استخدام الـ SBS (Styrene Butadien Styrene) في تعديل البيتومين المستخدم في تصميم الخلطات البيتومينية
مقدمة:
يعد الرصف البيتومينيي النوع الأكثر انتشاراً في إنشاء الطرق في الجمهورية العربية السورية، ويستخدم بشكل واسع في كافة مناطق العالم وذلك بسبب سهولة وسرعة إنشائه وصيانته.
يتعرض البيتومين إلى مجموعة من التغيرات؛ تبدأ من مرحلة إنتاج المجبول البيتوميني في درجات حرارة مرتفعة إلى مرحلة استثماره تحت تأثير الحمولات والعوامل الجوية، وتؤدي هذه المتغيرات إلى منعكسات سلبية على أداء البيتومين ضمن المجبول البيتوميني؛ مما يسبب فقدان البيتومين للكثير من خواصه الأولية التي قد تصل إلى درجة يصبح فيها غير صالح للاستخدام، وفي بعض الحالات يتطلب البيتومين التعديل كي يحقق المواصفات المطلوبة، حيث أن البيتومين يتم تسخينه إلى درجات حرارة مرتفعة من أجل تأمين اللزوجة الكافية لتغليف الحصويات بشكل جيد، ومن ثم يترك المجبول البيتوميني بعد الرص ليبرد في درجة حرارة الجو مما يؤدي إلى زيادة قساوته، وتستمر هذه الزيادة مع الزمن خلال الاستثمار، ويشار إلى هذا التعب من خلال مجموعة مظاهر يمكن ملاحظتها من خلال تصلب ولزوجة أكبر للبيتومين، وازدياد التقصف والهشاشة، ويصبح البيتومين أكثر قابلية للتشوهات والعيوب نتيجة تأثير المياه والعوامل الجوية المختلفة.
استخدم الرابط االبيتوميني المعدل منذ أكثر من 50 سنة وقد لاقى اهتماماً إضافياً في العقد الماضي، وعلى الرغم من أن استخدام البيتومين المعدل مكلف أكثر من استخدام البيتومين التقليدي إلا أنه يزيد من عمر الرصف البيتوميني؛ ويتم ذلك التعديل من خلال إضافة عدة مواد كالبوليميرات أو المواد المالئة والألياف الصناعية والإطارات البالية وغيرها من الإضافات وذلك لتحسين خواص البيتومين، وقد استخدم البيتومين المعدل بالبولمير لتحسين أداء الرصف البيتوميني في مجالات عديدة منها؛ إنقاص تشققات الرصف الناتجة عن الإجهادات الحرارية، والحمولات المتكررة، وانقاص التخدد، والناتج عن التشوهات اللدنة، وزيادة مقاومة الرابط البيتوميني للتعب الناتج عن درجات الحرارة العالية المرافقة للإنشاء واعطاء الرابط البيتوميني قساوة عالية في درجات حرارة الخدمة العالية، ومرونة أكبر في درجات حرارة الخدمة المنخفضة وللوصول أيضاً إلى التصاق أكبر بين الحصويات والبيتومين في حال وجود الرطوبة.
مقارنة خواص البيتومين العادي والبيتومين المعدل بالـ SBS
حيث إن الرموز المشار لها بالجدول السابق تدل على المصطلحات التالية:
A : يشير إلى البيتومين 70-60
A.SBS: يشير إلى البيتومين نفسه بعد إضافة الـ SBS
نلاحظ أن قيم الغرز انخفضت عند إضافة الـ SBS كما يلاحظ تناقص قيمة الاستطالة للبيتومين المعدل وإن هذا التناقص قي قيم الاستطالة وقيم الغرز تتوافق مع تزايد في قيم التميع وهذا يوافق بيتومين أقسى وأكثر قدرة على التحمل لدرجات الحرارة المرتفعة، وعند إجراء تجربة الفاقد بالحرارة نلاحظ أن قيم النقص بين البيتومين العادي والمعدل لم تتجاوز الحدود المسموحة في المواصفة التي تنص على ألا تزيد قيمة الفاقد عن 1% بعد التسخين لمدة /5 سا/ بل قامت الإضافة بتحسين نسبة الفاقد بالحرارة بنسبة أكبر من 30%.
وفيما يلي منحنيات تبين تغير قيم الغرز بتغير درجة حرارة التجربة ومقارنة مع البيتومين المعدل جنباً إلى جنب.
نلاحظ في المنحنيات السابقة أن البيتومين A غير المعدل هو المنحني بزاوية ميل أكبر أي أنه أشد حساسية لتأثير الحرارة، بينما المعدل له زاوية ميل أقل وبالتالي أقل حساسية لتأثير الحرارة وهذا يساعد البيتومين المتعرض لدرجات حرارة عالية ليكون أكثر تحملا للحرارة وأقل حساسية لتأثيرها وبالتالي ديمومة أكبر للخلطات البيتومينية.
نتائج اختبار البيتومين بعد اختبار الفاقد بالحرارة:
نلاحظ تحسن النقص في الغرز للبيتومين المعدل مقارنة مع البيتومين غير المعدل؛ حيث انخفض الغرز بعد الفاقد بنسبة 44% للبيتومين القياسي و 18% بالنسبة للبيتومين المعدل بعد تجربة الفاقد بالتسخين.
نسبة الغرز ودليل الغرز والغرز للبقايا بعد الفاقد بالحرارة للبيتومين القياسي والمعدل:
نلاحظ من الجدول السابق أن البيتومين غير المعدل قد حقق نسبة غرز أعلى من 25% من الاشتراطات على البيتومين القياسي؛ أما البيتومين المعدل فقيمة دليل الغرز أعلى من +2؛ وذلك يدل على حساسية أقل لتأثير الحرارة على البيتومين؛ حيث إن منحني تغيرات الغرز تبعاً لتغير درجة الحرارة يكون بزاوية ميل أقل.
كما نلاحظ من قيم الغرز للبقايا مع الفاقد بالحرارة أنها تحقق النسبة 54% والمحسوبة كنسبة مئوية من قيمة الغرز بالدرجة 25ْ، ونلاحظ تحسن هذه القيمة بالنسبة للبيتومين المعدل، وتحسن هذه النسبة يدل على تحسن في الممانعة الحرارية للبيتومين.
تصميم الخلطات البيتومينية:
يبين هذا الجدول نتائج تجربة مارشال وفيها قيم الثبات والانسياب والكثافة والفراغات الهوائية والمليئة بالبيتومين للبيتومين المعدل وغير المعدل؛ وذلك عند النسب المثالية للبيتومين المحدد بتجربة مارشال مخبرياً.
نلاحظ أن الخلطة البيتومينة A تميزت بخواص جيدة ولكن عند إضافة SBS نلاحظ أن الثبات قد تحسن والانسياب انخفض، ويتوافق هذا الانخفاض مع انخفاض القيم المطلوبة للبيتومين المعدل وينعكس بشكل إيجابي على الممانعة الحرارية للخلطات البيتومينة.
وكما ورد في المواصفات العامة للطرق والجسور فإن الثبات يجب ألا يقل عن 11 kn والانسياب 2-4 مم والفراغات الهوائية بين 3-5%.
النقص في الثبات:
بعد تحديد النسب المثالية لنوعي البيتومين المستخدمة في الخلطات وفق طريقة مارشال أجريت تجربة القص في الثبات وكانت النتائج كالتالي:
نلاحظ من الجدول السابق تحسن نسبة القص في الثبات باستخدام SBS وهذا يبدي تحسن في الممانعة الحرارية للخلطات المعدة من البيتومين المعدل حيث ارتفعت قيمة الثبات بمقدار 7.33% بعد إضافة الـ SBS إلى البيتومين وانخفاض نقصان الثبات من 17% إلى 14%، كما تظهر تحسن في الممانعة الحرارية باستخدام الـ SBS وبالتالي مقاومة أفضل تجاه تأثير الحرارة.
وهناك درسات أخرى عن البيتومين المعدل بالـ SBS أعطت النتائج الآتية:
- يلاحظ في الخلطات البيتومينية المعدلة بالـ SBS تحسن في قيم الثبات وانخفاض ملحوظ في قيم الانسياب وهذا ينعكس بشكل ايجابي وجيد على أداء أفضل وديمومة أطول للخلطات البيتومينية.
- نجد أن قيم الثبات في الخلطات المعدلة زادت عن قيم الثبات للخلطات غير المعدلة، وأعطت الخلطات البيتومينية المعدلة بنسبة 18 % SBS أعلى قيمة للثبات عند نسب بيتومين (5.5 – 6- 6.5 %).
- تناقصت قيم الانسياب في الخلطات المعدلة بالمقارنة مع قيم الانسياب للخلطات غير المعدلة ومن أجل جميع نسب البيتومين وفي الخلطات البيتومينية المعدلة بنسبة 18 % SBS أعطت أعلى نسبة للتناقص في الانسياب وذلك من أجل جميع نسب البيتومين.
- نلاحظ أن التحسن في قيم الثبات والنقصان في قيم الانسياب عند إضافة المطاط للخلطة البيتومينية كان متوافقاً مع نتائج أبحاث عديدة ومتنوعة تتناول موضوع إضافة SBS للخلطات البيتومينية .
- عند مقارنة الثبات والانسياب الموافق للنسبة المثالية للبيتومين في الخلطات المعدلة وغير المعدلة، نجد تزايد الثبات وتناقص الانسياب بشكل عام في الخلطات المعدلة جميعها بالمقارنة مع الخلطات غير المعدلة، وكانت نسبة التزايد في قيم الثبات للخلطات المعدلة بالمقارنة مع الخلطات غير المعدلة 166.59% عند نسبة خلط 18% بالـ SBS.
- تتناقص درجة الغرز والممطولية وتزداد نقطة التميع للبيتومين المعدل بالمطاط بالمقارنة مع البيتومين غير المعدل، وكان التناقص لدرجة الغرز والممطولية والزيادة لنقطة التميع مترافقاً بشكل تدريجي مع زيادة نسبة الـ SBS المضاف.
- نلاحظ من خلال استخدام الـ SBS بنسبة 18% أن قيمة الغرز بدرجة حرارة 25 درجة مئوية انخفضت بنسبة 52% ليتغير مجال الغرز من (60-70) للبيتومين غير المعدل إلى المجال (30-40) للبيتومين المعدل وهذا يظهر القساوة الكبيرة التي يكتسبها البيتومين بإضافة الـ SBS
- من النتائج نجد أن نسبة المطاط المضافة لها تأثير أكبر من التركيب الحبيبي المختلف للمطاط وذلك في تعديل خواص البيتومين.
الخلاصة:
مما سبق تبين لنا بالأرقام والتجارب المخبرية أن استخدام البيتومين المعدل بالـ SBS يؤدي إلى تحسن مواصفات البيتومين المستخدم حالياً من دون إضافات وفق الآتي:
- الزيادة في حجم حركة المرور.
- تحسين مقاومة الإسفلت لتقلبات الحرارة بين الدرجات العالية في الصيف الحار والمنخفضة جداً في البرد القارس؛ حيث يتعرض الاسفلت للتشققات في البرد القارس نتيجة التقلص الشديد عند درجة الحرارة المنخفضة جداً، وفي درجة الحرارة المرتفعة يصبح أكثر ليونة وقد يفقد مرونته فتحدث الأخاديد على سطحه بزيادة الحمولات والمرور عليه.
وبالتالي فإن استخدام البيتومين المعدل بالبوليميرات تزيد من المرونة حيث يكتسب خاصية مطاطية تسمح له بمقاومة التشوهات الناتجة عن البرودة الشديدة والحرارة العالية.
حسنات استخدام البوليمرات المعدلة:
- تحسين درجة الحساسية والمقاومة للتخدد.
- تحسين الخصائص عند انخفاض درجة الحرارة والمقاومة للتشقق.
- مقاومة أفضل للتشققات الناتجة عن التعب
- يزيد من عمر البيتومين.
حيث إن انخفاض الحساسية لتقلبات درجة الحرارة بالنسبة للبيتومين تؤدي إلى صلابة أعلى في درجات الحرارة المرتفعة وانخفاضها في درجات الشتاء المتدنية جداً ويكون ذلك بشكل ملحوظ عن البيتومين العادي التقليدي.
ومن خلال الدراسات العملية التي أجريت على البيتومين المعدل تبين أنه يزيد من:
- مقاومة الشقوق الناتجة عن التعب.
- مقاومة التشققات الناتجة عن انخفاض الحرارة.
- مقاومة التشوهات الحاصلة في البيتومين (الأخاديد).
- مقاومة التشققات العكسية.
- مقاومة للماء والتجمد.
- المقاومة الناتجة عن العمر.
- يزيد من عمر الخلطة الاسفلتية.
ينصح باستخدام هذا النوع من البيتومين المعدل بالبوليمرات حيث إن هذا النوع يحسن من مواصفات الاسفلت البنوية ويؤدي إلى زيادة عمر الخلطة الإسفلتية بوجود تقلبات درجات حرارة كبيرة بين المرتفعة والمنخفضة مع حركة المرور الكثيفة والحمولات الكبيرة المتكررة.
إعداد: المهندس إياس سليمان - إجازة في الهندسة المدنية - نقل ومواصلات - ماجستير تخطيط اقتصادي واجتماعي/ وزارة النقل - مديرية الشؤون الفنية والبنى التحتية – مكتب المتابعة في المنطقة الساحلية.
مراجع الدراسة:
- استخدام الـ SBS (Styrene – Butadien – Styrene) في تعديل البيتومين المستخدم في تصميم الخلطات البيتومينية – ديانة عادل مرشد – مجلة جامعة تشرين للبحوث والدراسات العلمية – 2015
- دراسة استخدام المطاط في تعديل الخلائط البيتومينية في مدينة اللاذقية – بحث أعد لنيل شهادة الماجستير في الهندسة المدنية اختصاص المواصلات والنقل – فاتن أمين فوز – جامعة تشرين – 2014.