به گزارش نشریه دنیای نفت و قیر، یک پژوهش جدید نشان می‌دهد یکی از روش‌های رایج آزمایشگاهی برای شبیه‌سازی پیرشدگی بلندمدت قیر ممکن است شدت تخریب واقعی در لایه‌های نزدیک به سطح آسفالت را کمتر از مقدار واقعی نشان دهد. نتایج این مطالعه نشان داده است که پیرشدگی ناشی از اشعه فرابنفش، در صورتی که قیر با ضخامت فیلم نزدیک به شرایط واقعی جاده آزمایش شود، می‌تواند اکسیدشدگی، شکنندگی و استعداد ترک‌خوردگی بسیار بیشتری نسبت به پیرشدگی متداول در مخزن تحت فشار ایجاد کند.
این پژوهش در مجله علمی Construction and Building Materials منتشر شده و پیرشدگی حرارتی-اکسیداتیو را با پیرشدگی ناشی از نور فرابنفش در قیر معمولی و قیر اصلاح‌شده با SBS مقایسه کرده است.
پرسش اصلی پژوهش ساده اما مهم است: آیا شیوه‌ای که در آزمایشگاه برای پیرکردن قیر استفاده می‌شود واقعاً همان چیزی را بازسازی می‌کند که در سطح یک جاده اتفاق می‌افتد؟
سال‌هاست برای شبیه‌سازی پیرشدگی بلندمدت قیر از روش PAV یا مخزن پیرشدگی تحت فشار استفاده می‌شود. در این آزمایش، قیری که مرحله پیرشدگی کوتاه‌مدت را پشت سر گذاشته، در معرض دما و هوای تحت فشار قرار می‌گیرد تا تغییرات اکسیداتیو چند سال کارکرد در جاده با سرعت بیشتری شبیه‌سازی شود.
اما سطح جاده در دنیای واقعی با عامل مهم دیگری روبه‌رو است که PAV مستقیماً بازسازی نمی‌کند: نور خورشید. اشعه فرابنفش بیشترین اثر را در نزدیکی سطح روسازی دارد و می‌تواند فرآیندی موسوم به پیرشدگی نوری-اکسیداتیو ایجاد کند.
نتایج مطالعه جدید نشان می‌دهد اهمیت این عامل زمانی بسیار واضح‌تر می‌شود که ضخامت نمونه قیر نیز به شرایط واقعی آسفالت نزدیک باشد.
پژوهشگران فیلم‌های قیر با ضخامت‌های ۳۰، ۱۰۰ و ۵۰۰ میکرون تهیه کردند. ضخامت ۳۰ میکرون به این دلیل انتخاب شد که ضخامت واقعی فیلم قیر پیرامون سنگدانه‌ها در آسفالت می‌تواند در محدوده تقریبی ۵ تا ۳۰ میکرون قرار گیرد، در حالی که در بسیاری از مطالعات قبلی UV از نمونه‌های بسیار ضخیم‌تر استفاده شده است.
نتیجه تفاوت قابل توجهی داشت. فیلم‌های ۳۰ میکرونی تحت تابش UV بسیار شدیدتر از نمونه‌های ۵۰۰ میکرونی پیر شدند. در نمونه ضخیم‌تر، نفوذ اشعه فرابنفش محدودتر بود و در نتیجه شدت تغییرات نیز بسیار کمتر دیده شد.
این یافته یک نکته مهم برای مطالعات قبلی ایجاد می‌کند: اگر نمونه قیر در آزمایش UV بیش از حد ضخیم باشد، ممکن است اثر واقعی نور خورشید در لایه‌های سطحی آسفالت کمتر از مقدار واقعی برآورد شود.
در نمونه‌های ۳۰ میکرونی، تنها هشت روز تابش کنترل‌شده UV توانست رفتار رئولوژیکی و شاخص‌های ترک‌خوردگی را به شرایط برخی نمونه‌های قیر استخراج‌شده از آسفالت بازیافتی پیرشده در میدان نزدیک کند. با افزایش مدت تابش به ۱۸ و ۲۸ روز، شدت پیرشدگی در بعضی نمونه‌ها بسیار بیشتر شد.
در مقایسه، پیرشدگی PAV واکنش بسیار ملایم‌تری ایجاد کرد. در قیر معمولی مورد آزمایش، مقدار شاخص Glover-Rowe پس از PAV حدود ۸۳ پاسکال بود، در حالی که این مقدار برای فیلم ۳۰ میکرونی تحت UV از حدود ۴۲۹ پاسکال عبور کرد و با ادامه تابش به‌شدت افزایش یافت.
پس از ۲۸ روز تابشUV، مقدار این شاخص در نمونه ۳۰ میکرونی قیر معمولی به حدود ۹۶۲۱ پاسکال رسید. چنین عددی نشان‌دهنده ماده‌ای بسیار سخت‌تر با توان کمتر برای آزادکردن تنش نسبت به نمونه پیرشده با PAV در شرایط همین آزمایش بود.
آزمایش خستگی نیز اختلاف مشابهی را نشان داد. در آزمایش LAS، عمر خستگی محاسبه‌شده برای نمونه پیرشده با PAV حدود ۵۲۳۲ سیکل بود، در حالی که برای فیلم ۳۰ میکرونی پس از هشت روز تابش UV این عدد به حدود ۲۵۶ سیکل کاهش یافت.
این اعداد به معنی عمر واقعی جاده بر حسب تعداد عبور خودرو نیستند. آنها شاخص‌های آزمایشگاهی برای مقایسه رفتار مواد تحت شرایط کنترل‌شده‌اند، اما اختلاف میان دو روش شدت بسیار بیشتر پیرشدگی UV در نمونه نازک را نشان می‌دهد.
آزمایش‌های شیمیایی نیز همین جهت را تأیید کردند. طیف‌سنجی مادون قرمز افزایش بیشتر گروه‌های کربونیل و سولفوکسید را در نمونه‌های نازک تحت UV نشان داد که هر دو از نشانه‌های شناخته‌شده اکسیدشدگی قیر هستند.
با پیشرفت اکسیدشدگی، ساختار قیر متراکم‌تر و سخت‌تر می‌شود و توان آن برای آزادکردن تنش کاهش می‌یابد. نتیجه چنین تغییری می‌تواند افزایش استعداد شکنندگی و ترک‌خوردگی باشد.
رفتار قیر اصلاح‌شده با SBS حتی جالب‌تر بود.
SBS معمولاً برای افزایش خاصیت ارتجاعی، مقاومت در برابر شیارشدگی و بهبود عملکرد قیر به آن اضافه می‌شود، اما مطالعه نشان داد تابش UV فقط خود قیر پایه را پیر نمی‌کند و می‌تواند شبکه پلیمری SBS را نیز تخریب کند.
در شرایط تابشUV، اکسیدشدگی قیر هم‌زمان با تخریب تدریجی پلیمر SBS، به‌ویژه بخش پلی‌بوتادین، اتفاق افتاد. با آسیب‌دیدن ساختار پلیمر، بخشی از خاصیت ارتجاعی که SBS در اختیار قیر قرار می‌دهد از بین رفت.
در نتیجه رفتار قیر اصلاح‌شده صرفاً به شکل «سخت‌ترشدن» ظاهر نشد. اکسیدشدگی شکنندگی را افزایش داد و هم‌زمان تخریب پلیمر بخشی از توان ارتجاعی ماده برای مقابله با خستگی را کاهش داد.
در نمونه‌های ۳۰ میکرونی SBS، شاخص Glover-Rowe پس از هشت روز تابش UV حدود ۱۴۹۰ پاسکال بود و با ادامه پیرشدگی از ۳۰۰۰ پاسکال عبور کرد. نمونه‌های نازک قیر اصلاح‌شده در مطالعه به محدوده‌هایی رسیدند که با استعداد شدیدتر ترک‌خوردگی مرتبط بودند.
پژوهشگران در نتیجه‌گیری خود تأکید کردند که اصلاح قیر با SBS الزاماً آن را در برابر تمام اشکال پیرشدگی UV محافظت نمی‌کند؛ بلکه حضور پلیمر می‌تواند خود سازوکار پیرشدگی را تغییر دهد.
این نتیجه با پژوهش‌های دیگری نیز هم‌جهت است که نشان داده‌اند اشعه فرابنفش می‌تواند به‌طور هم‌زمان قیر پایه را اکسید و زنجیره‌های پلیمری SBS را تخریب کند. مطالعات دیگری در سال ۲۰۲۶ نیز کاهش عملکرد در دمای پایین و آسیب به ساختار SBS بر اثر پیرشدگی UV را گزارش کرده‌اند.
با این حال شاید مهم‌ترین یافته مقاله نه مدت تابش، بلکه ضخامت فیلم قیر باشد. در ضخامت ۵۰۰ میکرون، حتی تابش طولانی UV تغییرات نسبتاً محدودی ایجاد کرد و رفتار نمونه‌ها در بعضی موارد به قیر با پیرشدگی کم نزدیک ماند. ضخامت ۱۰۰ میکرون رفتار میانی داشت، اما فیلم ۳۰ میکرونی تقریباً همیشه شدیدترین پیرشدگی نوری را نشان داد.
به بیان دیگر، فقط تغییر ضخامت نمونه در آزمایش می‌تواند برداشت پژوهشگر از میزان مقاومت قیر در برابر UV را به شکل قابل توجهی تغییر دهد.
نویسندگان مقاله معتقدند روش‌های رایج آزمایشگاهی بیشتر پیرشدگی حرارتی-اکسیداتیو در حجم قیر را شبیه‌سازی می‌کنند، در حالی که در جاده، سطح آسفالت با یک شیب شدید پیرشدگی روبه‌رو است. نور خورشید، اکسیژن و عوامل محیطی در لایه‌های نزدیک به سطح اثر بسیار بیشتری دارند و تمام حجم قیر به‌صورت یکنواخت پیر نمی‌شود.
همین تفاوت می‌تواند یکی از دلایلی باشد که ترک‌های سطحی در برخی روسازی‌ها شدیدتر از چیزی ظاهر می‌شوند که نتایج آزمایش‌های معمول پیرشدگی پیش‌بینی می‌کنند.
این مطالعه همچنین شاخص جدیدی با نام VEAI یا شاخص پیرشدگی ویسکوالاستیک پیشنهاد کرده است. این شاخص از منحنی‌های جامع رفتار رئولوژیکی استخراج می‌شود و در پژوهش جدید نسبت به تغییرات ناشی از پیرشدگی حساسیت بیشتری نشان داده و ارتباط واضح‌تری با استعداد ترک‌خوردگی داشته است.
از نظر مهندسی، نتیجه مقاله به این معنی نیست که آزمایش PAV باید کنار گذاشته شود. این روش همچنان یکی از استانداردهای شناخته‌شده برای مقایسه پیرشدگی بلندمدت حرارتی و اکسیداتیو قیر است و بخش بزرگی از دانش و مشخصات فنی صنعت بر پایه آن شکل گرفته است.
اما نتایج تازه نشان می‌دهند PAV ممکن است تمام داستان را بیان نکند؛ به‌ویژه زمانی که هدف، پیش‌بینی وضعیت چند میلی‌متر ابتدایی آسفالت باشد که مستقیماً در معرض تابش خورشید قرار دارد.
در آینده ممکن است روش‌های آزمایشگاهی به ترکیبی از پیرشدگی حرارتی و تابش کنترل‌شده UV نیاز داشته باشند و این دو سازوکار به جای جایگزین یکدیگر، به‌صورت مکمل بررسی شوند.
کنترل ضخامت فیلم نیز در چنین آزمایشی اهمیت زیادی خواهد داشت. تاباندن UV به یک لایه ضخیم قیر الزاماً شرایط فیلم‌های بسیار نازکی را که در سطح آسفالت اطراف سنگدانه‌ها قرار دارند بازسازی نمی‌کند.
البته این مطالعه محدودیت‌هایی هم دارد. آزمایش‌ها در مقیاس قیر و تحت شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی انجام شده‌اند و برای مقایسه با میدان از نمونه‌های منتخب قیر بازیافتی استفاده شده است. خود پژوهشگران نیز تأکید کرده‌اند که پیش از استفاده از این یافته‌ها در طراحی روسازی یا تغییر مشخصات فنی، اعتبارسنجی بیشتری در مقیاس مخلوط آسفالتی و جاده واقعی لازم است.
یک جاده واقعی نیز فقط با UV پیر نمی‌شود. دما، اکسیژن، رطوبت، چرخه‌های گرم و سرد، بار ترافیکی و سایر عوامل محیطی هم‌زمان بر آسفالت اثر می‌گذارند و هیچ آزمایش منفردی نمی‌تواند تمام این فرآیندها را دقیقاً بازسازی کند.
با این حال پژوهش جدید یک سؤال مهم برای صنعت آسفالت مطرح می‌کند: اگر نمونه آزمایشگاهی بیش از حد ضخیم باشد یا اثر نور خورشید در آن لحاظ نشود، آیا واقعاً همان نوع پیرشدگی‌ای اندازه‌گیری می‌شود که ترک‌خوردگی سطح جاده را کنترل می‌کند؟
پاسخ این سؤال می‌تواند در آینده برای تولیدکنندگان قیر، سازندگان قیرهای اصلاح‌شده پلیمری و سازمان‌های راه اهمیت زیادی داشته باشد. دو قیر ممکن است پس از PAV عملکرد نسبتاً مشابهی داشته باشند، اما در برابر تابش UV و در ضخامت واقعی فیلم رفتار بسیار متفاوتی نشان دهند.
این موضوع در مناطق دارای تابش شدید خورشید، ارتفاع بالا یا دوره‌های طولانی آفتابی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، زیرا سهم پیرشدگی نوری در تخریب سطح روسازی می‌تواند بزرگ‌تر باشد.
این مطالعه هنوز دلیلی برای بازنویسی فوری استانداردهای قیر نیست. اما شواهد تازه‌ای ارائه می‌کند که نشان می‌دهد UV و ضخامت واقعی فیلم قیر باید سهم بیشتری در تحقیقات دوام و پیرشدگی داشته باشند.
پیام اصلی ساده است: پیرشدن قیر در یک مخزن تحت فشار الزاماً همان فرآیندی نیست که در سطح یک جاده زیر نور خورشید اتفاق می‌افتد. اگر آزمایشگاه بتواند هم تابش و هم ضخامت واقعی فیلم قیر را بهتر بازسازی کند، احتمالاً یک گام به پیش‌بینی دقیق‌تر شکنندگی و ترک‌خوردگی واقعی روسازی نزدیک‌تر خواهد شد.
