- احمد خدادادی، استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
- منصور فخری، استادیار، دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
- حمیدرضا امیری حسینی، دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
ترک های خستگی یکی از مهمترین خرابی های روسازی آسفالتی هستند که به دلیل افزایش بار و ترافیک در جادههای ارتباطی و فرودگاه های کشور به وجود می آیند. ژئوسنتتیک ها می توانند به عنوان تقویت کننده در روسازی های آسفالتی تا حد زیادی در افزایش طول عمر آنها و جلوگیری از ایجاد ترک های زودرس مؤثر باشند. کارآیی ژئوسنتتیک ها در روسازی های آسفالتی به عوامل زیادی از جمله مخلوط آسفالتی، درجه حرارت، محل قرار گرفتن و ... بستگی دارد. این مقاله، به بررسی عملکرد دو نوع ژئوسنتتیک (ژئوتکستایل و ژئوگرید) در عمر خستگی تیرچه های آسفالتی به ابعاد 50 × 63×381 میلیمتر می پردازد. نمونه های مسلح نشده، مسلح شده با ژئوتکستایل و مسلح شده با ژئوگرید از دالهای آسفالتی بریده شده، از مقطع آزمایشی ساخته شده در محل تهیه گردیدند. آزمایش خستگی با استفاده از آزمایش تیر خمشی با بارگذاری 4 نقطه ای در حالت کرنش ثابت با موج نیمه سینوسی، بدون استراحت و فرکانس 10 هرتز، انجام شد. در پایان عمر خستگی نمونه ها، کاهش سختی به 50% سختی اولیه تعریف گردید. نتایج نشان می دهد که عمر خستگی نمونه های مسلح شده با ژئوتکستایل و ژئوگرید تا 50 و 56 درصد افزایش مییابد. همچنین لایه مسلح کننده در نمونه های مسلح شده، باعث افزایش سختی اولیه و کاهش سرعت گسترش ترک در تیرهای آسفالتی، در مقایسه با حالت مسلح نشده، می گردد.
کلمات کلیدی: روسازیهای آسفالتی، عمر خستگی، ژئوسنتتیکها و آزمایش تیر خمشی
1. مقدمه
خرابی در روسازهای انعطاف پذیر در اثر دو عامل ترک خوردگی یا شیار افتادگی روی می دهد. عامل شیار افتادگی عموماً در اثر عبور بارهای بیش از توان روسازی است، اما ترک ها معمولاً در اثر عبور زیاد وسایل نقلیه با بارهای عادی و انقباض و انبساط روسازی در اثر تغییرات دمایی حاصل می شوند. از میان این دو مکانیزم، ترکهای مربوط به خستگی به تعداد زیاد در رویه های آسفالتی دیده می شوند [1]، خستگی عبارت است از پدیده شکست بر اثر تکرار بار، تغییر و تناوب دینامیکی بار که ممکن است حتی کمتر از مقاومت نهایی استاتیکی آسفالت باشد. مقاومت در برابر خستگی یک مخلوط آسفالتی، توانمندی مخلوط در مقابل بارهای خمشی تکراری بدون شکست است. ترک های ناشی از خستگی در روسازی ها عموماً در اثر تغییرات شرایط محیطی خصوصاً تغییرات دمایی و تکرار بار وسایل نقلیه به وجود می آیند [2 و 3]، این ترکها را می توان به سه گروه دسته بندی کرد؛
-- ترک های طولی
-- ترک های عرضی
-- ترک های پوست سوسماری.
گسترش این ترک ها در سه مرحله انجام می شود:
مرحله اول مرحله آغاز ترک است و ترک های ریز در اثر تمرکز تنش در رویه ایجاد می شوند.
در مرحله دوم، ترک های ریزی که در مرحله اول ایجاد شده اند شروع به گسترش می کنند و ترک های بزرگتر تشکیل می شوند.
مرحله سوم مرحله شکست است [4]، تحقیقات مختلف نشان داده اند که میتوان با کاربرد مواد پلیمری جدید (ژئوسنتتیک ها) مقاومت کششی روسازی های آسفالتی را افزایش داد، بر طول عمر روسازی ها افزود و از ترک های زودرس و ایجاد و توسعه ترک های خستگی جلوگیری کرد. همچنین مشاهدات میدانی در روسازی های مسلح شده با ژئوسنتتیک ها نشان می دهند که لایه های مسلح کننده باعث بهبود زهکشی، افزایش عمر روسازی، کنار هم نگهداشتن قسمتهای ترک خورده، جلوگیری از نشستهای موضعی و کاهش شیارشدگی می شوند. [5، 6، 7، 8، 9، 10، 11 و 12].
ژئوسنتتیک ها محصولات مسطحی هستند که از مواد پلیمری ساخته شده و به عنوان یک بخش جدایی ناپذیر در پروژه های مهندسی عمران به همراه خاک، سنگ، زمین یا سایر مصالح مرتبط با مهندسی ژئوتکنیک به کار برده می شوند [13]
ژئوسنتتیک ها خانواده های از مصالح هستند با کاربردهای گسترده و متنوع در مهندسی ژئوتکنیک، که در چند دهه اخیر استفاده از آنها رشد بسیار محسوسی داشته است. ASTM ژئوسنتتیک ها را اینگونه تعریف می کند: [14]
ژئوسنتتیک ها به چنددسته کلی تقسیم میشوند:
ژئوتکستایل ها1، ژئوگریدها2، ژئونت ها3، ژئوممبرین ها4، ژئوکامپوزیت ها5.
متأسفانه هنوز استاندارد مشخصی در مورد نصب ژئوسنتتیک ها در روسازی های آسفالتی وجود ندارد و تنوع این محصولات توسط شرکتهای مختلف تولیدی کارآیی آنها در مکان های مختلف را همواره مورد سئوال قرار داده است.
بنابراین نحوه، محل نصب و نوع آسفالت می تواند تا حد زیادی برنحوه عملکرد ژئوسنتتیک ها مؤثر باشد و لذا لازم است که تأثیر استفاده از آنها در افزایش عمر آسفالت مورد بررسی قرار گیرد.
از آنجا که ترک های ناشی از خستگی یکی از پارامترهای تعیین کننده کیفیت آسفالت هستند. لذا در این تحقیق بررسی تأثیر کاربرد دو نوع ژئوسنتتیک برافزایش عمر روسازی آسفالتی از طریق آزمایش خستگی مورد بررسی قرار می گیرد.
روش های مختلفی برای تعیین عمر خستگی روسازی های آسفالتی وجود دارند که از میان آنها می توان به روشهای کشش غیرمستقیم، کشش مستقیم، تیرچه خمشی و ... اشاره کرد که از میان این روش ها، آزمایش خمشی تیرچه، روش مناسبتری برای پیشبینی عمر خستگی نمونه های آسفالتی است که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است.
هدف از این تحقیق بررسی میزان کارآیی ژئوسنتتیک ها در روسازی های آسفالتی و تأثیر کاربرد آنها در افزایش عمر خستگی اینگونه روسازی ها بر اساس مطالعات میدانی و آزمایشگاهی است.
2. مواد و روش آزمایش
به منظور مشخص کردن اثرات واقعی کاربرد ژئوسنتتیک ها در افزایش عمر خستگی روسازی آسفالتی، اقدام به ایجاد یک مقطع در محل فرودگاه امام با استفاده از ژئوتکستایل و ژئوگرید و بدون استفاده از این مواد گردید.
2-1 مواد به کار رفته
دانه بندی سنگدانه های به کار گرفته شده در این تحقیق مطابق مندرجات جدول 1 بوده است.
جدول 1. دانه بندی آسفالت ایجاد شده در محل
|
اندازه الک
|
درصد رد شده
|
میانگین حدود مشخصات شماره 4 جدول 18-3
نشریه 110 [15]
|
|
0.75 اینچ
|
-
|
-
|
|
0.50 اینچ
|
-
|
100-90
|
|
3.9 اینج
|
-
|
|
|
شماره 4
|
-
|
74-44
|
|
شماره 8
|
-
|
58-28
|
|
شماره 50
|
-
|
23-7
|
|
شماره 200
|
-
|
10-2
|
ژئوتکستایل مورد مصرف در این تحقیق PGM 14 بوده است که یک نوع ژئوتکستایل نبافته است. این ژئوتکستایل مخصوص آسفالت و مقاوم به حرارت در دماهای تا 160 درجه سانتیگراد است. مشخصات فنی این ژئوتکستایل براساس اطلاعات ارایه شده از سوی کارخانه تولیدکننده مطابق مندرجات جدول 2 است. اکنون این نوع ژئوتکستایل در آزادراه تهران-قم نیز استفاده می شود.
جدول 2. ویژگیهای ژئوتکستایل مورد استفاده [16]
|
ویژگی
|
استاندار
|
واحد
|
مقدار
|
|
نوع محصول
|
نبافته با الیاف پیوسته
|
|
مواد خام
|
100% پلی پروپیلن
|
|
جذب قیر
|
ASTM D
6140-97
|
|
1/1
|
|
مقاومت کششی کشیدگی
|
ASTM D
4632
|
N
|
520
|
|
%
|
50<
|
|
ضخامت در M2 KN/2
|
EN 964-1
|
mm
|
4/1
|
|
وزن در واحد سطح ضریب تغییرات
|
EN 965
|
g/m2
|
140
|
|
%
|
10>
|
|
نقطه ذوب
|
ASTM
D276
|
0c
|
165
|
|
بازیافت
|
100% قابل بازیافت با روشهای سنتی
|
ژئوگرید مورد استفاده در این تحقیق از نوع شبکه ای است. این نوع ژئوگرید نیز مخصوص آسفالت بوده و در برابر دماهای تا 190 درجه سانتیگراد مقاوم است. خصوصیات آن براساس اعلام کارخانه سازنده به شرح جدول 3 است.
جدول 3. ویژگیهای ژئوگرید مورد استفاده [18]
|
ویژگی
|
استاندارد
|
واحد
|
مقدار
|
|
نوع محصول
|
دو محوری
|
|
مواد خام
|
100% پلیاستر
|
|
اندازه منافذ
|
|
Mm
|
40 ×40
|
|
مقاومت کششی
طول/ عرضی
|
EN-ISO
10319
|
KN/m
|
50/50
|
|
کشیدگی در حداکثر نیرو
عرضی/ طولی
|
EN-ISO
10319
|
%
|
14/12
|
|
وزن در واحد سطح ضریب تغییرات
|
EN 965
|
g/m2
|
240
|
|
%
|
10>
|
|
نقطه ذوب
|
ASTM
D276
|
0c
|
190
|
2-4 طراحی آزمایش ها
با توجه به تعداد نمونه های به دست آمده در عملیات برش دال های برداشت شده از اجرای میدانی و توجه به حداقل نمونه های مورد نیاز برای رسم منحنی های خستگی، برای هرحالت مسلح شده و مسلح نشده 4 نمونه در 4 سطح کرنش مورد آزمایش قرار گرفتند. با عنایت به این نکته که نمونه ها در یک سمت مسلح شده بودند و برای شبیه سازی بهتر رشد ترک، در مقایسه با وضعیت واقعی از بارگذاری نیمه سینوسی با فرکانس 10 هرتز و بدون استراحت در حال کرنش کنترل شده استفاده گردید.
با توجه به نتایج حاصل از مرور مطالعات صورت گرفته در زمینه به کارگیری ژئوسنتتیک ها، برای مشاهده پتانسیل ژئوسنتتیک ها در مسلحسازی رویه های آسفالتی، نمونه ها در سطوح با کرنش زیاد آزمایش شدند. نمونه ها در 4 سطح کرنش 700، 900، 1100 و 1300 میکرون و در دمای 0.8 - 20 درجه سانتیگراد مورد آزمایش قرار گرفتند و آزمایش ها تا شروع مرحله سوم نمودار کاهش ضریب سختی در مقابل تکرار بار ادامه یافتند.
3. پردازش نتایج و بحث
یکی از معمولترین معادلات خستگی بهصورت معادله (1) است [20].
که در آن کرنش کششی اولیه و K و n ضرایب ثابت هستند که بعد از رسم نمودار تعداد تکرار در مقابل کرنش کششی اولیه در مقیاس لگاریتمی، با استفاده از معادله خط برازش شده، قابل محاسبه اند. نتایج مربوط به آزمایشهای این تحقیق براساس معادله فوق نشان داده شده اند.
در گام اول پردازش نتایج حاصل، عمر خستگی نمونه های مختلف استخراج گردید که به شرح جدول 5 تا 7 بیان شده است. مبنای عمر خستگی که در تحلیل های بعدی مورد استفاده قرار میگیرد، کاهش سختی تا 50% سختی اولیه است. سپس نمودارهای سطوح کرنش در برابر عمر خستگی برای هرسه حالت رسم شدند و با استفاده از نرمافزار برروی این نقاط رگرسیون نمایی انجام شد که نمودارهای حاصل، معادلات به دست آمده و ضریب همبستگی (R2) مطابق اشکال 6 تا 8 و جدول 8 ارایه میشوند. ضرایب K و n براساس رابطه 1 به دست میآیند. بررسی نمودارهای مربوط به ضریب سختی در برابر تکرار بار برای هرنمونه نشان می دهد که نمونه های مسلح شده دارای ضریب سختی بیشتری از نمونه های غیرمسلح هستند که این ضریب در نمونه های مسلح شده با ژئوگرید بیشتر است. نتایج کارهای Brown، Saraf Kim، et al نیز نشاندهنده این مطلبند [8، 12 و 21]
جدول 5. تعداد تکرار بار تا مرحله شکست در نمونه های مسلح نشده
|
سطح کرنش
|
تعداد تکرار تا مرحله شکست (کاهش 50% ضریب سختی)
|
تعداد تکرار تا پایان مرحله دوم نمودار تکرار سختی
|
|
700
|
309067
|
315060
|
|
900
|
91560
|
122572
|
|
1100
|
28733
|
37680
|
|
1300
|
18030
|
21353
|
جدول 6. تعداد تکرار بار تا مرحله شکست در نمونههای مسلح شده با ژئوتکستایل
|
سطح کرنش
|
تعداد تکرار تا مرحله شکست (کاهش 50% ضریب سختی)
|
تعداد تکرار تا پایان مرحله دوم نمودار تکرار سختی
|
|
700
|
356961
|
597013
|
|
900
|
120340
|
270105
|
|
1100
|
53460
|
62491
|
|
1300
|
28668
|
35290
|
جدول 7. تعداد تکرار بار تا مرحله شکست در نمونه های مسلح شده با ژئوگرید
|
سطح کرنش
|
تعداد تکرار تا مرحله شکست (کاهش 50% ضریب سختی)
|
تعداد تکرار تا پایان مرحله دوم نمودار تکرار سختی
|
|
700
|
442189
|
448923
|
|
900
|
139630
|
175790
|
|
1100
|
43650
|
52610
|
|
1300
|
25650
|
36700
|
عملکرد ژئوگریدها در نمونه های آسفالتی بیشتر مسلح کننده است به این معنی که افزایش عمر خستگی ناشی از افزایش سختی اولیه و به تأخیر انداختن ایجاد ترکهای ریز اولیه، از طریق حبس مخلوط و نگهداشت جانبی است اما در نمونه های مسلح شده با ژئوتکستایل، تشکیل یک لایه نرم داخلی، باعث تأخیر در گسترش ترکها و ایجاد ترک های بزرگ نهایی می شود و عامل افزایش عمر خستگی است Chang et al. این عملکرد را در مورد ژئوگریدها مورد تأیید قرار داه است Gilchrist و Austin در مورد ژئوتکستایلها نیز به این مطلب اشاره کردهاند [22 و 23]
4. نتیجه گیری
آرمایشهای مربوط بهبررسی خستگی نمونه های روسازی های آسفالتی مسلح شده با ژئوسنتتیک ها نشان میدهد که این نمونه ها بهمراتب بهتر از نمونه های مسلح شده با ژئوسنتتیک ها نشان میدهد که این نمونه ها به مراتب بهتر از نمونه های مسلح نشده میتوانند خستگی را تحمل نمایند. این افزایش خستگی در سطح کرنش های بزرگتر بیشتر آشکار می شود. مشاهدات عینی در حین انجام آزمون های خستگی تیر 6 نشان دادند که نمونه های مسلح شده پس از پایان آزمایش، یکپارچگی و پایداری بهتری از نمونه های غیرمسلح دارند و عرض ترکهای ایجاد شده هم کمتر است. علت این امر این است که در پایان عمر خستگی نمونه های مسلح شده، لایه های ژئوگرید و ژئوتکستایل تقریباً سالم باقی می مانند.
محاسبات اولیه برروی نتایج جداول 5 تا 7 نشان میدهند که اگر مبنای پایان عمر خستگی کاهش ضریب سختی به اندازه 50% سختی اولیه باشد، عمر خستگی در نمونه های مسلح شده با ژئوگرید به طور میانگین به اندازه 50% و در نمونه های مسلح شده با ژئوتکستایل به اندازه 48% در مقایسه با نمونه های مسلح نشده افزایش می یابد. تمامی تحقیقات قبلی در مورد کاربرد ژئوسنتتیک ها در مسلح سازی روسازیهای آسفالتی، این مبنا را عبور ترک از عرض نمونه تعریف کرده اند. به این دلیل اختلاف نتایج این تحقیق در مورد عمر خستگی با کارهای قبلی زیاد است. اگر مبنای پایان عمر خستگی پایان مرحله دوم نمودار ضریب سختی در مقابل تکرار بار برای هر نمونه باشد، مقادیر بند فوق برای نمونه های مسلح شده با ژئوگرید 56% و برای نمونه های مسلح شده با ژئوتکستایل 85% است.
مقادیر K بهدست آمده در جدول 9 نشان میدهد که اثر ژئوتکستایل و ژئوگریدها، برافزایش عمر خستگی در سطوح با کرنش زیاد مشهودتر است و این امر در مورد ژئوتکستایل ها بیشتر قابل توجه است. همچنین مقادیر n نشان میدهند که سرعت کاهش عمر خستگی در نمونههای مسلح شده با افزایش سطح تنش کمتر از نمونه های مسلح نشده است.
با توجه به مندرجات فوق میتوان نتیجه گرفت که عملکرد ژئوگریدها در نمونه های آسفالتی بیشتر مسلح کننده است، اما در نمونه های مسلح شده با ژئوتکستایل، تأخیر در گسترش ترکها عامل افزایش عمر خستگی است.