قیر
قير، سنگين ترين بخش نفت خام و يكي از پيچيده ترين اجزاي آن، به رنگ تيره، به اشكال جامد، نيمه جامد يا ويسكوز و با منشاء طبيعي يا توليدي مي باشد. عمدة اجزاي سازندة قير از تركيبات هيدوركربوري با وزن مولكولي بالا تشكيل شده كه شامل مواد روغني، رزين و آسفالتين ها مي باشد. اين ماده از نظر شيميايي داراي تركيبي بسيار پيچيده است و داراي خواص فيزيكي از جمله چسبندگي و ضد رطوبتي بوده و در ديسولفيد كربن و CO2 حل مي شود.
در برخي از كشورها، واژة آسفالت(Asphalt) معادل با واژه قير (Bitumen) به كار برده مي شود، اما در ايران، آسفالت بيشتر به معني مخلوطي از قير و ماسه كه در راهسازي كاربرد دارد، مورد استفاده قرار مي گيرد.
انواع قير
قیر استخراج شده از نفت یا سنگهای معدنی مخصوص، قیر خالص نام دارد که با توجه به منشاء تشکیل، طبقهبندی میشود. قیرهای خالص همچنین برای اینکه خواص مورد نظر برای کاربردهای مختلف را پیدا کنند، تحت فرآیندهای دیگر قرار میگیرند و انواع مختلف قیر را (ازجمله قیر دمیده، قیر محلول، قیر امولسیون، قیر پلیمری و...) را تشکیل میدهند.
1-قیر نفتی و قیر طبیعی
قیر معمولاً از تقطیر نفت خام به دست میآید. چنین قیری قیر نفتی یا قیر تقطیری نامیده میشود. قیر نفتی محصول دو مرحله تقطیر نفت خام در برج تقطیر است. در مرحله نخست تقطیر، مواد سبک مانند بنزین و پروپان از نفت خام جدا میشوند. این فرآیند در فشاری نزدیک به فشار اتمسفر انجام میشود. در مرحله دوم نیز ترکیبات سنگین مانند گازوئیل و نفت سفید خارج میشوند. این فرآیند در فشاری نزدیک به خلاء صورت میپذیرد. در نهایت مخلوطی از ذرات جامد بسیار ریز به نام آسفالتن باقی میماند که در ماده سیال گریسمانندی به نام مالتن غوطهور است.
اما برخی از انواع قیر در طبیعت و در اثر تبدیل تدریجی نفت خام و تبخیر مواد فرار آن در اثر گذشت سالهای بسیار زیاد به دست میآید. چنین قیری، قیر طبیعی نامیده میشود و دوام آن بیشتر از قیرهای نفتی است. چنین قیری ممکن است بهصورت خالص در طبیعت وجود داشته باشد (قیر دریاچهای) مانند دریاچه قیر بهبهان ایران و دریاچه قیر تیرینیداد آمریکا ، یا از معادن استخراج شود (قیر معدنی). قیر طبیعی با نام یواینتایت (Uintaite) نیز شناخته میشود.
2-قیر دمیده
قیر دمیده از دمیدن هوای داغ به به قیر خالص در مرحله آخر عمل تصفیه به دست میآید. در این فرآیند، هوای داغ با دمای ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد توسط لولههای سوراخدار به محفظه حاوی قیر دمیده میشود. در اثر انجام این فرآیند، اتمهای هیدروژن موجود در مولکولهای هیدروکربورهای قیر، با اکسیژن هوا ترکیب میشود و با تشکیل آب، عمل پلیمریزاسیون اتفاق میافتد. قیر دمیده نسبت به قیر خالص دارای درجه نفوذ کمتری دارد، درجه نرمی بیشتری دارد و حساسیت کم تری نسبت به تغییرات دما دارد. این نوع قیر بیشتر در ساختن ورقهای پوشش بام، باتری اتومبیل و اندودکاری مورد استفاده قرار میگیرد. علامت اختصاری قیر دمیده R میباشد. مثلا قیر۸۰/۲۵ R به معنای قیر دمیده با درجه نرمی ۸۰ و درجه نفوذ ۲۵ میباشد.
3-قیر مخلوط یا محلول
قیر مخلوط به مخلوطی از قیر و یک حلال مناسب (مثلاً نفت سفید یا بنزین) گفته میشود. این قیر در درجهحرارت محیط مایع است و یا با حرارت کمی به مایع تبدیل میشود. قیر مخلوط در انواع آسفالتهای پوششی و ماکادامی مورد استفاده قرار میگیرد. سرعت گیرش یا سفت شدن این نوع قیر بستگی به نوع محلول دارد. بهطور مثال به دلیل سرعت بالای تبخیر بنزین، قیر حل شده در بنزین سریعتر سفت میشود. این قیر، اصطلاحا قیر تندگیر (RC) نامیده میشود. همچنین قیرهایی که در نفت حل شدهاند، قیر کندگیر (MC) نامیده میشوند و به قیرهایی که در نفت گاز یا نفت کوره حل شوند، نفت دیرگیر (SC) گفته میشود. قیرهای محلول بر اساس درجه گرانرویشان درجهبندی میشوند.
4-قیر امولسیون
قیر امولسیون با مخلوط کردن قیر و آب و یک ماده امولسیونساز بهدست میآید. مقدار ماده امولسیون ساز بسیار کمو در حدود ۰٫۳ تا ۰٫۵ درصد وزن قیر میباشد. مقدار آب مصرفی این نوع قیر در حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد وزن قیر میباشد.ماده امولسیونساز معمولاً یک نمک قلیایی اسیدهای آلی یا نمک آمونیم است که باعث باردار شدن ذرات قیر میشود. به این ترتیب ذرات قیر در اثر بار القایی یکدیگر را دفع میکنند و بهصورت کرههایی با قطر یکصدم تا یکهزارم میلیمتر در آب شناور میشوند. استفاده از این نوع قیر، باعث کاهش آلایندگی محیط زیست میشود و چون از نفت یا حلالهای قابل اشتعال استفاده نمیشود، خطر اشتعال در حین حمل و نقل قیر کاهش مییابد. از قیر امولسیونی برای آسفالت سرد در محیطهای مرطوب یا برای عایق کاری استفاده میشود که در این صورت باید دوباره به آن آب اضافه کرد و محتوای آن را به حدود ۶۵ درصد رساند.
کاربرد قیر
قیر معمولاً در دو حوزه راهسازی و عایقکاری به کار میرود. حدودا ۹۰ درصد از قیر تولیدی، در حوزه راهسازی مورد استفاده قرار میگیرد و مصارف عایقکاری، تنها ۱۰ درصد از مصرف قیر را به خود اختصاص میدهد.
عایق کاری: از قیر معمولا برای عایق بندی بامها و کف حمامها استفاده میشود. معمولا به منظور تثبیت قیر، آن را همراه با گونی مورد استفاده قرار میدهند که به آن قیرگونی گفته میشود. الیاف گونی نقش مسلح کننده قیر را دارند و قیر را در محل خود تثبیت میکنند. هم چنین محصولاتی مانند مقوای قیری یا نمد قیری که با نامهای تجاری نظیر ایزوگام و... ارائه میشوند نیز کاریردی مشابه قیرگونی دارند. به منظور جلوگیری از نفوذ رطوبت زمین به کف ساختمان، از بلوکاژ یا ماکادم استفاده میشود.
مشخصات قیر
۱-درجه نفوذ: آزمایش درجه نفوذ برای تعیین سختی قیر مورد استفاده قرار میگیرد. در این آزمایش از یک سوزن استاندارد تحت اثر بار ۱۰۰ گرمی در مدت ۵ ثانیه به داخل قیر در دمای ۲۵ درجه نفوذ میکند. مقدار نفوذ برحسب دهم میلی متر درجه نفوذ نامیده میشود. هر چه درجه نفوذ کم تر باشد قیر سخت تر است.
۲-گرانروی : هر چه کند روانی قیر بیش تر باشد خواص جامد بیش تری از خود نشان میدهد. واضح است در دماهای بالاتر کند روانی کم تر است. این مشخصه قیر با دستگاه سی بولت فیورل و یا به روش کینماتیکی اندازه گیری میشود.
۳-درجه اشتعال : درجه اشتعال دمایی است که اگر قیر به آن دما برسد، گازهای متصاعد از آن با نزدیک شدن شعله، مشتعل میشوند و در سطح آن شعلهبه وجود میآید. حداکثر دمایی که میتوان قیر را در کارگاه گرم کرد به درجه اشتعال محدود میباشد.
۴-افت وزنی : افت وزنی قیر در دمای بالا، در اثر تبخیر قسمتی از روغنها و ترکیبات نفتی آن میباشد. این مشخصه نیز از خواص مهم قیر است. افت وزنی قیر در اُوِن در دمای ۱۶۳ درجه سانتی گراد و در مدت ۵ ساعت (شرایط تغریبی پخت آسفالت) اندازه گیری میشود.
۵-شکل پذیری یا انگمی : اگر نمونهای از قیر با سطح مقطع ۱ سانتی متر مربع را با سرعت ۵ سانتی متر/دقیقه بکشیم، مقدار افزایش طول نمونه را قبل از پاره شدن خاصیت انکمی قیر گویند.
۶-درجه خلوص : میدانیم حلال قیر تترا کلرور کربن و سولفور کربن است. بنابراین اگر نمونهای از قیر را در هر یک از این مواد حل کنیم، ناخالصیهای آن باقی میماند و از آن جا درجهٔ خلوص قیر را میتوانیم تعیین کنیم. درجه خلوص عبارت است از: (وزن نمونه قیر) ÷ [(وزن ناخالصی) - (وزن قیر)]
۷-درجه نرمی : درجه نرمی دمایی است که با رسیدن قیر به آن دما، قیر از حالت جامد به حالت روان در میآید. هرچه درجه نرمی قیر بیش تر باشد، حساسیت کم تری نسبت به تغیرات دما دارد. درجه نرمی قیرهای معمولی حدود ۶۰ تا ۷۰ میباشد
نحوة توليد
نفت خامي كه توسط لوله هاي قطور و از مراكز بهره برداري به پالايشگاه منتقل مي گردد، پس از تصفيه و انجام مراحل مختلف عملياتي (در همين مراكز)، تبديل به فرآورده هاي گوناگوني مي شود كه قير نفتي نيز از جملة اين فرآورده ها مي باشد.
اين قير در فرآيند تقطير در برج خلاء به دست مي آيد كه ته ماندة برج تقطير در خلاء (V.B) نام داشته و تحت تاثير دو متغير تقطير و نفت خام قرار دارد. اين تهمانده، پاية ساخت قيرهاي مختلف مي باشد كه در برخي موارد به طور مستقيم قيري با مشخصات قيرهاي راهسازي به دست ميآيد ولي در عمدة موارد، موجب توليد قيري مي گردد كه بسيار نرم بوده و براي تهية قيرهاي مناسب راهسازي و بام ساختمانها، نيازمند بالا بردن نقطة نرمي از طرق مختلف نظير هوادهي مي باشد. در فرايند هوادهي كه اكسيداسيون نيز خوانده مي شود، مجموعهاي از فعل و انفعالات پيچيدة شيميايي، نظير هيدوروژنزدايي، پليمريزاسيون و كنداوسيون صورت مي پذيرد كه بالابردن نسبت كربن به هيدورژن، قير رقيق را به تدريج سفت تر ساخته و امكان ساخت قيرهاي مختلف را مي دهد.
همچنین قیر های طبیعی در اغلب نقاط جهان یافت شده است.این قیرها در معادن و دریاچه های قیری یافت می شود.این نوع قیرها معمولا خالص نبوده و کم و بیش دارای موادی از قبیل رس و ماسه و آب است که با حرارت دادن آن را صاف می کنند.امروزه با افزایش قیمت نفت خام،شرکت مختلفی به استفاده از این نوع قیرها روی آورده اند و به گفته آنان تصفیه و بهره برداری از این نوع قیر ها نسبتا بهره اقتصادی دارد.
اقسام قير مصرفي
قير را از حيث نوع مصرف به دو نوع قيرهاي راهسازي يا قير رقيق و قيرهاي ساختماني و (عايق بام) يا قير سفت تقسيم بندي مي نمايند. حدود 90 درصد از قيرهاي توليدي در راهسازي و 10 درصد آن براي مصارف عايقكاري به كار برده مي شود. در كشور ما، عمدة مصرف قير توسط وزارت راه و ترابري جهت ساختن جاده ها و همچنين شهرداريها به منظور روكش خيابانها صورت مي گيرد.
قيرهاي راهسازي را معمولاً بر اساس درجة نفوذ يا نفوذپذيري (Penetration) دسته بندي مي نمايند. درجة نفوذ يك مادة قيري، بيانگر قوام و استحكام آن مي باشد كه به صورت تعداد واحد نفوذ (يك دهم ميلي متر) يك سوزن استاندارد قائم در يك نمونة قير و در شرايط معيني از زمان و وزن روي سوزن و دما تعريف مي گردد. معمولاً درجة نفوذپذيري قيرها را 25 درجة سانتي گراد با وزنة 100 گرمي و در مدت 5 ثانيه اندازه گيري مي نمايند. قيرهاي راهسازي كه در ايران ساخته مي شود، "60 به 70" و "85 به 100" مي باشد كه اين اعداد بيانگر محدودة درجة نفوذ قيرها مي باشد.
انتخاب قیر
انتخاب نوع قیری که در راه سازی به کار میرود با توجه به چند عامل مهم انجام میشود.این عوامل عبارتند از :شرایط جوی محل، نوع و شدت آمد و شد وسائل نقلیه ، نوع روسازی ، جنس و دانه بندی مصالح ، و نحوه اجرای روسای.
هر اندازه درجه حرارات متوسط سالیانه منطقه ای بیشتری باشد باید از قیر کند روان تری برای برای ساختن روسازی آسفالتی استفاد ه شود.هر اندازه تعداد و وزن وسایل نقلیه بیشتر یاشد باید از قیر کند روان تری برای ساختم مخلوطهای قیری استفاده شود.برای ساختن مخلوط بتن آسفالتی گرم از قیر خالص و برای ساختن مخلوطهای بتن آسفالتی سرد از قیرهای محلول یا امولسیونهای قیر استفاد ه می شود.میزان تخلخل و خلل و فرج سطحی که باید با قیر اندود شود در انتخاب نوع قیر موثر است. هر اندازه میزان تخلخل سطح بیشتر باشد باید از قیر محلول کند روانتری برای اندود کاری استفاده شود.در مناطق با آب و هوای سرد و خشک بهتر است از قیر های محلول و در مناطق با آب و هوای مرطوب و یا با مصالح سنگی مرطوب بهتر است که از امولسیون های قی استفاده شود
آزمایشات قیر
به طور کلی آزمایشات متعددی برای تعیین خصوصیات فنی قیر به کار می رود و بر حسب نوع قیر مورد آزمایش نوع این آزمایشات متفاوت است.این آزمایشات دبه شرح ذیل می باشد:
1-آزمایش درجه نفوذ
2-آزمایش کند روانی
3-آزمایش درجه اشتعال
4-آزمایش افت روانی یر در اثر حرارات
5-آزمایش لعاب نازک قیر
6-آزمایش قابلیت شکل پذیری (خاصیت انگمی) قیر
7-آزمایش تعیین درجه خلوص قیر
8-آزمایش اعیین چگالی قیر
9-آزمایش درجه نرمی قیر
به نقل از: mohandesiomran.ir