قیر اصلاح‌شده با پوسته گردو؛ رویکردی پایدار برای بهبود عملکرد قیر در دماهای بالا
بررسی تأثیر پودر ریز آسیاب‌شده پوسته گردو بر مقاومت شیارشدگی قیرهای عملکردی (PG)
مقدمه
توسعه مصالح راه‌سازی با عملکرد بالا و رویکردهای پایدار، به یکی از موضوعات مهم در مهندسی روسازی تبدیل شده است. افزایش بار ترافیکی، تغییرات شرایط اقلیمی و نیاز به بهبود دوام جاده‌ها، پژوهشگران را به سمت بررسی مواد جایگزین و روش‌های جدید اصلاح قیر سوق داده است.
یکی از رویکردهای مورد توجه، استفاده از پودر ریز آسیاب‌شده پوسته گردو (WSP) به‌عنوان اصلاح‌کننده زیست‌پایه در قیرهای عملکردی (Performance-Graded Bitumen) است. در پژوهش انجام‌شده توسط تیم فنی شرکت قیر برنت پارس، تأثیر این ماده بر خواص رئولوژیکی قیر، به‌ویژه مقاومت آن در برابر تغییر شکل دائمی در دماهای بالا، مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج پژوهش نشان می‌دهد که پودر پوسته گردو می‌تواند عملکرد قیر در دماهای بالا را بهبود دهد؛ با این حال، تأثیر آن بر انعطاف‌پذیری در دماهای پایین نیز باید به‌دقت ارزیابی شود.
قیر اصلاح‌شده با پوسته گردو چیست؟
قیر اصلاح‌شده با پوسته گردو، نوعی قیر است که در ترکیب آن از پودر ریز آسیاب‌شده پوسته گردو به‌عنوان ماده تقویت‌کننده استفاده می‌شود. پوسته گردو یکی از محصولات جانبی فعالیت‌های کشاورزی و صنایع فرآوری خشکبار است که پس از آماده‌سازی و آسیاب، می‌تواند برای بررسی کاربرد در مصالح قیری مورد استفاده قرار گیرد.
در روش‌های متداول اصلاح قیر، معمولاً از افزودنی‌های پلیمری برای تغییر خواص عملکردی قیر استفاده می‌شود. در مقابل، این پژوهش امکان استفاده از یک ماده حاصل از ضایعات کشاورزی را برای تغییر رفتار فیزیکی و رئولوژیکی قیر بررسی می‌کند.
هدف از این رویکرد، ارزیابی ظرفیت این ماده برای بهبود برخی ویژگی‌های عملکردی قیر و هم‌زمان، فراهم کردن زمینه استفاده مؤثرتر از محصولات جانبی کشاورزی است.
روش انجام پژوهش
در این مطالعه، یک قیر پایه با درجه عملکردی PG 64-22 به‌عنوان نمونه مرجع انتخاب شد و تأثیر افزودن پودر پوسته گردو بر خواص آن مورد ارزیابی قرار گرفت.
پوسته‌های گردو از یک واحد فرآوری محلی تهیه شدند. این مواد پس از شست‌وشو، به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۱۰۵ درجه سانتی‌گراد خشک شدند و سپس با استفاده از آسیاب گلوله‌ای به پودر تبدیل شدند. در مرحله بعد، پودر حاصل الک شد تا اندازه ذرات آن حداکثر ۷۵ میکرومتر باشد.
برای بررسی تأثیر میزان افزودنی، دو نمونه اصلاح‌شده با درصدهای ۳ و ۷ درصد پودر پوسته گردو نسبت به وزن کل قیر تهیه شدند. سپس خواص این نمونه‌ها با قیر پایه اصلاح‌نشده مقایسه شد.
برنامه آزمایش‌ها شامل آزمون‌های متداول قیر و ارزیابی‌های رئولوژیکی در دماهای بالا، متوسط و پایین بود.
آزمون‌های اصلی مورد استفاده
- رئومتر برش دینامیکی (DSR): برای بررسی رفتار رئولوژیکی قیر در دماهای بالا و متوسط و ارزیابی شاخص‌های مرتبط با مقاومت در برابر شیارشدگی و رفتار خستگی.
- رئومتر تیر خمشی (BBR): برای ارزیابی سختی خزشی و قابلیت رهایی از تنش در دماهای پایین.
- آزمون‌های درجه نفوذ، نقطه نرمی و ویسکوزیته: برای بررسی تغییرات قوام، سختی نسبی و رفتار جریان قیر.
این آزمون‌ها اطلاعات مهمی درباره رفتار قیر در شرایط دمایی مختلف فراهم می‌کنند. با این حال، نتایج آزمایش‌های مربوط به قیر به‌تنهایی برای تأیید عملکرد نهایی مخلوط آسفالتی در شرایط واقعی جاده کافی نیستند.
نتایج اصلی پژوهش؛ تأثیر پودر پوسته گردو بر عملکرد قیر
۱. بهبود عملکرد در دماهای بالا
نتایج آزمون DSR نشان داد که با افزودن پودر پوسته گردو، مدول مختلط برشی (G*) افزایش و زاویه فاز (δ) کاهش پیدا می‌کند. در نتیجه، شاخص G*/sin δ در نمونه‌های اصلاح‌شده افزایش یافت که بیانگر بهبود مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی تحت شرایط آزمایش‌شده است.
همچنین، دمای بالای عملکرد پیوسته قیر افزایش یافت. طبق نتایج گزارش‌شده در پژوهش، نمونه حاوی ۷ درصد پودر پوسته گردو الزامات درجه عملکردی PG 70-XX را در بخش دمای بالا برآورده کرد؛ در حالی که قیر پایه مورد استفاده از درجه PG 64-22 بود.
این تغییر به اثر تقویت‌کنندگی ذرات سخت پوسته گردو در ساختار قیر نسبت داده شده است. چنین رفتاری می‌تواند در بررسی راهکارهای بهبود پایداری قیر در برابر بارگذاری و دماهای بالا اهمیت داشته باشد.
۲. تغییر در خواص متداول قیر
افزودن پودر پوسته گردو باعث کاهش درجه نفوذ و افزایش نقطه نرمی و ویسکوزیته قیر شد.
این تغییرات نشان می‌دهند که قیر اصلاح‌شده سخت‌تر و ویسکوزتر شده است. افزایش این ویژگی‌ها می‌تواند برای پایداری در دماهای بالا مفید باشد؛ اما تأثیر نهایی آن‌ها به نوع کاربرد، شرایط فرآوری و تعادل میان سختی و انعطاف‌پذیری بستگی دارد.
بنابراین، ارزیابی این نوع اصلاح‌کننده باید بر اساس مجموعه‌ای از خواص عملکردی انجام شود، نه صرفاً یک شاخص آزمایشگاهی.
۳. رفتار قیر در دماهای متوسط
در این پژوهش، با افزایش میزان پودر پوسته گردو، شاخص G*·sin δ نیز افزایش یافت.
این نتیجه نشان‌دهنده تغییر در پاسخ رئولوژیکی قیر است؛ اما به‌تنهایی اثبات نمی‌کند که مقاومت آن در برابر ترک‌خوردگی خستگی افزایش یافته است. برای درک دقیق‌تر تأثیر این ماده بر عملکرد خستگی، انجام بررسی‌های تکمیلی، به‌ویژه آزمایش‌های مربوط به مخلوط آسفالتی تحت بارگذاری تکراری، ضروری است.
۴. عملکرد در دماهای پایین؛ نکته‌ای تعیین‌کننده
یکی از نتایج مهم پژوهش، مشاهده مبادله عملکردی میان افزایش سختی در دماهای بالا و کاهش انعطاف‌پذیری در دماهای پایین بود.
بر اساس نتایج آزمون BBR، با افزایش درصد پودر پوسته گردو، سختی خزشی افزایش یافت و مقدار شاخص m کاهش پیدا کرد. در نمونه حاوی ۷ درصد افزودنی که در دمای ۱۸- درجه سانتی‌گراد بررسی شد، سختی خزشی از حد ۳۰۰ مگاپاسکال فراتر رفت و مقدار m به کمتر از ۰٫۳۰۰ رسید.
این نتایج نشان می‌دهند که قیر اصلاح‌شده ممکن است توانایی کمتری در رهایی از تنش‌های حرارتی داشته باشد. چنین شرایطی می‌تواند حساسیت قیر به ترک‌خوردگی در دماهای پایین را افزایش دهد.
به همین دلیل، انتخاب درصد مناسب افزودنی نباید صرفاً بر اساس بهبود عملکرد در دماهای بالا انجام شود. شرایط اقلیمی منطقه، الزامات پروژه و تمام معیارهای درجه عملکردی قیر باید در فرآیند طراحی و ارزیابی مدنظر قرار گیرند.
نقش پوسته گردو در توسعه مصالح پایدار راه‌سازی
استفاده از محصولات جانبی کشاورزی در تولید مصالح ساختمانی و راه‌سازی، فرصتی برای بررسی منابع جایگزین و بهره‌برداری مؤثرتر از مواد موجود فراهم می‌کند.
پودر پوسته گردو از این جهت قابل توجه است که می‌تواند به‌عنوان یک جزء تقویت‌کننده فیزیکی در ساختار قیر عمل کند. در پژوهش حاضر، سازوکار اصلاح عمدتاً فیزیکی توصیف شده است؛ به این معنا که ذرات پوسته گردو بدون اتکا به یک واکنش شیمیایی، رفتار فیزیکی و رئولوژیکی قیر را تغییر می‌دهند.
با این حال، برای ارزیابی دقیق مزایای زیست‌محیطی این رویکرد، بررسی‌های بیشتری درباره منبع تأمین مواد اولیه، انرژی مورد نیاز برای فرآوری، هزینه تولید، دوام محصول و عملکرد زیست‌محیطی مخلوط آسفالتی نهایی لازم است.
نتایج فعلی، زمینه مناسبی برای ادامه پژوهش درباره کاربرد اصلاح‌کننده‌های حاصل از ضایعات کشاورزی در مصالح قیری فراهم می‌کنند.
چرا ارزیابی عملکرد قیر اهمیت دارد؟
بهبود یک ویژگی قیر الزاماً به معنای افزایش عملکرد آن در تمام شرایط محیطی و ترافیکی نیست. یک قیر اصلاح‌شده مناسب باید تعادل قابل قبولی میان پایداری در دماهای بالا، رفتار در دماهای متوسط و مقاومت در برابر ترک‌خوردگی در دماهای پایین برقرار کند.
از این رو، انتخاب اصلاح‌کننده مناسب مستلزم انجام آزمون‌های نظام‌مند و در نظر گرفتن شرایط اقلیمی و ترافیکی پروژه است. همچنین، بررسی عملکرد مخلوط آسفالتی و تطبیق نتایج با الزامات فنی پروژه، بخش مهمی از فرآیند ارزیابی به شمار می‌رود.
در شرکت قیر برنت پارس، پژوهش و ارزیابی فنی مواد به توسعه راهکارهای قیری بر پایه نتایج آزمایشگاهی و نیازهای کاربردی صنعت کمک می‌کند.
جمع‌بندی
پژوهش انجام‌شده در شرکت قیر برنت پارس نشان می‌دهد که پودر ریز آسیاب‌شده پوسته گردو ظرفیت قابل توجهی برای بهبود عملکرد قیرهای PG در دماهای بالا دارد.
افزودن این ماده موجب افزایش شاخص‌های مرتبط با سختی و بهبود مقاومت در برابر شیارشدگی در شرایط آزمایش‌شده شد. در مقابل، نتایج آزمون‌های دمای پایین بر ضرورت توجه به تعادل میان سختی قیر و توانایی آن در رهایی از تنش‌های حرارتی تأکید می‌کنند.
قیر اصلاح‌شده با پوسته گردو را می‌توان یکی از زمینه‌های قابل بررسی در پیوند میان مهندسی مواد و استفاده از محصولات جانبی کشاورزی دانست. برای تعیین دامنه کاربردهای عملی این فناوری، انجام آزمایش‌های تکمیلی روی مخلوط آسفالتی و ارزیابی آن در شرایط اقلیمی مختلف ضروری خواهد بود.
تیم پژوهش
- امیرحسین اکبری — مدیر تحقیق و توسعه، شرکت قیر برنت پارس
- حمیدرضا رمضانی — مدیر کنترل کیفیت، شرکت قیر برنت پارس
- طاها موحد — کارشناس تضمین کیفیت، شرکت قیر برنت پارس
این مطلب بر اساس پژوهش منتشرشده در اکتبر ۲۰۲۵ تهیه شده است.
درباره شرکت قیر برنت پارس
شرکت قیر برنت پارس در زمینه توسعه و تأمین قیرهای معمولی و اصلاح‌شده برای پروژه‌های راه‌سازی و زیرساختی فعالیت می‌کند و بر ارزیابی فنی، کیفیت محصول و تأمین بازارهای بین‌المللی تمرکز دارد.
