بتن آسفالتی چیست؟
بتن آسفالتی که معمولاً به آسفالت، سقف سیاه یا روسازی و آسفالت، قیر ماکادام یا آسفالت نورد شده نامیده می‌شود، یک ماده کامپوزیتی است که معمولاً برای سطح جاده‌ها، پارکینگ‌ها، فرودگاه‌ها و سایر موارد استفاده می‌شود. از سنگدانه‌های معدنی تشکیل شده که با آسفالت به هم چسبیده و به صورت لایه لایه متراکم می‌شوند برای بتن آسفالتی به کار گرفته می‌شوند. این فرآیند توسط مخترع بلژیکی آمریکایی «ادوارد دی اسمدت». برای شناخت بیشتر بتن آسفالتی با ما همراه باشید.
فرمولاسیون مخلوط بتن آسفالتی
اختلاط آسفالت و سنگدانه به یکی از چندین روش انجام می‌شود:
بتن آسفالتی مخلوط داغ (HMA)
این بتن با گرم کردن بایندر آسفالت برای کاهش ویسکوزیته و خشک کردن سنگدانه برای حذف رطوبت از آن قبل از اختلاط تولید می‌شود. اختلاط عموماً با سنگدانه در حدود 300 درجه فارنهایت (تقریباً 150 درجه سانتیگراد) برای آسفالت بکر و 330 درجه فارنهایت (166 درجه سانتیگراد) برای آسفالت اصلاح شده پلیمری و سیمان آسفالت در دمای 200 درجه فارنهایت (95 درجه سانتیگراد) انجام می‌شود.
روسازی و تراکم باید در حالی انجام شوند که آسفالت به اندازه کافی گرم است. در بسیاری از کشورها سنگفرش خیابان‌ها و جاده‌ها به ماه‌های تابستان محدود می‌شود زیرا در زمستان پایه متراکم شده، آسفالت را قبل از اینکه بتواند به تراکم مورد نیاز برسد، خنک می‌کند. بتن آسفالتی مخلوط گرم بیشتر در روسازی‌های پرترافیک مانند بزرگراه‌های اصلی، پیست‌های مسابقه و میدان‌های هوایی (فرودگاه‌ها) استفاده می‌شود.
بتن آسفالتی با مخلوط گرم (WMA)
این با افزودن زئولیت‌ها، موم‌ها، امولسیون‌های آسفالتی یا گاهی اوقات حتی آب به مخلوط آسفالتی قبل از اختلاط تولید می‌شود. این بتن اجازه می‌دهد تا دمای اختلاط به میزان قابل توجهی کاهش یابد و منجر به مصرف کمتر سوخت‌های فسیلی شود، بنابراین دی اکسید کربن، ذرات معلق در هوا و بخارات کمتری آزاد می‌شوند.
با این بتن نه تنها شرایط کاری بهبود یافته است بلکه دمای پایین‌‌تر برای استفاده از سطح نیز منجر به دسترسی سریع‌‌تر به سطح می‌شود که این برای ساخت و سازها با برنامه‌های زمانی بحرانی مهم است. استفاده از این مواد افزودنی در آسفالت مخلوط گرم ممکن است تراکم آسان‌تر و امکان سنگفرش در هوای سرد یا مسیرهای طولانی‌تر را فراهم کند.
استفاده از مخلوط گرم به سرعت در حال گسترش است. یک نظرسنجی از تولید کنندگان آسفالت ایالات متحده نشان داد که تقریباً 25 درصد از آسفالت تولید شده در سال 2012 مخلوط گرم بود که افزایش 416 درصدی از سال 2009 را نشان می‌دهد. روسازی جاده‌های تمیزتر را می‌توان با ترکیب WMA ایجاد کرد. فناوری مخلوط آسفالت گرم (WMA)، مزایای زیست محیطی، تولیدی و اقتصادی را به همراه دارد.
بتن آسفالت مخلوط سرد
این بتن با امولسیون کردن آسفالت در آب با یک عامل امولسیون کننده قبل از مخلوط شدن با سنگدانه تولید می‌شود. در حالت امولسیون، آسفالت چسبناکی کمتری دارد و مخلوط به راحتی کار می‌کند و فشرده می‌شود. امولسیون پس از تبخیر آب کافی می‌شکند و مخلوط سرد، در حالت ایده آل، خواص روسازی بتن آسفالتی با مخلوط گرم را به خود می‌گیرد. مخلوط سرد معمولاً به عنوان یک ماده وصله و در جاده‌های کم تردد استفاده می‌شود.
بتن آسفالتی برش خورده
شکلی از مخلوط سرد آسفالت است که از انحلال بایندر در نفت سفید یا بخش سبک‌تر دیگری از نفت و مخلوط شدن با سنگدانه تولید می‌شود. در حالت حل شده، آسفالت چسبندگی کمتری دارد و مخلوط به راحتی کار می‌کند و فشرده می‌شود. پس از قرار گرفتن مخلوط، کسر سبک تر تبخیر می‌شود. به دلیل نگرانی در مورد آلودگی ناشی از ترکیبات آلی فرار در بخش سبک تر، آسفالت برش خورده تا حد زیادی با امولسیون آسفالت جایگزین شده است.
بتن آسفالت ماستیک
این بتن با حرارت دادن قیر دمیده درجه سخت (یعنی تا حدی اکسید شده)، در یک اجاق گاز سبز (مخلوط کننده) تولید می‌شود تا زمانی که به مایع چسبناکی تبدیل شده و سپس مخلوط سنگدانه‌ها اضافه می‌شوند. مخلوط سنگدانه‌های قیر حدود 6 تا 8 ساعت پخته شده و پس از آماده شدن، میکسر آسفالت ماستیک به محل کار منتقل می‌شود که در آنجا لایه‌های مجرب میکسر را خالی می‌کنند و با ماشین یا دست محتویات آسفالت ماستیک را روی آن قرار می‌دهند.
بتن آسفالتی با مدول بالا
این بتن از یک فرمول قیری بسیار سخت استفاده می‌کند که گاهی اوقات به نسبت‌هایی نزدیک به 6 درصد وزنی سنگدانه‌ها و همچنین نسبت بالایی از پودر معدنی (بین 8 تا 10 درصد) استفاده می‌شود. این بتن امکان کاهش ضخامت لایه پایه را تا 25 درصد (بسته به دما) نسبت به قیر معمولی فراهم می‌کند، در حالی که مقاومت خستگی بسیار بالایی را ارائه می‌دهد.
لایه‌های آسفالتی با مدول بالا هم در عملیات آرماتوربندی و هم در ساخت آرماتورهای جدید برای ترافیک متوسط و سنگینی استفاده می‌شود. در لایه‌های پایه، لایه‌های آسفالتی تمایل دارند ظرفیت بیشتری در جذب کشش و به طور کلی مقاومت در برابر خستگی بهتر از خود نشان دهند. علاوه بر آسفالت و سنگدانه‌ها، افزودنی‌هایی مانند پلیمرها و عوامل ضد ریزش ممکن است برای بهبود خواص محصول نهایی اضافه شوند.
ویژگی‌های عملکردی بتن آسفالتی
انواع مختلف بتن آسفالتی از نظر دوام، سایش تایر، راندمان ترمز و صدای جاده دارای ویژگی‌های عملکردی متفاوتی هستند. در اصل، تعیین ویژگی‌های عملکرد آسفالت مناسب، باید حجم ترافیک در هر دسته وسیله نقلیه و الزامات عملکرد مسیر اصطکاک را در نظر بگیرد. بتن آسفالتی صدای کمتری نسبت به سطح بتن سیمانی پرتلند تولید می‌کند.
از آنجایی که صدای لاستیک از طریق تبدیل انرژی جنبشی به امواج صوتی ایجاد می‌شود، با افزایش سرعت خودرو نویز بیشتری تولید می‌شود. با توجه به عملکرد سازه، رفتار آسفالت به عوامل مختلفی از جمله مواد، بارگذاری و شرایط محیطی بستگی دارد. علاوه بر این، عملکرد روسازی در طول زمان نیز متفاوت است. بنابراین رفتار درازمدت روسازی آسفالتی با عملکرد کوتاه مدت آن متفاوت می‌باشد.
تخریب و ترمیم
فرسودگی آسفالت می‌تواند شامل ترک خوردن چاله‌ها، آشفتگی، به هم ریختن، آب انداختگی، شیاری شدن و فرورفتگی باشد. آب و هوای سرد و یخبندان می‌توانند حتی در یک زمستان، بتن آسفالتی را ترک دهند. پر کردن ترک‌ها با قیر یک راه حل موقت است اما فقط فشرده سازی و زهکشی مناسب می‌تواند این روند را کند کند. عواملی که باعث خراب شدن بتن آسفالتی در طول زمان می‌شوند، عمدتاً در یکی از سه دسته قرار می‌گیرند:
- کیفیت ساخت و ساز
- ملاحظات زیست محیطی
- بارهای ترافیکی
اغلب این آسیب، ناشی از ترکیبی از هر سه عامل بالا است. کیفیت ساخت و ساز برای عملکرد روسازی بسیار مهم است. این مهم شامل ساخت ترانشه‌های تاسیساتی و لوازمی است که پس از ساخت در روسازی قرار می‌گیرند. عدم تراکم در سطح آسفالت، به خصوص در درز طولی می‌تواند عمر یک روسازی را بین 30 تا 40 درصد کاهش دهد. گفته شده است که ترانشه‌های خدماتی در روسازی‌ها پس از ساخت، عمر روسازی را تا 50 درصد کاهش می‌دهند که عمدتاً به دلیل عدم تراکم در ترانشه و همچنین به دلیل نفوذ آب از طریق اتصالات نامناسب آب بندی شده‌اند.
عوامل محیطی شامل گرما و سرما، وجود آب در زیرپایه یا خاک زیرین زیر روسازی و یخبندان هستند. دماهای بالا چسب آسفالت را نرم می‌کنند و به بارهای سنگین تایر اجازه می‌دهند تا روسازی به شیارها تغییر شکل دهند. به طور متناقض، گرمای زیاد و نور شدید خورشید نیز باعث اکسیده شدن آسفالت، سفت‌تر و کم ارتجاعی شدن آن می‌شود که این مهم منجر به تشکیل ترک خواهد شد. با انقباض آسفالت، دمای سرد می‌تواند باعث ایجاد ترک شود.
آسفالت سرد نیز مقاومت کمتری دارد و در برابر ترک خوردگی آسیب پذیرتر است. آب محبوس شده در زیر روسازی، زیربنا و زیرسازی را نرم می‌کند و جاده را در برابر بارهای ترافیکی آسیب پذیرتر می‌سازد. آب زیر جاده در هوای سرد یخ می‌زند و منبسط می‌شود و باعث ایجاد و بزرگ شدن شکاف خواهد شد. در بهار، زمین از بالا به پایین برفک می‌زند، بنابراین آب بین سنگفرش بالا و خاک هنوز یخ زده زیر آن محبوس می‌شود.
این لایه خاک اشباع، حمایت کمی برای جاده بالا فراهم می‌کند و منجر به تشکیل چاله‌ها می‌شود. این مشکل برای خاک‌های سیلتی یا رسی بیشتر از خاک‌های شنی است. برخی از حوزه‌های قضایی قوانین یخبندان را برای کاهش وزن مجاز کامیون‌ها در فصل ذوب بهار و محافظت از جاده‌های آنها تصویب می‌کنند.
آسیبی که یک وسیله نقلیه ایجاد می‌کند، تقریباً متناسب با بار محوری است که تا توان چهارم افزایش می‌یابد، بنابراین دوبرابر کردن وزنی که یک محور حمل می‌کند، در واقع 16 برابر بیشتر آسیب وارد خواهد کرد. چرخ‌ها باعث می‌شوند جاده کمی خم شده و در نتیجه ترک خوردگی ناشی از خستگی ایجاد می‌شود که اغلب منجر به ترک خوردن خواهد شد.
سرعت خودرو نیز در این موضوع نقش دارد. وسایل نقلیه‌ای که به آرامی در حال حرکت است، در مدت زمان طولانی‌تری به جاده فشار وارد می‌کنند و باعث افزایش شیارها، ترک خوردگی‌ها و چین خوردگی در روسازی آسفالت می‌شوند. سایر علل آسیب شامل آسیب حرارتی ناشی از آتش سوزی وسایل نقلیه یا اثر حلال ناشی از نشت مواد شیمیایی هستند.
پیشگیری از تخریب بتن آسفالتی
عمر یک جاده را می‌توان از طریق روش‌های طراحی، ساخت و نگهداری خوب طولانی کرد. در طول طراحی، مهندسان با توجه ویژه به تعداد و انواع کامیون‌ها، ترافیک جاده را اندازه گیری می‌کنند. آنها همچنین خاک زیرین را ارزیابی کرده تا ببینند چقدر بار می‌تواند تحمل کند. ضخامت روسازی و زیربنا به گونه‌ای طراحی شده است که بارهای چرخ را تحمل کند.
گاهی از ژئوگریدها برای تقویت زیرپایه و تقویت بیشتر جاده‌ها استفاده می‌شوند. از زهکشی شامل خندق‌ها، زهکش‌های طوفان و زهکش‌های زیرزمینی برای حذف آب از بستر جاده استفاده می‌شود و از تضعیف زیربنا و زیر خاک جلوگیری می‌کند. آب بندی بتن آسفالتی، یک اقدام نگهداری است که به جلوگیری از ورود آب و فرآورده‌های نفتی به روسازی کمک می‌کند.
نگهداری و تمیز کردن خندق‌ها و زهکش‌های طوفان با هزینه کم، عمر جاده را افزایش می‌دهد. مهر و موم کردن ترک‌های کوچک با سیلر ترک قیری، از بزرگ شدن شکاف‌ها از طریق هوازدگی یخبندان یا نفوذ به زیر پایه و نرم شدن آن جلوگیری می‌کند. برای جاده‌های تا حدودی آسیب دیده می‌توان از تراشه بندی یا عملیات سطحی مشابهی استفاده کرد.
با افزایش تعداد، عرض و طول ترک‌ها، تعمیرات فشرده‌تری مورد نیاز است. به منظور افزایش هزینه‌های کلی، این موارد شامل روکش‌های آسفالت نازک، روکش‌های چند مسیره، سنگ زنی مسیر بالا و روکش کاری، بازیافت در محل یا بازسازی کامل جاده می‌شوند. هزینه نگهداری یک جاده در شرایط خوب، بسیار کمتر از تعمیر آن پس از خراب شدنش است.
به همین دلیل است که برخی از شرکت‌ها به جای بازسازی جاده‌ها در وضعیت نامناسب، اولویت را به نگهداری پیشگیرانه جاده‌ها در شرایط خوب می‌دهند. جاده‌های ضعیف با توجه به منابع و بودجه به روز رسانی می‌شوند. از نظر هزینه طول عمر و شرایط طولانی مدت روسازی، این امر منجر به عملکرد بهتر سیستم می‌شود.
شرکت‌هایی که بر بازسازی جاده‌های بد خود تمرکز می‌کنند، اغلب متوجه شدند که تا زمانی که همه آنها را تعمیر کرده اند، جاده‌هایی که در وضعیت خوبی قرار داشتند، خراب شده‌اند. برخی از شرکت‌هایی از سیستم مدیریت روسازی برای کمک به اولویت بندی نگهداری و تعمیرات استفاده می‌کنند.
بازیافت بتن آسفالتی
بتن آسفالتی یک ماده قابل بازیافتی است که هم در محل و هم در کارخانه‌های آسفالت قابل بازیافت و استفاده می‌شود. رایج‌ترین جزء بازیافتی در بتن آسفالت، روسازی آسفالت احیا شده (RAP) است. روسازی آسفالت احیا شده با سرعت بیشتری نسبت به سایر مواد بازیافت می‌شود.
مخلوط‌های بتن آسفالتی ممکن است حاوی زوناهای آسفالتی احیا شده (RAS) نیز باشند. تحقیقات نشان داده‌اند که RAP و RAS می‌توانند تا 100 درصد نیاز به سنگدانه بکر و چسب آسفالت را در یک مخلوط جایگزین کنند اما این درصد معمولاً به دلیل الزامات نظارتی و نگرانی‌های عملکرد، کمتر است. در سال 2019، مخلوط‌های جدید روسازی آسفالتی تولید شده در ایالات متحده به طور متوسط حاوی 21.1 درصد RAP و 0.2 درصد RAS بودند.
روش‌های بازیافت
اجزای بتن آسفالتی ممکن است بازیافت شده و به کارخانه آسفالت برای پردازش و استفاده در روسازی‌های جدید منتقل شوند یا کل فرآیند بازیافت ممکن است در محل انجام شود. بازیافت در محل معمولاً در جاده‌ها اتفاق میفتد و مخصوص روسازی آسفالت احیا شده است. گیاهان ممکن است از RAP، RAS یا هر دو استفاده کنند. در سال 2019، حدود 97.0 میلیون تن RAP و 1.1 میلیون تن RAS توسط کارخانه‌های آسفالت پذیرفته شدند.
روسازی آسفالت احیا شده معمولاً پس از آسیاب در محل توسط گیاهان دریافت می‌شود، اما سنگ فرش‌ها نیز ممکن است در بخش‌های بزرگ تر کنده شده و در کارخانه خرد شوند. آسیاب‌های RAP معمولاً قبل از ادغام در مخلوط‌های آسفالتی جدید در کارخانه‌ها ذخیره می‌شوند. قبل از اختلاط، آسیاب‌های انباشته شده ممکن است خشک شده و هر یک از آنها که در انبار جمع شده‌اند، ممکن است خرد شوند.
زوناهای آسفالتی احیا شده ممکن است توسط کارخانه‌های آسفالت به‌عنوان ضایعات پس از تولید مستقیماً از کارخانه‌ها دریافت شود یا ممکن است در پایان عمر مفید خود به عنوان زباله پس از مصرف دریافت گردد. پردازش زوناهای آسفالتی احیا شده شامل آسیاب کردن زونا و الک کردن آسیاب‌ها برای حذف ذرات بزرگ است.
همچنین ممکن است آسیاب‌ها با یک غربال مغناطیسی برای حذف میخ‌ها و سایر بقایای فلزی غربال شوند. سپس زوناهای آسفالتی احیا شده زمینی خشک شده و می‌توان چسب سیمان آسفالت را استخراج کرد. روش‌های بازیافت در محل به جاده‌ها اجازه می‌دهد تا با احیای روسازی موجود، اختلاط مجدد و بازسازی در محل، بازسازی شوند. تکنیک‌های بازیافت در محل، شامل بازیافت داغ در محل، بازیافت سرد در محل و احیای کامل عمق هستند.
کارایی بتن آسفالتی
در طول عمر خود، چسب سیمان آسفالت که حدود 5 تا 6 درصد از مخلوط بتن آسفالتی معمولی را تشکیل می‌دهد، به طور طبیعی سخت شده و سفت تر می‌شود. این فرآیند پیری در درجه اول به دلیل اکسیداسیون، تبخیر، ترشح و سخت شدن فیزیکی رخ می‌دهد. به همین دلیل، مخلوط‌های آسفالتی حاوی RAP و RAS، مستعد کارایی کمتر و افزایش حساسیت به ترک خوردگی ناشی از خستگی هستند. اگر اجزای بازیافتی به درستی در مخلوط تقسیم شوند، این مشکلات قابل اجتناب می‌باشند.
تمرین نگهداری و جابجایی مناسب مانند نگهداری ذخایر RAP دور از مناطق مرطوب یا نور مستقیم خورشید نیز در جلوگیری از مشکلات کیفیت مهم است. فرآیند پیری بایندر همچنین ممکن بوده برخی از ویژگی‌های مفیدی را ایجاد کند. یک رویکرد برای متعادل کردن جنبه‌های عملکرد RAP و RAS، ترکیب اجزای بازیافتی با سنگدانه‌های بکر و چسب آسفالت بکر است.
سایر مواد بازیافتی مورد استفاده در بتن آسفالتی
ثابت شده است که لاستیک خرده‌ای که از لاستیک‌های بازیافتی تولید می‌شود، مقاومت در برابر خستگی و استحکام خمشی مخلوط‌های آسفالتی حاوی RAP را بهبود می‌بخشد. در کالیفرنیا، دستورات قانونی، وزارت حمل و نقل را ملزم می‌کند تا خرده لاستیک را در مواد روسازی آسفالت بگنجانند. سایر مواد بازیافتی که به طور فعال در مخلوط‌های بتن آسفالتی در سراسر ایالات متحده گنجانده شده‌اند، عبارتند از:
- سرباره فولادی
- سرباره کوره بلند
- الیاف سلولزی
تحقیقات بیشتر برای کشف اشکال جدیدی از زباله که ممکن است در مخلوط آسفالت بازیافت شوند، انجام شده‌اند. یک مطالعه در سال 2020 که در ملبورن استرالیا انجام شد، طیف وسیعی از استراتژی‌ها را برای ترکیب مواد زائد در بتن آسفالت ارائه کرد. استراتژی‌های ارائه شده در این مطالعه شامل استفاده از پلاستیک، به ویژه پلی اتیلن با چگالی بالا، در چسب آسفالت و استفاده از ضایعات شیشه، آجر، سرامیک و سنگ مرمر به جای سنگدانه‌های سنتی هستند.
کلام آخر
بتن آسفالتی یک ماده کامپوزیتی است که معمولاً در ساخت جاده‌ها، بزرگراه‌ها، فرودگاه‌ها، پارکینگ‌ها و بسیاری از انواع دیگر روسازی استفاده می‌شود. این بتن متشکل از سنگدانه‌های معدنی است که از خمیر ساخته شده از سیمان پرتلند، آسفالت یا حتی اپوکسی تولید می‌شود. برای افراد عادی، بتن آسفالتی مترادف با همان آسفالت معمولی خیابان است اما این بتن از مقاومت فشاری و دوام بیشتری برخوردار است.
منابع:
https://www.qasimshinwari.com/
https://www.sciencedirect.com/