انواع قیر

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 فرایندهای دیگر قرار می‌گیرند و انواع مختلف قیر را (ازجمله قیر دمیده، قیر محلول، قیر امولسیون، قیر پلیمری و…) را تشکیل می‌دهند.

قیرهای عملکردی (PG)

از اکتبر ۱۹۸۷ تا مارس ۱۹۹۳ پروژه عظیمی تحت عنوان تحقیقات راهبردی بزرگراهها (SHRP)  در ایالات متحده با توجه به تمام جنبه های مهندسی انجام شد. این برنامه عمدتاً بر روی توسعه روشهای جدید آزمایش و تعیین مشخصات بایندرهای قیری متمرکز شده است. نتیجه این تلاش تحقیقاتی روش جدید تعیین مشخصات بایندر ایالات متحده است که superpave نامیده می شود. مشخصات کلیدی این روش جدید عبارتند از:

            ۱-استفاده از معیار کارآیی برای بایندرهای قیری و بتون آسفالتی

            ۲-توجه به مشخصات آب و هوایی در کاربرد قیر

هدف اولیه از تعیین مشخصات جدید آسان کردن خرید محصولات قیری با کیفیت برتر است. بنابراین، تعیین مشخصات جدید محصولی را که خریدار انتظار دارد کاملاً برای فروشندگان توصیف خواهد کرد. هدف از تعیین مشخصات جدید نه تنها توصیف محصول است بلکه تضمین آنستکه قیر در کاربرد بسیار مطلوب عملکرده و باعث ایجاد خرابی در پوشش نمی شود. بر خلاف سامانه دسته بندی قدیمی قیر، مشخصات قیر Superpave بطور نظری و مستقیما بر اساس کارآیی برپا شده است تا روابط تجربی بین خواص فیزیکی پایه و کارآیی مشاهده گردد. قیرهای دسته بندی شده بر اساس کارآیی بسته به نوع شرایط جوی و دمایی که شاید در آن بکاربرده شوند انتخاب می شوند. برخلاف سامانه های دیگر، خواص فیزیکی مورد لزوم (خواسته شده) برای تمام درجات کارآیی ثابت هستند. اختلاف بین درجات مختلف قیر در دماهایی حداقل و حداکثر است که برای قیر شرایط لازم را فراهم می آورد.

قیرهای نفوذی

قیرهای درجه نفوذی بر اساس نتایج آزمونهای درجه نفوذ و نقطه نرمی دسته بندی می شوند. رده بندی فقط بر اساس محدوده نفوذ می باشد، برای مثال، قیر ۶۰/۴۰ درجه نفوذی بین ۴۰ تا ۶۰ و نقطه نرمی بین ۴۸ تا ۵۶ درجه سانتیگراد دارد.

بخش عمده قیرهای نفوذی در راهسازی مصرف می شوند. در دو دهه آخر قرن بیستم در اغلب پروژه های راهسازی تمایل بیشتری به استفاده از قیرهای سفت به دلیل تولید آسفالتهای با خواص بالاتر در مقایسه با قیرهای نرم بوجود آمده است.

قیرهای امولسیون

امولسیون یک مخلوط دو فازی از دو مایع مخلوط نشدنی می‌باشد که فاز داخلی به صورت ذرات ریز در داخل فاز خارجی پراکنده می‌باشد. قطر ذرات در امولسیون بین ۱/۰ تا ۵ میکرون می‌باشد لذا قطر ذرات از حالتهای محلول حقیقی و کلوئیدی بزرگتر می‌باشد. بدون استفاده از موادی به نام امولسیونساز (emulsifier)، این تعلیق با ثبات نبوده و دو مایع مخلوط نشدنی (مثل آب و روغن) به سرعت از یکدیگر جدا شده و دو فاز مجزا را تشکیل خواهند داد. علت این مسئله آن است که به خاطر افزایش سطح تماس دو فاز و در نتیجه افزایش انرژی بین سطحی، سیستم حالت ناپایدار داشته و با جدایی دو فاز سیستم به حالت با ثبات می‌رسد.

امولسیونها را از چند نظر می‌توان دسته بندی کرد:

۱-از لحاظ جنس فاز معلق به دو دسته آب در روغن و روغن در آب تقسیم می‌شوند.

۲-از لحاظ نوع مواد معلق به سه گروه آنیونی، کاتیونی و غیر یونی تقسیم می‌شوند.

۳-از لحاظ سرعت در شکسته شدن و جدا شدن دو فاز به سه گروه اصلی زود شکن(rapid setting)، کند شکن (medium setting)، دیر شکن (slow setting) تقسیم می‌شوند.

امولسیونهای قیر در راهسازی در مواردی مانند تهیه آسفالت سرد، آسفالت سطحی، تک کت، اسلاری کت و غیره مصرف داشته و علاوه بر آن کاربردهایی مانند استفاده بعنوان مالچ در تثبیت شنهای روان، پوششهای حفاظتی مخازن و عایق کاری بام دارند.

 بنابراین قیر امولسیون با مخلوط کردن قیر و آب و یک ماده امولسیون ساز ( امولسفایر ) بدست می آید . مقدار ماده امولسیون ساز بسیار کم و حدود  ۳/۰ تا ۵/۰ درصد وزن قیر و مقدار آب مصرفی این نوع قیر حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد وزن قیر می باشد . اضافه کردن ماده امولسیون به این مخلوط باعث باردار شدن ذرات قیر می شود ، بدین ترتیب ذرات قیر در اثر بارالقایی یکدیگر را دفع کرده و به صورت کره هایی با قطر ۰۱/۰ تا ۰۰۱/۰ میلی متر در آب شناور می شوند که باعث تولید قیری با نام قیر امولسیون می گردد . استفاده از این نوع قیر باعث کاهش آلایندگی محیط زیست می شود و چون از نفت یا حلال های قابل اشتعال در تولید آن استفاده نمی شود ، خطر اشتعال در حین حمل و نقل آن کاهش می یابد . از قیر امولسیونی برای آسفالت سرد در محیط های مرطوب یا برای عایق کاری استفاده می شود که در این صورت باید دوباره به آن آب اضافه شود و محتوای آب آن را به ۶۵% رساند .

قیرهای محلول

قیرهای محلول از اختلاط قیرهای با درجه نفوذ ۱۰۰/۷۰ یا ۲۲۰/۱۶۰ با نفت سفید تا رسیدن به یک گرانروی مشخص بدست می آیند. قیرهای محلول با زمان جریان (بر حسب ثانیه) با استفاده از ویسکومتر استاندارد قیر (STV) نامگذاری و دسته بندی می شوند. سه رده قیر محلول ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ ثانیه در دسترس هستند. بخش عمده قیرهای محلول در آسفالت سطحی استفاده می شود و مقدار زیادی از آنها نیز در آسفالتهای استاندارد و متفرقه استفاده می شود.

قیرهای اصلاح شده با پلیمر

در راه های مختلف جهان آسفالتهای معمولی کارآیی مناسبی دارند و هر ساله درخواست برای آنها بیشتر و بیشتر می شود. رشد دایمی تعداد وسایل نقلیه سنگین و فزایش بار محوری آنها هزینه داشته و همانطور که انتظار می رود این روند در آینده همچنان ادامه خواهد داشت. برای کمک به مهندسین راهسازی برای غلبه بر این مشکل، امروزه گستره وسیعی از آسفالتهای ساخته شده از قیرهای پلیمری و قیرهای پلیمری زیادی برای تهیه آسفالت وجود دارند که کارآیی آنها در آزمونهای میدانی به اثبات رسیده است.

طراحی خوب، ساخت مرحله ای و نگهداری زمانبندی شده، رویه های آسفالتی را قادر به احراز شرایط مورد انتظار طراحی و ارایه استانداردهای بالای ایمنی و راحتی مترادف با راههای ساخته شده از قیر می نماید. با این وجود بعضی از قسمت های راه از بقیه بخشها بیشتر تحت تنش می باشند. بنابراین، اگر قرار باشد که کلیه قسمتهای شبکه راه در طول عمر خود کارآیی مناسبی داشته باشند، باید توجه بیشتری به این نواحی پر تنش داشت. عموما به نیاز به مواد ویژه بر روی پلها واقف هستند ولی در مورد نواحی پر تنش دیگر نیاز به توجه بیشتری در طی ساخت راه و هنگام عملیات نگهداری می باشد.

قیرهای VG

گرانروی ، بیش از دو مشخصه متداول دیگر یعنی  Softening point و Penetration  می تواند معرف خواص قیر باشد . از این رو طبقه بندی جدیدی بر اساس گرانروی ارائه و از کد  AC – ۲۵  تا  AC – ۴۰  برای دسته بندی خواص قیری استفاده می شود .

قیر ماده ای است هیدروکربنی به رنگ سیاه یا قهوه ای تیره که در سولفید کربن و تتراکلریدکربن کاملاً حل می شود . این ماده در محیط طبیعی جامد است اما با افزایش دما به حالت خمیری در می آید و پس از آن مایع می شود . قیر دارای دو ویژگی مهم شامل غیرقابل نفوذ بودن در برابر آب و چسبندگی می باشد .

    قیر استخراج شده از نفت یا سنگ های معدنی مخصوص که قیر خالص نامیده می شود و برای کاربرد های مختلف تحت فرآیندهای دیگر قرار می گیرد دارای انواعی است که مهمترین آنها عبارتند از :

قیر نفتی

    قیر نفتی یا تقطیری از پالایش نفت خام به دست می آید . این قیر محصول دو مرحله تقطیر نفت خام در برج تقطیر  است . در مرحله نخست بر اثر حرارت مواد سبک مانند بنزین ، روغن و غیره از نفت جدا می شوند . این فرآیند در فشاری نزدیک به یک اتمسفر انجام می شود . در مرحله دوم که در فشاری نزدیک به خلاء انجام می پذیرد ترکیبات سنگین مانند گازوئیل و نفت سفید خارج می شوند و در نهایت مخلوطی از ذرات جامد بسیار ریز به نام آسفالتن باقی می ماند که در مالتن ( ماده سیال گریس مانند ) غوطه ور است . از این ماده به عنوان خوراک واحد تولید قیر استفاده می شود . لازم به ذکر است که فرآورده های حاصل از پالایش نفت خام شامل موارد ذیل است :

۱-     بنزین ( Light Gasoline )

۲-      نفتا ( Naphta )

۳-     نفت سفید ( Kerosena )

۴-     گازوئیل (  Gasoil )

۵-     نفت کوره ( Fuel Oil )

۶-      قیر نفتی ( Solid Bitumen )

بنابراین همان گونه که اشاره شد قیر نفتی از پالایش نفت خام در حرارت زیاد و زمان کوتاه تولید می شود . ضمناً حرارت دادن بیش از حد باعث تبخیر شدن بیش از اندازه روغن های معدنی آن و کاهش چسبندگی قیر می شود .

 قیر طبیعی

     برخی از انواع قیر در اثر تبدیل تدریجی نفت خام و تبخیر مواد فرار آن در اثر گذشت سال های بسیار زیاد به دست می آید که به آن قیر طبیعی می گویند  و با نام یوانیتایت ( Uintate ) شناخته می شود و دوام آن بیش از قیر های نفتی است . این قیر به نام قیر دریاچه ای نیز نامیده می شود و نمونه آن دریاچه قیر بهبهان در ایران و دریاچه قیر تیرینیداد در آمریکا  می باشد .

 قیر دمیده

 برای آنکه قیر نفتی با درجه نرمی بالا ، در سرما هم خاصیت کشسانی داشته باشد به آن هوا دمیده می شود تا اکسید شود . دمیدن هوای داغ به قیر خالص در مرحله ی آخر عمل تصفیه ، باعث بدست آمدن قیر دمیده ( Rubbery Grade) می شود . 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 هیدروکربن های قیر ، با اکسیژن هوا ترکیب می شوند و با تشکیل آب ، عمل بسپارش اتفاق می افتد و قیری دارای خواص قیر معدنی تشکیل می گردد .

 قیر دمیده نسبت به قیر خالص دارای مزایایی است که در ذیل بدان اشاره می شود :

• این قیر نسبت به قیر خالص دارای درجه نفوذ کمتری می باشد .
• نقطه نرمی قیر دمیده به دلیل اینکه روغن های آن از هم جدا نمی شوند نسبت به قیر خالص اولیه بیشتر می باشد.
• قیر دمیده حساسیت کمتری به تغییرات درجه حرارت داشته و لذا در درجه حرارت های بالاتر حالت سختی خود را خیلی بهتر نسبت به قیر خالص حفظ می کند .

 از این نوع قیر بیشتر برای ساختن ورق های پوشش بام ، باتری و آب بندی زیر اتومبیل ، اندود کردن لوله ها ، ساختن مقوا و گونی قیر استفاده می شود . علامت اختصاری قیر دمیده R می باشد ، بطور مثال قیر ۸۰/۲۵ R به معنای قیر دمیده با درجه نرمی ۸۰ و درجه نفوذ ۲۵ می باشد .

 قیر محلول

 قیر محلول یا Cut Back از حل کردن قیر خالص در یک حلال مناسب نظیر بنزین ، نفت سفید و یا گازوئیل بدست می آید . این قیر در درجه حرارت محیط مایع است و با حرارت کمی باعث می شود مایع گردد . البته نوع و خاصیت قیر محلول بستگی به نوع و نسبت ماده ای که به عنوان حلال استفاده می شود ، دارد . بطوریکه هر اندازه مقدار ماده نفتی در قیر محلول بیشتر باشد روانی آن بیشتر و در نتیجه ویسکوزیته آن کمتر خواهد بود . البته سرعت گیرش و یا سفت شدن این نوع قیر بستگی به نوع محلول دارد بطوریکه اگر از بنزین برای حل کردن قیر خالص استفاده شود به دلیل سرعت بالای تبخیر بنزین ، قیر حل شده در بنزین سریع تر سفت می شود که در اصطلاح به آن قیر زود گیر یا Rapidly Curing و به اختصار RC می نامند چرا که پس از مصرف قیر ، بنزین آن به سرعت تبخیر می شود و قیر خالص به جا می ماند . همچنین اگر از نفت سفید به عنوان حلال قیر استفاده شود به علت دیر بخار شدن نفت سفید به بنزین ، محلول را کند گیر یا Mediu Curing و به اختصار MC می نامند و هرگاه از گازوئیل یا فرآورده های سنگین تر نظیر نفت گاز یا نفت کوره به عنوان حلال قیر استفاده شود به آن قیر دیرگیر یا Slow Curing و به اختصار SC نامیده می شود .

 از جمله ویژگی های قیر محلول می توان به موارد ذیل اشاره کرد :

• عدم نیاز به وسایل گرم کردن قیر به هنگام کاربرد
• تجزیه شدن قیر در حرارت بالا
• سرد شدن قیر در هنگام کار
• نفوذ مناسب در مواد معدنی متخلخل
• کاهش زمان عملیات در هنگام مصرف

 این قیر در انواع آسفالت های پوششی و ماکادامی مورد استفاده قرار می گیرد ، همچنین این نوع قیر بر اساس درجه گرانروی شان درجه بندی می شوند .