چکیده

      خرابی­های آسفالتی از جمله معضلاتی است که امروزه دغدغه مهندسین راه و حمل و نقل بوده و هر سال هزینه­های کلانی صرف تعمیر و نگهداری راه­های آسفالتی می­شود. تلاش­های زیادی جهت افزایش مقاومت و عمر آسفالت انجام شده که از جمله این تلاش­ها، بهبود خواص قیر است. استفاده از پلیمرها در اصلاح خواص قیر بسیار رایج بوده و روز به روز در حال گسترش است. الاستومرهای ترموپلاستیک و پلیمرهای واکنش­پذیر از جمله خانواده­ای از پلیمرها هستند که تاثیرات چشمگیری بر خواص قیر داشته­اند. در این پژوهش ترموپلاستیک پلی­یورتان (TPU)، پلی­یورتان سنتز شده (PU) به عنوان یک افزودنی اصلاح کننده در قیر بکار رفته است. آزمایش­های درجه نفوذ، نقطه نرمی (R&B)، لعاب نازک قشر (RTFO)، محفظه تسریع پیری (PAV)، رئومتر برشی دینامیکی (DSR)، رئومتر تیر خمشی (BBR) و طیف­سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR) بر روی نمونه­های اصلاح شده با شکل­های مختلف خانواده پلی­یورتان انجام شد. نتایج حاصله از این آزمایش­ها نشان داد که پلی­یورتان باعث کاهش درجه نفوذ و افزایش نقطه نرمی قیر شده که قیر اصلاح شده با آن دارای سفتی و ویسکوزیته بالاتر و در پی آن حساسیت حرارتی کمتری بوده است. همچنین پلی­یورتان باعث افزایش دمای بالای عملکرد قیر پایه و افزایش مقاومت آن در برابر تغییر شکل ماندگار شده است و توانسته رده­های عملکردی بالاتری به قیر پایه بخشد. در دمای متوسط قیرهای اصلاح شده با پلی­یورتان دارای عملکرد بهتر و مقاومت بیشتری در برابر خستگی نسبت به قیر پایه از خود نشان دادند. در دماهای پایین، اگرچه پلی­یورتان تاثیر مثبت بسیار اندکی بر عملکرد قیر داشته اما نتوانسته در دمای پایین رده عملکردی به قیر اضافه کند. نتایج آزمایش FTIR، پیوندهای یورتانی موجود در قیر اصلاح شده را به نمایش گذاشت که تاییدی بر شکل­گیری پیوندها در قیر و تعیین کننده ساختار شیمیایی آن بوده است.

کلمات کلیدی: قیر، پلی­یورتان، ایزوسیانات، پلی­ال، فوم قیر

فهرست عنوان ها

فصل اول: کلیات و تعریف مسئله

1-1- مقدمه 2

1-2- بیان مسئله 2

1-3- فرضیه 4

1-4- اهداف تحقیق 4

1-5- ساختار پایان نامه 4

فصل دوم: مروری بر ادبیات گذشته موضوع

2-1- تاریخچه قیر و اصلاح آن 7

2-2- منابع قیر 8

2-2-1- قیرهای طبیعی 8

2-2-2- قیرهای نفتی 8

2-3- ساختمان شیمیایی قیر 8

2-3-1- اجزا قیر 10

2-3-1-1- آسفالتن 11

2-3-1-2- آروماتیک های قطبی (رزین ها) 11

2-3-1-3- آروماتیک های نفتی 12

2-3-1-4- اشباع ها (پارافین ها) 12

2-4- خواص مکانیکی و فیزیکی قیر 13

2-4-1- رفتار قیر 13

2-4-1-1- رفتار نیوتنی قیر 14

2-4-1-2- رفتار شبه پلاستیک و بینگهام پلاستیک 15

2-4-2- حساسیت حرارتی قیر 16

2-4-3- سخت شدن قیر 17

2-4-4- پیرشدگی قیر 19

2-5- اصلاح قیر 21

2-5-1- اصلاح قیر توسط پلیمر 21

2-5-2- مکانیزم اصلاح قیر با پلیمر 24

2-5-3- پایداری قیرهای پلیمری 25

2-5-4- تاریخچه دمایی 26

2-6- پلیمرهای رایج در اصلاح قیر 27

2-6-1- استایرن بوتادین رابر (SBR) 27

2-6-2- استایرن بوتادین استایرن (SBS) 28

2-6-3- اتیلن وینیل استات (EVA) 30

2-6-4- اصلاح قیر توسط پودر لاستیک (CRM) 30

2-6-5- اصلاح قیر توسط پلی فسفریک اسید (PPA) 32

2-7- آزمایش های قیر 33

2-7-1- آزمایش تعیین درجة نفوذ قیر 33

2-7-2- آزمایش نقطه نرمی قیر 34

2-7-3- آزمایش کشش پذیری 35

2-7-4- آزمایش نقطه اشتعال قیر 35

2-7-5- آزمایش تعیین ویسکوزیته 36

2-7-6- آزمایش نقطه شکست فراس 36

2-8- آزمایش های شارپ (SHRP) بر روی قیرها 37

2-8-1- آزمایش لعاب نازک چرخشی (RTFO) 37

2-8-2- آزمایش محفظه تسریع پیری 38

2-8-3- آزمایش ویسکومتر چرخشی 39

2-8-4- آزمایش رئومتر برشی دینامیکی (DSR) 40

2-8-5- آزمایش رئومتر تیر خمشی 42

2-8-6- آزمایش کشش مستقیم 42

2-9- آزمایش های آمیزه قیر- پلیمر 43

2-9-1- آزمایش پایداری در ذخیره سازی 43

2-9-2- آزمایش بازیابی الاستیک 44

2-10- پلی یورتان 45

2-11- واکنش انتقال هیدروژن بین مولکولی 47

2-12- مکانیزم واکنش شیمیایی پلی یورتان با قیر 47

2-13- تاثیر پلی یورتان بر خواص قیر و فوم قیرهای حاوی آن 49

2-14- جمع بندی 54

فصل سوم: مواد، مصالح و برنامه آزمایش ها

3-1 مواد و مصالح 57

3-1-1- قیر 57

3-1-2- پلیمر 58

3-2- فرایند تهیه نمونه ها 59

3-3- نامگذاری نمونه ها 62

3-4- برنامه آزمایش ها 62

3-4-1- آزمایش درجه نفوذ 63

3-4-2- آزمایش نقطه نرمی 63

3-4-3- آزمایش طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR) 63

3-4-4- آزمایش روبش دما 64

3-4-5- آزمایش BBR 65

فصل چهارم: نتایج و تحلیل

4-1- نتایج و تحلیل 67

4-1-2- نتایج آزمایش درجه نفوذ 67

4-1-3-تایج آزمایش نقطه نرمی 68

4-1-4- تعیین شاخص PI 69

4-1-5- بررسی نتایج آزمایش روبش دما در دمای بالا 71

4-1-5-1- تاثیر TPU بر عملکرد قیر در دمای بالا 71

4-1-5-2- تاثیر پلی یورتان سنتز شده بر عملکرد قیر در دمای بالا 73

4-1-5-3- تاثیر پلی یورتان سنتز شده و آب بر عملکرد قیر در دمای بالا (فوم قیر پلی یورتان) 76

4-1-6- بررسی نتایج آزمایش روبش دما در دمای متوسط 78

4-1-6-1- تاثیر TPU بر عملکرد قیر در دمای متوسط 79

4-1-6-2- تاثیر پلی یورتان سنتز شده بر عملکرد قیر در دمای متوسط 80

4-1-6-3- تاثیر پلی یورتان سنتز شده و آب بر عملکرد قیر در دمای متوسط (فوم قیر پلی یورتان) 81

4-1-7- بررسی نتایج آزمایش BBR در دمای پایین 82

4-1-7-1- تاثیر پلی یورتان سنتز شده بر عملکرد قیر در دمای پایین 83

4-1-7-2- تاثیر پلی یورتان سنتز شده و آب بر عملکرد قیر در دمای پایین (فوم قیر پلی یورتان) 84

4-1-8- رده بندی عملکردی قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده و فوم قیرهای پلی یورتان 86

4-1-9- بررسی نتایج حاصل از FTIR 86

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری 91

5-2- پیشنهادات 93

فصل ششم: مراجع

6- مراجع 96

فهرست شکل ها

شکل 2-1: رفتار نیوتنی 14

شکل 2-2: رفتار شبه پلاستیک 16

شکل 2-3: رفتار بینگهام پلاستیک 16

شکل 2-4: تغییرات اجزای قیر در زمان اختلاط، پخش، تراکم و خدمت دهی 19

شکل 2-5: وابستگی ویسکوزیته به دما برای دو نمونه قیر 20

شکل 2-6: اثر درصد آسفالتن موجود در قیر پایه بر پایداری قیرهای اصلاح شده با پلیمر EVA 26

شکل 2-7: اثر تغییرات درصد EVA در قیر و درصد وینیل استات در EVA، بر درجه نفوذ و نقطه نرمی قیر پلیمری 30

شکل 2-8: مکانیزم کار رئومتر برشی دینامیکی 41

شکل 2-9: تصویر عمومی تشکیل پیوند یورتانی بر اثر واکنش پلی ال (OH) با ایزوسیانات (NCO) 46

شکل 2-10: تصویر نحوه واکنش ایزوسیانات با پلی ال (OH موجود در روغن کرچک) 49

شکل 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 پیرنشده 50

شکل 2-12: تجزیه نمونه های قیر به عناصر اصلی سازنده به روش کروماتوگرافی 51

شکل 2-13: تغییرات G* و δ نسبت به دما 52

شکل 2-14: تغییرات G' و "G نسبت به دما 53

شکل 2-15: تغییرات tanδ نسبت به دما برای مدت های مختلف فرایند اصلاح 53

شکل 2-16: تغییرات tanδ نسبت به دما برای قیرهای اصلاح شده پلی یورتانی با ایزوسیانات های دارای وزن مولکولی متفاوت 54

شکل 3-1: دستگاه برش بالا L4RT 60

شکل 3-2: مجموعه سیستم مخلوط کن کینماتیکا و محفظه کنترل دما 61

شکل 3-3: رئومتر برشی دینامیکی مدل MCR 300 65

شکل 4-1: شاخص درجه نفوذ نمونه ها 70

شکل 4-2: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با TPU در حالت پیرنشده 72

شکل 4-3: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با TPU در حالت پیرشده 73

شکل 4-4: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده در حالت پیرنشده 75

شکل 4-5: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده در حالت پیرشده 75

شکل 4-6: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به فوم قیرهای پلی یورتان در حالت پیرنشده 77

شکل 4-7: تاثیر دما بر پارامتر G*/sinδ مربوط به فوم قیرهای پلی یورتان در حالت پیرشده 78

شکل 4-8: تاثیر دما بر پارامتر G*.sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با TPU بعد از RTFO و PAV 80

شکل 4-9: تاثیر دما بر پارامتر G*.sinδ مربوط به قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده بعد از RTFO و PAV 81

شکل 4-10: تاثیر دما بر پارامتر G*.sinδ مربوط به فوم قیرهای پلی یورتان بعد از RTFO و PAV 82

شکل 4-11: تاثیر دما بر سختی خزشی قیر شاهد و قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده 83

شکل 4-12: تاثیر دما بر مقدار m در قیر شاهد و قیرهای اصلاح شده با پلی یورتان سنتز شده 84

شکل 4-13: تاثیر دما بر سختی خزشی قیر شاهد و فوم قیرهای پلی یورتان 85

شکل 4-14: تاثیر دما بر مقدار m در قیر شاهد و فوم قیرهای پلی یورتان 85

شکل 4-15: طیف سنجی FTIR مربوط به ایزوسیانات 87

شکل 4-16: طیف سنجی FTIR مربوط به پلی ال 88

شکل 4-17: طیف سنجی FTIR مربوط به پلی یورتان 88

شکل 4-18: طیف سنجی FTIR مربوط به قیر پایه 89

شکل 4-19: طیف سنجی FTIR مربوط به قیر اصلاح شده با پلی یورتان 89

فهرست جدول ها

جدول 2-1: ساختار شیمیایی انواع مختلف نفت خام 9

جدول 2-2: عناصر تشکیل دهنده قیر 10

جدول 2-3: انواع الاستومرهای ترموپلاستیک و پلاستومرهای رایج در اصلاح قیر 23

جدول3-1: مشخصات قیر خالص 57

جدول 3-2: مشخصات TPU 58

جدول 3-3: مشخصات مواد اولیه پلی یورتان سنتز شده 59

جدول 3-4: نام گذاری اختصاری نمونه ها 62

جدول 4-1: درجه نفوذ نمونه ها 68

جدول 4-2: نقطه نرمی نمونه ها 69

جدول 4-3: تاثیر دما بر رده عملکردی قیرهای اصلاح شده پلی یورتان سنتز شده و فوم قیرهای پلی یورتان 86