معرفی علمی قیر
قیر جسمی هیدروکربوری است به رنگ سیاه تا قهوه ای تیره که در سولفور کربن کاملا حل می شود. قیر در دمای محیط جامد است. اما با افزایش دما، به حالت خمیری درمی آید و پس از آن مایع می شود. 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 می باشد، 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. عمدهٔ اجزای سازندهٔ 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 دی سولفید کربن و CO۲ حل میشود. در برخی از کشورها، واژهٔ 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 دستهٔ 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 روش های تقطیر بهکار میروند و از لحاظ ترکیب و خواص بسیار متنوع می باشند.
ب) قیرهای قطرانی (Coal Tar Pitches)، موادی سیاه رنگ و سخت هستند که باقیماندهٔ تقطیر قطران زغال سنگ می باشند. سطح تازه شکستهٔ 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.
● نحوهٔ 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 جملهٔ این فرآوردهها میباشد. این قیر در فرآیند تقطیر در برج خلاء به دست میآید که ته ماندهٔ برج تقطیر در خلاء (V.B) نام داشته و تحت تاثیر دو متغیر تقطیر و نفت خام قرار دارد. این ته مانده، پایهٔ ساخت قیرهای مختلف میباشد که در برخی موارد بهطور مستقیم قیری با مشخصات قیرهای راهسازی به دست می آید ولی در عمدهٔ موارد، موجب تولید قیری میگردد که بسیار نرم بوده و برای تهیهٔ قیرهای مناسب راهسازی و بام ساختمان ها، نیازمند بالا بردن نقطهٔ نرمی از طرق مختلف نظیر هوادهی میباشد. در فرایند هوادهی که اکسیداسیون نیز خوانده میشود، مجموعه ای از فعل و انفعالات پیچیدهٔ شیمیایی، نظیر هیدوروژن زدایی، 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 عایق کاری به کار برده میشود. در کشور ما، عمدهٔ مصرف قیر توسط وزارت راه و ترابری جهت ساختن جادهها و همچنین شهرداری ها به منظور روکش خیابان ها صورت میگیرد. قیرهای راهسازی را معمولاً بر اساس درجهٔ نفوذ یا نفوذپذیری (Penetration) دستهبندی مینمایند. درجهٔ نفوذ یک مادهٔ قیری، بیانگر قوام و استحکام آن میباشد که به صورت تعداد واحد نفوذ (یک دهم میلیمتر) یک سوزن استاندارد قائم در یک نمونهٔ قیر و در شرایط معینی از زمان و وزن روی سوزن و دما تعریف میگردد. معمولاً درجهٔ نفوذپذیری قیرها را ۲۵ درجهٔ سانتیگراد با وزنهٔ 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 محدودهٔ درجهٔ نفوذ قیرها میباشد.
قیر نفتی و قیر طبیعی
قیر معمولا از تقطیر نفت خام به دست می آید. چنین قیری قیر نفتی یا قیر تقطیری نامیده می شود. 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 می شوند. این فرآیند در فشاری نزدیک به فشار اتمسفر انجام می شود. در مرحله دوم نیز ترکیبات سنگین مانند گازوئیل و نفت سفید خارج می شوند. این فرآیند در فشاری نزدیک به خلاء صورت می پذیرد. در نهایت مخلوطی از ذرات جامد بسیار ریز به نام آسفالتن باقی می ماند که در ماده سیال گریس مانندی به نام مالتن غوطه ور است.
اما برخی از انواع قیر در طبیعت و در اثر تبدیل تدریجی نفت خام و تبخیر مواد فرار آن در اثر گذشت سال های بسیار زیاد به دست می آید. چنین قیری، قیر طبیعی نامیده می شود و دوام آن بیشتر از قیرهای نفتی است. چنین قیری ممکن است به صورت خالص در طبیعت وجود داشته باشد (قیر دریاچه ای)، 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 می آید. در این فرآیند، هوای داغ با دمای ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد توسط لوله های سوراخ دار به محفظه حاوی قیر دمیده می شود. در اثر انجام این فرآیند، اتم های هیدروژن موجود در مولکول های هیدروکربورهای قیر، با اکسیژن هوا ترکیب می شود و با تشکیل آب، عمل پلیمریزاسیون اتفاق می افتد. قیر دمیده نسبت به قیر خالص دارای درجه نفوذ کمتر و درجه نرمی بیشتری خواهد بود. این نوع قیر بیشتر در ساختن ورق های پوشش بام، باتری اتومبیل و اندودکاری مورد استفاده قرار می گیرد
قیر مخلوط یا محلول
قیر مخلوط به مخلوطی از قیر و یک حلال مناسب (مثلا نفت سفید یا بنزین) گفته می شود. این قیر در درجه حرارت محیط مایع است و یا با حرارت کمی به مایع تبدیل می شود. قیر مخلوط در انواع آسفالت های پوششی و ماکادامی مورد استفاده قرار می گیرد. سرعت گیرش یا سفت شدن این نوع قیر بستگی به نوع محلول دارد. به طور مثال به دلیل سرعت بالای تبخیر بنزین، قیر حل شده در بنزین سریع تر سفت می شود. این قیر، اصطلاحا قیر تندگیر (RC) نامیده می شود. همچنین قیرهایی که در نفت حل شده اند، قیر کندگیر (MC) نامیده می شوند و به قیرهایی که در نفت گاز یا نفت کوره حل شوند، نفت دیرگیر (SC) گفته می شود. قیرهای محلول بر اساس درجه کندروانی شان درجه بندی می شوند
قیر امولسیون
قیر امولسیون با مخلوط کردن قیر و آب و یک ماده امولسیون ساز به دست می آید. ماده امولسیون ساز معمولا یک نمک قلیایی اسیدهای آلی یا نمک آمونیم است که باعث باردار شدن ذرات قیر می شود. به این ترتیب ذرات قیر در اثر بار القایی یکدیگر را دفع می کنند و به صورت کره هایی با قطر یک صدم تا یک هزارم میلی متر در آب شناور می شوند. استفاده از این نوع قیر، باعث کاهش آلایندگی محیط زیست می شود و چون از نفت یا حلال های قابل اشتعال استفاده نمی شود، خطر اشتعال در حین حمل و نقل قیر کاهش می یابد
قیر معمولا در دو حوزه راه سازی و عایق کاری به کار می رود. حدودا ۹۰ درصد از قیر تولیدی، در حوزه راهسازی مورد استفاده قرار می گیرد و مصارف عایق کاری، تنها ۱۰ درصد از مصرف قیر را به خود اختصاص می دهد