از اواخر سال 1987 ميلادي تا اوايل سال 1993، برنامه تحقيقات استراتژيك بزرگراهها (SHRP)، بررسي گستردهاي در زمينه تعيين روشهاي جديد انجام آزمايش و طبقهبندي قير مبتني بر عملكرد و خواص مهندسي (مكانيكي) مواد را انجام داد. در اين روش، نقيصه روشهاي متداول پيشين كه در آنها به عواملي نظير شرايط آب و هوائي، شرايط ترافيكي و درجه حرارت روسازي توجه نشده بود، مرتفع گرديد. روش جديد كه بنام درجهبندي بر اساس عملكرد Performance Grading) ( ميباشد، شامل آزمايشهاي زير است:
الف: آزمايشهاي انجام شده بر روي قير خالص (OB)
· آزمايش ويسكوزيته چرخشي
· آزمايش رئومتر برشي ديناميكي
ب: آزمايشهاي انجام شده بر روي قير حرارت ديده باقيمانده از آزمايش لعاب نازك چرخشي(RTFO)
· آزمايش رئومتر برشي ديناميكي
ج: آزمايشهاي انجام شده بر روي قير حرارت ديده باقيمانده از محفظه تسريع پيرشدگي (Pressure Aging Vessel)
· آزمايش تعيين سختي قير تحت خزش
· آزمايش كشش مستقيم
بمنظور انجام آزمايشات فوق از دستگاهها و تجهيزات گوناگوني استفاده ميشود كه مهمترين آنها عبارت است از:
آشنايي با آزمايشات عملكردي قير و آسفالت
دستگاه ظرف فشارPAV (Pressure Aging Vessel )
AASHTO:PP1-98
هدف: بررسي چگونگي سخت شدن قير در طول عمر آن
خلاصه روش: نمونه قير در مقابل هواي فشرده و دماي بالا (90 الي 110 درجه سانتي گراد) قرار ميگيرد تا عمل پيري در طول دوره عمر آن تسريع شود. اين آزمايش حدود 20 ساعت طول ميکشد. پس از اين فرآيند، بمنظور بررسي خصوصيات قير پير شده، مجدداً تحت آزمايشهاي تعيين خصوصيات فيزيکي قرار ميگيرد.
ويسکومتر چرخشي (Rotational Viscometer)
ASTM:D4402
هدف: تعيين ويسکوزيته قيرها، خصوصاً قيرهاي پليمري و اصلاح شده و رسم منحني هاي کند رواني- دما
خلاصه روش: مقداري قير حدود 10 تا 15 گرم، درون ظرف استوانهاي ريخته ميشود و سپس با اعمال پيچش توسط يک استوانه ديگر داخل ظرف، ميزان ويسکوزيته با توجه به ميزان تنش پيچشي تعيين ميشود.
آزمايش تنش-كرنش (Stress-Strain Test)
هدف: تعيين رابطه تنش-كرنش در مخلوط آسفالتي
اين آزمايش به كمك قالبهاي كشش غير مستقيم قابل اجرا ميباشد. در اين آزمايش، تنش اعمالي به نمونه مخلوط آسفالتي بصورت متناوب افزايش مييابد و كرنش متناظر با آن اندازهگيري ميشود. اين آزمايش تا شكست نمونه ادامه مييابد و در نهايت نمودار تنش و كرنش نمونه مخلوط آسفالتي ترسيم ميگردد.
آزمايش خزش (Creep Test)
BS 598 و NCHRP 9-19
هدف: تعيين سختي خزشي و تغيير شكل ماندگار
آزمايش خزش همانند آزمايش شيارافتادگي براي بررسي تغيير شكلهاي ماندگار روسازي آسفالتي استفاده ميشود. اين آزمايش به دو صورت استاتيكي و ديناميكي انجام ميشود. با انجام اين آزمايش، با كاهش در تغيير شكلهاي ماندگار، ميتوان مخلوط آسفالتي مناسب براي اجرا در محل را شناسايي كرد. در اين آزمايش، ميتوان با استفاده از قالب ويژه، فشار جانبي مشابه موقعيت مخلوط آسفالتي در محل را به نمونه آسفالتي اعمال نمود.
آزمايش كشش غير مستقيم (Indirect Tensile Test)
ASTM D4123-82 و AASHTO TP31-94
هدف: تعيين مدول برجهندگي نمونه استوانهاي شكل مخلوط آسفالتي
مدول برجهندگي نمونه استوانهاي مخلوط آسفالتي بعد از 20 پالس بارگذاري، با تقسيم تنش بر كرنش برگشت پذير نمونه بدست ميآيد. هر پالس بارگذاري شامل زمان بارگذاري و زمان استراحت ميباشد. اين آزمايش در سه دماي 5 و 25 و 40 درجه سانتيگراد انجام ميشود و در نهايت نمودار مدول برجهندگي در مقابل دما ترسيم ميگردد.
- دستگاه تعيين عمر خستگي مخلوط هاي آسفالتي (Beam Fatigue)
SHRP M-009
هدف: اندازهگيري مدول سختي و عمر خستگي مخلوط آسفالتي متراكم تحت تکرار بار ديناميکي
خلاصه روش: يک نمونه تيرچه به ابعاد تقريبي 60 50 380 ميليمتر ساخته ميشود. پس از نصب نمونه، بار در دو نقطه به نمونه اعمال ميگردد. ابتدا با اعمال 50 چرخه بارگذاري، سختي اوليه نمونه محاسبه ميشود و سپس نمونه تا رسيدن به 50 درصد سختي اوليه تحت بارگذاري ديناميکي قرار ميگيرد. معمولا بارگذاري تحت کرنش ثابت 750 - 250 ميکرو استرين اعمال ميگردد. دماي آزمايش نيز 20 درجه سانتي گراد ميباشد. نتايج آزمايش شامل نمودارهاي سختي - تعداد سيکل بارگذاري، انرژي تلف شده - تعداد سيکل بارگذاري و تعداد چرخه هاي بارگذاري تا مرحله گسيختگي مي باشد.
- دستگاه رئومتر برش ديناميکي (Dynamic Shear Rheometer)
AASHTO-TP5
هدف: تعيين ويژگيهاي کندرواني و الاستيک قير
خلاصه روش: يک قشر نازک قير بين دو صفحه فلزي قرار ميگيرد و درمحدوده دماي 5 تا 85 درجه سانتيگراد تحت برش (با تنش ثابت يا کرنش ثابت) قرار ميگيرد. در اين فرآيند مدول پيچيده تنش برشي (G*) و اختلاف فاز (d) تعيين ميشوند.
- دستگاه متراکم کننده چرخشي (Gyratory Campactor)
TP4
هدف: تراکم نمونه مخلوط آسفالتي
خلاصه روش: نمونه مخلوط آسفالتي به وزن تقريبي 1200 و يا 4700 گرم و تحت فشار ثابت حدود 600 کيلو پاسکال قرار ميگيرد. چکش بارگذاري با زاويه 25/1 درجه و تعداد 180 دور، نمونه را به صورت ورز دادن متراکم ميکند. در حين تراکم در هر دور خصوصيات حجمي مخلوط آسفالتي شامل وزن مخصوص واقعي و درصد فضاي خالي مخلوط تعيين ميشود.
دستگاه تعيين ميزان شيار افتادگي مخلوط آسفالتي متراكم (wheel track)
هدف: تعيين پتانسيل تغيير شکل هاي ماندگار مخلوطهاي آسفالتي در دماي بالا
خلاصه روش: يک نمونه به ابعاد 5 30 30 سانتي متر زير چرخ بارگذاري با فشار 4/6 - 5/5 کيلوگرم بر سانتي متر مربع قرار ميگيرد. ميزان عمق شيار بر حسب ميليمتر در طول آزمايش (حدود 10000 سيکل) اندازهگيري ميشود.
- رئومتر تيرچه خمشي (Bending Beam Rheometer)
ASTM D6648
هدف: تعيين خصوصيات مقاومت (شکست) تيرچه قيري يا رفتار خزشي قير در دماهاي پائينتر از صفر درجه سانتيگراد
خلاصه روش: يک تيرچه از قير ساخته ميشود. اين تيرچه در دماي پايين (زير صفر) به مدت 4 دقيقه تحت بار ثابت قرار ميگيرد و مقدار افت و خيز حاصله در وسط تيرچه در تمام مدت اندازه گيري ميشود و به ترتيب سختي خزشي (Creep Stiffness) و نرخ خزش (Creep Rate) محاسبه ميشود.
دستگاه تعيين درصد قير مخلوط (Asphalt content)
ASTM:6107
هدف: تعيين درصد قير نمونههاي استوانهاي آزمايشگاهي يا مغزه اخذ شده از سطح راه
خلاصه روش: وزن اوليه نمونه تعيين ميشود. سپس نمونه تحت دماي بالا (حدود c0 540) داخل محفظه دستگاه به مدت 3 تا 4 ساعت (تا رسيدن به وزن ثابت) قرار ميگيرد. در اين فرآيند قير نمونه ميسوزد. اختلاف وزن حاصل برابر درصد قير نمونه ميباشد.
آزمايش کشش مستقيم (Direct Tension Tester)
TP3-00
هدف: تعيين سختي قير با اندازهگيري ميزان كشش در هنگام شکست در دماي آزمايش
خلاصه روش: يک نمونه قير ? شکل به طول 4 سانتي متر ساخته شده و در قالب مخصوص دستگاه نصب ميگردد و با سرعت ثابت در دماي مورد لزوم (6+ و 36-) کشيده ميشود و در لحظه شکست مقدار کشيدگي ثبت ميشود.
آشنايي با آزمايشات قيرهاي خالص، محلول و امولسيون
آزمايشهاي قيرمحلول دربسياري از موارد مشابه قيرهاي خالص مي باشد.
· آزمايش تقطير قيرهاي محلول(ASTM D402)
هدف: اين آزمايش به منظور تقطير قيرهاي محلول ميباشد. در اين روش مقدار مواد فرار تشكيل دهنده فرآوردههاي قيري محلول اندازهگيري ميشود.
خلاصه روش: 200 ميلي ليتر نمونه در فلاسك 500 ميلي ليتر با نرخ دمائي كنترل شونده تا دماي 360 درجه سانتيگراد، تقطير شده و حجمهاي تقطير شده، در دماهاي مشخص، اندازهگيري ميشوند. باقيمانده تقطير و نيز بخارات تقطير شده در صورت لزوم مورد آزمايش واقع شوند.
· آزمايش تعيين مقدارآب در فرآورده هاي نفتي و مواد قيري بوسيله تقطير (ASTM D95)
هدف: تعيين مقدار آب موجود در قيرهاي محلول، نفت خام يا قطران و فرآوردههاي بدست آمده از اين مواد
خلاصه روش: قير محتوي حلال و آب غير قابل اختلاط تقطير شده، حلال تغليظ شده و آب پيوسته در يك ظرف مدرج مجزا جمع ميگردد. در اين فرايند آب موجود در ظرف مدرج اندازهگيري ميشود و حلال به دستگاه بر ميگردد.
آزمايش تعيين افت حرارتي قير با استفاده از آون دوار(ASTM D1754)
هدف: اندازهگيري اثر گرما بر روي قشر متحرك مواد قيري نيمه جامد. با اندازهگيري خواص انتخاب شده قير قبل و بعد از آزمايش، اثرات اين عوامل تعيين ميشوند.
خلاصه روش: قشر نازكي از مواد قيري در گرمخانه دوار با دماي 163 درجه سانتيگراد به مدت 5 ساعت گرم ميشود. اثر حرارت بر روي نمونه قيري به كمك تغييراتي كه در مقادير آزمايشهاي فيزيكي قبل و بعد از قرار دادن نمونه قير درگرمخانه ايجاد ميگردد، اندازهگيري ميشود.
قيرهاي محلول
معمولاً بيشترين خاصيت چسبندگي در مخلوطهاي آسفالت سرد تابع نوع قير در خالصي است كه قيرهاي محلول يا قيرابهها از آن تهيه ميشود. براي تامين چسبندگي بيشتر، ازغليظترين قيري كه با توجه به شرايط ساخت و اجرا، ميتواند كارايي لازم را ايجاد كند انتخاب ميشود.
آزمايش تعيين خاصيت شكل پذيري قير (خاصيت انگمي) (ASTM D113)
هدف: تعيين ميزان انگمي (كشش) مواد قيري
خلاصه روش: در اين آزمايش، نمونه قيري در داخل قالب برنجي مخصوص آزمايش ريخته شده و سپس در بين دو فك دستگاه قرار ميگيرد. دستگاه نمونه را در دماي معين و با سرعت معيني ميكشد. در اين آزمايش، ميزان تغيير شكل قير بر حسب سانتيمتر اندازهگيري ميگردد.
· آزمايش تعيين نقطه اشتعال قير (ASTM D92)
هدف: تعيين نقطه اشتعال و نقطه شعلهور شدن همه فرآوردههاي قيري به جز روغنهاي نفتي و آنهايي كه نقطه شعلهوري كمتر از 79 درجه سانتيگراد دارند.
خلاصه روش: ظرف آزمايش تا سطح معيني با نمونه پر ميشود. دماي نمونه ابتدا سريعاً و سپس با نرخ ثابت به آرامي تا نزديكي نقطه اشتعال افزوده مي شود. در فواصل معين يك شعله آزمايش كوچك از روي ظرف عبور داده ميشود.كمترين دمايي كه باعث مي شود تا بخارات بالاي سطح مايع مشتعل شود، به عنوان نقطه اشتعال در نظر گرفته ميشود.
· آزمايش تعيين حلاليت مواد قيري در حلال تري كلرو اتيلن(ASTM D2042)
هدف: تعيين درجه حلاليت در تري كلرو اتيلن براي مواد قيري كه مقدار كمي مواد معدني داشته باشد يا اصلاً ندارند.
خلاصه روش: نمونه در تري كلرواتيلن حل ميشود و از ميان يك صفحه الياف شيشهاي (صافي) عبور داده ميشود. ماده نامحلول شسته، خشك شده و وزن ميشود و درصد مواد ناخالص حاصل ميگردد.
آزمايش تعيين ويسكوزيته قير به روش كينماتيك (ASTM D2170)
هدف: تعيين كندرواني قيرهاي مايع و باقيمانده تقطير قيرهاي مايع در دماي 60 درجه سانتيگراد و همچنين قيرهاي خالص در دماي 135 درجه سانتيگراد با محدوده كندرواني بين 60 تا 100000 سانتي استوكس.
خلاصه روش: مدت زمان عبور حجم ثابتي از قير از لوله مويين با كندرواني سنج اندازهگيري ميشود. كندرواني كينماتيك، از ضرب كردن زمان عبور برحسب ثانيه در ضريب كاليبراسيون كندرواني سنج بدست ميآيد.
آزمايش تعيين نقطه نرمي (ASTM D36)
هدف: تعيين نقطه نرمي قير در محدوه دمايي از 30 تا 157 درجه سانتيگراد با استفاده از ابزار ساچمه و حلقه غوطهور شده در آب مقطر،گليسيرين و يا اتيلن گليكول
خلاصه روش: دو ديسك افقي از قير كه در حلقههاي برنجي قرار دارند، در يك حمام مايع در حالي كه بر روي هر كدام، يك ساچمه فولادي قرار گرفته است، با آهنگ دمائي كنترل شده حرارت داده مي شوند. هنگامي كه قير موجود بر روي هر يك از ديسكها به حد كافي نرم شود، ساچمههاي احاطه شده با قير از ارتفاع 25 ميلي متري سقوط ميكنند. نقطه نرمي به صورت ميانگين دمايي كه قير به مرحله فوقالذكر ميرسد، گزارش داده ميشود.
· آزمايش تعيين وزن مخصوص و دانسيته قير(ASTM D70)
هدف: تعيين .وزن مخصوص و دانسيته مواد قيري نيمه جامد، قير خالص و قطران نرم با استفاده از پيكنومتر
خلاصه روش: مقدار مشخصي از قير را داخل پيكنومتر هاي استاندارد و كاليبره شده ريخته، بعد از خنك شدن و توزين، بقيه پيكنومتر را با آب مقطر پر نموده و با استفاده تغييرات حجمي ايجاد شده در قير، وزن مخصوص قير تعيين ميشود.
· آزمايش تعيين وزن مخصوص و دانسيته قير(ASTM D70)
هدف: تعيين .وزن مخصوص و دانسيته مواد قيري نيمه جامد، قير خالص و قطران نرم با استفاده از پيكنومتر
خلاصه روش: مقدار مشخصي از قير را داخل پيكنومتر هاي استاندارد و كاليبره شده ريخته، بعد از خنك شدن و توزين، بقيه پيكنومتر را با آب مقطر پر نموده و با استفاده تغييرات حجمي ايجاد شده در قير، وزن مخصوص قير تعيين ميشود.
قيرهاي خالص
قيرهاي خالص، به عنوان ماده چسباننده مصالح سنگي در تهيه آسفالت گرم و بتن آسفالتي استفاده ميشود. علاوه بر آن درجه حرارت و ... بر خواص رئولوژيك و خصوصيات مكانيكي قيرها تأثير ميگذارد.
· آزمايش تعيين درجه نفوذ مواد قيري (ASTM D5)
هدف: تعيين درجه نفوذ مواد قيري نيمه جامد و جامد كه داراي درجه نفوذ كمتر از 350 ميباشند.
خلاصه روش: نمونه تحت شرايط كنترل شده جهت انجام آزمايش آماده ميشود. در اين آزمايش، ميزان نفوذ با دستگاه درجه نفوذ اندازهگيري ميشود. در دستگاه درجه نفوذ، سوزن دستگاه با سرعت مشخصي وارد نمونه قير ميشود.
قيرهاي امولسيوني
در آمريكا از دهه اول قرن بيستم، انواع امولسيون در امر راهسازي مورد استفاده قرار ميگرفته است. امروزه مصرف اين ماده در امر راهسازي در حال افزايش است. در حال حاضر بيشترين مصرف امولسيونها در ساخت بزرگراهها، ساخت جادههاي روستائي به روش آسفالت سرد و براي تثبيــت خاك، پوشش هاي محافظتـي و به عنوان چسب در لايـه هاي بين آسفالتي (Tak Coating) در جادهها ميباشد. از مزاياي شاخص امولسيونهاي قيري نسبت به قيـرها مايع، امكان استفاده آنها بر روي سطوح نمدار ميباشد كه بدون از دست دادن چسبندگي، لايه نازكي از قير بر روي سنگدانهها بصورت پوشش از خود به جاي ميماند، آزمايشهاي قيرهاي امولسيون مطابق ASTM D244 انجام ميپذيرد.
· آزمايش باقيمانده تقطير وماده روغني تقطير شده
هدف: اندازهگيري كمي باقيمانده تقطير و ماده روغني تقطير شده درامولسيونهاي قيري
خلاصه روش: مقدار مشخصي از امولسيون را در يك ظرف فلزي مخصوص كه از قبل توزين شده است ريخته و توسط يك مشعل حلقه اي به دقت و به آرامي حرارت ميدهند. بخارات حاصله در يك كندانسور به مايع تبديل شده و در يك استوانه مدرج جمع ميشوند. پس از پايان آزمايش دوباره ظرف را توزين نموده و درصد باقيمانده تقطير را محاسبه ميكنند.
· آزمايش تعيين باقيمانده حاصل از تقطير
هدف: تعيين درصد باقيمانده حاصل از تقطير و انجام آزمايش هاي لازم
خلاصه روش: مقدار مشخصي از امولسيون را توزين كرده و در بشر مناسب ريخته و آن را در يك دستگاه گرم كن در دما و زمان مشخص قرار ميدهند و سپس آنها را خنك كرده و توزين مينمايند و از اين طريق درصد باقيمانده حاصل از تبخير را گزارش ميدهند.
· آزمايش تعيين بار ذره اي امولسيونهاي كاتيونيك
هدف: شناسايي امولسيونهاي كاتيونيك قير
اين امولسيونها داراي ذرات با بار مثبت بوده كه تحت اثر يك جريان مستقيم به سمت الكترود با بار منفي مهاجرت مينمايند.
خلاصه روش: مقدار مشخصي از امولسيون را در يك بشر ريخته و دو الكترود را داخل آن قرار ميدهند. پس از عبور مقدار مشخصي از جريان مستقيم، جريان را قطع نموده و الكترودها را با يك جريان آرام و باريك آب مقطر به ملايمت شستشو داده و از طريق بازبيني الكترودها نوع امولسيون را تعيين مينمايند.
· آزمايش تعيين ويسكوزيته قير به روش سيبولت- فيورل(ASTM D88)
هدف: تعين كندواني سيبولت فيورل فرآوردههاي نفتي در دماي بين 21 تا 99 درجه سانتيگراد
خلاصه روش: زمان عبور مقدار 60 ميلي ليتر قير امولسيون از داخل يك مجراي كاليبره شده تحت شرايط كنترل شده برحسب ثانيه اندازه گرفته ميشود. اين زمان با استفاده از يك ضريب، تصحيح شده و به صورت كندرواني نمونه در آن دما گزارش ميشود.
· آزمايش تعيين لخته شدن يا شکستن
هدف: در اين آزمايش حساسيت کلوئيدهاي محافظ كه بمنظور پايدار کردن امولسيون در مقابل شکستن بكار ميرود (امولسيو فاير)، بوسيله واکنش آن با محلول کلريد کلسيم اندازهگيري ميشود.
خلاصه روش: مقدار مشخص از امولسيون را به همراه يک همزن و الك نمره 14 توزين کرده و در يک بشر به دماي مناسب مي رسانند. سپس با توجه به نوع امولسيون، مقدار مشخصي از يک واکنشگر را به آن مي افزايند. سپس مخلوط را به ديواره بشر ساييده و ورز ميدهند تا از اختلاط آن با امولسيون اطمينان حاصل شود. سپس مخلوط را با آب مقطر از الك سيمي عبور داده و رسوب باقيمانده روي الك سيمي را تا دماي 163 درجه سانتيگراد گرم کرده و سپس توزين مينمايند و با محاسبات لازم درصد لخته شدن را محاسبه ميکنند.
· آزمايش تعيين مقدار ته نشيني
هدف: تعيين مهاجرت ذرات امولسيون براثر ماندن در مخازن و همچنين تمايل ذرات قيرموجود در امولسيون به انباشته شدن در زمان نگهداري در انبار يا حمل.
خلاصه روش: مقدار مشخصي از امولسيون را در يک بشر مناسب ريخته و درب آن رابسته و به مدت 5 روز در دماي آزمايش به طور ساکن قرار ميدهند. سپس با يک پيپت از سطح بالا و پايين امولسيون مقدار مشخصي برداشته و آزمايش تقطير را بر روي هر دو نمونه انجام داده و نتيجه ته نشيني را به صورت درصد ته نشيني بيان ميكنند.
· آزمايش الک
هدف: تعيين ميزان يكنواختي امولسيونها از طريق عبور دادن امولسيون از الک مربوطه
خلاصه روش: مقدار مشخصي از امولسيون را که از قبل توزين شده، از الک 20 عبور داده و سپس الک را در دماي محيط خشک کرده، توزين نموده و سپس درصد باقيمانده بر روي الک مشخص ميشود.
· آزمايش يخ زدگي
هدف: با توجه به محتواي آب موجود در امولسيونها، يکي از آزمايشهاي مورد توجه، قرار دادن امولسيون تحت سرما و گرماي شديد است تا از اين طريق ميزان مقاومت امولسيون را وقتي در معرض دماي پايينتر از نقطه انجماد آب قرار ميگيرد، تعيين کند.
خلاصه روش: امولسيون را در يک ظرف فلزي ريخته و درب آن را ميبندند و به مدت 12 ساعت در دماي 8/17- درجه سانتيگراد قرار ميدهند. سپس ظرف را در دماي محيط قرار داده، اجازه مي دهند تا به دماي محيط برسد. اين کار براي چندين بار متوالي صورت ميگيرد. سپس وضعيت امولسيون بررسي شده و يکنواختي يا شکسته شدن آن مشخص ميشود.
توجه: آزمايشهاي انجام شده بر روي باقيمانده قير حاصل از تقطير مشابه آزمايشهاي قير هاي خالص مي باشد.