معرفی علمی قیر
قیر جسمی هیدروکربوری است به رنگ سیاه تا قهوه‌ای تیره که در سولفور کربن کاملا حل میشود. قیر در دمای محیط جامد است. اما با افزایش دما، به حالت خمیری درمی‌آید و پس از آن مایع میشود. کاربرد مهم قیر به علت وجود دو خاصیت مهم این ماده است؛ غیرقابل نفوذ بودن در برابر آب و چسپنده بودن
هر چند قیر محصول آشنایی در زندگی میباشد، در این مطلب سعی شده تا خوانندگان را با شناخت علمی آن نیز آشنا نماییم:
قیر، سنگینترین برش نفت خام و یکی از پیچیدهترین اجزای آن، به رنگ تیره، به اشکال جامد، نیمه جامد یا ویسکوز و با منشاء طبیعی یا تولیدی میباشد. عمده اجزای سازنده قیر از ترکیبات هیدورکربوری با وزن مولکولی بالا تشکیل شده که شامل مواد روغنی، رزین و آسفالتینها میباشد. این ماده از نظر شیمیایی دارای ترکیبی بسیار پیچیده است و دارای خواص فیزیکی از جمله چسبندگی و ضد رطوبتی بوده و در دی‌سولفید کربن و CO۲ حل میشود. در برخی از کشورها، واژه آسفالت(Asphalt) معادل با واژه قیر (Bitumen) به کار برده میشود، اما در ایران، آسفالت بیشتر به معنی مخلوطی از قیر و ماسه که در راهسازی کاربرد دارد، مورد استفاده قرار میگیرد.
● انواع قیر
قیر را از نظر منشا تولید، میتوان به سه دسته قیرهای طبیعی، قطرانی و نفتی تقسیمبندی کرد:
الف) قیرهای طبیعی (Native Asphalts or Natural Bitumens)، دستهای از مواد قیری هستند که تحت تاثیر عوامل جوی و گذشت زمان به طور طبیعی ایجاد شده و بدون نیاز به روش‌های تقطیر بهکار میروند و از لحاظ ترکیب و خواص بسیار متنوع می‌باشند.
ب) قیرهای قطرانی (Coal Tar Pitches)، موادی سیاه رنگ و سخت هستند که باقیمانده تقطیر قطران زغال سنگ می‌باشند. سطح تازه شکسته آنها براق بوده و به هنگام حرارت دادن، با افت سریع گرانروی، ذوب میشوند و دمای ذوبشان به روش تولید آنها وابسته است.
ج) قیرهای نفتی (Petroleum Asphalts)، آن دسته از قیرهایی هستند که منشاء آنها نفت خام میباشد. این قیرها، قیرهای جامد و نیمه جامدی هستند که به طور مستقیم از تقطیر نفت خام و یا با عملیات اضافی دیگری نظیر دمیدن هوا به دست میآیند و نسبت به انواع دیگر قیر، کاربردهای بیشتر و مصرف بالاتری را دارا هستند.
● نحوه تولید قیر نفتی
نفت خامی که توسط لولههای قطور و از مراکز بهرهبرداری به پالایشگاه منتقل میگردد، پس از تصفیه و انجام مراحل مختلف عملیاتی (در همین مراکز)، تبدیل به فرآوردههای گوناگونی میشود که قیر نفتی نیز از جمله این فرآوردهها میباشد. این قیر در فرآیند تقطیر در برج خلاء به دست میآید که ته مانده برج تقطیر در خلاء (V.B) نام داشته و تحت تاثیر دو متغیر تقطیر و نفت خام قرار دارد. این ته‌مانده، پایه ساخت قیرهای مختلف میباشد که در برخی موارد بهطور مستقیم قیری با مشخصات قیرهای راهسازی به دست میآید ولی در عمده موارد، موجب تولید قیری میگردد که بسیار نرم بوده و برای تهیه قیرهای مناسب راهسازی و بام ساختمان‌ها، نیازمند بالا بردن نقطه نرمی از طرق مختلف نظیر هوادهی میباشد. در فرایند هوادهی که اکسیداسیون نیز خوانده میشود، مجموعه‌ای از فعل و انفعالات پیچیده شیمیایی، نظیر هیدوروژن‌زدایی، پلیمریزاسیون و کنداوسیون صورت میپذیرد که بالابردن نسبت کربن به هیدورژن، قیر رقیق را به تدریج سفتتر ساخته و امکان ساخت قیرهای مختلف را میدهد.
● اقسام قیر مصرفی
قیر را از حیث نوع مصرف به دو نوع قیرهای راهسازی یا قیر رقیق و قیرهای ساختمانی و (عایق بام) یا قیر سفت تقسیمبندی مینمایند. حدود ۹۰ درصد از قیرهای تولیدی در راهسازی و ۱۰ درصد آن برای مصارف عایقکاری به کار برده میشود. در کشور ما، عمده مصرف قیر توسط وزارت راه و ترابری جهت ساختن جادهها و همچنین شهرداری‌ها به منظور روکش خیابان‌ها صورت میگیرد. قیرهای راهسازی را معمولاً بر اساس درجه نفوذ یا نفوذپذیری (Penetration) دستهبندی مینمایند. درجه نفوذ یک ماده قیری، بیانگر قوام و استحکام آن میباشد که به صورت تعداد واحد نفوذ (یک دهم میلیمتر) یک سوزن استاندارد قائم در یک نمونه قیر و در شرایط معینی از زمان و وزن روی سوزن و دما تعریف میگردد. معمولاً درجه نفوذپذیری قیرها را ۲۵ درجه سانتیگراد با وزنه ۱۰۰ گرمی و در مدت ۵ ثانیه اندازهگیری مینمایند. قیرهای راهسازی که در ایران ساخته میشود، "۶۰ به ۷۰" و "۸۵ به ۱۰۰" میباشد که این اعداد بیانگر محدوده درجه نفوذ قیرها میباشد.
قیر نفتی و قیر طبیعی
قیر معمولا 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)، یا از معادن استخراج شود(قیر معدنی).
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 کمتر و درجه نرمی بیشتری خواهد بود. این نوع قیر بیشتر در ساختن ورق‌های پوشش بام، باتری اتومبیل و اندودکاری مورد استفاده قرار میگیرد
قیر مخلوط یا محلول
قیر مخلوط به مخلوطی از قیر و یک حلال مناسب (مثلا 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 کندروانی‌شان درجه‌بندی میشوند
قیر امولسیون
قیر امولسیون با مخلوط کردن قیر و آب و یک ماده امولسیون‌ساز به‌دست میآید. ماده امولسیون‌ساز معمولا 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
قیر معمولا 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