1 نزديك به PIبنابرتجربه، يك قير راهسازي درشرايطي كه داراي درصد 5، براي +45/0قدار با مPI بهترين 1با توجه به نتايج ارائه شده در جدول . شود ولي مقدار آن براي هرتركيب متفاوت است قير ميPIايش افز

SBS نزديك تراست+ 1به بقيه مخلوطها به مقدار ايده آل به دست مي آيد كه نسبت .



-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

يذير

وذپص نف

اخش

شاخص نفوذپذيري -0.2716 -0.11568 0.3144 0.409 0.45

0%SBS 2%SBS 3%SBS 4%SBS 5%SBS

شاخص نفوذپذيري برSBS تاثير پليمر -5شكل

مي تواند در اين نوع قير موضوع مي باشد كهاست و اين امر نشان دهنده اين قير بيشتر داللت بر مقدار كمتر حساسيت حرارتيPIمقدار

.مناطق با اختالف حرارتي زياد خواص مطلوب تري از خود نشان دهد نقطه شكست فراس 3-5

مانند مناطق سردسير كه تعداد روزهاي يخبندان در آنجا طوالني (نقطه شكست فراس يكي از آزمايش هاي مهم براي تشريح رفتار قير در دماهاي پايين ).منفي تر مي شود( كاهش مي يابد SBSمشاهده مي شود نقطه شكست فراس قيرها با افزايش درصد پليمر 6كل شهمانطور كه در . مي باشد) است

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

SB

S0%

SB

S2%

SB

S3%

SB

S4%

SB

S5%

سفرا

ت كسه ش

قطن

بر نقطه شكست فراس قيرSBSاثر پليمر -6شكل

همانطور كه اين پليمر به قير باعث رفتار بهتر قيرها در دماي پايين مي شود و SBSكه اين خود بيان كننده اين موضوع مي باشد كه افزودن پليمر

مي ،Rutting ،كه مانع از تغيير شكل هاي زياد قير در دماهاي باال مانند شيار شدگي مسير چرخ ها(خصوصيات دماي باالي قير را بهبود مي بخشيد ت ارتجاعي قير و آسفالت را حفظ شود و خاصيمانع از شكننده شدن آسفالت در دماهاي پايين مي(خصوصيات دماي پايين قير را نيز بهتر بخشيده ) شود را كه يكي از بهترين مواد اصالح كننده قيرها SBSتوان پليمر باشد و به همين دليل ميكه اين يكي از مهمترين خصوصيات اين پليمر مي) كندمي

.معرفي نمود



نتيجه گيري -4

:توان به نكات زير به طور خالصه اشاره كرد ميSBSبا توجه به مطالب گفته شده در مورد اصالح قيرها با پليمر .شود با افزايش نقطة نرمي وكاهش درجه نفوذ باعث بهبود خواص قير در دماي باال ميSBSپليمر ) 1 .گردد به قير، نقطه شكست فراس قير كاهش يافته كه باعث عملكرد بسيار خوب قير در دماي پايين ميSBSبا افزايش پليمر ) 2 . به قير، شاخص نفوذپذيري قير را افزايش داده كه نشان دهندة حساسيت حرارتي كم قير استSBSه كردن پليمر اضاف) 3

ترمو پالستيكي و رشته هاي بوتادين ايجاد هاي استايرن ايجاد يك رفتاربه علت اينكه رشته )SBS (تايرنس ا- بوتادين- اصالح قير با پليمر استايرن باعث عملكرد بسيارخوب قيردر محدوده دمايي باال و پائين، مقاومت بهتر در مقابل تغيير شكل دردماي باال و ،كنندط ايجاد مياالستيكي در مخلوحالت

.پليمر يكي از بهترين مواد اصالح كننده قيرها مي باشداز اين رو اين . شودهمچنين انعطاف پذيري بيشتر در دماي پائين مي

:مراجع ، 2 ، شماره 15 ، مجله علوم و تكنولوژي پليمر ، سال " بهبود خواص قير با مواد پليمري " و امير كاووسي ، يوسفي، علي اكبرالديني صدر محمدرضا-1

1381 و 103ص 2- Yousefi A.A. “Rubber-polyethylene Modified Bitumen”, Iranian Polymer Journal, 13(2), 99-110, 2004 3- Lu X. And Isacsson U., “Laboratory Study on the Low Temperature Physical Hardening of Conventional

and Polymer Modified Bitumen” Construction and Building Material, 14, 79-88, 2000 1373گاه تربيت مدرس ، مهر شينار قير و آسفالت ايران ، دانم مجموعه مقاالت اولين س- 4، مجموعه مقاالت اولين سمينار قير و "مقايسه تأثير االستومرها، ترموپالستها و االستومر ترموپالستها بر خواص آسفالت"حسان نظر بيگي ـ علي، ا-5

1374آسفالت ايران، شركت سهامي آزمايشگاه فني و مكانيك خاك، ، مجموعه مقاالت اولين سمينار قير و "االستومر ترموپالستها بر خواص آسفالتمقايسه تأثير االستومرها، ترموپالستها و " احسان نظر بيگي ـ علي، - 6

1374آسفالت ايران، شركت سهامي آزمايشگاه فني و مكانيك خاك، 7- Yousefi A.A. "Polyethylene dispersions in bitumen: Polymer structural parameter effect", J. of Applied

Polymer Science, Vol. 90, Issue 12, pp 3183-3190, 2003 and online available from: www.interscience.wiley.com

1560[1]

Documents