با توجه به نقش موثر قیر در دوام و استحکام آسفالت وبه دلیل نامناسب بودن دو روش متداول درجه­بندی قیرها ( ویسکوزیته و درجه نفوذ که بدون توجه به شرایط واقعی و حقیقی بکار رفته در آسفالت انجام شده است) برای استفاده بهینه از قیر در شرایط جوی مختلف و دست­یابی به خواص مهندسی قیر ، در سال ۱۹۸۷ میلادی در آمریکا پروژه­ای ، بنام SHRP یا برنامه­ی تحقیقات استراتژیک بزرگراه­ها با یک بودجه ۵۰ میلیون دلاری تعریف شد که هدف آن ایجاد روش جدیدی برای درجه­بندی قیر و پیش­بینی عملکرد آن در رویه­های آسفالتی بر مبنای علمی بود.

انواع درجه­ بندی قیر
درجه نفوذ	گرانروی		درجه عملکرد
	قیر اولیه	قیر باقیمانده
۴۰-۵۰ ۶۰-۷۰ ۸۵-۱۰۰ ۱۲۰-۱۵۰ ۲۰۰-۳۰۰	AC 2.5 AC 5 AC 10 AC 20 AC 40	AR 10 AR 20 AR 40 AR 80 AR 160	PG 46 -22 PG52-28 PG 58 -16 PG 64 -22 PG 70 -10 PG 76 -10 PG 82 -10

جدول ۱: انواع درجه­بندی قیر در راهسازی

درجه­بندی عملکردی (PG) بر اساس خصوصیات قیر در شرایط واقعی ازجمله شرایط آب وهوایی وتولید آسفالت می­باشد که مبتنی بر رفتار کامل قیر و شناخت دقیق از خصوصیات عملکردی آن گزارش شده است. در جدول ۲خصوصیات درجه عملکردی با درجه­بندی بر اساس نفوذ­پذیری و ویسکوزیته مقایسه شده است.

 

جدول۲:مقایسه درجه بندی عملکردی با نفوذ پذیری و ویسکوزیته

درجه ­بندی عملکردی (PG)

درجه­ بندی براساس نفوذ پذیری و ویسکوزیته

* خواص فیزیکی از طریق اصول مهندسی مستقیماً به عملکرد قیر مربوط می­شود.* معیار آزمایش ثابت بوده ولی دمای آزمایش با توجه به شرایط آزمایش تغییر می­کند. * پیرشدگی برای سه حالت بحرانی شبیه سازی و آزمایش می­شود: ۱-  پیرشدگی قیر قبل از اختلاط با مصالح ۲-  پیرشدگی قیر بعد از اختلاط و اجرا ۳-  پیرشدگی قیر در طولانی مدت * درجه­ بندی بسیار دقیق بوده وکمترین همپوشانی بین مشخصات قیر­هایی با درجه­ بندی متفاوت وجود دارد. * این سیستم درجه­ بندی برای قیرهای اصلاح شده و نشده مناسب است.

* آزمایشات نفوذ و شکل پذیری تجربی بوده و مستقیما به عملکرد قیر مربوط نمی‌شود. * آزمایشات در یک دمای استاندارد بدون توجه به شرایطی که آسفالت در آن بکار رفته است، انجام می­شود. * آزمایشات پیرشدگی فقط در کوتاه مدت انجام می‌شود در صورتی که پیرشدگی در طولانی مدت در ترک ناشی از خستگی و ترک دمای پایین بسیار قابل توجه است. * قیرهایی با درجه بندی یکسان دارای تفاوت های قابل توجهی در مشخصات می باشد. * این سیستم درجه­ بندی برای قیرها یا اصلاح شده مناسب نیست.

در سیستمSHRPدرجه­بندی خواص فیزیکی مورد نیاز برای تمام درجه­های عملکردی ثابت می­ماند، ولی دماییکه این خواص باید بدست آیند، بسته به شرایط آب و هوایی که قیر باید در آن سرویس دهی کند، تغییر می­کند. به عبارت دیگر معیار سنجش ثابت مانده و تنها دمای اندازه­گیری آن تغییر می­کند و آزمایش­های شارپ در دماهایی انجام می­پذیرد که قیر در آن سرویس دهی خواهد کرد .

در این آزمایش­ها، سه مرحله بحرانی در طول مدت عمر قیر مد نظر قرار می­گیرد: مرحله اول مربوط به حمل ونقل، ذخیره­سازی و استعمال و یا بطور کلی وضعیت اصلی قیر، قبل از ساخت مخلوط می­باشد.دومین مرحله مربوط به قیر درزمان تولید، مخلوط وساخت آسفالت می­باشد.پیرشدگی قیر در این مرحله توسط آزمایش لعاب نازک چرخشی شبیه سازی می­شود. در این روش لعاب نازک قیر، در معرض هوا و حرارت قرار می­گیرد. سومین مرحله، مربوط به پیرشدگی قیر در لایه­های روسازی مخلوط آسفالتی گرم می­باشد که در مدت زمان طولانی اتفاق می­افتد. این مرحله با آزمایش محفظه تسریع پیری شبیه سازی می­گردد. در این روش نمونه­های قیر را در معرض حرارت و فشار قرار می­دهند تا پیرشدگی دراز مدت روسازی را شبیه سازی نمایند. در جدول ۳ دستگاه­های مربوط به اندازه­گیری درجه عملکرد و هدف از استفاده از آنها درج شده است.شرح مختصری از نحوه انجام آزمایشات مربوطه درادامه آورده شده است.

 

نام آزمایش	خاصیت عملکردی	وضعیت قیر	نام اختصاری دستگاه	هدف
آزمایش برش دینامیکی	تغییر شکل ثابت و ترک ناشی از خستگی	قیر اصلی	DSR	تعیین خواص قیر در دماهای بالا و متوسط
		پیرشده در RTFO
		پیرشده درPAV
آزمایش خمش ترک	ترک ناشی از حرارت (دماهای پایین)	پیر شده درPAV	BBR	تعیین خواص در دماهای پایین
آزمایش کشش مستقیم	ترک ناشی از حرارت (دماهای پایین)	پیر شده درPAV	DDT	تعیین خواص در دماهای پایین
آزمایش لعاب نازک دوار قیر	-	قیر اصلی	RTFO	شبیه سازی پیر شدگی
آزمایش محفظه تحت فشار	-	پیرشده در RTFO	PAV	شبیه سازی پیر شدگی
آزمایش ویسکومتر دورانی	روانی(جابجایی و پمپاژ)	قیر اصلی	RV	تعیین خواص ویسکوزیته

جدول۳ : دستگاه­ها و روش­های تست درجه­بندی عملکردی و هدف آنها

 

شرح آزمایش­های مربوط به روش درجه­بندی عملکردی

 

۱ – آزمایش رئومتر برش دینامیکی(DSR)

چون رفتار قیر به دما و مدت زمان بارگذاری بستگی دارد، آزمایش مطلوب برای قیر بایستی هر دو عامل را لحاظ کند. آزمایش برش دینامیکی هم اثرات دما و هم اثرات زمان را مورد ارزیابی قرار می­دهد و خواص رئولوژیکی (زاویه اختلاف فاز و مدول برشی) را در دمای متوسط و بالا اندازه‌گیری می‌کند.

تصویر۱: دستگاه رئومتر برش دینامیکی

 

۲ – آزمایش رئومتر تیرچه خمشی (BBR)

انجام آزمایش سختی قیر در دمای پایین توسط رئومتر اندازه­گیری مقاومت برش دینامیکی، کاملاً قابل اطمینان نمی­باشد. بنابراین پژوهشگران SHRP رئومتر تیرچه خمشی را تهیه نموده­اند تا به طور دقیق خواص قیر را در دمای پایین روسازی ارزیابی نمایند. دو آزمایش برش دینامیکی و تیرچه خمشی رفتار سختی قیر را در بازه­ی تغییرات گسترده­ای از دما پیش­بینی می­نماید. این آزمایش مقدار افت و خیزها یا خزش قیر را زیر بار ثابت اندازه­گیری می­نماید. دمای آزمایش به پایین­ترین دمای کارکرد روسازی بستگی دارد که در آن قیر بیشتر مانند جامد الاستیکی رفتار می­کند. این آزمایش روی مواد قیری که در هر دو آزمایش لعاب نازک چرخشی و آزمایش محفظه تسریع پیری، پیر شده­اند ، انجام می­پذیرد. لذا این آزمایش خصوصیات عملکرد قیر را که در معرض اختلاط گرم و همچنین پیرشدگی در دوره سرویس دهی قرار گرفته است ، اندازه­گیری می­نماید.

تصویر۲: دستگاه رئومتر خمشی

 

۳ – آزمایش کشش مستقیم   (DDT)

گرچه سختی می­تواند در تخمین شکست یا مقاومت نیز استفاده شود اما برای برخی از مواد (به ویژه قیرهای اصلاح شده) نسبت بین خواص سختی و مقاومت ، به خوبی شناخته شده نیست. بنابر این در مورد اندازه­گیری مقاومت و کرنش شکست (توانایی در مقابل کشش قبل از شکستن) باید مبادرت به آزمایش دیگری با عنوان آزمایش کشش مستقیم گردد. قیر­هایی که کشیدگی قابل توجهی قبل از شکستگی تحمل می کنند، کشسان نامیده می­شوند و آنهایی که بدون کشیدگی زیاد شکسته می­شوند ، شکننده نام دارند. اینکه قیر قادر به تحمل حداقل کشش باشد، دارای اهمیت است. عموماً قیر­های سفت­تر شکننده­تر و قیر­های نرم­تر کشسان­تر هستند.

 

۴ – آزمایش لعاب نازک چرخشی ((RTFO

علت پیرشدگی قیر تبخیر روغن­های سبک آن و اکسیداسیون (واکنش با اکسیژن محیط) می­باشد. هنگام تولید آسفالت گرم و در حین جابجایی آن، قیربه علت دمای بالا و جریان هوا با هر دو مکانیزم پیر می شود. این آزمایش که شرح آن درASTM-D 2872 موجود است، این پیر شدگی را مدل کرده و مقدار کاهش جرم را معلوم می‌نماید. هدف دیگر این آزمایش فراهم نمودن قیر پیر شده جهت سایر آزمایشات خواص فیزیکی SHRPمی‌باشد.کاهش جرم مواد فرار نشانه­ای از پیر­شدگی می­باشد که ممکن است در حین عملیات اختلاط و ساخت در قیر به وقوع بپیوندد. برای هر نوع ماده چسبنده، افت وزن نباید از۱% تجاوز کند.

تصویر۳: دستگاه لعاب نازک چرخشی

۵ – آزمایش محفظه تسریع پیری(PAV)

قبل از روسازی ممتاز، اثرات پیری دراز مدت قیر، در مشخصات مربوط به قیر منظور نمی­شد. آزمایش محفظه تسریع پیری، بدین منظور توسط  SHRP توسعه یافته است تا پیر شدگی طولانی مدت قیر را در مخلوطهای آسفالتی مدل نماید. شرح این آزمایش در AASHTO-PP1آمده است.

تصویر۴: دستگاه محفظه تسریع پیری

 

۶ – آزمایش ویسکومتر دورانی  (RV)   

در AASHTO-TP 48 روش آزمایش استاندارد مربوط به تعیین ویسکوزیته قیر با استفاده از ویسکومتر دورانی بیان شده است. این آزمایش برای قیر­های اصلاح شده و اصلاح نشده قابل استفاده می­باشد. ویسکومتر دورانی با اندازه­گیری گشتاور مورد نیاز و با حفظ سرعت دورانی ثابت بخش چرخان که داخل قیر فرو رفته است، ویسکوزیته دورانی را به طور خودکار تعیین می­نماید. برای آنکه قیر، به ویژه قیرهای اصلاح شده بتوانند در تجهیزات اختلاط گرم، به راحتی پمپاژ و جابجا شوند، یا به راحتی در دمای اختلاط، با مصالح سنگی مخلوط شوند، کندروانی پیر نشده آنها طبق مشخصات باید حداکثر۳ Pa.sباشد و برای همه درجات قیر بایستی در دمای ۱۳۵ درجه سانتیگراد به دست آید.

تصویر ۵: دستگاه ویسکومتر دورانی

 

- روند تعیین شاخص عملکردی:

با استفاده از نتایج آزمایشاتSHRPدرجه عملکردی قیر تعیین می­شود. درجه عملکردی قیر(PG) دارای دو عدد است. عدد سمت چپ حداکثر دمای قابل تحمل قیر را نشان می­دهد و عدد سمت راست که منفی است، حداقل دمای قابل تحمل قیر را نشان می­دهد.

PG XX YY

قیر­های درجه­بندی شده بر اساس عملکرد ، با توجه به دمای حداکثر و حداقل محل اجرای پروژه و حجم ترافیک آن انتخاب می­شود. برای تعیین گرمترین و سردترین دمای هر منطقه، مطابق با داده­های ایستگاه­های هواشناسی میانگین گرمترین و سردترین دمای هفت روز سال تعیین و در نهایت میانگین داده­های به دست آمده برای چندین سال متوالی محاسبه می­شود و با محاسبه دمای حداکثر و حداقل روسازی با فرمول مربوطه و با استفاده از جدول۴، درجه­بندی عملکردی قیر براساس دمای حداکثر و حداقل رو سازی انجام می‌گردد.

 

نحوه محاسبه حداکثر و حداقل دمای روسازی

دماهای محیطی بدست آمده برای محاسبه دمای حد بالا و پایین روسازی استفاده می­شود. حداکثر دمای روسازی در عمق ۲۰ میلی­متری از سطح روسازی آسفالتی و حداقل دمای روسازی در سطح روسازی تعیین می­گردد.

رابطه زیر برای تعیین حداکثر دمای رو سازی در عمق ۲۰ میلی­متری ارائه شده است.

 

Tmax pav (20mm) = (T max air – 0.00618 Lat2 + 0.2289 Lat + 42.2) * (0.9545 )  -۱۷٫۷۸

 

 

در این رابطه:

T_{max pav (20mm):}حداکثر دمای روسازی در عمق ۲۰ میلی­متری بر حسب درجه سانتی­گراد

T_{max air}: میانگین دمای هوای هفت گرمترین روز سالبر حسب درجه سانتی­گراد

Lat: عرض جغرافیایی محل اجرای طرح روسازی بر حسب درجه

کمترین دمای روسازی در سطح روسازی به عنوان تابعی از کمترین دمای هوا و برا اساس رابطه زیر تعیین می­گردد.

T _{min pav (surface)} = 0.859 T _{min air} + 1.7

در این رابطه :

T _{min pav (surface)}: حداقل دمای روسازی در سطح بر حسب درجه سانتی­گراد

T _{min air}: میانگین دمای هوای سردترین روز سال بر حسب درجه سانتی­گراد

در روش SHRPبرای انتخاب دمای حداکثر و حداقل،به طراحان اجازه در نظر گرفتن درصد اطمینان با استفاده از نمودارهای آماری داده شده است. طبق تعریف، درصد اطمینان برابر است با درصد احتمال این که در هر سال دمای واقعی از دمای طراحی تجاوز نکند.

میانگین بدست آمده از دماهای گرمترین و سردترین هفت روز سال دارای درصد اطمینان ۵۰% است برای رسیدن به درصد اطمینان ۹۸% از انحراف معیار استفاده می‌شود. برای بالا بردن دقت در محاسبات از نرم افزار LTPP Bindاستفاده شده است که یک برنامه مختص مشخص کردن شاخص عملکرد (PG) است.