خواص مهندسی قیر

خواص مهندسی قیر

در مهندسی شهری از قیر به طور وسیع به عنوان یک ماده برای ساخت و ساز  استفاده می شود.  قیر در ساختمان سازی و کاربردهای صنعتی استفاده می شود  ولی خواص مکانیکی آن بسیار پیچیده تر از استیل یا  بتن است. به هر حال خواص مکانیکی قیر ها که برای مهندسی شهری و استفاده صنعتی قیر مهم هستند ، می تواند در شرایطی شبیه مدول الاستیسیته مواد جامد تعریف شود.

1. مفهوم سختی

یک ماده ویسکوز در طبیعت که رفتار نیمه سیال دارد، وقتی تحت تنش قرار می گیرد ، تغییر شکل می دهد یا گرایش به تغییر شکل پیدا می کند و هر تغییر شکلی با حذف تنش غیرقابل بازگشت است. همچنین وقتی مواد الاستیک تحت تنش قرار می گیرند، تغییر شکل می دهند یا تمایل به تغییر شکل پیدا می کنند به هرحال وقتی فشار برداشته شود هر تغییر شکلی به طور کامل برطرف خواهد شد. قیرها مواد ویسکو-الاستیک هستند. درجه ای که قیرها رفتار ویسکو- الاستیک از خود نشان می دهند تابعی از دما و زمان  بارگذاری است. در دماهای بالا یا زمان های بارگذاری طولانی قیر رفتار مایع های ویسکوز را دارد در حالی که در دماهای خیلی پایین یا زمان بارگذاری کم رفتار جامدهای شکننده الاستیک را دارند. محدوده متوسط دما و زمان بارگذاری در بیشتر شرایط سرویس باعث رفتار ویسکو-الاستیک می شود. به منظور تعریف خواص ویسکو-الاستیک Van der Poel در سال 1954 مفهوم مدول سختی را به عنوان پارامتر بنیادی برای توصیف خواص مکانیکی قیر ها بوسیله تشابه با مدول های جامدهای الاستیک تعریف کرد. اگر تنش کششی    در زمان بارگزاری t=0 بکاربرده شود، یک فشار ε فوراً به دست می آید که با زمان بارگذاری افزایش نمی یابد. مدول های الاستیک E مواد بوسیله قانون هوک (Hooke) بیان می شود:

در مورد مواد ویسکو-الاستیک مانند قیر یک تنش کششی σ در زمان بارگذاری  t = 0باعث یک فشار ε می شود که نامتناسب با زمان بارگذاری افزایش می یابد.  مدول های سختی S_t  در زمان بارگذاری t به عنوان نسبت بین فشار بکاربرده شده و فشار ایجاد شده در زمان بارگذاری t تعریف می شود:

طبق معادله 11مقدار مدول سختی وابسته به زمان بارگذاری و این مربوط به طبیعت ویژه قیر است. به طور مشابه مدول سختی وابسته به دما T خواهد بود. بنابراین لازم است دما و زمان بارگذاری برای هر اندازه گیری سختی در نظر گرفته شود:

تأثیر دما و زمان بارگذاری روی مدول سختی سه نوع مختلف قیر در شکل 14، شکل 15 و شکل 16 نشان داده شده است. شکل 14 یک قیر با شاخص نفوذ کم 2.3- را نشان می دهد. در زمان بارگذاری خیلی کوتاه مدول سختی تقریباً ثابت است، تقریباً به سمت 2.5 تا 10⁹×3.0 پاسکال، و در این ناحیه مستقل از دما و زمان بارگذاری است یعنی S=E. تأثیر PI به خوبی توسط شکل 14 و شکل 15 نشان داده شده است. قیر با PI بیشتر(5+) (شکل 15) در دما و زمان بارگذاری بیشتر به شکل قابل توجهی سخت تر است، یعنی حساسیت دمایی کمتری دارد.

شکل 16 ارتباط را برای قیر با پن 100 نشان می دهد. در یک زمان بارگذاری 0.02 ثانیه (معادل وسیله نقلیه با سرعت حدود 50 کیلومتر بر ساعت) مدول سختی در دمای 25 درجه سانتی گراد تقریباً 10⁷ پاسکال و در دمای 60 درجه سانتی گراد تقریباً 10⁴ × 5 پاسکال است. در دماهای پایین مدول سختی بالاست و بنابراین تغییر شکل های دائمی اتفاق نمی افتد. به هرحال در دمای بالا یا زمان بارگذاری طولانی (ترافیک ساکن) مدول سختی به طور قابل توجهی کاهش می یابد و در این شرایط، احتمالاً تغییر شکل دائمی سطح جاده خیلی بیشتر است.

به منظور درک کامل اهمیت مدول سختی و اندازه گیری آن، لازم است تغییر شکل نمونه های جامد و مایع تحت فشار در نظر گرفته شود. سپس رفتار تغییر شکل مواد ویسکو -الاستیک بدست خواهد آمد.

تصویر 14: تاثیر دما و زمان بارگذاری روی سختی قیر با PI کم

تصویر 15: تاثیر دما و زمان بارگذاری روی سختی قیر 15/115

تصویر 16: تاثیر دما و زمان بارگذاری روی سختی قیر با پن 100