آزمایش مارشال مقاومت آسفالت چیست و چرا انجام می شود؟

آزمایش مارشال مقاومت آسفالت (Marshall Stability Test) یک روش آزمایشگاهی رایج برای تعیین مقاومت و پایداری مخلوط‌های آسفالتی است. این آزمایش به منظور ارزیابی عملکرد مخلوط آسفالتی در برابر تغییر شکل پلاستیک تحت بارهای ترافیکی در دماهای بالا انجام می‌شود.

چرا آزمایش مارشال انجام می‌شود؟

هدف اصلی از انجام آزمایش مارشال، تعیین محتوای بهینه قیر در مخلوط آسفالتی است که بتواند خواص زیر را به طور همزمان تامین کند:

• پایداری (Stability): حداکثر باری که نمونه آسفالت متراکم شده می‌تواند قبل از شکستگی یا تغییر شکل قابل توجه تحمل کند. پایداری بالا نشان‌دهنده مقاومت خوب مخلوط در برابر تغییر شکل دائمی ناشی از ترافیک است.
• روانی (Flow): میزان تغییر شکل پلاستیک نمونه در هنگام رسیدن به حداکثر بار. روانی، انعطاف‌پذیری مخلوط را نشان می‌دهد. روانی بیش از حد می‌تواند منجر به شیارشدگی (rutting) و روانی کم می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی شود.
• دانسیته (Density): وزن واحد حجم مخلوط متراکم شده. دانسیته بالا معمولاً نشان‌دهنده تراکم خوب و در نتیجه دوام بیشتر مخلوط است.
• فضای خالی (Air Voids): درصد حجم هوای موجود در مخلوط متراکم شده. میزان فضای خالی مناسب برای جلوگیری از اکسیداسیون بیش از حد قیر و همچنین برای فراهم کردن فضایی برای انبساط قیر در دماهای بالا ضروری است.
• فضای خالی پرشده با قیر (Voids Filled with Asphalt – VFA): درصد فضای خالی که با قیر پر شده است. این پارامتر نیز بر دوام و پایداری مخلوط تاثیرگذار است.
• فضای خالی در مصالح معدنی (Voids in Mineral Aggregate – VMA): حجم فضاهای خالی بین ذرات مصالح معدنی. VMA کافی برای اطمینان از وجود حجم قیر کافی برای پوشش دادن ذرات مصالح و تامین دوام لازم است.

با انجام آزمایش مارشال بر روی نمونه‌های آسفالتی که با درصدهای مختلف قیر تهیه شده‌اند، می‌توان نمودارهایی را رسم کرد که رابطه بین درصد قیر و خواص مختلف مخلوط (پایداری، روانی، دانسیته، فضاهای خالی و غیره) را نشان می‌دهند. با تحلیل این نمودارها، مهندسان می‌توانند محتوای قیر بهینه را تعیین کنند که در آن مخلوط آسفالتی دارای تعادل مناسبی از پایداری، روانی و سایر خواص مطلوب برای کاربرد مورد نظر باشد.

به طور خلاصه، آزمایش مارشال به دلایل زیر انجام می‌شود:

• تعیین بهترین نسبت مواد تشکیل دهنده (به ویژه قیر و مصالح) برای دستیابی به عملکرد مطلوب آسفالت.
• ارزیابی مقاومت و پایداری مخلوط آسفالتی در برابر بارهای ترافیکی.
• پیش‌بینی عملکرد روسازی آسفالتی در شرایط بهره‌برداری.
• کنترل کیفیت مصالح آسفالتی تولید شده.
• تضمین دوام و عمر مفید روسازی‌های آسفالتی.

این آزمایش یک روش استاندارد و پرکاربرد در طراحی مخلوط‌های آسفالتی در سراسر جهان است.

نتایج آزمایش مارشال

پارامترهای کلیدی در آزمایش مارشال

هنگام تحلیل نتایج آزمایش مارشال، باید به پارامترهای زیر توجه کنید:

• پایداری مارشال (Marshall Stability): حداکثر باری که نمونه قبل از شکستگی تحمل می‌کند (معمولاً بر حسب کیلو نیوتن – kN یا پوند – lb). مقدار بالاتر نشان‌دهنده مقاومت بیشتر در برابر تغییر شکل دائمی است.
• روانی مارشال (Marshall Flow): میزان تغییر شکل نمونه در هنگام رسیدن به حداکثر بار (معمولاً بر حسب میلی‌متر – mm یا ۰.۰۱ اینچ). این پارامتر میزان انعطاف‌پذیری مخلوط را نشان می‌دهد.
• دانسیته (Density): وزن مخصوص توده مخلوط متراکم شده (معمولاً بر حسب گرم بر سانتی‌متر مکعب – g/cm³ یا کیلوگرم بر متر مکعب – kg/m³).
• درصد فضای خالی هوا (Air Voids – Va): حجم هوای موجود در مخلوط متراکم شده به صورت درصد.
• درصد فضای خالی در مصالح معدنی (Voids in Mineral Aggregate – VMA): حجم فضاهای خالی بین ذرات مصالح معدنی به صورت درصد.
• درصد فضای خالی پرشده با قیر (Voids Filled with Asphalt – VFA): درصد از VMA که با قیر پر شده است.

مراحل تحلیل نتایج

1. تهیه جداول و نمودارها: معمولاً نتایج آزمایش برای درصدهای مختلف قیر در جداولی ثبت می‌شوند. برای تحلیل بهتر، این نتایج به صورت نمودارهایی رسم می‌شوند که در محور افقی درصد قیر و در محور عمودی هر یک از پارامترهای ذکر شده قرار می‌گیرند.
2. تعیین مقادیر بهینه قیر برای هر پارامتر: از روی نمودارها، مقادیر درصد قیر که منجر به موارد زیر می‌شوند، تعیین می‌گردند:
   • حداکثر پایداری مارشال
   • حداکثر دانسیته
   • مقدار روانی در محدوده مشخص (استاندارد معمولاً یک بازه دارد)
   • مقدار درصد فضای خالی هوا در محدوده مشخص (استاندارد معمولاً یک بازه دارد)
   • مقدار درصد فضای خالی در مصالح معدنی در محدوده مشخص (استاندارد معمولاً یک حداقل دارد)
   • مقدار درصد فضای خالی پرشده با قیر در محدوده مشخص (استاندارد معمولاً یک بازه دارد)
3. تعیین درصد قیر بهینه طرح (Optimum Binder Content – OBC): درصد قیر بهینه معمولاً به عنوان میانگین یا یک مقدار نزدیک به میانگین از درصدهای قیر بهینه به دست آمده در مرحله قبل (به ویژه برای حداکثر پایداری، حداکثر دانسیته و درصد فضای خالی هوا در محدوده میانی استاندارد) انتخاب می‌شود. در برخی موارد، ممکن است بر اساس اهمیت عملکردی خاص (مثلاً مقاومت در برابر شیارشدگی یا ترک‌خوردگی)، وزن بیشتری به یکی از این درصدها داده شود.
4. ارزیابی خواص مخلوط در OBC: پس از تعیین درصد قیر بهینه، مقادیر سایر پارامترها (روانی، دانسیته، فضاهای خالی و غیره) در این درصد قیر بررسی می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که همگی در محدوده مشخص شده توسط استانداردها قرار دارند.
5. تصمیم‌گیری نهایی: اگر تمام یا اکثر خواص در OBC در محدوده قابل قبول باشند، آن درصد قیر به عنوان درصد قیر بهینه طرح انتخاب می‌شود. در صورتی که برخی خواص خارج از محدوده باشند، ممکن است نیاز به تغییر در طرح اختلاط (مانند تغییر در دانه بندی مصالح) و انجام آزمایش‌های مجدد باشد.

نکات مهم در تحلیل

• استانداردهای مربوطه: تحلیل نتایج باید بر اساس استانداردهای ملی یا بین‌المللی معتبر (مانند ASTM یا AASHTO) انجام شود که محدوده‌های قابل قبول برای هر یک از پارامترها را مشخص می‌کنند. این استانداردها ممکن است بسته به نوع ترافیک و شرایط آب و هوایی منطقه متفاوت باشند.
• تعداد نمونه‌ها: برای هر درصد قیر، معمولاً حداقل سه نمونه آزمایش می‌شود و میانگین نتایج برای تحلیل استفاده می‌شود تا از تاثیر خطاهای احتمالی جلوگیری شود.
• شکل نمودارها: شکل نمودارها می‌تواند اطلاعات مفیدی در مورد حساسیت خواص مخلوط به تغییرات درصد قیر ارائه دهد. به عنوان مثال، یک پیک تیز در نمودار پایداری نشان می‌دهد که تغییرات کوچک در درصد قیر می‌تواند تاثیر زیادی بر پایداری داشته باشد.

اگر شما نتایج آزمایش مارشال خود را دارید، می‌توانید با مراجعه به استانداردهای مربوطه و انجام مراحل ذکر شده، آن‌ها را تحلیل کنید.