قیرهای اصلاح‌شده با پلیمر: مشخصه‌ها، مزایا و چالش‌ها

نوع مقاله: تالیفی

نویسندگان

پژوهشگر- پژوهشکده علوم و فناوری دفاعی شمالغرب

چکیده

تولید قیر به‌عنوان ماده تجاری، به‌ویژه در حوزه راه‌سازی، سال‌به‌سال در حال افزایش است. متأسفانه شرایط کاربری مانند گرما، تغییرات دما، نزولات آسمانی و فشار واردشده بر اثر تردد خودروها به‌ویژه خودروهای سنگین، موجب تخریب قیر می‌شود. همین مسئله، موجب افزایش هزینه‌های تعمیر و نگه‌داری آن می‌شود. بدین دلیل، برای افزایش طول عمر کاربری قیر تلاش‌های زیادی شده است. از امیدبخش‌ترین روش‌ها برای این منظور، افزودن ماده پلیمری به ساختار قیر است. قیرهای پلیمری یا قیرهای اصلاح‌شده با پلیمر (PMBs)، به‌عنوان اصلی‌ترین گزینه افزایش عملکرد و ماندگاری قیر به‌ویژه در حوزه راه‌سازی، شناخته می‌شوند. اما این قیر‌ها با موانع جدی دست‌به‌گریبان هستند که مهم‌ترین آن‌ها هزینه زیاد تولید، دشواری رسیدن به شرایط ایده‌آل عملکردی، ناپایداری و جدایش فازی هستند. برای رفع این معضلات، چاره‌ای جز شناخت دقیق‌تر اجزای قیر و ویژگی‌های عملکردی آن‌ها، نقش پلیمر در بهبود عملکرد، انحلال‌پذیری اجزا در پلیمر، شیمی و ساختار قیر وجود ندارد. از این رو در مقاله حاضر، پس از معرفی قیر‌های اصلاح‌شده با پلیمر و بیان تاریخچه‌ای از تولید آن‌ها، به بررسی شیمی قیر پرداخته و با استفاده از این اطلاعات، معماری پلیمر مطلوب در PMBs بیان شده است. درنهایت نیز رویه‌های کلی اصلاح یا بهبود PMBs معرفی شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Polymer-modified Bitumens: Characteristics, Advantages and Challenges

نویسنده [English]

  • Reza Arami
چکیده [English]

Asphalt manufacturing, as a commercial material, especially in road construction, is increased on yearly basis. Unfortunately, in application conditions such as heat, temperature changes, precipitation (as snow, rain, hail and etc.) and pressure impact (resulting by vehicles, especially those heavy vehicles), cause much destruction of the asphalt. This leads to high maintenance cost. So, many efforts have been made to increase asphalt durability. One of the most promising methods is to add polymers into asphalt structure. Polymer-modified bitumens (PMBs) are known as a basic choice, especially in case of paving the streets and roads, in order to enhance asphalt durability. But these are grappled with serious limits, which most important are: high manufacture cost, difficulty of maintaining ideal work condition, instability and phase separation. To eliminate these problems, there is hardly a remedy except subtle cognition of components of bitumen, their properties, polymer role in modifying, components solubility in polymer, chemistry and structure of bitumen. Therefore, in this paper, following an account on PMBs and brief history of their manufactures, chemistry of bitumen is presented and the favorable polymer architecture in PMBs is demonstrated. Finally, general routes to modify or improve PMBs are introduced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • bitumen
  • polymer modified bitumen
  • bitumen chemistry
  • asphaltene
  • maltene
1. Airey G., Rheological Properties of Styrene Butadiene Styrene Polymer Modified Road Bitumens, Fuel, 82, 1709-1719,
2003.
2. Yildirim Y., Polymer Modified Asphalt Binders, Constr. Build. Mater., 21, 66-72, 2007.
3. Mazumder M., Kim H., and Lee S.-J., Performance Properties of Polymer Modified Asphalt Binders Containing Wax Additives,Int. J. Pavement Res. Technol., 9, 128-139, 2016.
4. Attaelmanan M., Feng C.P., and Al-Hadidy A., Laboratory Evaluation of HMA with High Density Polyethylene as a
Modifier, Constr. Build. Mater., 25, 2764-2770, 2011.
5. Zenke G., On the Use of Polymer-Modified Bitumen in Asphalt Mixes, Stationaere Mischwerk, 10, 255-264, 1976.
6. Reese R. and Predoehl N.H., Evaluation of Modified Asphalt Binders (Interim Report), Washington D.C., Federal Highway Administration, Report No FHWA/CA/TL-89/15, 1989.
7. Kalantar Z.N., Karim M.R., and Mahrez A., A Review of Using Waste and Virgin Polymer in Pavement, Constr. Build.
Mater., 33, 55-62, 2012.
8. Beker Y., Mendez P., and Rodríguez Y., Polymer Modified Asphalt,Vis Techlo, 9, 39-48, 2001.
9. Gahvari F., Effects of Thermoplastic Block Copolymers on Rheology of Asphalt, J. Mater. Civ. Eng., 9, 111-116, 1997.
10. Lu X., Isacsson U., and Ekblad J., Phase Separation of SBS Polymer Modified Bitumens, J. Mater. Civ. Eng., 11, 51-57,
1999.
11. Collins J.H., Bouldin M.G., Gelles R., and Berker A., Improved Performance of Paving Asphalts by Polymer Modification
(with Discussion), AAPT, 43-79, 1991.
12. Wardlaw K.R. and Shuler S., Polymer Modified Asphalt Binders, STP1108, ASTM Internationl, USA, 79-86, 1992.
13. Giavarini C., De Filippis P., Santarelli M.L., and Scarsella M., Production of Stable Polypropylene-Modified Bitumens, Fuel, 75, 681-686, 1996.
14. Kajugaran, S. and Weragoda V.S.C., Development of Polymer Modified Asphalt Using Filler, IEEE, 2016, 355-360, 2016.
15. Lesueur D., The Colloidal Structure of Bitumen: Consequences on the Rheology and on the Mechanisms of Bitumen Modification, Adv. Colloid Interface Sci., 145, 42-82, 2009.
16. Redelius P., Bitumen Solubility Model Using Hansen Solubility Parameter, Energy Fuels, 18, 1087-1092, 2004.
17. Polacco G., Stastna J., Biondi D., and Zanzotto L., Relation Between Polymer Architecture and Nonlinear Viscoelastic

Behavior of Modified Asphalts, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 11, 230-245, 2006.
18. Polacco G., Filippi S., Merusi F., and Stastna G., A Review of the Fundamentals of Polymer Modified Asphalts: Asphalt/
Polymer Interaction and Principles of Compatibility, Adv. Colloid Interface Sci., 224, 72-112, 2015.
19. Vasiljevic-Shikaleska A., Popovska-Pavlovska F., Cimmino S., Duraccio D., and Silvestre C., Viscoelastic Properties and
Morphological Characteristics of Polymer-Modified Bitumen Blends, J. Appl. Polym. Sci., 118, 1320-1330, 2010.
20. Larsen D.O., Filippi S., Merusi F., and Stastna G., Micro- Structural and Rheological Characteristics of SBS-Asphalt
Blends During Their Manufacturing, Constr. Build. Mater.,23, 2769-2774, 2009.
21. Belmares M., Blanco M., Goddard W.A., Ross R.B., Caldwell G., Chou S.H., Pham J., Olofson P.M., and Thomas C., Hildebrand and Hansen Solubility Parameters from Molecular Dynamics with Applications to Electronic Nose Polymer Sensors, J. Comput. Chem., 25, 1814-1826, 2004.
22. Hamley I.W., Developments in Block Copolymer Science and Technology, John Wiley and Sons, England, 58-62, 2004.
23. Polacco G., Muscente A., Biondi D., and Santini S., Effect of Composition on the Properties of SEBS Modified Asphalts,
Eur. Polym. J., 42, 1113-1121, 2006.
24. Smirh J.D., Mellott J.W., Rus M., Sokol D., and Holland J., Active Polymer Modification of Bitumen for Use in Roofing,
US Pat. 2015/0240082 A1, 2015.
25. Nivitha M.R., Prasad E., and Krishnan J.M., Ageing in Modified Bitumen Using FTIR Spectroscopy, Int. J. Pavement
Eng., 17, 565-577, 2016.
26. Wen G., Zhang Y., Sun K., and Chen Z., Vulcanization Characteristics of Asphalt/SBS Blends in the Presence of Sulfur, J.Appl. Polym. Sci., 82, 989-996, 2001.
27. Dessouky S., Contreras D., Sanchez J., Papagiannakis A.T., and Abbas A., Influence of Hindered Phenol Additives on the Rheology of Aged Polymer-Modified Bitumen, Constr. Build. Mater., 38, 214-223, 2013.
28. Zhang H., Yu J., and Wu S., Effect of Montmorillonite Organic Modification on Ultraviolet Aging Properties of SBS Modified Bitumen, Constr. Build. Mater., 27, 553-559, 2012.
29. Shivokhin M., Morales M., Partal P., Cuadri A.A., and Gallegos C., Rheological Behaviour of Polymer-Modified Bituminous Mastics: A Comparative Analysis Between Physical and Chemical Modification, Constr. Build. Mater., 27, 234-
240, 2012.