کتاب پسماند ‏زغال ‏سنگ ‏و ‏بازیافت ‏سرد ‏آسفالت

فصـل اول 13
مقدمه 13
فصـل دوم 17
مقدمه 17
تاثیر آهک بر خصوصیات رفتاری مخلوط بازیافت شده با قیر امولسیون 19
خصوصیات تراکمی 20
مقاومت کششی و استقامت 21
مدول سختی 23
تغییر شکل های ماندگار 23
حساسیت رطوبتی 25
تاثیر سیمان بر خصوصیات رفتاری مخلوط بازیافت شده با قیر امولسيون 27
خصوصیات تراکمی 28
مقاومت کششی و استقامت 29
مدول سختی 31
تغییرشکل های ماندگار 32
خستگی 34
حساسیت حرارتی 36
حساسیت رطوبتی 37
تاثیر خاکستر بادی بر خصوصیات رفتاری مخلوطهای سرد 38
استفاده از خاکستر بادی به عنوان تثبیت کننده در بازیافت سرد آسفالت 38
استفاده از خاکستر بادی در مخلوطهای امولسیونی 39
ضایعات زغال سنگ 42
اثرات زیست محیطی ضایعات زغال سنگ 42
تجربه های استفاده از ضایعات زغال سنگ در صنعت ساخت و ساز 43
فصـل سوم 45
مواد و افزودنیها 46
سنگدانه های خرده آسفالتی (RAP) 46
قیر امولسیون 48
ضایعات زغال سنگ 49
خاکستر ضایعات زغال سنگ 50
آهک 52
طرح اختلاط آزمایشگاهی 53
مقدمه 53
قیر امولسیون بهینه 54
تعیین درصد قیر امولسیون بهینه بر اساس معیارها 57
تعیین درصد رطوبت بهینه برای مخلوط فاقد افزودنی 58
تعیین درصد رطوبت بهینه برای مخلوط های حاوی افزودنی 60
آزمایشها 62
آزمایش مارشال 62
آزمایش مقاومت کششی غیرمستقیم (ITS) 63
آزمایش مدول برجهندگی ( ) 64
آزمایش خستگی 66
آزمایش خزش دینامیکی 71
حساسیت رطوبتی 73
آزمایش تراوش مواد آلاینده TCLP 74
عمل آوری 76
عمل آوری در گرمخانه 76
عمل آوری خشک در محیط (بدون پوشش) 76
عمل آوری در محیط (با پوشش) 77
فصـل چهارم 79
مقدمه 79
آزمایش مارشال 79
نتایج آزمایش مارشال تحت شرایط عمل آوری در گرمخانه 79
نتایج آزمایش مارشال تحت شرایط عمل آوری خشک 81
آزمایش مقاومت کششی غیرمستقیم (ITS) 83
نتایج آزمایش مقاومت کششی تحت شرایط عمل آوری در گرمخانه 83
نتایج آزمایش مقاومت کششی تحت شرایط عمل آوری خشک 84
نتایج آزمایش مقاومت کششی تحت شرایط عمل آوری در محیط (با پوشش) 85
مقایسه تاثیرات شرایط عمل آوری بر مقاومت کششی مخلوط بازیافت شده 87
آزمایش مدول برجهندگی 88
نتایج آزمایش مدول برجهندگی 88
آزمایش خستگی 89
تعیین عمر شکست 89
نتایج آزمایش خستگی 90
آزمایش خزش دینامیکی 92
نتایج آزمایش خزش دینامیکی 92
آزمایش حساسیت رطوبتی 93
نتایج آزمایش حساسیت رطوبتی 93
آزمایش تراوش مواد آلاینده TCLP 94
نتایج آزمایش تراوش مواد آلاینده TCLP 95
نتیجه گیری 96
منـابع و مآخـذ 99

یک نظام اقتصادی پویا به زیرساختهای حمل و نقل مناسب و پایدار نیازمند است که راهها اساسی ترین جزء آن محسوب می‌شوند. هزینه های ساخت و نگهداری راهها نیز به عنوان یکی از عوامل مؤثر بر نظام اقتصادی کشورها، باید مورد توجه قرار گیرد [۱]. امروزه رویکردهای زیست محیطی در مجامع علمی مختلف مورد تأکید قرار گرفته اند، این مسئله منجر به استفاده از فناوریهای نوینی شده که می‌تواند باعث حفظ منابع طبیعی، کاهش مصرف انرژی و کمک به رونق اقتصادی باشد. مبتنی بر این دیدگاه پژوهشگران مهندسی روسازی فناوری های جدیدی انتخاب کرده‌اند که با محیط زیست سازگاری بیشتری دارند. از جمله این فناوری ها می توان به بازیافت روسازی، استفاده از مصالح ضایعاتی و استفاده از مخلوطهای آسفالتی نیمه گرم و سرد اشاره نمود امروزه استفاده از فناوری بهسازی با روش بازیافت سرد برای روسازی های بتن آسفالتی به عنوان یکی از رویکردهای زیست محیطی و در عین حال اقتصادی، مکررا توسط پژوهشگران توصیه شده است. انجام فرآیندهای بازیافت سرد روسازی در دمای محیط یکی از برتری های این روش می‌باشد [۵]. در واقع، انجام عملیات بازیافت سرد در دمای محیط سبب کاهش تولید گازهای گلخانه ای بویژه دی اکسید کربن میشود [۶]
دو روش اصلی برای تولید مخلوطهای بازیافت شده با روش سرد وجود دارد. این دو روش شامل بازیافت سرد در جا و کارخانه ای می‌باشند [۷]. روش بازیافت سرد در جا (CIR) روسازی های آسفالتی با قیر امولسیونی برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ مطرح گردید [۸].
در این روش ابتدا روسازی بتن آسفالتی توسط ماشین آسفالت تراش، تراشیده میشود و سپس با قیر امولسیون و آب ترکیب شده و در برخی موارد از سنگدانه های جدید و افزودنی نیز استفاده می‌شود. این عملیات در دمای محیط و بدون اعمال حرارت انجام میشود [۹۱۱]. بازیافت سرد آسفالت یک روش بهسازی مقرون به صرفه برای روسازی های به شدت تخریب شده است که در سال های اخیر به طور گسترده ای در کشورهای مختلف استفاده شده است.
حفظ انرژی، کاهش انتشار گازهای سمی و گلخانه ای از دیگر مزایای این روش می‌باشند [۱۲-۱۴]. استفاده از مصالح خرده آسفالتی RAP’ در مخلوطهای آسفالتی به جای سنگدانه های جدید در برخی کشورها ترجیح داده میشود. بکارگیری مصالح خرده آسفالتی با حجم زیاد در مخلوطهای آسفالتی نه تنها از انباشت ضایعات جلوگیری می کند، بلکه میزان استفاده از سنگدانه های جدید و تولید قیر را کاهش میدهد [۱۵]. از دیدگاه فنی نیز از آنجا که در این روش به اعمال حرارت نیازی نیست، قیر مورد استفاده دچار پیرشدگی اولیه نمی‌شود [۱۴] همچنین عملیات اجرایی بازیافت سرد نسبت به سایر روش های سنتی ترمیم روسازی بتن آسفالتی، به زمان کمتری نیازمند است [۱۶] مطالعات مختلفی نشان داده اند که لایه های روسازی آسفالتی بازیافت شده با روش سرد معمولا با مشکلاتی از جمله ترکهای حرارتی، شیارشدگی، مقاومت اولیه کم و زمان عمل آوری طولانی مواجه می‌شوند که به منظور غلبه بر این مشکلات از افزودنی ها استفاده میشود [۱۷]. افزودنی های مختلفی به منظور اصلاح ویژگی های تغییر شکلی در زمان های اولیه ساخت، افزایش چسبندگی بین قیر و سنگدانه، کاهش زمان عمل‌آوری، پخش یکنواخت قیر و جلوگیری از وقوع خرابی های زودرس استفاده میشوند [۹ و ۱۸]. معمولا كف قیر، قیر امولسیون، قیر محلول، جوان ساز، خاکستر بادی، سیمان و آهک به عنوان افزودنی در مخلوطهای بازیافت شده با روش سرد استفاده می‌شوند. قیر امولسیون، سیمان و آهک معمولا به مقدار ۱ تا ۳٪ وزن مصالح خرده آسفالتی به مخلوط بازیافت شده اضافه می‌گردند [۸] در درسترس بودن، هزینه، عملکرد و شرایط آب و هوایی عواملی هستند که هنگام انتخاب نوع افزودنی باید به آنها توجه شود. به علاوه ویژگی های مصالح خرده آسفالتی نیز یکی از مهم ترین عوامل مؤثر بر انتخاب نوع افزودنی می‌باشد [۹ و ۱۶]. تجربیات گذشته نشان داده است که عملکرد بهتر لایه های بازیافت شده با انتخاب درست نوع افزودنی، حاصل خواهد شد [۱۹-۲۱]. استفاده از افزودنی ها باعث بالا رفتن هزینه های ساخت می‌شود و اگر منافع حاصل از استفاده صحیح از افزودنیها یعنی عمر بیشتر روسازی مد نظر قرار گیرد، بکار بردن آنها توجیه پذیر خواهد بود؛ بنابراین بایستی منافع حاصل از افزودنی ها در بهبود عمر روسازی مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد [۲۲] در ادامه به طور خلاصه مروری بر تحقیقات انجام شده در خصوص استفاده از افزودنی ها مانند سیمان، آهک و خاکستر بادی در مخلوط بازیافت شده با قیر امولسیون ارائه شده است.
تاثیر آهک بر خصوصیات رفتاری مخلوط بازیافت شده با قیر امولسیون
آهک به عنوان یک ماده ضد عریان شدگی از سال های قبل به طور موفق در مخلوطهای آسفالتی مورد استفاده قرار گرفته است. در دهه های اخیر، تحقیقات نشان داده اند که آهک سرعت سخت شدگی قیر را پایین می آورد و نتایج آزمایش پیرشدگی قیر ثابت کرد که شاخص پیرشدگی یعنی نسبت کندروانی قیر بعد از پیرشدگی به قبل از آن، به طور قابل ملاحظه ای کاهش می‌‎یابد [۲۳] در تحقیقات اخیر به منظور بهبود عملکرد مخلوطهای بازیافت شده، استفاده از آهک مورد توجه قرار گرفته است. در تحقیقات بررسی شده استفاده از آهک به صورت دوغاب و پودر بوده است. دوغاب آهک شکفته هیدراته با فرمول شیمیایی زیر بدست می‌آید.
برای تهیه یک لیتر دوغاب آهک شکفته از آهک زنده، حدود ۲۷۷ گرم آهک زنده با ۹۲۵ گرم آب مخلوط می‌شود. قسمت جامد دوغاب بین ۳۰ تا ۳۵٪ بسته به مقدار آب تبخیر شده در هنگام تهیه دوغاب می‌باشد [۲۰ و ۲۱] در این بخش به ارزیابی اثرات آهک بر خصوصیات تراکمی، مقاومت کششی، مدول سختی، تغییر شکل های ماندگار و حساسیت رطوبتی مخلوطهای بازیافت شده با قیر امولسیون پرداخته می‌شود.

خصوصیات تراکمی
با توجه به وجود رطوبت در مخلوطهای امولسیونی و دانه بندی یک اندازه مصالح خرده آسفالتی، معمولا وزن مخصوص و درصد فضای خالی این مخلوط ها به ترتیب کمتر و بیشتر از مخلوطهای آسفالت گرم می‌باشد [۲۴]. مقدار فضای خالی این مخلوط ها در مطالعات مختلف بین ۱۰ تا ۲۰ گزارش شده است [۲۵ و ۲۶]. وزن مخصوص تاثیر مهمی بر عملکرد مخلوطهای بازیافت شده دارد. هر اندازه وزن مخصوص مخلوط بیشتر باشد، مخلوط دارای استقامت و ظرفیت باربری بیشتری است اما با افزایش وزن مخصوص، درصد فضای خالی مخلوط کاهش می‌‎یابد [۲۰]
در صورتی که فضای خالی مخلوط کم باشد مشکلاتی برای روسازی پیش می‌آید که از آن جمله می توان به قیرزدگی سطح راه اشاره نمود. بدین ترتیب که سطح راه قیرزده می‌گردد و با کم شدن عدد زبری سطح راه ایمنی راه به طور قابل ملاحظه ای کاهش می‌‎یابد.
حدود تعیین شده برای فضای خالی مخلوطهای بازیافت شده به روش سرد در محل بین ۹ تا ۱۴ می‌باشد [۲۲ و ۲۷]. در تحقیق استفان کراس در سال ۱۹۹۹، نمونه هایی با قیرهای امولسیونی مختلف با دوغاب آهک و بدون دوغاب آهک تهیه شدند. بدین ترتیب که نمونه های بدون دوغاب آهک با 5/1 قیر امولسیون و ۳٪ آب ساخته شدند (کلیه درصدها بر حسب وزن كل مخلوط می‌باشند) و نمونه های با آهک نیز مانند نمونه – های بدون آهک تهیه شدند با این تفاوت که به جای آب از دوغاب آهک استفاده گردید که مقدار آهک آن حدود ۱٪ بود. سپس وزن مخصوص نمونه ها بعد از گذشت هفت روز تعیین گردید. براساس نتایج به دست آمده استفاده از دوغاب آهک موجب افزایش قابل ملاحظه ای در وزن مخصوص نمونه ها می‌شود و حدود درصد فضای خالی ۹ تا ۱۴ نیز حفظ شده است [۲۰]. در مطالعات دیگر توسط استفان کراس و دیوید یانگ در سال ۱۹۹۷، تأثیر آهک بر وزن مخصوص نمونه های بازیافت شده ارزیابی گردید. در این مطالعه نمونه هایی با درصدهای مختلف قیر امولسیون و آب تهیه گردید و درصد بهینه قیر امولسیون و آب با توجه به وزن مخصوص حداکثر نمونه ها تعیین شد. سپس وزن مخصوص نمونه هایی که با آهک و بدون آهک ساخته شده بودند، تعیین گردید که نتایج آن در جدول ارائه شده است. همانطور که مشاهده میشود وزن مخصوص نمونه های ساخته شده با آهک نسبت به نمونه های بدون آهک بیشتر می‌باشد [۱۹]. در جدول (۲۱)، 2-HFMS نشان دهنده قیر امولسیون کند شکن آنیونیک است و پیشوند HF معرف ایجاد پوشش قیری با ضخامت بیشتر روی سنگدانه ها است. در پژوهش دیگری که در سال ۲۰۰۹ توسط نیازی و جلیلی انجام شد، پودر و دوغاب آهک در مخلوط بازیافت شده با قیر امولسیون بکار گرفته شد، نتایج نشان داد با افزایش مقدار پودر یا دوغاب آهک تا ۲٪، وزن مخصوص حقیقی افزایش و فضای خالی مخلوط کاهش می‌‎یابد. همچنین مشاهده شد، روند افزایش وزن مخصوص مخلوطهای حاوی دوغاب آهک بیشتر از مخلوطهای حاوی پودر آهک می‌باشد [۱۷]

حساسیت رطوبتی
استفاده از آهک و سایر مواد ضد عریان شدگی رایج ترین روش برای کاهش حساسیت رطوبتی مخلوطهای آسفالتی می‌باشند. آهک باعث بهبود چسبندگی بین قیر و سنگدانه و از سوی دیگر مقاومت قیر را در برابر رطوبت افزایش میدهد [۲۹]
در تحقیق استفان کراس در سال ۱۹۹۹ برای بررسی حساسیت مخلوطهای بازیافت شده در برابر رطوبت، نمونه هایی با قیرهای امولسیونی مختلف با دوغاب آهک و بدون آن تهیه گردید و آزمایش کشش غیر مستقیم طبق استاندارد 4123 ASTM D بر روی نمونه ها انجام شد. تحلیل نتایج آزمایش کشش غیر مستقیم نشان داد که بدون توجه به نوع قیر امولسیون، افزایش قابل ملاحظه ای در مقاومت کششی نمونه های حاوی دوغاب آهک ایجاد می‌شود. آزمایش حساسیت در برابر رطوبت با استفاده از روش 283 AASHTO T نیز انجام شد. سپس مقاومت کششی غیر مستقیم اشباع تعیین گردید. نسبت مقاومت کششی TSR با تقسیم مقاومت کششی اشباع بر مقاومت کششی خشک بدست می‌آید [۲۷] از شاخص نسبت مقاومت کششی برای پیش بینی حساسیت در برابر عریان شدگی مخلوطهای آسفالتی استفاده می‌شود [۱۳]. نتایج این پژوهش نشان داد که استفاده از دوغاب آهک، مقاومت کششی نمونه های اشباع را بطور قابل ملاحظه ای افزایش می‌دهد و استفاده از دوغاب آهک منتج به نسبت مقاومت کششی بیشتری شده است. این نسبت برای هیچکدام از نمونه های بدون دوغاب آهک بیشتر از ۵۰٪ نبود؛ اما استفاده از دوغاب آهک منتج به نسبتی بیش از ۷۵٪ برای تمام نمونه ها شد [۲۷]
در تحقیق استفان کراس و دیوید یانگ در سال ۱۹۹۷، آزمایش حساسیت در برابر رطوبت بر روی نمونه های ساخته شده با آهک و بدون آهک انجام شد که نتایج آن در جدول زیر ارائه شده است. همانطور که ملاحظه می‌شود استفاده از آهک سبب افزایش چشمگیری در نسبت مقاومت کششی نمونه ها شده است [۱۹]. در سال ۲۰۰۲ مالک و همکارانش نیز با استفاده از آهک توانستند مقاومت در برابر آسیب های رطوبت را به صورت چشمگیری افزایش دهند [۳۰]
نیازی و جلیلی نیز برای بررسی حساسیت رطوبتی مخلوط بازیافت شده با قیر امولسیون از شاخص TSR و همچنین از نسبت استقامت مارشال در شرایط اشباع به خشک (نسبت استقامت مارشال) MSR استفاده کردند. نتایج نشان داد با استفاده از ۲۶ آهک به صورت پودر و دوغاب شاخص های TSR و MSR افزایش یافته اند، یعنی مقاومت مخلوط بازیافت شده در برابر آسیب های رطوبتی افزایش یافته است. به طوری که شاخص TSR مخلوط فاقد افزودنی پس از افزودن ۲٪ دوغاب آهک از ٪۴۱/ 0 به ٪۹۱/.0 افزایش یافت [۱۷]
نتایج آزمایش حساسیت رطوبتی [۱۹]

تاثیر سیمان بر خصوصیات رفتاری مخلوط بازیافت شده با قیر امولسيون
استفاده گسترده از سیمان در مخلوطهای امولسیونی به قبل از سال های ۱۹۷۰ برمی‌گردد [۳۱-۳۳]. گرچه سابقه آن به چند دهه قبل می رسد اما به دلیل مسایل اقتصادی استفاده از سیمان در پروژه های اجرایی تا قبل از آن سال ها بسیار محدود بوده است. با پیشرفت کمی و کیفی تولید سیمان، امروزه استفاده از این ماده در پروژه ها گسترش روزافزونی یافته و به موازات آن، در سال های اخیر تحقیقات وسیعی در این زمینه انجام شده است. تحقیقات مختلفی بر روی تاثیر سیمان بر خواص مکانیکی مخلوطهای آسفالتی گرم انجام شده است.
در تمامی این موارد، مخلوط حاصل افزایش قابل ملاحظه ای را از نظر مقاومت اولیه، استقامت و مقاومت در برابر رطوبت، نشان داده است. همچنین حساسیت حرارتی بالای بتن آسفالتی را کاهش داده که بهبود این عوامل دلیل اصلی کاهش ترکهای عرضی در روسازی های انعطاف پذیر می‌باشد [۲۲ و ۳۱]
مهم ترین اهداف در استفاده از سیمان در مخلوطهای آسفالتی بازیافت شده با قیر امولسیون بهبود خصوصیات تغییر شکلی اولیه، کاهش زمان عمل آوری و افزایش گیرش مخلوط می‌باشد. با این حال اثرات این ماده بر سایر خصوصیات رفتاری و عملکردی این مخلوطها بسیار حائز اهمیت است. از مهم ترین خصوصیاتی که در مطالعات انجام شده در این زمینه مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته اند، می توان به خصوصیات تراکمی، مقاومت کششی، مدول سختی، تغییر شکل های ماندگار، خستگی، حساسیت حرارتی و رطوبتی اشاره نمود.
در این بخش برخی از مطالعات انجام شده در ارتباط با هر کدام از خصوصیات فوق مختصرأ مورد بررسی قرار می‌گیرد.

خصوصیات تراکمی
مالک و همکاران در مطالعات گسترده خود بر روی مخلوطهای تثبیت شده با قیر امولسیون و سیمان، نشان دادند که با افزایش مقدار درصد رطوبت مقدار فضای خالی مخلوط تا حدی افزایش و سپس کاهش خواهد یافت [۲۴]. این مورد برای مخلوطهای فاقد سیمان بیشتر محسوس بوده است. به دلیل عدم شکست قیر امولسیون در زمان تراکم، رفتار مخلوط بازیافت شده تابع رفتار مصالح RAP می‌باشد. افزایش مقدار درصد رطوبت تا حد رطوبت بهینه باعث تسهيل عمليات تراکم شده و با افزایش درصد تراکم فضای خالی مخلوط کاهش می‌‎یابد. در مقابل مشابه آنچه که در عملیات تراکم خاک مشاهده می‌شود افزایش بیش از حد رطوبت باعث پر شدن تمام فضاهای خالی و جذب بخشی از تنش وارده توسط آب موجود در حفرات خواهد شد؛ بنابراین تعیین درصد رطوبت بهینه در عملیات بازیافت سرد دارای اهمیت می‌باشد. پارامترهایی چون دانه بندی مصالح RAP، استفاده از افزودنی های پوزولانی از جمله سیمان و روش های تراکمی متفاوت باعث ایجاد تفاوت هایی در نتایج مطالعات شده اند. کیم و همکاران در مطالعات خود از دو روش تراکم مارشال و متراکم کننده چرخشی استفاده نمودند [۲۵]. نتایج به دست آمده حاکی از فضای خالی متوسط 16 /5 و 13/ 0 درصد به ترتیب برای مخلوطهای متراکم شده با چکش مارشال و متراکم کننده چرخشی بوده است.