آسفالت چیست؟

✍🏻 تیم نویسندگان: مهران حاتمی، سید محمدضیاء علوی

مخلوط آسفالتی (Asphalt Mixture) یک ماده مهندسی در حوزه مهندسی عمران است که با رنگ سیاه از ترکیب قیر و مصالح سنگی ساخته می شود. این ماده معمولاً برای ساخت روسازی جاده ها و پل ها، پیاده روها، پارکینگ ها و سایر زیرساخت های عمرانی استفاده می شود. پرکاربردترین استفاده از این مخلوط در صنعت راهسازی است.

آسفالت دارای ویژگی های مختلفی است که  برای استفاده در روسازی راه (Pavement) مناسب است. این ماده بادوام، مقاوم در برابر سایش و ضربه و نسبت به سایر مصالح روسازی مانند بتن ارزان تر است. همچنین، مخلوط آسفالتی می تواند در دماهای مختلف استفاده شود و به راحتی به شکل دلخواه درآید.

واژه آسفالت (Asphalt) در مناطق مختلف دنیا در معانی جداگانه ای به کار گرفته می شود. به عنوان مثال در اروپا واژه آسفالت یا مخلوط داغ (Hot Mix) گفته می شود و در آمریکا از عبارت مخلوط آسفالتی داغ (Hot Mix Asphalt یا HMA) یا بتن آسفالتی (Asphalt Concrete یا AC) استفاده می کنند. همچنین لغت “Bitumen” که در معنای کلی معنی “قیر” می دهد، بیشتر در اروپا استفاده می گردد و در آمریکا عموما واژه های سیمان آسفالتی یا “Asphalt Cement” و چسباننده قیری یا “Asphalt Binder” استفاده می کنند.

پس به طور کلی هر جا لغت Asphalt به تنهایی استفاده گردد منظور همان مخلوط آسفالتی (Asphalt Mixture) که شامل سنگدانه ها است و هر جا واژه های Asphalt Binder،Asphalt Bitumen و Bitumen به کار ببرند مقصود همان ماده قیر است.

برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با واژگان مهندسی روسازی می توانید به مقاله “فرهنگ واژگان مهندسی روسازی” مراجعه فرمایید.

تاریخچه آسفالت در راهسازی

می توان گفت تاریخچه اولین راه هایی که با مخلوط های آسفالتی ساخته شده اند به سال های 1800 میلادی باز می گردد.در سال 1852 اولین راه آسفالتی در فرانسه و از شهر پاریس به سمت پرپیگنان (Perpignan) ساخته شد.در سال 1870 با ابتکار شیمیدان بلژیکی به نام Edmund J. DeSmedt، اولین راه آسفالتی را  به صورت پایلوت وآزمایشی در مقابل تالار شهر نیوجرسی در ایالت نیویورک آمریکا ساختند.

از سال 1871 و با توسعه و بهبود عملکرد مخلوط ها، عملا ساخت راه های آسفالتی در آمریکا آغاز گردید و اولین راه آسفالتی به صورت عملی در شهر واشنگتن دی سی به بهره برداری رسید. دومین راه آسفالتی در سال 1876 میلادی در خیابان پینسلیوانیای شهر واشنگتن دی سی و مقابل کاخ سفید ساخته شد.

در سال 1905 مهندسی به نام کلیفورد ریچاردسون ( Clifford Richardson) اولین کتاب تخصصی با عنوان مخلوط آسفالتی مدرن را منتشر کرد. او در آن زمان به عنوان یکی از تکنسین های معروف در زمینه مهندسی روسازی شناخته می شد و برای اولین بار به اهمیت پارامتر های حفره های هوا (Va) و حفره های خالی سنگدانه ها (VMA) اشاره کرد.

از دهه 1930 میلادی فرانسیس ویم (Francis Hveem) که یک مهندس مواد بود، یک روش برای مخلوط کردن آسفالت با دستگاه متراکم کننده و ورزدهنده پیشنهاد کرد که از روش قبلی ساخت مخلوط بهتر بود. همچنین او به این نتیجه رسید که برای ارزیابی بهتر خصوصیات مخلوط باید از تست های مکانیکی بهره گرفت. به خاطر همین دستگاه تشخیص پایداری ویم (Hveem Stabilometer) ابداع گردید که توانایی مقاومت مخلوط در برابر نیروهای برشی تحت اثر ترافیک را برآورد می کرد.

در همان دهه 1930 میلادی طرحی هم با عنوان طرح مخلوط مارشال (Marshall Mix Design) توسط بروس مارشال ارائه گردید. طبق نظر او روش تراکم مخلوط در آزمایشگاه بایسیتی مخلوط متراکم شده در حالت واقعی روسازی و پس از عبور ترافیک را شبیه سازی کند. با شروع جنگ جهانی دوم، ارتش ایالات متحده آریکا از همین روش مارشال برای ساخت روسازی آسفالتی فرودگاه های نظامی خود استفاده کرد. گفتنی است که تا اوخر دهه 1990 میلادی حدود 75 درصد از راه های آمریکا با روش طرح مخلوط مارشال ساخته شدند.

از سال های 1987 تا 1993 در پروژه ای با همکاری اداره راه فدرال آمریکا (FHWA) و هیئت تحقیق تحقیقات حمل و نقل آمریکا (TRB) و با بودجه ای به میزان 150 میلیون دلار برنامه تحقیقاتی استراتژیک راه (Strategic Highway Research Program یا SHRP) شروع شد که می توان گفت یکی از خروجی های مهم این برنامه تحقیقاتی، سیستم و روش طرح مخلوط SuperPave و روش درجه بندی عملکردی PG است. در این روش از دستگاه متراکم کننده ژیراتوری برای ساخت نمونه های آسفالتی استفاده می شود و تاکنون از همین روش برای ساخت نمونه های آسفالتی بهره می گیرند.

درجه بندی مخلوط های آسفالتی

بتن های آسفالتی از نظر نوع توزیع دانه بندی به سه دسته اصلی تقسیم می گردند:

1. مخلوط با دانه بندی متراکم یا  Dense-graded asphalt mix
2. مخلوط با دانه بندی باز یا Open-graded asphalt mixe
3. مخلوط آسفالتی ماتریس سنگی یا بسیار فشرده یا Gap-graded or Stone Matrix Asphalt (SMA)

متداول ترین نوع آسفالت، مخلوط با دانه بندی متراکم است که به خاطر توزیع دانه بندی مناسب از قوام بالایی برخوردار است و عمدتا در لایه های روسازی از همین مخلوط استفاده می گردد. روش های مارشال، ویم و سوپرپیو نیزهمین نوع طرح مخلوط را ارائه می دهند.

مخلوط با دانه بندی باز به علت فضای خالی بالا (حدود 18 تا 22 درصد) عمدتا به عنوان لایه زهکش در زیر لایه های روسازی و یا با ایجاد مقاومت لغزشی بالا روی سطح روسازی استفاده می گردد.

آسفالت های SMA به علت درصد درشت دانه بالا (70 تا 80 درصد)، درصد قیر بالا (بالای 6 درصد) و میزان فیلر زیاد یک مخلوط بسیار بادوام هستند که در مقابل خرابی شیار شدگی نیز تحمل بالایی دارند ولی هزینه ساخت بالایی نیز دارند و چندان رایج نیستند.

مخلوط آسفالتی گرم (WMA) و مخلوط آسفالتی سرد (CMA) نوع اصلی از دسته بندی مخلوط آسفالتی نیستند و صرفا در دما های پایین تر و با تکنولوژی های مختلفی تولید می شوند و هر کدام نیاز خاصی را در صنعت راهسازی ارضا می کنند.

ترکیبات آسفالت

ترکیب مخلوط آسفالتی به نوع کاربرد آن بستگی دارد. به طور کلی، مخلوط آسفالتی از ترکیب قیر به عنوان یک چسباننده قوی، مصالح سنگی الک شده و مواد افزودنی با خواص مختلف تشکیل شده است.

قیر

چسباننده قیر ماده اصلی تشکیل دهنده آسفالت است. قیر یک ماده هیدروکربنی و با خاصیت ویسکوالاستیک است که از تقطیر نفت خام در پالایشگاه به دست می آید. قیر دارای خواص مختلفی است که برای استفاده در روسازی راه مناسب است. این ماده می تواند به عنوان یک چسباننده مانند سیمان، مصالح سنگی را به هم متصل کند و به آن ها خاصیت چسبندگی و مقاومت کافی در برابر سایش دهد.

سه خاصیت مهم قیر در ایجاد خصوصیات مهم مخلوط آسفالتی نقش اساسی ایفا می کنند:

• حساسیت دمایی قیر
• خاصیت ویسکوالاستیک قیر
• خاصیت پیر شدگی قیر

مصالح سنگی

مصالح سنگی ماده دیگر تشکیل دهنده این مخلوط است. این مصالح معمولاً از سنگ های شکسته یا سنگدانه های طبیعی تشکیل شده است و به مخلوط  خاصیت مقاومت در برابر بارگذاری، ضربه و سایش می دهد. مصالح سنگی خود به مصالح ریزدانه، درشت دانه و پرکننده یا فیلر تقسیم می گردند.

سنگدانه های متنوعی برای ساخت مخلوط آسفالتی استفاده می شوند. این سنگدانه ها می توانند معدنی کوهی یا رودخانه ای باشند. سنگدانه های زاویه دار و دارای بافت زبر مقاومت بیشتری نسبت به سنگدانه های گرد و با بافت سطحی صاف دارند.

مواد افزودنی

مصالح مواد افزودنی موادی هستند که برای بهبود خواص مخلوط آسفالتی به آن اضافه می شوند. مواد افزودنی رایج عبارتند از:

• افزودنی های روان کننده: افزودنی های روان کننده به مخلوط آسفالتی خاصیت روانی و کارایی می دهند.
• افزودنی های اصلاح کننده: افزودنی های اصلاح کننده خواص مخلوط آسفالتی را بهبود می بخشند، مانند مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر آب، و مقاومت در برابر تغییر شکل.
• افزودنی های رنگی: افزودنی های رنگی به مخلوط آسفالتی رنگ می دهند.

خصوصیات حجمی مخلوط آسفالتی

آنالیز حجمی آسفالت یکی از مهمترین قسمت های طرح مخلوط آسفالتی است. برای آنالیز حجمی پنج پارامتر مهم مشخص و بررسی می گردند که شامل:

• چگالی مخلوط (Mix density)
• فضای خالی هوا (Air voids)
• حفرات خالی در سنگدانه ها (Voids in the mineral aggregat)
• حفرات خالی پر شده با آسفالت
• درصد آسفالت

بحث آنالیز حجمی آسفالت بسیار مفصل است و از حوصله این مقاله خارج است. بعدا در یک مقاله جامع در مورد این آنالیز و معرفی پارامتر های آن بحث خواهد شد.

رفتار مخلوط آسفالتی

وقتی که بار ترافیکی از روی لایه روسازی آسفالتی عبور می کند و اصطلاحا عمل بارگذاری اتفاق می افتد، مخلوط آسفالتی در معرض تنش های عمودی فشاری و برشی و تنش های افقی کششی قرار می گیرد. به همین خاطر مخلوط آسفالتی باید بتواند در برابر این تنش ها مقاومت کند و دچار تغییر شکل ها و خرابی های بحرانی نگردد.

برای توضیح شیوه رفتار مخلوط در برابر این تنش های وارده، باید به ارتباط بین سنگدانه ها و قیر و نحوه کارکرد این دو جز با هم توجه کرد. این رفتار خود را به صورت بروز یک سری خرابی ها نشان می دهد.این خرابی ها در سه خرابی اصلی تغییر شکل ماندگار، ترک های خستگی و ترک ها در دمای پایین خلاصه می گردند.

روش ساخت مخلوط آسفالتی

در قسمت های قبل ذگر کردیم که آسفالت از اجزای قیر، مصالح سنگی و مواد افزودنی تشکیل می گردد و گفتیم که روش های در طول زمان برای طرح مخلوط ارئه گردیده است. هرکدام از روش های ویم، مارشال و سوپرپیو نحوه طرح مخلوط را با ذکر جزئیات بیان می کنند. همچنین بر اساس همین روش ها، استاندارد های مشخصی برای ساخت مخلوط آسفالتی  طراحی و نگارش شده اند که در ادامه برخی از آنها معرفی می گردند:

• روش استاندارد ASTM D6926  برای تهیه نمونه های مخلوط آسفالتی با استفاده از دستگاه مارشال
• استاندارد AASHTO T245 برای تست مقاومت در برابر جریان پلاستیک شدن مخلوط های آسفالتی با استفاده از دستگاه مارشال
• روش تست ASTM D5581 مقاومت در برابر جریان پلاستیک مخلوط های قیری با استفاده از دستگاه مارشال
• استاندارد ASTM D6925 برای تهیه و تعیین چگالی نسبی نمونه های آسفالتی با استفاده از متراکم کننده ژیراتوری Superpave
  
• روش استاندارد ASTM T312 برای تهیه و تعیین چگالی نمونه های آسفالتی با استفاده از متراکم کننده چرخشی Superpave 

تولید کارخانه ای آسفالت

ساخت مخلوط آسفالتی برای پروژه های راهسازی و به صورت انبوه معمولاً در کارخانه های  آسفالت انجام می پذیرد. در این فرآیند، مصالح سنگی و قیر در یک دستگاه مخلوط کن بزرگ با هم ترکیب می شوند. سپس، مواد افزودنی نیز به مخلوط اضافه می شوند.

مخلوط آسفالتی پس از ساخت، معمولاً در دمای بالا متراکم می شود. این کار باعث می شود که مصالح سنگی در مخلوط به هم بچسبند و مخلوط استحکام خود را بدست آورد.

در مقالات آتی به طور مفصل در رابطه با کارخانه آسفالت و اجزای مختلف آن بحث خواهد شد.

نتیجه گیری

آسفالت یک مخلوط با سابقه حداقل 200 ساله است که از دو قرن پیش وارد زندگی روزمره بشر شده است. تقریبا همه ما انسان ها روزانه با این مخلوط سر و کار داریم. هر کدام از ما هر روز که به محل کار یا تحصیل می رویم، به احتمال زیاد از مسیری با راه آسفالتی عبور می کنیم! روسازی آسفالتی رایج ترین و پرکاربردترین نوع روسازی در جهان است. هدف اصلی از ساخت این مخلوط ارزشمند در روسازی، رسیدن به یک طرح مخلوط با عمر عملکردی بالاست. طراحی مخلوط آسفالتی شامل روند های آزمایشگاهی مشخص است و میزان دقیق هر جز را مشخص می کند. می‌توان انتظار داشت که مخلوط‌های آسفالتی با طراحی مخلوط خوب برای سال‌های متمادی تحت شرایط مختلف بارگذاری و محیطی با موفقیت عمل کنند. در بسیاری از موارد، علت عملکرد ضعیف روسازی ها به طراحی مخلوط نامناسب یا به دلیل ساخت مخلوطی متفاوت از آنچه در آزمایشگاه طراحی شده است، بوده است. برای طراحی مخلوط های روسازی آسفالتی، درجه بندی سنگدانه ها و میزان قیر مخلوط دارای اهمیت است.

منابع و مراجع

Asphalt Institute, Mix Design Methods for Asphalt, Manual Series No. 2 (MS-02), 7Th edition, 2014.