طرح مخلوط های آسفالتی گرم (HMA)

طرح مخلوط های آسفالتی با دانه بندی پیوسته

 مقدمه

 مخلوط آسفالتی گرم

مخلوط آسفالتی گرم (HMA: Hot Mix Asphalt) از ترکیب یکنواخت مخلوط مصالح سنگی با یک عامل پیوند دهنده قیری تشکیل می یابد. از آنجایی که به منظور خشک کردن مصالح سنگی و دستیابی به روانی مطلوب قیر در جهت اختلاط مناسب با مصالح سنگی و نیز ایجاد کارایی لازم، هم سنگدانه ها و هم قیر لازم است قبل از اختلاط با یکدیگر حرارت دیده و گرم شوند، لذا مخلوط حاصل را مخلوط آسفالتی گرم می نامند. صرف نظر از مراحل و پروسه طراحی ، طرح اختلاط مخلوط آسفالتی گرم)که در ادامه مبحث به اختصار از آن به عنوان مخلوط HMA نام برده می شود) در ۳ گام زیر خلاصه می شود:

۱) انتخاب نوع مصالح سنگی و دانه بندی آنها
۲) انتخاب نوع و درجه قیر به عنوان عامل پیوند دهنده
۳) تعیین مقدار قیر مورد نیاز جهت برآورده کردن الزامات خاص یک پروژه

دسته بندی مخلوط های آسفالتی گرم

مخلوط های آسفالتی HMA  را می‌توان از ترکیب های متنوع مصالح سنگی تهیه کرد به طوری که هر یک دارای ویژگی های منحصر به فردی در یک پروژه خاص باشند.

مخلوط آسفالتی گرم با دانه بندی پیوسته

بتن آسفالتی(Asphalt Concrete) یا مخلوط آسفالتی گرم با دانه بندی پیوسته(Dense-graded HMA) چنان طراحی می شود که دارای حجم بزرگی از فضای خالی پر شده با هوا باشد تا آب بتواند به راحتی از میان لایه آسفالتی زهکشی شود. این نوع مخلوط HMA با عنوان لایه آسفالتی اصطکاکی با دانه بندی باز به منظور ایجاد یک رویه سطحی با مقاومت اصطکاکی لازم و یا یک لایه اساس زهکش زیر روسازی آسفالتی HMA متراکم و یا دال های بتنی مورد استفاده قرار می گیرد.

 آسفالت ماتریسی سنگدانه‌ای

آسفالت ماتریسی سنگدانه‌ای (Stone Matrix Asphalt) نوعی مخلوط آسفالتی گرم است که از درصد بالایی از مصالح سنگی درشت دانه (حدودا ۷۰ الی ۸۰ درصد وزنی) ، مقادیر بالای قیر (بیش از ۶درصد وزنی)و درصد های بالایی از فیلر (تقریباً ۱۰ درصد وزنی) تشکیل می یابد. در این نوع آسفالت ، سنگدانه ها از تماس بسیار مناسبی با هم برخوردارند که در نتیجه این نوع آسفالت در برابر آسیب هایی همچون گود افتادگی مسیر چرخ ها به شدت مقاوم است.

توسعه روشهای طراحی آسفالت HMA

روسازی آسفالتی متشکل از مخلوط های HMA از دهه ۱۸۶۰ در آمریکا اجرا گردیده اند. اولین روش طرح اختلاط این نوع آسفالت توسط کلیفورد ریچاردسون (Clifford Richardson) توسعه یافت. او در این راه، اهمیت انتخاب نوع مصالح، خصوصاً خواص سنگدانه های ریز و نیز اهمیت فضای خالی و فضای خالی سنگدانه های معدنی را به درستی تشخیص داد. روش ابداعی وی در کتابی با عنوان “روسازی های آسفالتی مدرن“ در سال ۱۹۰۵ منتشر گشت. در این روش ، از آزمایش پت (Pat test) استفاده می شد. این آزمایش عبارت بود از متراکم کردن نمونه هایی از لایه های آسفالتی ورقه ای (مخلوط داغ قیر+ ماسه) بر روی یک کاغذ  مانیلای قهوه ای رنگ(Manila paper)  و ارزیابی چشمی لکه های باقی مانده. یک لکه پررنگ نشانگر بیش از اندازه بودن قیر در مخلوط و یک لکه کمرنگ نمایانگر کم بودن مقدار قیر مصرفی در آن بود نقطه اگر لکه شدت رنگ متوسطی داشت مقدار قیر مخلوط آسفالتی بهینه تشخیص داده می شد. پس از ریچاردسون، تحقیقات و پژوهش‌ها در این زمینه ادامه یافتند و روش های متنوعی برای طرح مخلوط های آسفالتی معرفی گردیدند که مهمترین روش ارائه شده در این زمینه تا قبل از جنگ جهانی دوم روش هوبارد- فیلد (Hubbard-Field method) بود که در اواسط دهه ۱۹۲۰ توسعه یافت. در این روش از یک آزمایش استقامت استفاده می شد که طی آن حداکثر بار قابل بکارگیری بر روی نمونه هایی از آسفالت به قطر ۵۰ میلی متر و ارتفاع ۲۵ میلی متر از آسفالت که از طریق یک اوریفیس فشرده میشد به دست می آمد.

 تاریخچه طرح مخلوط آسفالتی به روش مارشال

قبل از توسعه روش های طراحی روسازی های آسفالتی ممتاز در اوایل دهه ۱۹۹۰ غالب مخلوط های آسفالتی در ایالات متحده آمریکا به روش مارشال (Mmarshall) و یا ویم(Hveem) طراحی می گردیدند. طرح مارشال توسط شخصی به نام بروس مارشال (Bruce Mmarshall) شاغل در اداره راه های ایالات می سی سی پی در سال ۱۹۳۹ ابداع گردید. اداره مهندسی ارتش آمریکا از این روش در طرح روسازی فرودگاه ها در خلال جنگ جهانی دوم استفاده کرد. پس از جنگ جهانی دوم، بار اعمال شده از سوی چرخ های هواپیما ها و فشار تایر آنها به دلیل تحولات وسیع به وجود آمده در صنعت هوانوردی تغییر چشمگیری یافت و طرح مارشال نیز به تبع آن دچار تغییر و تحول گردید تا به امروز که بار اعمال شده توسط چرخ هواپیما حدوداً ۶۰ هزار پوند و فشار تایر آنها چیزی در حدود ۳۵۰Psi  برآورد میشود.

در اوایل دهه ۱۹۵۰، هزاران کیلومتر آزادراه و بزرگراه توسط اداره راه های ایالتی آمریکا در حال اجرا بود. این ادارات روش های توسعه داده شده توسط اداره مهندسی ارتش آمریکا اصلاح کرده و از آنها در طراحی مخلوط های آسفالتی HMA استفاده  می کردند. تا قبل از معرفی روسازی های آسفالتی ممتاز در اوایل دهه ۱۹۹۰، تقریباً در ۷۵ درصد بزرگراه ها و آزادراه های ایالات متحده از طرح مارشال در طراحی مخلوط های آسفالتی استفاده میشد.

تاریخچه طراحی مخلوط های آسفالتی به روش ویم

در دهه ۱۹۳۰ فرانسیس ویم(Francis Hveem)، مهندس بخش تحقیقات خط و مصالح اداری راه های کالیفرنیا ، روشی برای طرح مخلوط های آسفالتی ارائه داد که به طور گسترده ای در ایالات غربی آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.  وی روش تراکم مالشی(Kneading)را معرفی کرد تا بدین ترتیب مخلوط های متراکم شده در آزمایشگاه نمونه واقعی آن آسفالتی باشند که در عمل و به کمک غلتک های چرخ لاستیکی و چرخ فولادی کوبیده می شوند( در روش مذکور نمونه‌ای از مخلوط آسفالتی در داخل یک قالب فولادی در دستگاه  متراکم ساز خواص قرار گرفته و از طریق یک سری صفحات فولادی استقرار یافته بر روی آن و تحت حرکت یک غلتک فولادی بر روی این ورق ها تحت فشار قرار گرفته و به صورت یک دال نازک با ضخامت و تراکم معین در می آید که از آن در سایر آزمایشات برای تعیین خواص آسفالت استفاده میشود). علاوه بر معرفی این روش تراکمی ، وی تشخیص داد که منظور ارزیابی عملکرد یک مخلوط آسفالتی نیاز به یک آزمایش مکانیکی نیز می باشد. این نیاز منجر به ابداع تجهیزات اندازه گیری استحکام ویم(Hweem stabilometer) گردید که از آن به منظور ارزیابی مقاومتی HMAدر برابر نیروهای برشی اعمال شده از سوی بارهای ترافیکی استفاده می شود. پیش از معرفی روسازی های آسفالتی ممتاز در دهه ۱۹۹۰ ، از روش ویم به شکلی گسترده در ایالات غربی آمریکا استفاده می شد.

طرح مخلوط های آسفالتی ممتاز

از سال ۱۹۸۸ ۱۹۹۳ برنامه تحقیقات استراتژیک آزادراه ها با بودجه ۱۵۰ میلیون دلار و با حمایت مالی اداره راه های فدرال آمریکا و توسط واحد تحقیقات اداره حمل و نقل اجرا گردید. هدف از این برنامه تحقیقاتی  ، گسترش تکنولوژی طراحی و ساخت آزادراه ها بود تا به کمک آن ، همگام  با افزایش میزان ترافیک در آزادراه های ملی و بین  ایالتی طرح توسعه آزادراه‌ها نیز با جدیت دنبال گردد. تقریباً حدود ۵۰ میلیون دلار از این بودجه تحقیقاتی صرف امر تحقیق در مورد روسازی های آسفالتی گردید. نتیجه این تحقیقات ، توسعه یک روش جدید برای طراحی مخلوط های آسفالتی بود که به نام طرح مخلوط آسفالتی ممتاز(Superpave) معروف شد. به کمک این روش ، ابزار جدیدی برای طراحی مخلوط های آسفالتی HMA در دسترس قرار گرفت. اولین پروژه احداث شده بود بدین روش اوایل دهه ۱۹۹۰ افتتاح شد و نتیجه آن استاندارد شدن این روش طراحی در ایالات متحده و کانادا بود.  این روش هنوز به طور کامل توسط اداره توسعه فرودگاه‌ها به کار گرفته نشده است ولی از سال ۲۰۰۷ تحقیقاتی توسط این اداره در دست انجام است تا از آن در طراحی فرودگاه ها نیز استفاده شود.

ویژگی های مورد نظر در طراحی مخلوط های آسفالتی

روسازی های ساخته شده با مخلوط های آسفالتی گرم دارای عملکرد قابل قبولی هستند چرا که طراحی ، تولید و اجرای آنها جهت دسترسی به یک سری خصوصیات و ویژگی های مطلوب صورت میگیرد.
این ویژگی ها عبارتند از:
– از مقاومت در برابر تغییر شکل های دائمی
– مقاومت در برابر خستگی
– ترک خوردگی در درجه حرارت های پایین
– مقاومت در برابر رطوبت
– دوام
– مقاومت در برابر لغزندگی
– کارایی

هدف نهایی از طراحی یک مخلوط آسفالتی انتخاب میزان مناسب قیر مصرفی است به نحوی که بین کلیه خواص مطلوب تعادل برقرار گردد. با این حال قابل ذکر است که صرفاً با انتخاب یک مقدار بیر واحد نمیتوان به حد بالای کلیه این ویژگی ها دست یافت. لذا میزان قیر مصرفی بر اساس بهینه سازی ویژگی های مطلوب برای یک پروژه معین صورت می پذیرد.

مقاومت در برابر تغییر شکل های دائمی

تغییر شکل های دائمی(Permanent deformation)ناشی از تمرکز کرنش های غیر قابل بازگشت حاصل از بارهای متناوب اعمال شده بر روسازی های آسفالتی می باشند. مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی به کمک طراحی و ساخت آن دسته از مخلوط های HMA صورت می گیردکه تحت بارهای ترافیکی دچار تغییر شکل و تحت این بارها شکل و همواری خود را حفظ نمایند. اگر پوشش آسفالتی از استحکام کافی برخوردار نباشد دچار تغییر شکل و گود افتادگی مسیر چرخ های وسایل نقلیه شده و سطح آن موج دار می گردد.
مقاومت آسفالت در برابر تغییر شکل های دائمی از دو عامل نشأت می گیرد ، اصطکاک داخلی ایجاد شده به کمک سنگدانه ها و چسبندگی پدید آمده ناشی از قیر مصرفی. اصطکاک داخلی بین سنگدانه ها وابسته به شکل و بافت سطحی سنگدانه های ریز و درشت به کار رفته در مخلوط آسفالتی و ویژگی های دانه بندی مصالح سنگی است. چسبندگی نیز ناشی از قابلیت چسبندگی و سختی قیر مصرفی است. اصطکاک داخلی مطلوب بین سنگدانه ها و چسبندگی مناسب قیر مصرفی سبب می شود که سنگدانه ها در اثر بارهای ترافیکی اعمال شده جابجا نگردند. معمولاً، استفاده از سنگدانه های تیز گوشه با درصد شکستگی بالاتر و با بافت سطحی زبر تر می تواند استحکام مخلوط آسفالتی را افزایش دهد. نیروی چسبندگی غیر مصرفی با افزایش نرخ بارهای وارده افزایش می یابد. همچنین با بالارفتن سختی قیر مصرفی و نیز کاهش دمای محیط ، بر قدرت چسبندگی قیر افزوده می شود.

مقاومت در برابر خستگی

مقاومت در برابر خستگی(Fatigue resistance) به مقاومت روسازی آسفالتی در برابر لنگر های خمشی  متواتر ایجاد شده ناشی از عبور چرخهای وسایل نقلیه( بارهای ترافیکی) اطلاق می شود.شکستن آشی از خستگی عامل وقوع ترک خوردگی در آسفالت است که اغلب به ترک های پوست سوسماری(Alligator cracking) معروفند. این نوع ترک ها هنگامی در روسازی آسفالتی پدید می آیند که تنش های ایجاد شده در آسفالت در نتیجه عبور بارهای ترافیکی متناوب به حد نهایی خود برسند. فضای خالی و سختی غیر مورد استفاده در مخلوط آسفالتی تاثیر قابل توجهی بر مقاومت آن در برابر خستگی دارند. با افزایش درصد فضای خالی در آسفالت( چه در طراحی منظور شده باشند و یا در اثر تراکم نامناسب آسفالت رخ داده باشند) ، به شدت از مقاومت در برابر خستگی آسفالت کاسته می شود.  به همین شکل ، آسفالت های حاوی  قیر های کهنهو سخت شده مقاومت کمتری در برابر خستگی دارند. تحقیقات نشان داده اند که استفاده از قیرهای اسم شده پلیمری می‌تواند مقاومت مخلوط HMA را در برابر خستگی بالا ببرد.
همچنین ضخامت و خواص مقاومتی لایه آسفالتی و نوع زیرسازی آن نقش مهمی در تعیین عمر مفید روسازی آسفالتی و جلوگیری از خستگی و ترک خوردگی ناشی از عبور ترافیک از روی آن دارند. به عبارت دیگر ، لایه های ضخیم آسفالتی که بر روی بستر ای با ظرفیت باربری مناسب اجرا شده باشند همانند لایه های نازک آسفالتی واقع بر روی بستری ضعیف و نامناسب دچار خمش نمی شوند و بدین ترتیب به لحاظ خستگی این نوع پوشش های آسفالتی عمر مفید بیشتری دارند. ترکهای ناشی از خستگی عمدتاً از بخش تحتانی لایحه آسفالتی آغاز شده و به سمت رویه آن حرکت می کنند که این امر ناشی از وقوع تنش های کششی در بخش تحتانی لایه آسفالتی HMA است. در سال های اخیر ، در برخی از لایه های آسفالتی مشاهده شده که این نوع ترک ها در بالای سطح لایه آسفالتی تشکیل شده و به سمت پایین حرکت می کنند. این امر ناشی از پیدایش تنش های بالای کششی در سطح لایه آسفالتی است. با تحقیقات انجام شده مشخص گردیده که در لایه های آسفالتی نازک ترک های ناشی از خستگی در کف لایه تشکیل شده و به سمت بالا حرکت می کنند حال آنکه در لایه های آسفالتی ضخیم عکس این مورد رخ می دهد.

ترک خوردگی ناشی از دمای پایین

ترک خوردگی ناشی از پایین بودن دما (Low-temperature cracking) معمولاً هنگامی رخ می‌دهند که دما در سطح آسفالت آنچنان افت نماید که تنش های حرارتی در لایه آسفالتی HMA  به وجود آمده و این تنش ها از مقاومت کششی مخلوط آسفالتی فراتر روند. نتیجه این امر وقوع ترک‌هایی عرضی است که عمود بر محور راه گسترش یافته و در فواصل تقریباً مساوی از یکدیگر ایجاد میشوند. این ترک ها ابتدا بر سطح آسفالت تشکیل شده سپس به عمق آن نفوذ می‌کنند. میزان افت دما و تناوب آن ونیز  سختی قیر مصرفی ، از جمله عواملی هستند که بر این نوع ترک خوردگی در آسفالت به طور قابل توجهی تاثیر می گذارند. ترک های ناشی از پایین رفتن دمای ممکن است در نتیجه افت شدید دما به صورت به یکباره و یا سیکل های متناوب به افت دما( که به صورت شکست ناشی از خستگی در این حالات رخ می نمایند) به وجود آیند. عموما راه برخورد با این نوع ترک ها ، انتخاب قیر مناسب با توجه به شرایط آب و هوایی منطقه است. همچنین استفاده از مصالح سنگی با قابلیت جذب آب بالا می تواند این نوع ترک خوردگی را شدت بخشد.

مقاومت در برابر رطوبت

یکی از مشکلات اساسی مربوط به دوام مخلوط های آسفالتی ، آسیب های وارده به آنها در اثر رطوبت است( که عمدتاً با اصطلاح عریان شدگی Stripping از آن یاد می شود). عریان شدگی ناشی از نفوذ رطوبت یا بخار آب به این لایه قیر و سنگدانه هاست که بدین ترتیب پیوند بین قیر و مصالح سنگی از بین رفته و قیر از مصالح جدا می شود. این نوع آسیب دیدگی طی دو مرحله ای در آسفالت رخ می دهد:
۱)  شکست ناشی از جریان شدگی
۲)  شکست ناشی از عبور و مرور وسایل نقلیه
اگر عریان شدگی در روسازی آسفالتی شدید باشد ، در نتیجه عبور و مرور بارهای ترافیکی تغییر شکل های قابل توجه و ترک خوردگی ناشی از خستگی در آسفالت قابل انتظار است. شکست لایه آسفالتی تحت بارهای ترافیکی عمدتاً طی چند مرحله رخ می دهد. در اولین مرحله ، سطح آسفالت دچار لک شدگی می گردد. سپس به دنبال یک شکست موضعی ، چاله هایی در سطح آسفالت ایجاد شده و یا روسازی دچار پدیده گود افتادگی مسیر چرخ ها میشود.

عواملی که بر آسیب دیدگی آسفالت ناشی از حضور رطوبت تاثیر می گذارند عبارتند از:

۱)  ویژگی های عناصر تشکیل دهنده آسفالت HMA ( سنگ دانه ها ،خواص مخلوط آسفالتی از قبیل میزان فضای خالی ، فضای خالی مصالح سنگی معدنی ، شدت ترافیک عبوری).
۲)  تاثیرات محیطی قبل، حین و پس از اجرای آسفالت
۳)  نحوه زهکشی روسازی آسفالتی
۴)  حجم ترافیک عبوری از روسازی خصوصاً تردد کامیون ها و ماشین آلات سنگین.

دوام روسازی آسفالتی

دوام (Durability) یک روسازی آسفالتی به قابلیت مقاومت آن در برابر عواملی همچون گذر زمان، تجزیه سنگدانه ها و جدا شدگی لایه قیر از مصالح سنگی اطلاق می شود. عوامل موثر بر دوام یک لایه آسفالتی شرایط آب و هوایی منطقه و میزان ترافیک عبوری از روی آن می باشند.
عموماً دوام یک مخلوط آسفالتی به یکی از سه روش زیر بهبود می یابد:

۱)  طراحی مخلوط آسفالت با استفاده از سنگدانه های مقاوم در برابر رطوبت و با دانه بندی پیوسته
۲)  به حداکثر رساندن ضخامت پوشش قیری روی سنگدانه ها
۳)  تراکم آسفالت در محل به نحوی که حداکثر فضای خالی آن بالغ به ۸ درصد گردد.

ضخامت پوشش قیری بر روی سنگ دانه ها وابسته و مقدار و درجه قیر مصرفی در آسفالت است. پوشش های ضخیم تر قیری به سرعت لایه های نازکتر دچار زوال ناشی  از مرور زمان و سخت شدگی نمی‌گردند. همچنین افزایش ضخامت پوشش قیری موجب می شود که فضای خالی متصل به هم کاملاً آب بند شده و دیگر آبی هوایی به داخل آنها نفوذ ننماید. لازم به ذکر است که همواره وجود یک حداقل فضای خالی پر شده از هوا در آسفالت لازم است تا در فصول گرم سال و نیز تحت ترافیک عبوری ، آسفالت از قابلیت انبساط لازم برخوردار باشد.
همچنین ترکیب از سنگدانه های با استحکام بالا مقاوم در برابر رطوبت ، سالم و با دانه بندی پیوسته نیز در دوام یک پوشش آسفالتی نقش بسزایی دارد. در این حالت فاصله بین سنگدانه ها کاهش یافته و  بر نفوذ ناپذیری مخلوط افزوده می شود ضمن اینکه در این حالت مصالح سنگی به کار رفته تحت بارهای ترافیکی وارده بر سطح روسازی آسفالتی ، تمایل کمتری به جداشدگی از یکدیگر دارند.

مقاومت در برابر لغزندگی

مقاومت در برابر لغزندگی (Skid resistance)  عبارت است ازقابلیت یک روسازی آسفالتی در به حداقل رسانیدن لرزش یا سر خوردن تایر وسایل نقلیه به روی آن خصوصاً در حالتی که سطح جاده خیس باشد. به منظور دستیابی به یک مقاومت لغزندگی مناسب ، شیارها و زوجه تایرهای وسایل نقلیه باید مستقیماً با سنگدانه های موجود در آسفالت تماس یابد. مقاومت روسازی های آسفالتی در برابر لغزندگی عموماً با وسایل نقلیه استانداردی که دارای لاستیک هایی با آج استاندارد بوده و با سرعت ۶۵ کیلومتر بر ساعت بر روی سطحی آسفالتی با میزان خیس شدگی کنترل شده حرکت می‌کنند ، تعیین می شود.
یک روسازی آسفالتی با سطح زبر دارای مقاومت در برابر لغزندگی به مراتب بیشتری نسبت به یک سطح هموار و صاف است.  بهترین مقاومت در برابر لغزندگی برای یک روسازی از ساعتی هنگامی به دست می‌آید که در آن از سنگدانه هایی با بافت سطحی زبر و با دانه بندی باز استفاده شود و اندازه حداکثر دانه های مصالح سنگی حدوداً ۹.۵ تا ۱۲.۵ میلی متر باشد. سنگدانه ها علاوه بر اینکه باید دارای بافتی زبر باشند ، باید از مقاومت لازم در برابر صیقلی شدن(Polishing) نیز برخوردار باشند. در این رابطه سنگدانه های آهکی به مراتب راحت تر از سنگدانه های سیلیسی صیقلی می گردند. آن دسته از مخلوط های آسفالتی که ناپایدار بوده و تمایل به بیرون زدگی قیر(Bleeding) از آنها بالاست، بشدت در رابطه با لغزندگی خطرناک هستند.

کارایی

کارایی(Workability) سهولت در ریختن و متراکم کردن مخلوط آسفالتی اطلاق می شود. به عبارت دیگر هر چه کارایی مخلوط آسفالتی بیشتر باشد، ریختن آن با سهولت بیشتری انجام شده و راحت تر متراکم می گردد. با تغییر پارامترهای طراحی، منبع تامین سنگدانه ها و یا تغییر دانه بندی آنها می توان کارایی مخلوط را افزایش داد.
مخلوط های آسفالتی درشت دانه – حاوی درصد بالایی از مصالح سنگی  درشت- تمایل زیادی به جداشدگی(Segregation) در حین حمل و نقل داشته و متراکم نمودن آنها دشوار است. به منظور افزایش کارآیی یک مخلوط آسفالتی، میتوان دانه بندی مصالح سنگی را با افزودن مقادیر بیشتری ریزدانه اصلاح کرد، منبع تامین سنگدانه ها را عوض کرد، از دانه های شکسته ریز کمتری استفاده کرد و یا میزان قیر مصرفی در مخلوط را افزایش داد. شایان ذکر است که اصلاحات لازم در این جهت باید به نحوی صورت پذیرند که مقاومت آسفالت در برابر گود افتادگی مسیر چرخ ها قربانی افزایش کارایی نشود و همواره بین این دو ویژگی مهم تعادل برقرار باشد. بسیاری از مخلوط های آسفالتی پرمقاومت درشت دانه بوده و متراکم کردن آنها دشوار است. همچنین افزایش مقدار فیلر مصرفی نیز می تواند موجب بالا رفتن کارایی مخلوط کرد اگرچه این امر می تواند چسبندگی مخلوط و صعوبت تراکم آن را به دنبال داشته باشد.
کارایی مطلوب یک مخلوط آسفالتی مخصوصاً هنگامی اهمیت می یابد که در نظر باشد آسفالت به صورت دستی ریخته شود ، نیاز به درزگیری و پر کردن درز اطراف درپوش های منهول های میان جاده ای باشد و یا در نظر باشد و پخش آسفالت در قوس های تند صورت پذیرد.
آن دسته از مخلوط های آسفالتی که دارای کارایی بسیار بالایی بوده و  پخش آنها به کمک بیل بسیار راحت است و به مخلوط های آسفالتی حساس(Tender mixes) شهرت دارند.این نوع مخلوط ها علیرغم کارایی بالا بسیار ناپایدارند( به لحاظ پخش و قوام لازم) و تراکم مناسب آنها نیز دشوار است. عوامل تشکیل چنین مخلوط هایی عبارتند از:
 ۱)  کمبود فیلر معدنی در مخلوط
 ۲)  وجود درصد بالای ماسه با اندازه دانه های متوسط
 ۳)  گرد گوش بودن و بافت سطحی هموار سنگدانه ها
 ۴)  وجود رطوبت بالا در مخلوط
قیر مصرفی در آسفالت نیز در کارایی آن نقش دارد اگرچه این نقش در مسائل مربوط به کارایی چندان پررنگ نیست. به لحاظ اینکه دمای مخلوط آسفالتی بر گرانروی یا لزجت (Viscosity) قیر موثر است، دمای بسیار پایین کارایی مخلوط آسفالتی را پایین آورده و دمای بسیار بالا آن را نرم می سازد. همچنین درجه و نوع قیر مصرفی و میزان مصرف آن نیز می‌تواند در کارایی مخلوط آسفالتی نقش ایفا کند.

رفتار مخلوط آسفالتی گرم

هنگامی که در آزمایشگاه نمونه ای از مخلوط آسفالتی گرم آماده میشود، میتوان آن را تحت آزمایشات مختلف قرار داد تا عملکرد آن به عنوان یک لایه روسازی سازهای مورد تحلیل قرار گیرد. این تحلیل بر ۵ ویژگی مخلوط آسفالتی متمرکز می گردد:
۱)  دانسیته مخلوط
۲)  فضای خالی پر شده با هوا
۳)  فضای خالی سنگدانه های معدنی
۴)  حفره های پر شده با قیر
۵)  میزان قیر مصرفی

دانسیته مخلوط

  دانسیته(Density) مخلوط آسفالتی متراکم شده برابر است باوزن حجمی یا وزن مخلوط آن. اگر وزن مخصوص آسفالت پایین باشد ، این امر دلالت بر استفاده از سنگدانه های نامرغوب در آسفالت دارد که می تواند منجر به وقوع مشکلات بعدی در عملکرد آن گردد. در آزمایشات طرح مخلوط های آسفالتی، دانسیته نمونه ها بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب بیان می شود. این عدد از حاصلضرب وزن مخصوص مخلوط در چگالی آب ( آب برابر با یک گرم بر سانتی متر مکعب) به دست می آید. وزن مخصوص و چگالی تئوریک که هردو در آزمایشگاه تعیین می گردند به عنوان استانداردهای جهت کنترل سطح تراکم روسازی های آسفالتی اجرا شده مورد استفاده قرار می گیرند.

فضای پر شده با هوا

فضای پر شده با هوا (Air-voids) فضاهای کوچک پر شده از هوای هستند که بین سنگدانه های پوشش یافته با قیر در مخلوط HMA متراکم شده وجود دارد. در لایه آسفالت HMA وجود درصد معینی از فضای پر شده با هوا لازم است تا امکان تراکمی محدود برای آسفالت تحت بارهای ترافیکی عبوری وجود داشته و به هنگام بالا رفتن درجه حرارت محیط نیز قیر به کار رفته از قابلیت انبساط برخوردار باشد. در عمل حداکثر درصد فضای خالی در داخل مخلوط HMA برابر با ۴ درصد در نظر گرفته می شود. برای مصارف ویژه ،ممکن است تست درصد هوای موجود در آسفالت پایینتر منظور گردد. اما به طور کلی حجم فضای خالی به منظور دستیابی به یک تراکم مناسب 3 تا 8 درصد منظور می شود.
همچنین دوام آسفالت نیز تابعی از میزان هوای موجود در آن است. هرگاه میزان فضای خالی کمتر باشد نفوذ پذیری مخلوط پایین‌تر می‌آید. کم بودن میزان فضای موجود در آسفالت نیز موجب بیرون زدگی قیر از آسفالت می گردد.
شایان ذکر است ست که دانسیته و میزان هوای موجود در آسفالت با یکدیگر مرتبط هستند هرچه دانسیته مخلوط بیشتر باشد میزان هوای موجود در آسفالت کمتر است و بالعکس.

توجه: به جهت ساده سازی، حجم قیر جذب شده نمایش داده نشده است.

فضای خالی مصالح سنگی معدنی

فضای خالی موجود در مصالح سنگی معدنی یا تخلخل آنها(VMA:Voids in Mineral Aggregates) فضاهای خالی هستند که بین سنگدانه ها در یک مخلوط آسفالتی متراکم وجود دارد. این فضای خالی شامل حفرات پر شده با هوا و قیر می گردند. فضای خالی موجود در سنگدانه های معدنی( شکل 4-2) که از آن به عنوان VMA نام برده می شود ، یک معیار حجمی است که بر حسب درصد از کل حجم مخلوط آسفالت متراکم شده سنجیده می شود.( البته قیری که جذب سنگدانه ها نشده است)ونیز هوای مورد نیاز در آسفالت است. هرچه این فضای خالی بیشتر باشد ، فضای بیشتری برای حضور قیر مهیاست. از آنجایی که دوام یک مخلوط آسفالتی با افزایش ضخامت لایه قیر پوششی بر روی سنگ دانه ها بالا می رود ، بدین ترتیب یک حداقل مورد نیاز برای VMA در مخلوط های آسفالتی در آیین نامه های مختلف توزیع شده که حجم آن تابعی از اندازه سنگدانه ها می باشد.
به عبارت دیگر به منظور دستیابی به آسفالتی بادوام مطلوب ، یک حداقل میزان VMA در مخلوط مورد نیاز است. در مخلوط های آسفالتی HMA چه میزان فضای خالی مخلوط کمتر از حد توصیه شده توسط استانداردها باشد ، دوام مخلوط پایین است. بنابراین کم کردن میزان فضای خالی آسفالت به منظور اقتصادی ترک کردن مصرف قیر ، تاثیر مخرب و نامطلوبی بر کیفیت آسفالت خواهد داشت.

فضای پر شده با قیر

فضای پر شده با قیر(VFA:Void Filled Asphalt) بخشی از فضای خالی(VMA) میان سنگدانه های به کار رفته در مخلوط آسفالتی از که حاوی قیر می باشد.
وجود این فضای خالی در آسفالت این اطمینان را حاصل می سازند که مخلوط آسفالتی از مقدار قیر لازم برخوردار خواهد بود.اگر VFA بسیار بالا باشد مخلوط از دوام پایینی برخوردار خواهد بود. میزان قابل قبول فضای پر شده با قیر وابسته به ترافیک قابل انتظار عبوری از روی روسازی آسفالتی است. هرچه ترافیک عبوری سنگین تر باشد نیاز به VFA پایین تری است چرا که در این حالت مقاومت و استحکام آسفالت از درجه اهمیت بالاتری برخوردار است. است اما اگر ترافیک قابل انتظار عبوری از روی روسازی آسفالتی پایین باشد لازم است درصد VFA بالاتر در نظر گرفته شود تا دوام آسفالت افزایش یابد. قابل ذکر است که با افزایش بیش از حد VFA ، مخلوط حالتی خمیری به خود میگیرد. 

میزان قیر مصرفی

میزان قیر مصرفی در یک مخلوط آسفالتی از اهمیت بالایی برخوردار است. این میزان مصرف باید به درستی در آزمایشگاه تعیین شده و در اجرا نیز به دقت رعایت گردد. میزان قیر مصرفی در یک مخلوط آسفالتی ویژه با استفاده از معیارهای طراحی خاص صورت می پذیرد.
میزان مصرف بهینه قیر در یک مخلوط آسفالتی به شدت وابسته به خاص مصالح سنگی مصرفی از جمله دانه بندی و قابلیت جذب سنگدانه ها است که در این میان دانه بندی سنگدانه ها و میزان بهینه قیر مصرفی رابطه‌ی مستقیم با یکدیگر دارند. هرچه دانه بندی مصالح سنگی ریزتر باشد ، مساحت سطح کل مصالح سنگی افزایش یافته و به تبع آن مصرف قیر جهت اندود کردن یکنواخت ذرات بالا می رود. برعکس هرچه مخلوط مصالح سنگی درشت دانه تر باشد ، مساحت سنگدانه ها پایین آمده و از مصرف قیر در مخلوط آسفالتی کاسته خواهد شد.
طه بین مساحت سنگدانه ها و مصرف بهینه قیر هنگامی بحرانی‌تر می‌شود که از فیلر های معدنی حاوی درصد های بالایی از مصالح عبوری از الک نمره ۲۰۰ در مخلوط آسفالتی استفاده شود.  تغییر میزان مصرف و اندازه دانه های فیلر معدنی در حضور یک میزان ثابت مصرف قیر نیز سبب می‌شود تا تغییراتی در خواص مخلوط آسفالتی پدیدار شود و مخلوطی بسیار پر قیر یا بسیار کم قیر حاصل شود افزایش جزئی میزان فیلر مصرفی موجب می گردد که مخلوط کم قیر شده و حالتی خشک و ناپایدار پیدا کند ضمن اینکه کاهش مصرف جزئی قیر نیز نتیجه معکوس دارد.
استفاده از مقادیر اضافی فیلر های بسیار ریز دانه( با اندازه ریز تر از ۲۰ میکرومتر) موجب دستیابی به مخلوطی بسیار پر قیر میشود.
هرگاه یک مخلوط آسفالتی حاوی مقادیر بسیار بالا یا بسیار پایین فیلر معدنی باشد ، تنظیم مقدار نور مصرفی به دلخواه می تواند موجب نامطلوب تر شدن وضعیت مخلوط گردد. در این رابطه لازم است با نمونه گیری و انجام آزمایشات مناسب علت تغییرات در مخلوط مشخص شده و در صورت نیاز اصلاحاتی در طرح مخلوط به عمل آید. قابلیت جذب سنگدانه ها تاثیر مهمی بر میزان بهینه مصرف قیر در آسفالت دارد چرا که مصرف قیر در آسفالت باید به اندازه ای باشد که این جذب ، لایه ای نازک از اندود قیری بر سطح سنگدانه ها نیز تشکیل شود.
در تکنولوژی ساخت آسفالت از دو اصطلاح برای بیان میزان قیر مصرفی استفاده میشود:

1) میزان کل قیر مصرفی
2) میزان قیر موثر

میزان کل غیر مصرفی (Total Asphalt Content) عبارت است از کل قیری که باید به مخلوط افزوده شود تا کیفیت مطلوب و مورد نظر را در آسفالت ایجاد نماید. میزان قیر موثر (Effective Asphalt Content) بخشی از کل حجم قیر مصرفی است که توسط سنگدانه ها جذب نشده و به صورت اندودی قیر بر روی سطح سنگدانه ها ظاهر می شود. میزان قیر موثر در یک مخلوط آسفالتی از تفریق میزان قیر جذب شده توسط سنگدانه‌ها ضربدر درصد مصالح سنگی مورد استفاده از کل قیر مصرفی در آسفالت به دست می آید.

هدف و کاربرد آزمایشات آسفالت

آزمایش های انجام شده بر روی یک مخلوط HMA  به ۳ شکل در تولید آسفالت با کیفیت مورد نیاز در احداث راه ها به کار می روند که عبارتند از آزمایشهای اولیه طرح ، آزمایش کنترل کیفیت مخلوط آسفالتی اجرایی و کنترل های معمول حین اجرا.

آزمایشات اولیه طرح مخلوط آسفالتی

هدف اصلی از انجام آزمایشات اولیه طرح یک مخلوط آسفالتی بررسی این موضوع است که آیا منابع مصالح سنگی موجود میتواند سنگدانه هایی را تامین نمایند که از کیفیت لازم جهت تولید یک مخلوط آسفالتی مطلوب هم به لحاظ دانه بندی و هم به لحاظ الزامات طرح مخلوط مطابق با استانداردهای طراحی و اجرایی برخوردار باشند. همچنین می بایست ثابت شود که قیر مصرفی نیز الزامات توصیه شده در استانداردها را برآورده ساخته و از قابلیت سازگاری با سنگدانه های موجود برخوردار است. بدین منظور می بایست نمونه های آزمایشی اولیه با دانه بندی نزدیک به حد میانی محدوده دانه بندی استاندارد سنگدانه ها ساخته شوند. هرگاه در نظر باشد تا از چندین معدن و منبع جهت تأمین مصالح سنگی استفاده شود ، به کمک این نمونه های آزمایشی می توان اقتصادی‌ترین ترکیب مخلوط مصالح سنگی را به دست آورد. از نتایج این آزمایشات بر روی طرح اولیه میتوان تخمینی از هزینه اجرای طرح به دست آورد. همچنین به کمک نتایج به دست آمده می توان دریافت که الزامات طراحی در چارچوب استانداردهای موجود در آورده می شوند یا خیر.
آزمایشات مربوط به اخذ تاییدیه منابع تامین مصالح مورد استفاده در مخلوط آسفالتی اغلب پس از ابلاغ قرارداد به پیمانکار و توسط وی در مورد مصالح سنگی و قیر مصرفی به انجام میرسند. این امر موجب می‌شود تا از تامین مصالح مناسب جهت ساخت مخلوط آسفالتی اطمینان حاصل شود و نیز به پیمانکار اجازه می‌دهد تا مصالح لازم را تامین و در کارگاه خود دپو نماید.

فرمول طرح مخلوط اجرایی

در طول روند طرح اختلاط آسفالت ، آزمایشات مختلفی صورت می پذیرند تا ویژگی های مناسب سنگدانه های مختلف جهت دستیابی به یک مخلوط آسفالتی منطبق با مشخصات فنی پروژه تعیین گردند. این آزمایشات در آزمایشگاه های مجهز به تجهیزات آزمایشگاه قیر و آسفالت صورت میگیرد. نتایج حاصل از این آزمایشات، ارائه فرمول طرح اختلاط آسفالت برای هر پروژه خاص است. در این فرمول ، دانه بندی مخلوط مصالح سنگی و میزان قیر لازم جهت یک مخلوط آسفالتی مشخص تعیین می گردند. همچنین حین تولید آسفالت در کارخانه ، برخی تغییرات در محصول قابل انتظارند. بدین ترتیب فرمول ارائه شده برای طرح مخلوط آسفالت اجرایی دربردارنده تلرانس ها و رواداری های مجازی استکه اجازه وقوع برخی تغییرات منطقی و قابل قبول در دانه بندی مصالح سنگی و میزان قیر مصرفی را می دهد.

آزمایشات کنترل کیفیت طرح مخلوط اجرایی

آزمایشات مربوط به کنترل کیفیت طرح مخلوط آسفالت در ابتدای خط تولید یک کارخانه آسفالت و در ارتباط با کالیبراسیون سیستم های مرکزی کارخانه و بر روی مخلوط‌های HMA تولیدی در کارخانه با مصالح سنگی موجود در پروژه صورت می پذیرند. این آزمایشات بدین دلیل انجام می‌شوند که ممکن است فرایند تولید آسفالت HMA در کارخانه موجب وقوع برخی تغییرات در خواص سنگدانه های مصرفی گردد ضمن اینکه این اطمینان را به دست می دهد که کارخانه تولید آسفالت به درستی کالیبره است. به کمک این آزمایشات می توان دریافت که آیا مخلوط آسفالتی تولیدی دقیقاً تحت فرمول طرح اختلاط تولید گردیده و همه مشخصات مورد نیاز در چهارچوب مشخصات فنی پروژه را دارا است یا خیر.

آزمایشات کنترل کیفیت حین اجرا

این نوع آزمایشات به صورت مستمر و در فواصل زمانی مختلف به منظور بررسی کیفیت آسفالت حین اجرا صورت می پذیرد. بدین منظور ، نمونه هایی از مخلوط HMA پخش شده بر سطح جاده اخذ و خواص آنها مورد آزمایش قرار می گیرد. نتایج این آزمایشات با نتایج حاصل از آزمایشات کنترل کیفیت بر روی طرح مخلوط اجرایی و نیز مشخصات فنی طرح مقایسه می گردند هرگاه اختلاف عمده ای بین نتایج این آزمایشات مشاهده شود ، لازم است اصلاحات لازم در روند تولید کارخانه آسفالت صورت پذیرند. اگرچه این نوع آزمایشات معمولاً به صورت روتین انجام می شوند ولی در انجام آنها نیاز به دقت بالایی است چرا که نتایج حاصل از این آزمایش ها است ست که مبنای تایید یا عدم پذیرش آسفالت اجرا شده می باشند.

آسفالت ایران

همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، آسفالت ایران منبع مهمی برای اطلاعات مفید در مورد طرح مخلوط های آسفالتی گرم (HMA) است. همچنین مطالب قبلی وبسایت در مورد قیر میتواند به شما کمک کند. امیدواریم این مقاله برای طرح مخلوط های آسفالتی گرم به شما در درک نحوه این آزمون و نحوه انتخاب تجهیزات آزمایش کمک کند. لطفاً برای سوالات یا راهنمایی و خرید تجهیزات آزمایشگاه بتن و تجهیزات آزمایشگاه خاک و تجهیزات آزمایشگاه قیر و آسفالت در برند و جنس های مختلف در مورد درخواست خود با کارشناسان مجموعه ما تماس بگیرید

منبع:کتاب MS-4