استفاده از الياف در آسفالت

.مقدمه
امروزه راه یکی از عوامل مهم در ارتباط و انتقال مسافران و بارها می‌باشد و از  عوامل مهم روز است که بحث های بسیاری دارد و کنفرانسهای مختلفی در رابطه با آن برگزار می شود.
در راه های با آمد وشد زیاد ،در رویه راه از مصالح قیری یا سیمانی استفاده می شود .که در اثر اعمال بار این نوع رویه ها دچار تغییر شکلهایی می شود که باعث ایجاد تنشهای کششی افقی در لایه روسازی می شود که اگر این تنشها از میزان استقامت کششی مصالح بیشتر باشد باعث ایجاد ترک می گردد.
یکی از روشهای مهم برای کاهش و کنترل عرض ترکهای حاصل از کشش مستقیم استفاده از الیاف است.
به منظور ایجاد شرایط ایزوتروپ و به منظور ایجاد سیستمی که بتواند در تمام جهات به طور تقریبا یکنواخت سبب افزایش نرمی شده و مقاومت کششی را نیز حفظ کند ،استفاده از رشته های نازک و کوتاه که به صورت تصادفی در تمام جهات در آسفالت توزیع شود .روش مناسبی به نظر می رسد .این رشته نازک ،الیاف نامیده می شوند که دارای انواع و شکلهای مختلف بوده و کاربردهای متعددی دارند. ازچمله آنها الیاف فولادی ،پلیمری ،شیشه‌ای و … می باشد .

۲٫ترکها در آسفالت:

الف )ترک موزاییکی ( پوست ماری – سوسماری ):
این ترک به علت داشتن شباهت به پوست بدن سوسمار به این نام شناخته شده است .
این خرابی با ترک خوردن تمام و یا قسمتی از سطح رویه آسفالتی به شکل نسبتأ کوچک چند ضلعی ظاهر می‌شود که با تکرار بار گذاری بر وسعت آن افزوده می شود .
علت به وجود آمدن این نوع ترکها تغییر شکل یا خستگی بیش از حد در اثر بار گذاری بر روی لایه ها می باشد و معمولا در روسازیهای که بر روی لایه های اساس و زیر اساس که تراکم  کافی نداشته و یا خاکهایی که دارای تغییر شکل زیاد و مقاومت کم می باشند ایجاد می شوند .

ب) ترک برشی (کناری ):
این ترکها به موازات محور طولی راه و به فاصله کمی از روسازی بوجود می آیند این نوع ترکها ممکن است علاوه بر ترکهای طولی دارای ترکهای عرضی نیز باشند که معمولا یک یا چند ترک طولی را قطع کرده و به روسازی منتهی می گردد.
علت بوجود آمدن این ترکها میتواند فقدان پایداری و استقامت برشی خاک یا مصالح کناره های روسازی باشد که عدم تراکم محل کنده شده و عبور وسایل نقلیه به فاصله کم از محل کنده شده باعث تغییر شکل جانبی خاک و ایجاد ترک می شود .

ج)ترکهای انقباضی :
این ترک در اثر تغییر حجم و جمع شدن رویه در اثر افت دمای محیط می باشد که معمولا عرضی بوده و گاهی به شکل مجموعه ای از ترکهای به هم پیوسته که قطعات بزرگی را تشکیل می دهند وجود دارند تفاوت بین این ترک و ترک موزاییکی این است که در این ترک سطح رویه به قسمتهای بزرگتری تقسیم شده و در گوشه ها تیزتر می باشد .
علت بوجود آمدن این ترکها استفاده قیر سفت در منطقه آب و هوایی خاص می باشد .

د)ترکهای بین دو خط:
این ترکها همان درزهای طولی بین خطوط راه هستند که به دلیل اجرای غیر هم زمان رویه آسفالتی خطوط مجاور بوجود می آیند که به علت اجرای نادرست رویه درز آنها باز مانده و با ورود آب شاهد خرابی بیشتری خواهیم بود همچنین این خرابی بین خط کناری و شانه آسفالتی راه ممکن است بوجود آید.

و)ترکهای انعکاسی :
این ترکها در سطح روکش آسفالتی و در محل ترکهایی که در سطح روسازی قدیمی بوده بوجود می آید، که علت آن حرکات قائم و افقی لایه واقع در زیر روکش آسفالتی است .

ی)ترکهای هلالی :
این ترکها در مسیر حرکت وسایل نقلیه به علت وارد شدن نیروهای شدید افقی (ترمز کردن )در سطح رویه آسفالتی بوجود می آید که علت آن میتوان فقدان چسبندگی بین لایه رویه آسفالتی و لایه زیرین آن باشد .

۳٫مواد افزودنی و تأثیر آن در آسفالت:

مهمترین فواید مواد افزودنی  :
۱)کاهش قیمت  2)کم شدن ضخامت لایه های آسفالتی  3)کم شدن مرمت های روزمره و طولانی شدن فواصل بین بهسازی رویه های آسفالتی  4)بالا رفتن فشار مجاز آسفالت  5)بکار گرفتن تولیدات جدید صنعتی و وسایل جدید در تولید و اجراء  6)بکار گرفتن ضایعات صنایع و بهداشت محیط زیست

تقسیم بندی مواد افزودنی  :
۱- پرکننده ها (Fillers) 2- مواد جایگزین شونده (Extenders) 3-مواد رشته ای یا الیاف (Fibers) 4- اکسید کننده‌ها Oxidants)) و اکسید شونده‌ها Anti oxidants)) 5- مشتقات نفتی یا هیدروکربن‌ها Hydrocarbons)) 6- اتصال دهنده‌ها (Anti strips) 7- لاستیکها و پلاستیکها یا پلیمر‌ها (Polymers)

(شکل ۱ )چگونگی تنش در ترک۴

آسفالت الیافی:

تولید آسفالت الیافی :
افزایش نسبت ظاهری ( l/d )موجب تجمع و درگیری رشته های الیافی در یکدیگر می گردد برای مخلوط یکنواخت ،نسبت ظاهری حداکثر به عدد ۱۰۰ محدود می شود .
چنانچه درصد حجمی الیاف از ۲ درصد افزایش یابد مشکلاتی در کیفیت آسفالت پدید می آید .
خصوصیات فیزیکی مصالح
۰٫۳۵ =υ آسفالت
۰٫۳۵ =υ خاک
تواتر بارگذاری ۵HZ و در دمای ۲۰C
ضریب سختی مخلوط آسفالت ماکاوامی متراکم (pa)3.1*10^9
ضریب سختی مخلوط رولد آسفالت (pa)3.5*10^9

معیار خستگی
ضریب سختی مخلوط آسفالت ماکاوامی متراکم(با قیر ۱۰۰ )
(۱)    LogNf=-9.38-(4.16LogEr)
ضریب سختی مخلوط رولد آسفالت (با قیر ۵۰ )
(۲)    LogNf=-9.38-(4.16LogEr)
Er کرنش کششی در زیر لایه آسفالت تحت بار چرخ استاندارد
Nf عمر طراحی (مجموع بارهای محور معادل استاندارد)

مزایای آسفالت الیافی :
– مقاومت در مقابل تورق ، سایش و هوازدگی سطح
– مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی
– مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه
– قابلیت کششی عالی ( ظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی )
– قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی
– مقاومت کششی ، خمشی و برشی زیاد
– طا قت خیلی زیاد
قابلیت انعطافی که آسفالت الیافی دارد ، همانند خواص مواد پلاستیکی باعث می شود که آسفالت الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد . از آنجا که الیاف فولادی در جسم آسفالت به طور سه بعدی به بیان بهتر چند بعدی پراکنده می شود . در صورت تشکیل یک ترک ،در جهات مختلف ،الیاف اتصالاتی را به وجود می آورد و از گسترش ترک جلوگیری می نماید .بنابراین ،رشته های الیاف به طور فعال در محدود کردن عرض ترکها وارد عمل شده و به تشکیل ریز ترکهای زیاد همکاری می نماید و در نتیجه قابلیت بهربرداری آسفالت را افزایش می دهد . این مورد به ویژه در دال های مهار شده ،همانند روسازیهای آسفالتی که در آنها اصطکاک بستر مانع انقباض و انبساط می شود ،شدیدأ به چشم می خورد.
شایان ذکر است که عملکرد الیاف فولادی و بهبود خواص مکانیکی در آسفالت ،به عوامل زیادی از قبیل طرح اختلاط جنس الیاف ،مقدار الیاف ،شکل الیاف ،نسبت ظاهری (l/d ) و … وابسته است .

کاربریهای آسفالت الیافی :
باند فرودگاه و راهسازی
یک باند مناسب برای فرود هواپیما و مقابله با شرایط جوی و اثر ضربه ایجاب مینماید که باند پرواز نرم پر طاقت و ضربه پذیر باشد لذا بکاربری الیاف در رویه باند فرودگاه بسیار مناسب می‌باشد.
در طرح جاده ها و بزرگراهای پر ترافیک جایگزینی الیاف بسیار مقرون به صرفه و اقتصادی خواهد بود زیرا موجب کاهش ضخامت آسفالت ریزی ،کاهش عرض ترکهای ناشی از جمع شدگی و کنترل عرض ترکهای انقباضی و انبساطی می شود . همچنین موجب افزایش مقاومت روسازی در برابر ضربه ،خستگی و کاهش آثار مخرب عوامل جوی می باشد ضمن اینکه در پلها و عرشه اسکله ها موجب کاهش بار مرده به علت کم شدن ضخامت دال ،جلوگیری از تغییر شکل رویه و کاهش تنشهای حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی و فرسودگی خواهد شد .

الیاف فولادی:
از پر مصرفترین و بهترین نوع الیاف ،الیاف فولادی است که به  دلیل شکل پذیری ،تأمین گیرداری در جسم آسفالت و مقاومت کششی مطلوب ،نظر اکثر طراحان را به خود جلب کرده است .از آنجا که در ایران الیاف فولادی تولید و یا وارد نمی شوند ،اغلب مهندسان و مشاوران از این فن آوری بی اطلاع و یا کم اطلاع بوده و همچنین به دلیل مشکلات تهیه آن ، از قبیل ارزبری ،هزینه حمل ،حقوق گمرکی و … د ر ردیف کالاهای گران قیمت به حساب می‌آید و اقتصادی نیست . برای رفع این مشکل مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن ،اقدام به ساخت نوعی الیاف فولادی موجدار نموده که از مفتول های داخلی ساخته شده است.
الیاف فولادی به طور تصادفی در تمام جهات آسفالت پخش می‌کنند.

با استفاده از الیاف فولادی می توان ترکهای حاصل از کشش مستقیم را کنترل کرد. زیرا پس از ترک خوردن آسفالت ،سریعا الیاف به عنوان پل ارتباطی بین دو قطعه جدا شده عمل کرده و نیروهای کششی را انتقال می دهند و یکپارچگی قطعه تضمین می گردد . به همین جهت تعداد ترکها  در آسفالت افزایش یافته ولی طول ،عرض و عمق آنها بشدت تقلیل می یابد.

الف) خواص الیاف فولادی :

۱)شکل الیاف
شکل الیاف یکی از پارامترهای موثر در کیفیت آسفالت الیافی است . به عنوان مثال ،مقاومت خمشی مشخص را میتوان با افزودن یک درصد الیاف با انتهای خمیده در مقایسه با ۱٫۵  درصد الیاف ساده به دست آورد. یعنی حدود  50درصد در مقدار الیاف صرفه جویی می شود .
همچنین سطح زیر منحنی بار ،تغییر شکل در الیاف قلابدار بسیار بیشتر خواهد بود که نشانه جذب انرژی بیشتر است .
(شکل ۲ ) شکل الیاف فولادی

جدول ۱- تاثیر شکل پذیزی الیاف فولادی بر روی میزان چسبندگی آسفالت و الیاف

نما و مقطع    متوسط تنش بیرون
کشیدن الیاف    مقاومت الیاف    طول    قطر    شکل الیاف
    4.17    1205    متغییر    0.3    مستقیم و ساده
    8.1    955    30    0.5    مستقیم و دندانه دار
    4.93    1355    40    0.4    قلابدار
    5.25    1295    30    0.35    موجدار ریز
    13.4    1615    25    0.4    موجدار درشت
    7.27    510    14.5    0.3 * 0.4    دم پهن

۲)نسبت ظاهری الیاف
نسبت ظاهری و یا نسبت طول به قطر الیاف یکی از پارامترهای مهم در عملکرد الیاف محسوب می‌شود به طوری که وقتی الیاف در مخلوط آسفالت تحت با قرار می‌گیرند،چنانچه طول الیاف از طول بحرانی LC کمتر باشد . به دلیل از دست دادن خاصیت پیوستگی از مخلوط جدا شده و بیرون کشیده می شود و چنانچه طول الیاف از طول بحرانی بیشتر باشد ،الیاف به حد جاری شدن می‌رسد و گسیخته می‌شود . برای حالتی که طول الیاف برابر طول بحرانی باشد ،تنش کششی الیافf) σ) و مقاومت برشی (τ)حاصل از تعادل نیروها بدین صورت است
   (3)        f/τ=2 . Lc/d σ
چنانچه رابطه فوق نشان می دهد تنش مقاوم الیاف و در نتیجه مقاومت پذیری آن ، رابطه مستقیمی با نسبت ظاهری دارد و لیکن باید توجه داشت که افزایش نسبت ظاهری موجب کاهش کارآیی و توده شدن الیاف و افت کیفیت آسفالت می شود ،لذا با استفاده از آزمایشهای تجربی می توان نسبت ظاهری بهینه را به دست آورد .

۳) شیوه قرارگیری الیاف :
نحوه جایگیری الیاف در محور ترک برای انتقال نیرو در سطح ترک بسیار موثر است و الیاف عمود بر سطح ترک بیشترین کارآیی را خواهد داشت .البته جایگیری الیاف در آسفالت به صورت کاملا تصادفی است که در روسازی راه و فرودگاه ها لازم است الیاف در دو بعد طول و عرض و به موازات محور افقی که در واقع در جهت تنش های کششی وارده می باشد توزیع باید گردد.

(شکل ۳) نحوه قرار گرفتن الیاف در آسفالت

۴)ضریب ارتجاعی الیاف:
در ترکیبهای تحت بار ،هر اندازه که ضریب ارتجاعی بیشتر باشد ، تنشی که مخلوط تحمل می کند بیشتر است و این امر در صورتی امکان پذیر است که بین الیاف و آسفالت پیوستگی وجود داشته باشد . قابل ذکر است هر چه ضریب ارتجاعی الیاف بالاتر باشد ظرفیت باربری مقطع بیشتر می باشد .(شکل ۴)
(شکل ۴ )

ب) مقاومت استاتیکی الیاف فولادی:

مقاومت فشاری :‍
از آنجا که آسفالت فشار پذیر است و دستیابی به مقاومت فشاری مشخص با تغییر در طرح اختلاط مقدور است ،استفاده از الیاف بهبود این خاصیت نخواهد بود ولی ذکر است الیاف فولادی مقاومت فشاری آسفالت را افزایش می دهد.

مقاومت کششی :
با توجه به اینکه آسفالت در کشش ضعیف است چنانچه الیاف فولادی به طور پیوسته و در جهت اعمال تنشهای کششی قرار گیرند ،مقاومت کششی آسفالت را می‌افزاید و این در صورتی است که الیاف آسفالتی کاملا اتفاقی و به صورت رندم در آسفالت قرار می‌گیرد .البته مقدار دقیق افزایش مقاومت به شکل ،نوع،اندازه و سایر مشخصات الیاف بستگی دارد.

مقاومت خمشی :
الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت خمشی آسفالت دارد. مقاومت کششی مصالح آسفالتی در دمای ۲۰c برای مدت بارگذاری برابر ۵۰ میلی ثانیه (سرعت ۹۰km /hr ) تقریبا بین ۲۱- ۳۵kg/cm^2

مقاومت برشی :
الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت برشی آسفالت دارد.

مقاومت خستگی :
الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت خستگی دارد.خستگی آسفالت و جاده به دلیل اثرات ناشی از افزایش زیانهای رطوبتی به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.لایه های ضخیم آسفالت در حالت کنترل تنش و لایه های نازک آسفالت در حالت کنترل کرنش تحت افزایش دما شکنندگی لایه نازک کمتر شده و باعث افزایش عمر خستگی ولی در حالت تنش ثابت کرنش در ادامه بارگذاری افزایش می‌یابد با افزایش دما کاهش عمر خستگی را داریم.

مقاومت دینامیکی:
الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت دینامیکی آسفالت دارد.

مقاومت ساییدگی:
الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت ساییدگی آسفالت دارد.

ژئو گریدها:

ژئوگریدها موادی شبکه مانند هستند که دارای سوراخهای بزرگ است . فاصله بین سوراخهای در حدود ۱ تا ۱۰ سانتی متر (فاصله بین الیاف طول و عرض ) است .
انواع ژئوگریدهای موجود در دنیا:
۱-tensarcorp
۲- tenaxcorp 
۳-paragrids
۴- tiragrids
۵-fortral
۶-maxtrex
۷-stratagrid
۸-othergrids
از میان این ژئوگریدها نوع پنج در ایران موجود می باشد . این نوع ژئوگریدها ساخت کشور آلمان است و در دو نوع Fortrac و Hatelit ساخته می شوند که نوع اول برای مسلح کردن خاک و نوع دوم برای مسلح کردن آسفالت بکار می رود .
هر دو نوع ژئوگرید از الیاف تابیده شده پلی استر سخت بافته می شوند و در محل اتصال به هم وصل می شوند و یک پوشش کلرید پلی و ینیل (P.V.C) یا مواد قیری در نهایت داده می شود از کاربردهای این نوع ژئوگریدها درایران می توان مسلح کردن آسفالت پل فولادی نصر ،کالج و صدر را نام برد که از نوع Hatelit برای این کارها استفاده شده است و از نوع Fortrac برای احداث دیوار حائل پارک نمایشگاه تهران استفاده شده است .

–    مسلح کردن لایه اساسی جاده ها با روکش آسفالتی:
در جاده های با روکش آسفالت اگر بخواهند ژئو گرید را در قسمت اساس استفاده نمایند تحقیقات نشان داده است که باید ژئوگرید را در قسمت میانی لایه اساس قرار داد .البته گرافهایی در این زمینه وجود دارد که با داشتن ضخامت غیر مسلح لایه خاکریز می توان ضخامت مسلح   شده با نوع خاص ژئوگرید را بدست آورد . البته این گرافها برای همه انواع ژئوگریدها موجود نیست.

– مسلح کردن قسمت اساسی جاده ها بدون روکش آسفالت:
کاربرد عمده ژئوگرید در مسلح کردن خاکهای نرم یا فشرده بستر برای جاده های سنگدانه‌ای بدون روکش آسفالتی است . در این مورد نیز موفقیتهایی دیده شده است ،از جمله مسلح کردن خاک باعث افزایش مقاومت باربری خاکریز اساس ،توزیع بهتر بار در خاک و کنترل ترک در خاک می شود .
(زمانیکه اختلاف لایه ها قبل از مسلح و بعد از مسلح کردن در مقایسه با هزینه نصب و اجراء ژئوگرید بیشتر باشد بهتر است از ژئوگرید استفاده شود.)

ـ فواید ژئوگرید ها :
۱-کاهش ضخامت لایه خاکریز در جاده ها
۲-باعث افزایش عمر و دوام آسفالت و خاکریز در مقابل عوامل محیطی و بارگذاری می شود

-کاربردهای ژئوگرید :
۱-    زیر مصالح شن و ماسه در جاده های پوشش نشده
۲-    زیر بازالت در ساختمان راه آهن
۳-    زیر مصالح سربار یا سازههای خاکی
۴-    مسلح سازی خاکریزها یا سدهای خاکی
۵-    تعمیر خرابی شیروانیها
۶-    به عنوان گابیون در ساختمان دیوارها
۷-    به عنوان گابیون در سازه های کنترل فرسایش
۸-    به عنوان گابیون در جانب پلها
۹-    به عنوان صفحات گیردار برای سطوح دیوار حائل
۱۰-    به عنوان آسفالت مسلح در روسازی راه
۱۱-    به عنوان مسلح کردن بتن در کارهای گوناگون
۱۲-    برای مسلح کردن قسمتهای سنگ ترک دار
۱۳-    برای مسلح کردن قسمتهای بتن ترک دار
۱۴-     land fill برای مسلح کردن جهت توسعه عمودی و جانبی
۱۵-     land fillبرای مسلح کردن پوشش به عنوان مسلح کننده روکش
۱۶-    land fill به عنوان لایه های ۳ بعدی برای افزایش ظرفیت باربری
۱۷-    به عنوان لایه های ۳ بعدی برای خاکریزیهای روی خاکهای نرم
۱۸-    برای پایداری جمع آوری کننده سنگی لجن ،به عنوان مسلح کننده

نتیجه گیری:
از همه این مطالب می توان  این چنین نتیجه گیری کرد که استفاده از الیاف  در آسفالت هزینه اقتصادی کمتری خواهد داشت،و با توجه به نیاز کشور در زمینه های راه و باندهای فرودگاه ،استفاده از آسفالت های الیافی و ایجاد کارخانه های تولید آسفالتهای الیافی پیش ساخته کمک شایانی هم در اقتصاد کشور و هم زمینه های ایجاد اشتغال را فراهم خواهد کرد. این در شرایطی است که الیاف در داخل کشور تولید شود .
در ضمن استفاده از الیاف در آسفالت باعث افزایش عمر مفید ودوام آسفالت و خاکریز در مقابل عوامل محیطی و بار گذاری می شود ،که در زمان طولانی این باعث صرف هزینه کمتری خواهد شد.