فهرست عنوان هافصل اول: کلیات و تعریف مسئله1-1- مقدمه21-2- بیان مسئله21-3- فرضیه41-4- اهداف تحقیق41-5- ساختار پایاننامه4فصل دوم:مروری بر ادبیات گذشته موضوع2-1- تاریخچه قیر و اصلاح آن72-2- منابع قیر82-2-1- قیرهای طبیعی82-2-2- قیرهای نفتی82-3- ساختمان شیمیایی قیر82-3-1- اجزا قیر102-3-1-1- آسفالتن112-3-1-2- آروماتیکهای قطبی (رزینها)112-3-1-3- آروماتیکهای نفتی122-3-1-4- اشباعها (پارافینها)122-4- خواص مکانیکی و فیزیکی قیر132-4-1- رفتار قیر132-4-1-1- رفتار نیوتنی قیر142-4-1-2- رفتار شبه پلاستیک و بینگهام پلاستیک152-4-2- حساسیت حرارتی قیر162-4-3- سخت شدن قیر172-4-4- پیرشدگی قیر192-5- اصلاح قیر212-5-1- اصلاح قیر توسط پلیمر212-5-2- مکانیزم اصلاح قیر با پلیمر242-5-3- پایداری قیرهای پلیمری252-5-4- تاریخچه دمایی262-6- پلیمرهای رایج در اصلاح قیر272-6-1- استایرن بوتادین رابر (SBR)272-6-2- استایرن بوتادین استایرن (SBS)282-6-3- اتیلن وینیل استات (EVA)302-6-4- اصلاح قیر توسط پودر لاستیک (CRM)302-6-5- اصلاح قیر توسط پلی فسفریک اسید (PPA)322-7- آزمایشهای قیر332-7-1- آزمایش تعیین درجة نفوذ قیر332-7-2- آزمایش نقطه نرمی قیر342-7-3- آزمایش کششپذیری352-7-4- آزمایش نقطه اشتعال قیر352-7-5- آزمایش تعیین ویسکوزیته362-7-6- آزمایش نقطه شکست فراس362-8- آزمایشهای شارپ (SHRP) بر روی قیرها372-8-1- آزمایش لعاب نازک چرخشی (RTFO)372-8-2- آزمایش محفظه تسریع پیری382-8-3- آزمایش ویسکومتر چرخشی392-8-4- آزمایش رئومتر برشی دینامیکی (DSR)402-8-5- آزمایش رئومتر تیر خمشی422-8-6- آزمایش کشش مستقیم42 2-9- آزمایشهای آمیزه قیر- پلیمر432-9-1- آزمایش پایداری در ذخیرهسازی432-9-2- آزمایش بازیابی الاستیک442-10- پلییورتان452-11- واکنش انتقال هیدروژن بین مولکولی472-12- مکانیزم واکنش شیمیایی پلییورتان با قیر472-13- تاثیر پلییورتان بر خواص قیر و فوم قیرهای حاوی آن492-14- جمعبندی54فصل سوم:مواد، مصالح و برنامه آزمایش ها3-1 مواد و مصالح573-1-1- قیر573-1-2- پلیمر583-2- فرایند تهیه نمونهها593-3- نامگذاری نمونهها623-4- برنامه آزمایشها623-4-1- آزمایش درجه نفوذ633-4-2- آزمایش نقطه نرمی633-4-3- آزمایش طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR)633-4-4- آزمایش روبش دما643-4-5- آزمایش BBR65فصل چهارم:نتایج و تحلیل4-1- نتایج و تحلیل674-1-2- نتایج آزمایش درجه نفوذ674-1-3-تایج آزمایش نقطه نرمی684-1-4- تعیین شاخص PI694-1-5- بررسی نتایج آزمایش روبش دما در دمای بالا714-1-5-1- تاثیر TPU بر عملکرد قیر در دمای بالا714-1-5-2- تاثیر پلییورتان سنتز شده بر عملکرد قیر در دمای بالا734-1-5-3- تاثیر پلییورتان سنتز شده و آب بر عملکرد قیر در دمای بالا (فوم قیر پلییورتان)764-1-6- بررسی نتایج آزمایش روبش دما در دمای متوسط784-1-6-1- تاثیر TPU بر عملکرد قیر در دمای متوسط794-1-6-2- تاثیر پلی یورتان سنتز شده بر عملکرد قیر در دمای متوسط804-1-6-3- تاثیر پلی یورتان سنتز شده و آب بر عملکرد قیر در دمای متوسط (فوم قیر پلی یورتان)814-1-7- بررسی نتایج آزمایش BBR در دمای پایین824-1-7-1- تاثیر پلی یورتان سنتز شده بر عملکرد قیر در دمای پایین834-1-7-2- تاثیر پلی یورتان سنتز شده و آب بر عملکرد قیر در دمای پایین (فوم قیر پلی یورتان)844-1-8- رده بندی عملکردی قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده و فوم قیرهای پلی یورتان864-1-9- بررسی نتایج حاصل از FTIR86فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات5-1- نتیجه گیری915-2- پیشنهادات93فصل ششم: مراجع6- مراجع96 فهرست شکل ها شکل 2-1: رفتار نیوتنی14شکل 2-2: رفتار شبه پلاستیک16شکل 2-3: رفتار بینگهام پلاستیک16شکل 2-4: تغییرات اجزای قیر در زمان اختلاط، پخش، تراکم و خدمت دهی19شکل 2-5: وابستگی ویسکوزیته به دما برای دو نمونه قیر20شکل 2-6: اثر درصد آسفالتن موجود در قیر پایه بر پایداری قیرهای اصلاح شده با پلیمر EVA26شکل 2-7: اثر تغییرات درصد EVA در قیر و درصد وینیل استات در EVA، بر درجه نفوذ و نقطه نرمی قیر پلیمری30شکل 2-8: مکانیزم کار رئومتر برشی دینامیکی41شکل 2-9: تصویر عمومی تشکیل پیوند یورتانی بر اثر واکنش پلی ال (OH) با ایزوسیانات (NCO)46شکل 2-10: تصویر نحوه واکنش ایزوسیانات با پلی ال (OH موجود در روغن کرچک)49شکل 2-11: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای پایه و اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده و آب در فرایند اصلاح کوتاه مدت (یک ساعت) و بلند مدت (24 ساعت) در حالت پیرنشده50شکل 2-12: تجزیه نمونه های قیر به عناصر اصلی سازنده به روش کروماتوگرافی51شکل 2-13: تغییرات G* و δ نسبت به دما52شکل 2-14: تغییرات G و "G نسبت به دما53شکل 2-15: تغییرات tanδ نسبت به دما برای مدت های مختلف فرایند اصلاح53شکل 2-16: تغییرات tanδ نسبت به دما برای قیرهای اصلاح شده پلی یورتانی با ایزوسیانات های دارای وزن مولکولی متفاوت54شکل 3-1: دستگاه برش بالا L4RT60شکل 3-2: مجموعه سیستم مخلوط کن کینماتیکا و محفظه کنترل دما61شکل 3-3: رئومتر برشی دینامیکی مدل MCR 30065شکل 4-1: شاخص درجه نفوذ نمونه ها70شکل 4-2: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با TPU در حالت پیرنشده72شکل 4-3: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با TPU در حالت پیرشده73شکل 4-4: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده در حالت پیرنشده75شکل 4-5: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده در حالت پیرشده75شکل 4-6: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به فوم قیرهای پلی یورتان در حالت پیرنشده77شکل 4-7: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به فوم قیرهای پلی یورتان در حالت پیرشده78شکل 4-8: تاثیر دما بر پارامتر G*.sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با TPU بعد از RTFO و PAV80شکل 4-9: تاثیر دما بر پارامتر G*.sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده بعد از RTFO و PAV81شکل 4-10: تاثیر دما بر پارامتر G*.sinδ مربوط به فوم قیرهای پلی یورتان بعد از RTFO و PAV82شکل 4-11: تاثیر دما بر سختی خزشی قیر شاهد و قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده83شکل 4-12: تاثیر دما بر مقدار m درقیر شاهد و قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده84شکل 4-13: تاثیر دما بر سختی خزشی قیر شاهد و فوم قیرهای پلی یورتان85شکل 4-14: تاثیر دما بر مقدار m درقیر شاهد و فوم قیرهای پلی یورتان85شکل 4-15: طیف سنجی FTIR مربوط به ایزوسیانات87شکل 4-16: طیف سنجی FTIR مربوط به پلی ال88شکل 4-17: طیف سنجی FTIR مربوط به پلی یورتان88شکل 4-18: طیف سنجی FTIR مربوط به قیر پایه89شکل 4-19: طیف سنجی FTIR مربوط به قیر اصلاح شده با پلی یورتان89 فهرست جدول ها جدول 2-1: ساختار شیمیایی انواع مختلف نفت خام9جدول 2-2: عناصر تشکیل دهنده قیر10جدول 2-3: انواع الاستومرهای ترموپلاستیک و پلاستومرهای رایج در اصلاح قیر23جدول3-1: مشخصات قیر خالص57جدول 3-2: مشخصات TPU58جدول 3-3: مشخصات مواد اولیه پلی یورتان سنتز شده59جدول 3-4: نام گذاری اختصاری نمونه ها62جدول 4-1: درجه نفوذ نمونه ها68جدول 4-2: نقطه نرمی نمونه ها69جدول 4-3: تاثیر دما بر رده عملکردی قیرهای اصلاح شده پلی یورتان سنتز شده و فوم قیرهای پلی یورتان86 1-1- مقدمهبارگذاری ترافیکی و عوامل محیطی از مهمترین عوامل ایجاد خرابی در روسازی آسفالتی[1] هستند. بارگذاری ترافیکی سبب بروز خرابیهایی مانند شیارشدگی[2] و ترکهای خستگی[3]؛ و عوامل محیطی مانند دما عامل اصلی ترکهای برودتی هستند. بارگذاری ترافیکی بسته به عواملی چون اندازه بار، سطح تماس، دما و سختی و ضخامت روسازی، میتواند باعث ایجاد تنشهای کششی[4]، فشاری[5]، برشی[6] و یا ترکیبی از آنها در نقاط مختلف روسازی شود. معمولا تکرار این تنشها و کرنشها منجر به آسیب دیدن روسازی میشود. ترکهای خستگی در واقع ترکهای ریزی هستند که با استمرار بارگذاری در سیستم روسازی افزایش یافته و در نهایت به شکل ترکهای ناشی از خستگی گسترش مییابند. تجمع این ترکها در نهایت باعث گسیختگی روسازی میشود. از این رو توانایی پیشبینی رفتار روسازی در برابر پدیده خستگی حائز اهمیت است. از آنجایی که پدیده خستگی بیشتر در فاز قیر[7] مربوط به مخلوط آسفالتی اتفاق میافتد]1[، بنابراین میتوان از آزمایشهای مربوط به رفتار خستگی قیر استفاده کرد. 1-2- بیان مسئلههر سال هزینههای زیادی جهت تعمیرات و نگهداری راهها در نظر گرفته میشود که بخش اعظم آن صرف برطرف کردن و تعمیر ترکهای ایجاد شده در روسازی میشود. ترک در روسازی از مهمترین مدهای خرابی و از اصلیترین عوامل در کاهش سطح خدمتدهی روسازی است. از انواع ترکها میتوان ترکهای انعکاسی، انقباضی و خستگی را نام برد. ترکها توسط عوامل گوناگونی از جمله بار ترافیک، تغییرات دمایی و نشست لایههای زیرین ایجاد میشوند. اصولا عامل اصلی ایجاد ترک، تغییرات دمایی میباشد و ترافیک موجب انتشار و گسترش بیشتر ترک میشود.در دماهای بالا، شیارشدگی مد اصلی خرابی در بتن آسفالتی میباشد ولی ترک در روسازی آسفالتی معمولا در دماهای پایین رخ میدهد چون آسفالت در دماهای پایین رفتار ترد پیدا میکند و این مسئله باعث میشود که آسفالت بدون تغییر شکل زیاد دچار ترک خوردگی شود. همچنین دمای پایین موجب سختتر شدن قیر در بتن آسفالتی و در نتیجه کاهش عمر خستگی میشود.یکی از راههای اصلی افزایش توان آسفالت برای مقاومت در برابر خرابیها تهیه مصالح با کیفیت و اصلاح خواص قیر میباشد. اصلاح خواص قیر باعث میشود قیر دارای خاصیت الاستیک و ویسکوز بهتر و همچنین مدول برشی بالاتر و در پی آن عملکرد بهتری باشد. افزودنیهای زیادی از خانوادههای مختلف از جمله پلیمرها (الاستومرها[8]، پلاستومرها[9] و پلیمرهای واکنشپذیر[10])، الیافها، فیلرها، نانو مواد و غیره جهت اصلاح خواص و عملکرد قیر در مخلوط آسفالتی بکار میروند. در این پژوهش بررسی استفاده از ماده پلیمری پلییورتان[11] به عنوان یک افزودنی اصلاح کننده عملکرد قیر در برابر پدیده خستگی توسط آزمایش روبش دما مد نظر میباشد. علاوه بر این به بررسی تاثیر این افزودنی بر ساختار شیمیایی قیر توسط آزمایش طیف سنجی مادون قرمز فوریه و همچنین تاثیر آن در مقاومت قیر در برابر تغییر شکل ماندگار در دمای بالا و ترکهای برودتی در دمای پایین و حساسیت حرارتی قیر پرداخته شده است. پلییورتان نام عمومی پلیمرهایی است که دارای پیوندهای یورتانی هستند. پیوندهای یورتانی از واکنش گروه ایزوسیاناتها[12] با پلیالها[13] بوجود میآیند. در پلیالها گروههایی مثل هیدروکسیل[14](OH)که دارای هیدروژن فعال است با یک گروه ایزوسیانات واکنش داده و پیوندهای یورتانی را بوجود میآورد. 1-3- فرضیهاصلاحکنندههای مختلف بسته به نوعشان، آثار متفاوتی بر خواص فیزیکی و مکانیکی قیر میگذارند که میتواند منجر به خواص عملکردی مختلفی در قیر شود. بنابراین پیشبینی میشود که با اضافه کردن اصلاح کننده مناسب به قیر، بتوان سبب افزایش سفتی، الاستیسیته و ویسکوزیته شد.1-4- اهداف تحقیقهدف اصلی این پژوهش بررسی تاثیر افزودن ماده پلیمری پلییورتان بر رفتار خستگی چسبنده قیری در دمای متوسط میباشد. هدف دیگر این پژوهش بررسی اثر این ماده بر عملکرد قیر در دمای بالا و پایین و حساسیت حرارتی قیر است. همچنین تعیین پیوندهای یورتانی تشکیل شونده در ماتریس قیر نیز مدنظر است.1-5- ساختار پایاننامهاین پایاننامه در 6 فصل تدوین گشته است. مطالب و محتویات هر فصل در ادامه به صورت خلاصه بیان شده است. فصل 2- مروری بر ادبیات گذشته موضوع: در این فصل با مرور به تاریخچه و مبانی مربوط به قیر و اصلاح آن، هدف و تاریخچه آن و انواع آزمایشهای مربوط به قیر و کاربردشان پرداخته میشود. همچنین مسائل و موارد مهم مربوط به انواع اصلاح کنندههای رایج شرح داده شده است.فصل 3- مواد، مصالح و برنامه آزمایشها: برای نیل به اهداف پژوهش، طرحی از مواد، مصالح و برنامه آزمایشهای لازم برای جمع آوری دادههای مورد نیاز تهیه شد. جزئیات این برنامه و مراحل آن به همراه مصالح و تجهیزات مورد استفاده در این پژوهش در این فصل آورده شده است. فصل 4- نتایج و تحلیل: در این فصل نتایج بدست آمده از آزمایشهای مختلف انجام شده بر روی قیر مورد بحث و تحلیل قرار گرفته است.