Table of Contents
Toggle
قیر به عنوان یکی از مشتقات نفت به رنگ سیاه و خمیری شکل بوده که کاربردهای فراوانی در آسفالت، جاده سازی، عایق رطوبت و ایزوگام دارد. این ماده دارای بوده که هر کدام با توجه به مشخصات فیزیکی منحصر به فرد خود در صنایع مختلف کاربرد دارد. این ماده به عنوان یک ماده هیدروکربن از رنگ سیاه تا قهوه ای متغیر بوده و در سولفید کربن و تتراکلراید کربن به صورت کاملا محلول در می آید.
این ماده در دما و شرایط محیط به صورت جامد و با افزایش دما به صورت مایع و خمیری شکل تغییر می یابد. از عمده دلایل تنوع در انواع آن می توان به علت وجود دو خاصیت قابل توجه در این ماده شامل نفوذ پذیری و چسبندگی آن اشاره نمود.
بالاترین مصرف آن در جاده و راه سازی و به عنوان ماده افزودنی در آسفالت مورد استفاده قرار می گیرد و پس از آن استفاده در عایق و ایزوگام در جایگاه بعدی می باشد. به طور کلی از عمده کاربردهای آن می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
در آزمایشگاه جهت تعیین سختی آن، درجه نفوذ آن اندازه گیری می شود. در این روش یک سوزن با بار 100 گرم در مدت 5 ثانیه با دمای 25 درجه سانتی گراد داخل می گردد و میزان نفوذ به میزان دهم میلی متر اندازه گیری می شود. هرچه میزان نفوذ کمتر باشد قیر سخت تر خواهد بود.
دمایی که در آن با نزدیک شدن به این دما باعث اشتعال گازهای متصاعد آن می شود را درجه اشتعال می گویند و حداکثر میزانی که می توان آن را گرم کرد به دمای اشتعال آن محدود می گردد.
هرچه روان بودن آن کمتر باشد، خواص جامد آن بیشتر می باشد. شایان ذکر می باشد که در دماهای بالاتر روانی این ماده کمتر بوده و این خاصیت در آزمایشگاه با استفاده از دستگاه سی بولت فیورل اندازه گیری می گردد.
خاصیت شکل پذیری آن به میزان افزایش طول آن در آزمایشگاه زمانی که آن را با سطح مقطع 1 سانتی متر مربع را با سرعت 5 سانتی متر/دقیقه بکشیم و قبل از پاره شده می گویند.
افت وزنی در قیر حاصل از تبخیر ترکیبات نفت و روغن های موجود در آن می باشد. این خاصیت نیز از مشخصه های حائز اهمیت آن می باشد به نحوی که در آون تا دمای 163 درجه سانتی گراد و در مدت 5 ساعت قابل اندازه گیری می باشد.
دمایی می باشد که در آن با رسیدن به این دما از جامد به صورت روان در می آید. هرچه میزان درجه نرمی آن بالاتر باشد حساسیت کمتری از خود نسبت به دما نشان می دهد و درجه نرمی در اغلب آن ها مابین 60 الی 70 درجه سانتی گراد می باشد.
میزان ناخالصی برجای مانده حاصل از انحلال نمونه ای از آن در حلال سولفور کربن یا تتراکلرو کربن درجه خلوص نامیده می شود.
تولید این ماده از تقطیر نفت خام انجام می گردد و از این نوع، قیر نفتی یا تقطیری نیز یاد می شود. نوع نفتی آن شامل دو مرحله تقطیر نفت خام در برج تقطیر می باشد. مرحله اول تقطیر شامل جداسازی مواد سبک نفت از جمله: بنزین و پروپان می باشد و در این مرحله فشار نزدیک به یک اتمسفر می باشد.
مرحله بعدی نیز شامل جداسازی مواد سنگین از جمله گازوئیل و نفت سفید می باشد که این پروسه در فشاری نزدیک به فشار خلاء انجام می شود و در پروسه آخر مخلوطی از ذرات آسفالتن باقی می ماند که در مایعی گریس شکل همانند مالت غوطه ور خواهد بود.
علاوه بر پروسه تولید در پالایشگاه ها، این ماده به صورت معدنی و در طبیعت به صورت تبدیل تدریجی نفت خام و تبخیر مواد فرار آن در پی سال های فراوان نیز به وجود می آید. این نوع به نسبت سایر قیر های نفتی دوام بیشتری دارد و همچنین می تواند به صورت خالص در طبیعت وجود داشته باشد و می توان به دریاچه قیر بهبهان و یا درچه قیر در تیرینیداد آمریکا اشاره نمود.
قیر ماده ای هیدروکربنی بوده که دارای ویژگی های خاصی می باشد، این ماده از نفت نیز تنوع بیشتری داشته و بسته به منشاء آن به سه نحوه زیر طبقه بندی می گردند:
این نوع قیر، یک هیدروکربن طبیعی شکل می باشد و در رود بونیتا در شمال شرق یوتا یافت گردیده است، این نوع، به صورت یک نفت خام سخت شده می باشد و معمولا با نام های آسفالت، آسفالتوم و یوتانیت نیز شناخته می شود. این نوع قیر در حلال های آلیفاتیک و آروماتیک قابل حل بوده و به علت سازگاری بالای آن به عنوان سخت کننده مشتقات نفتی رقیق نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
این ماده به شکل کلوخه ای براق، مشکی رنگ و ترد بوده و در حالت پودر میکرونیزه به رنگ قهوه ای می باشد. قیر طبیعی در لایه های عمودی سطح زمین یافت می گردد و در حال حاضر به صورت معدنی و با استفاده از بیل مکانیکی و دیگر ابزار های به روز قابل استخراج می باشد. در آمریکا قیر طبیعی از نوع گیلسونایت بوده که توسط شرکت آمریکایی گیلسونایت با گرید های مختلفی تولید می گردد.
شهرت این نام به نوعی می باشد که برخی به اشتباه از آن با نام گیلسونایت یاد می کنند. از خاصیت های این نوع قیر میزان خاکستر پایین آن می باشد که ارتباطی با معدن ندارد و در آمریکا به علت تکنولوژی بالا تولید امکان فرآوری کامل این محصول وجود دارد.
این نوع، به شکل بیتومن های جامد شکل که با نام آسفالتیتها نیز شناخته می شود یاد می گردد و از دیگر قیر ها به علت خصوصیات منحصر به فرد آن متمایز می باشد. این نوع ماده یک نوع رزین هیدروکربنی طبیعی بوده و به عنوان بهترین عایق طبیعی شناخته می شود. شکل ظاهری آن به صورت کلوخه براق و مشکی رنگ بوده و دارای قابلیت انحلال بالا در مواد محلول آلی، خلوص بالا، وزن مولکولی بالا، خواص ثابت و نیتروژن بالا می باشد.
این نوع دارای درجه نرمی مابین 130 الی 250 درجه سانتی گراد بوده و در از جمله آسفالت و راه سازی مورد استفاده قرار می گیرد.نوع طبیعی آن در کشور ما در مناطق مختلفی مانند: گلشان، پیشکوه، کرمانشاه، بهبهان، فهلیات، دره مغان و پشتکوه قلعه قیران ایلام یافت می شود.
در زمان تشکیل آن به صورت طبیعی، پس از تبخیر مواد سبک نفت خام، به دلیل عواملی از جمله دما، زمان و انجام فرآیندهایی همچون واکنش با گوگرد، اکسایش، بسپارش، متراکم شدن این ماده به صورت مایع گرانروی و یا جامد به وجود می آید. این نوع در حالت مایع به صورت نیمه جامد و در حالت جامد به صورت کلوخه های ترد شکل می باشند. قیر های طبیعی به دوسته دریاچه ای و سنگ طبقه بندی می گردند:
زمانی که نفت خام در پایه های شکسته شده زمین بالا آمده و مواد موجود در آن تبخیر می گردد، این نوع به صورت دریاچه ای بر روی زمین پوشانده می گردند. این نوع در نقاط مختلفی در زمین وجود دارند که می توان به دریاچه قیر ترینداد ونزوئلا با وسعتی به میزان 10 الی 15 میلیون مترمکعب و همچنین دریاچه قیر برمودز ونزوئلا اشاره نمود.
جهت استفاده از این نوع قیر ها، آن را تا دمای 160 درجه سانتی گراد گرما داده و پس از تبخیر آب موجود در آن از الک عبور داده شده و مواد ناخالص موجود در آن نیز جدا می گردد. این نوع با توجه به آنکه دارای درجه نفوذ به مقدار 2 سانتی متر و درجه نرمی 95 درجه سانتی گراد می باشد، دارای سختی زیادی می باشد که قابل استفاده نمی باشد.
به همین جهت آن را به میزان نصف به نصف با قیر با درجه نفوذ 200 مخلوط کرده و قیری به درجه نفوذ به مقدار 50 به وجود می آید که به راحتی قابل استفاده دز مخلوط آسفالت در جاده سازی می باشد. این نوع در شرایط آب و هوایی مختلفت کیفیت مناسبی داشته و آسفالت تهیه شده از این روش دارای طول عمر بیشتری می باشد.
قیر سنگ به طور کلی شامل دو دسته سنگ های آهکی و ماسه ای می باشد که نفت خام در آنها نفوذ کرده و با مرور زمان مواد فرار در آن تبخیر و باقیمانده آن به صورت طبیعی شکل می گیرد. در این نوع، حین استفاده ابتدا خرد، نرم و مورد حرارت قرار گرفته و در سطح راه پخش می گردد و میزان قیر موجود در این نوع سنگ ها به مقدار 7 الی 80 درصد متغیر می باشد. قیر سنگ های استان لرستان، مابین 70 الی 80 درصد قیر در خود دارند و در آمریکا با نام گیلسونایت شناخته شده است. امروزه از قیر سنگ علاوه بر جاده سازی در مصارف گوناگون دیگر نیز استفاده می شود.
قیرهای نفتی به صورت جامد و نیمه جامد می باشند که به صورت مستقیم از طریق تقطیر نفت خام و پروسه دمیدن هوا تولید می گردند. این نوع حاصل از ته مانده سنگین تشکیل شده از طریق تقطیر نفت خام به وجود می آیند و میزان قیر موجود در نفت خام از صفر تا نیمی از آن متغیر می باشد. پالایشگاه های تولید قیر باید نفت خام خود را با حساسیت خاصی انتخاب کنند چرا که تاثیر به سزایی در کیفیت قیر حاصله از خود برجای می گذارد.
تقطیر فرآیندی مهم در پروسه فرآوری نفت خام می باشد. در مرحله اول نفت خام در برج تقطیر تا دمای مابین 650 الی 800 درجه فارنهایت حرارت داده می شود و سپس به ستون جداسازی انتقال داده می شود. در این حالت برش های سبک به صورت محلول بالای برج باقی می ماند و ته مانده آن که قیری شکل می باشد به عنوان ته مانده اتمسفریک نام برده می شود.
برای جداسازی این دسته از برش ها و تهیه قیر با کیفیت مناسب یک برج تفکیک ثانویه که در شرایط خلاء کار می کند استفاده می گردد. باقی مانده حاصل از این پروسه به نام قیر استحصال مستقیم یاد می شود که در تولید آسفالت با استفاده از تقطیر در خلاء به غیر از نفوذپذیری تاثیر اندکی بر روی خواص قیر بر خود می گذارد.
از جمله موارد تاثیر گذار دیگر بر کیفیت قیر نیز می توان به منشاء نفت خام به کار برده نام برد. اگر چه قیر به دست آمده در برج خلاء را می توان استفاده نمود اما در غالب موارد خواص مناسب و کاربردی از خود نداشته و باید اصلاحاتی بر روی آن انجام گیرد که از عمده ترین آنها می توان به دمیدن هوا به شرح ذیل اشاره نمود:
در این فرآیند میزان اکسیژن ترکیبی تنها به مقدار 5 الی 25 درصد بوده و به صورت پیوندی در قیر باقی می ماند و مابقی به صورت بخار آب و سایر گازها خارج می گردد. میزان اکسیژن در محصول با افزایش میزان آروماتیک خورک، افزایش هوادهی و کاهش دما فرآیند افزایش می یابد. این نوع از درجه نفوذ کمتر و نقطه نرم بالاتری به نسبت قیر خالص اولیه حاصل از تقطیر نفت خام برخوردار بوده و حساسیت حرارتی آن نیز کمتر گردیده است. باتوجه به آنکه این فرآیند گرمازا می باشد، کنترل دمایی و تنظیم میزان خوراک از اهمیت بالایی برخوردار است. این فرآیند به صورت پیوسته و ناپیوسته به شرح ذیل انجام می گیرد:
در این فرآیند، خوراک اولیه پس از گرمایش اولیه تا میزان مورد نظر در برج پر می گردد و زمانی هوادهی آغاز می گردد که حرارت به دمای مابین 190 الی 240 درجه سانتی گراد برسد. با توجه به آنکه این فرآیند گرمازا می باشد، دمای حاصل از واکنش باعث می گردد دمای قیر به 240 الی 260 درجه سانتی گراد برسد که در این محدوده حفظ می گردد. پس از انجام نمونه برداری در فواضل زمانی مختلف و به دست آمدن مشخصات مورد نظر عملیات متوقف می گردد.
این عملیات با توجه به مشخصات فنی مختلف، می تواند مابین 3 الی 24 ساعت متغیر باشد. برج هوادهی قیر دارای ارتفاع 12 متر و قطری به میزان 3.65 متر می باشد و هوا از پایین برج و از طریق لوله های توزیع کننده تزریق می گردد و در زمان عبور باعث ایجاد جریان یا توربولانت گردیده که در پی آن موجبات افزایش سطح تماس و سرعت واکنش شده و متغییرهای واکنش باعث تولید قیر با مشخصه های فنی مختلف می گردد.
بخارات اضافی خارج شده از بالای برج شامل روغن تجزیه نشده، هوا، ذرات سبک بخار آب و سایر گازها و هیدروکربن های سبک می باشد. از نکات بارز تولید در این روش می توان به قابلیت تولید محصول با مشخصات فنی مختلف اشاره کرد.
شروع فرآیند پیوسته همانند ناپیوسته بوده و زمانی که مشخصات فنی آن به میزان مورد نظر برسد محصول آماده از طریق کنترل کننده ارتفاع خارج گردیده و خوراک مجداداً با کنترل جریان وارد گردیده، این خوراک در دمای کمتری از دمای عملیاتی وارد گردیده و قیر به علت واکنش گرمازای حاصل از هوادهی در برج گرم می گردد.
در این فرآیند کنترل دما با استفاده از روش هایی همچون گرمایش اولیه خوراک در کوره، مبدل حرارتی و یا خنک کردن با استفاده از تزریق آب انجام می گیرد. دمای موثر دمیدن در این روش 260 درجه سانتی گراد بوده و چنانچه هدف تولید محصول با مشختصات فنی مشخص و به میزان انبوه باشد این روش مفیدتر خواهد بود. در حال حاضر در ایران دو نوع 70/60 و 100/85 به روش های مستقیم و نیمه دمیده تولید می گردد. قیر ها خاصیت های فیزیکی متفاوتی دارند و به طور کلی به چهار نوع اصلی ذیل طبقه بندی می گردند:
در جاده سازی به علت آنکه امکان استفاده از قیرها به صورت جامد مقدور پذیر نمی باشد، از قیر های محلول استفاده می گردد. این نوع از طریق انحلال قیرهای خالص با روغن و حلال های نفتی به دست می آید. کیفیت و نوع این نوع قیرها بستگی به کیفیت قیر خالص، مقدار و نوع حلال بستگی دارد.
میزان روان بودن این نوع قیرها بستگی به میزان حلال نفتی در آنها می باشد و هرچه این مقدار بیشتر، روان پذیری آن نیز بالاتر خواهد بود و به طور معمول میزان این حلال ها مابین 10 الی 50 درصد می باشد. عدم دسترسی به وسایل گرم کننده، تجزیه قیر در حرارت بالا، عدم نفوذ در مواد معدنی متخلخل، لزوم ایمنی کارگران، صرف وقت، سرد شدن در زمان انجام کار و آتش سوزی باعث گردیده است در برخی موارد از قیرهای محلول استفاده گردد.
به منظور چسبندگی مطلوب به مصالح مرطوب، میزان اسیدی بودن این نوع قیرها باید مناسب باشد. این نوع در جاده سازی معمولا به جهت اندود سطح آسفالت، آسفالت سرد و یا مخلوط در محل مورد استفاده قرار می گیرد. این قیرها بر حسب سرعت گیرش و نوع حلال به سه دسته زودگیر (RC)، کند گیر (MC) و دیرگیر (SC) طبقه بندی می گردند.
امولسیون حاوی یک مخلوط دو فازی بوده که فاز داخلی به شکل ذرات ریز در فاز خارجی پراکنده می باشد. قطر این ذرات مابین 0.1 الی 5 میکرون بوده و قطر ذرات از حالت محلول حقیقی و کلوئیدی بزرگتر می باشد. میزان ماده امولسیون ساز مورد استفاده قرار گرفته مابین 0.3 الی 0.5 درصد وزن قیر و میزان آب مصرفی به میزان 30 الی 50 درصد می باشد.
ماده امولسیون ساز به طور معمول یک نوع نمک قلیایی اسید آلی و یا نمک آمونیوم دار می باشد که در بار دار شدن ذرات آن تاثیر به سزایی دارد. به نحوی که ذرات به علت بار القایی یکدیگر را دفع کرده و به شکل کره هایی با قطر مابین یک صدم الی یک هزام در آب شناور می گردند.
در صورت عدم استفاده از مواد امولسیون ساز باعث افزایش سطح تماس مابین دو فاز و افزایش انرژی بین سطحی می گردد که این تعلیق با ثبات نمی باشد و دو ماده غیر قابل مخلوط آب و روغن ایجاد شده و دو فاز جدا تشکیل می دهند که با جدایی دو فاز سیستم به حالت با ثبات باز می گردد. استفاده از این نوع باعث کاهش آلایندهای محیط زیستی می گردد و با توجه به آنکه از نفت و حلال های قابل اشتعال استفاده نمی گردد خطر اشتعال در حمل و نقل کاهش می یابد.
از این نوع در آسفالت سرد استفاده می گردد و در صورت مرطوب بودن محیط باید مجداداً به آن آب اضافه کرد و محتوای آن را به میزان 65% رساند. امولسیون ها به طور کلی به دسته های زیر طبقه بندی می گردند:
از عمده کاربردهای آن می توان به استفاده از آنها در جاده سازی، آسفالت سطحی، آسفالت سرد، اسلاری کت، تک کت، به عنوان مالچ در ثبات شن های روان، پوشش حفاظتی مخازن و عایق کاری اشاره نمود. از نکات بارز آن می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
با توجه به آنکه قیر خالص به دست آمده از پالایشگاه کیفیت و مشخصات مورد نیاز استفاده در کاربردهای متنوع را ندارد، محققان همواره سعی در اصلاح و بهبود کیفیت آن هستند. اصلاح قیر نه تنها به بهبود کیفیت آن کمک می کند بلکه باعث افزایش طول عمر آن و کاهش هزینه های نگهداری نیز می گردد. از موارد ضعف در عمده قیرها می توان به خاصیت کشسانی کم، حساسیت دمایی، محدود بودن عملکرد در دماهای مختلف اشاره کرد.
جهت اصلاح عملکرد آن از افزودنی های متفاوتی استفاده می گردد، از عمده افزودنی های قابل استفاده می توان به پلیمرها از جمله SBS و SIS اشاره نمود. از عمده خواص قیرهای اصلاح شده پلیمری می توان به عملکرد و خاصیت چسبندگی مناسب در دماهای کم و زیاد، مقاوت مناسب در مقابل روان شدن و تغییرات دمایی، کم بودن حساسیت در برابر دما، استحکام کششی، عملکرد کشسانی مناسب و افزایش سختی در دماهای بالا اشاره کرد.
این نوع که با نام لاتین Tar نیز شناخته می شود به علت تشابه ظاهری و کاربری، مشابه قیر نفتی نیز یاد می شود. مبنع تولید این قیر با نوع نفتی آن متفاوت و خواص فیزیکی متفاوتی دارد. این نوع قیر با توجه به نوع فرآیند می تواند از سوزاندن یا کربونیزاسیون ذغال سنگ به وجود آید و در درمای 600 درجه سانتی گراد به دست می آید.
این نوع قیر دارای درصد پایین تری از آروماتیک ها می باشد که بعد از جداسازی برش های روغنی و سرد کردن بخار مواد باقیمانده حاوی قیر ذغال سنگ می باشد.با توجه به عصر انقلاب صنعتی و اکتشاف مقادیر قابل توجهی از نفت و گاز، استفاده از ذغال سنگ در تولید قیر تقریبا کنار گذاشته شد و مصرف آن با کاهش چشمگیری مواجه گردید. دو نوع قیر به صورت قطرانی از طریق سوزاندن یا کربنه کردن ذغال سنگ تولید می گردد.
در یکی از این فرآیندها تا دمای 1200 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود و قیر به دست آمده از این روش دارای درصد زیادی از آروماتیک ها می باشد و در روش دیگر تنها تا میزان 600 درجه سانتی گراد مورد حرارت قرار داده می شود و قیر به دست آمده به نسبت فرآیند قبلی دارای میزان آروماتیک کمتری می باشد.
پس از این فرآیند محصول به دست آمده سرد گردیده و مایع باقیمانده با نام Crude Tar شناخته می شود، سپس تقطیر انجام گردیده و بعد از جداسازی برش های روغن، قیر ذغال سنگ یا Pitch حاصل می گردد و قطران حاصل از ترکیب آن با برش های روغنی حاصل می گردد که در استاندارد BS با هشت گرید طبقه بندی می گردد.
در حال حاضر بیش از 90% این نوع قیر در راهسازی، الکترودهای ذغالی، لعاب، خاک ذغاله و روکش لوله ها مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از قیر قطرانی در جاده سازی تنها در پوشش های سطحی مورد استفاده قرار گرفته که این نوع آن عملکرد بهتر و در دماهای پایین تر نیز به صورت محلول می باشد که در پی آن باعث چسبندگی بیشتر می گردد.
محصولات دیگر ما: خاک دیاتومه، پلی آلومینیوم کلراید، هیدروکسید پتاسیم، تری سدیم فسفات، سیلیکاژل، قیر، سدیم تری پلی فسفات، مونو کلسیم فسفات، Bitumen، مولکولارسیو، آلومینای فعال، کربن اکتیو، پتاسیم کربنات ، اسید اگزالیک، خاک تونسیل ، تیتانیوم دی اکسید، گوارگام ، هگزا متا فسفات سدیم ، اسید بوریک ، زانتان گام ، دی سدیم فسفات ، مونو سدیم فسفات ، کربوکسی متیل سلولز ، کود سولفات پتاسیم