عوامل عریان شدن در روسازی آسفالتی

مقدمه

جدا شدن قیر از سطوح مصالح سنگی معدنی در حضور آب پدیده جدیدی در مهندسی بزرگراهها نمی‌باشد. این پدیده به دفعات از زمانی که روسازی‌های آسفالتی به وجود آمده، مشاهده گردیده است. تا اینکه اخیراً مهندسی با نتایج کاملاً عدم رضایت بخشی ناشی از عریان شدن که مقصر واقعی قیر با کیفیت ضعیف باشد مواجه گردیدند، اما ندرتاً آزمایشات انجام شده روی قیر از چنین نتیجه‌گیری حمایت نمودند. از آنجایی که عریان شدن به عنوان یک مشکل مشخص گردید، بسیاری مطالعات، صدها مقاله و بحث فنی برای حل آن اختصاص داده شد. هنوز عریان شدن در بسیاری از نواحی اتفاق می‌افتد. هدف این مقاله مشخص نمودن بعضی از عوامل عریان شدن و راههای پیشنهادی جهت کاهش بروز آن می‌باشد. گرچه عریان شدن در همه انواع روسازی‌های آسفالتی ممکن است اتفاق بیفتد، بعضی از اصول بحث شده فقط برای مخلوطهای آسفالتی گرم کاربرد دارند.

با بیان ساده عریان شدن، شکست پیوند چسبندگی بین سطح مصالح سنگی و قیر می‌باشد. معمولاً عریان شدن از زیر لایه آسفالتی شروع می‌شود و به سمت بالا حرکت می‌کند تا ساختمان روسازی ضعیف شود. زیرا با ترافیک ترکها ظاهر می‌شوند و در مراحل پیشرفته روسازی شروع به خرد شدن می‌کند و عامل اصلی آن آب است.

مکانیزم عمل به این ترتیب است که آب بین لایه نازک قیر و سطح مصالح سنگی دست می‌یابد و از آنجایی که سطح مصالح سنگی جاذبه بیشتری نسبت به آب دارند تا به قیر، پیوند چسبندگی شکسته می‌شود.

اتصال قیر و سنگدانه‌ها با نیروی جاذبه بین مولکولهای غیرمشابه که آنها را محکم به هم می‌چسباند حاصل می‌شود. چسبیدن یک ماده به ماده دیگر پدیده‌ای سطحی است. چسبندگی به تماس نزدیک دو ماده و جاذبه دو طرفه سطوح آن بستگی دارد.

چندین تئوری چسبندگی برای تشریح پیوند یا عدم پیوند قیر به کانیهای مصالح سنگی پیشنهاد شده است. براساس عمومی‌ترین تئوری پذیرفته شده، چسبندگی انرژی آزاد روی سطح سنگ که انرژی آزاد روی سطح مایع (قیر یا آب) را جذب می‌کند، به وجود می‌آید. این انرژی آزاد همچنین کشش سطحی نامیده می‌شود. برای امکان نزدیکترین تماس بین قیر و سطح مصالح سنگی، قیر باید توسط گرم شدن، امولسیون نمودن یا مخلوط شدن با حلالهای نفتی به صورت مایع درآید. توانایی قیر مایع شده به ایجاد تماس نزدیک با سطوح مصالح سنگی، قدرت پوشش مصالح نامیده می‌شود. قدرت پوشش قیر به مقدار زیادی با ویسکوزیته آن کنترل می‌شود. اگر همه شرایط یکسان باشد، ویسکوزیته کمتر، قدرت پوشش بالاتر را به همراه دارد. توانایی مصالح سنگی برای تماس کامل با یک مایع، توانایی پوشش شدن نامیده می‌شود.

قیر عملاً جاذبه‌ای برای آب ندارد، از طرف دیگر، بیشتر مصالح جاذبه هم به قیر و هم به آب را دارند. بنابراین اگر یک لایه نازک آب روی سطح مصالح باشد، قیر ممکن است به راحتی ذرات مصالح را بپوشاند، اما به سطح آن نخواهد چسبید، مگر اینکه قیر جانشین لایه نازک آب شود.

قیر همچنین ممکن است ذرات سنگ پوشیده با غبار را بدون چسبیدن به آنها بپوشاند. لایه غبار از تماس قیر با سطح سنگ جلوگیری می‌کند. حتی اگر مصالح سنگی خشک باشند، ذرات غبار ممکن است حفره‌های ریزی در لایه نازک قیر ایجاد نمایند که اجازه می‌دهد آب از آنها بگذرد.

در مورد قیرهای امولسیونی باید اذعان داشت که هر دو نوع قیرهای امولسیونی آنیونیک و کاتیونیک می‌توانند خصوصیات چسبدگی و عمل آوری داشته باشند (با توجه به نوع مصالح). تجربه نشان داده است که امولسیونهای آنیونیک (با بار منفی روی ذرات قیر) بیشتر مناسب استفاده با مصالح سنگی که بارهای سطحی مثبت دارند می‌باشند. بالعکس امولسیونهای کاتیونیک (با بار مثبت روی ذرات قیر) بیشتر مناسب مصالح سنگی که دارای بارهای سطحی منفی هستند می‌باشد. در کاربرد قیرها امولسیونی آنیونیک یا کاتیونیک، ته نشست اولیه ذرات قیر یک واکنش الکتروشیمیایی است، اما پیوند اصلی مقاومت بین لایه نازک قیر و مصالح سنگی بعد از، تبخیر آب امولسیون و آبی که ممکن است روی سطح مصالح سنگی باشد، ایجاد می‌گردد. همچنین بافت سطحی مصالح، پوکی و خصوصیات جذب آنها روی چسبندگی قیر به مصالح سنگی اثر می‌گذارند. مصالح سنگی با سطح صاف به خوبی مصالح سنگی با سطح خشن، لایه نازک قیر را نگه نخواهند داشت. ذرات متخلخل که قیر را جذب می‌کنند بهتر از مصالح سنگی با سطح صاف لایه نازک قیر را نگه خواهند داشت. مصالح سنگی متخلخل قیر بیشتری نسبت به مصالح غیرمتخلخل نیاز دارند.

انواع عریان شدن

عریان شدن زمانی که پیوند بین قیر و مصالح سنگی با آب شکسته شود، اتفاق می‌افتد. به علت کامل خشک نشدن، آب ممکن است روی سطح مصالح یا داخل خلل و فرج سنگدانه‌ها باشد یا ممکن است از منابع دیگری بعد از اجرا آب نفوذ کرده باشد. حداقل به 6 روش به شرح زیر ممکن است پیوند بین قیر و مصالح سنگی شکسته شود:

1- به شکل ذرات ریز و پایدار در آمدن

علت عریان شدن تحت عنوان خود به خود خرد شدن و به شکل ذرات ریز و پایدار درآمدن.

2- تفکیک

جدا شدن قیر از سطح مصالح سنگی توسط لایه نازک آب بدون شکست واضح و قابل دید در لایه نازک قیر است که نهایتاً لایه نازک قیر می‌تواند کاملاً از مصالح سنگی جدا شود.

3- جابجایی

این امر هنگامی است که چسبندگی قیر به سطح مصالح سنگی توسط آب ضعیف شود. در این نوع عریان شدن، آب آزاد از طریق نفوذ در پوشش قیری به سطح سنگدانه‌ها راه می‌یابد. شکست ممکن است از پوشش ناکافی سنگدانه‌ها هنگام مخلوط کردن آسفالت در کارخانه آسفالت یا گسیختگی لایه نازک قیر باشد.

4- گیسختگی لایه نازک

این پدیده نیز یک روش عریان شدن است که در واقع می‌توان آنرا اولین گام در عریان شدن نامید. گسیختگی لایه نازک قیر روی ذرات مصالح سنگی عموماً بعلت اعمال تنشهای ناشی از ترافیک ایجاد خرابی در لبه‌ها و گوشه‌های تیز که پوشش قیر در آنها بسیار نازکتر است، اتفاق می‌افتد.

5- فشار آب حفره‌ای

این فشار عاملی برای تشدید عریان شدگی می‌باشد. در مخلوطهای آسفالتی با فضای خالی زائد، آب ممکن است آزادانه از میان فضاهای خالی مرتبط داخلی عبور کند. ترافیک ممکن است درصد فضای خالی روسازی را کاهش داده، مسیرهای عبور بین فضاهای خالی را ببندد و آب را محبوس نماید. به علت جریان ترافیک و عبور مکرر آب، فشار آب حفره‌ای به حدی می‌رسد که عریان شدن قیر از سطح مصالح سنگی را ایجاد می‌نماید.

6- جریان آب هیدرولیکی

این جریان بیشتر از لایه‌های سطحی روسازی‌های آسفالتی و در قسمت زیرین لایه اعمال می‌شود. وقتی که روسازی اشباع باشد، چرخهای وسیله نقلیه آب را به درون روسازی از جلو تایرها فشار می‌دهند و آن را از پشت تایرها به بیرون می‌مکند. این حرکت آب به عریان شدن مصالح سنگی کمک می‌کند. همچنین غبار و ماسه و سنگدانه‌های رها شده در جاده نیز ممکن است با آب باران مخلوط شده و خراشیدگی لایه نازک قیر را تسریع بخشند.

علت عریان شدن

به طور کلی فقط یک علت برای عریان شدن وجود دارد: آب بین لایه نازک قیر و سطح مصالح سنگی راه یابد و جانشین قیر به عنوان پوشش مصالح سنگی شود. آب به چند طریق ممکن است به سازه روسازی برسد. از میان آنها می‌توان به آب درون یا روی مصالح سنگی که کاملاً خشک نشده‌اند، زه آب باران از میان شانه‌ها، ترکها یا روسازی متخلخل، آب زیر سطحی (که از نقاط بالاتر فشار هیدرواستاتیکی تولید می‌نماید)، آب موئینه از بستر راه و تبخیر آب از لایه‌های زیرین اشاره نمود. به هر صورت آب به روشهای مختلفی ممکن است به مصالح سنگی برسد.

کاهش عریان شدن یا جلوگیری کردن از آن

برای ساخت روسازی جدید، یا روکش یا بازیافت یک روسازی قدیمی راهنمایی‌های زیر باید برای کاهش احتمال عریان شدن مورد توجه قرار گیرد:

1- برای روسازی‌های جدید تمام آسفالتی از دانه‌بندی پیوسته، خوب متراکم شده، مستقیماً بر روی بستر کاملاً آماده شده استفاده شود. تحقیقات نشان می‌دهد، اگر این روسازی‌ها به طور مناسب و خوب ساخته شوند حتی در بخش ترانشه هیچ آبی زیر این روسازی‌ها جمع نمی‌شود. بنابراین این روسازی‌ها به طور مؤثری در مقابل عریان شدن مقاومت می‌نمایند.

2- ایجاد زهکشی اصولی برای ساختمان روسازی ـ اگر آب آزاد سریعاً دفع شود یا از مخلوط مصالح سنگی و قیر دور نگه داشته شود، عریان شدن ناشی از تشکیل امولسیون، جابجایی، گسیختگی لایه نازک یا جریان آب هیدرولیکی توسعه نمی‌یابد. آب جدا از مخلوط نگه داشته می‌شود که باعث مقاومت عریان شدن بیشتر مصالح سنگی شود.

3- در اکثر حالات از مخلوطهای سنگدانه و قیر با دانه بندی متراکم به جای دانه‌بندی باز برای لایه‌های میانی و اساس استفاده نمائید استفاده از مخلوطهای با دانه‌بندی پیوسته و خوب متراکم شده از ورود آب به لایه‌های روسازی جلوگیری می‌کند. وقتی مخلوطهای اساس با دانه‌بندی باز در تعمیر ترکها استفاده می‌شود تعبیه سیستم مناسب زهکشی جهت جلوگیری از ایجاد فشار آب حفره‌ای و احمال عریان شدن ضروری می‌باشد.

4- اطمینان نمایید که همه لایه‌های روسازی کاملاً متراکم شده‌اند و در لایه‌های با دانه‌بندی پیوسته فضاهای خالی مرتبط برای عبور آب از میان آنها وجود نداشته باشد. روش آزمایش تجربی، «ASTM:D3637 نفوذپذیری مخلوطهای آسفالتی» روشی را برای کنترل نفوذ پذیری روسازیهای متراکم شده در صحرا را در برمی‌گیرد.

5- از مصالح سنگی تازه شکسته شده با مقاومت عریان شدن ضعیف استفاده نکنید. قیر از مصالح سنگی که برای یک هفته یا بیشتر انبار شده‌اند کمتر لخت می‌شود تا نسبت به همان مصالح سنگی که بتازگی شکسته شده‌اند.

6- از مصالح سنگی گرم و خشک استفاده کنید ـ اگر مصالح سنگی دارای سطح خشک باشند به طوری که هیچ رطوبتی بین مصالح سنگی و لایه نازک قیر موجود نباشد، عریان شدن کمتر اتفاق می‌افتد.

7- از مصالح سنگی تمیز استفاده کنید ـ از مصالح سنگی درشت با ذرات رس نظیر غبار که به طور محکم به سطح آنها چسبیده است نباید استفاده شود. حتی اگر قیر به طور کامل سنگدانه را بپوشاند، غبار از چسبیدن قیر به سطح سنگدانه جلوگیری خواهد نمود.

8- از مصالح سنگی با جاذب رطوبتی بالا در صورت در دسترس بودن انتخابهای دیگر استفاده نکنید لازم است مصالح سنگی که بیشترین مقاومت را نسبت به عریان شدن دارا می‌باشند، استفاده گردد. با انجام آزمایش حساسیت آبی مصالح و قیر برگزیده برای پروژه، تعیین نمایید کدام مصالح سنگی برای پروژه بهترین می‌باشد.

9- هنگامی که استفاده از مصالح سنگی جاذب آب اجتناب ناپذیر است، یک ماده ضد عریان شدن را به مقدار مناسب تعیین شده توسط آزمایشهای حساسیت آبی و طرح مخلوط آزمایشگاهی اضافه نمایید آهک هیدراته ومواد مایع ضد عریان شدن پایدار در مقابل حرارت عملکرد صحرایی قابل قبولی با مصالح سنگی منتخب فراهم نموده‌اند. اگر آهک هیدراته و مواد مایع ضد عریان شدن پایدار در مقابل حرارت عملکرد صحرایی قابل قبولی با مصالح سنگی منتخب فراهم نموده‌اند. چنانچه آهک هیدراته انتخاب شود، بهترین نتایج وقتی حاصل می‌گردد که مصالح سنگی با ماده آبکی آهک هیدراته تثبیت شود. بهترین نتیجه بعدی، وقتی است که آهک هیدراته به مخلوط آسفالتی در ضمن تهیه آن اضافه می‌شود. با بعضی مخلوطها، مواد مایع ضد عریان شدن پایدار در مقابل حرارت مؤثر بوده‌اند. فرآورده‌ای را انتخاب نمایید که با مواد خاص در مخلوط مؤثر باشد. انتخاب را فقط بعد از تکمیل بررسیهای آزمایشگاهی انجام دهید.

10- اگر از یک ماده مایع ضد عریان شدن استفاده می‌شود، مطمئن شوید که ماده به مقدار مناسب پیشنهاد شده توسط آزمایشگاه اضافه شده است ـ بیش از اندازه افزودنی می‌تواند در حضور آب در ماده ضد عریان شدن بچرخد. در هر حالتی، هیچ ماده ضد عریان شدن به عنوان ساخت دستورالعمل خوب نباید توصیه شود.

11- قیری را انتخاب نمایید که وقتی مایع می‌شود، مصالح سنگی را پوشش نماید اما در سرویس‌دهی، ویسکوزیته بالایی به قدر کافی داشته باشد که در مقابل عریان شدن مقاومت کند. ضمن آنکه دیگر اهداف طرح را برآورده نماید ـ لایه‌های نازک یا ضخیم قیر دسترسی آب به سطح مصالح سنگی را مشکل می‌سازد.

12- مطمئن شوید که ذرات مصالح سنگی به طور کامل و یکنواخت با لایه نازک قیر ضخامتی که مخلوط شروط مقاومت را برآورده نماید، پوشش شود ـ لایه‌های نازک یا ضخیم قیر دسترسی آب به سطح مصالح سنگی را مشکل می‌سازد.

13- در تمام مدت ساخت روسازی کنترل کیفی خوبی انجام دهید.

نتیجه گیری

به ذهن بسپارید که آب عامل مقصر عریان شدن است. هر چیزی که اجازه دهد آب به مدت طولانی اطراف روسازی بماند و به روسازی خسارت برساند شریک جرم است. اگر راهنمایی‌های بالا به کار گرفته شود، مشکل کمتر خواهد شد.