قیر چیست؟ و انواع کاربردهای آن
قیر ماده‌ای است سیاه رنگ و خمیری شکل که در عایقکاری رطوبت و ساخت آسفالت کاربرد دارد. قیر انواع گوناگونی دارد که هر یک از انواع آن، دارای کاربرد خاصی است. قیر از مشتقات نفت است.و اغلب در پالایشگاه نفت تولید می‌شوند.
قیر ماده‌ای هیدروکربنی است به رنگ سیاه تا قهوه‌ای تیره که در سولفید کربن و تتراکلرید کربن کاملاً 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؛
* نفوذناپذیری در برابر آب
* چسبندگی
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 فرایند در فشاری نزدیک به یک اتمسفر (واحد) انجام می‌شود. در مرحله دوم نیز ترکیبات سنگین مانند گازوئیل و نفت سفید خارج می‌شوند. این فرایند 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.
انواع و منابع قیر و کاربردها
قیر ماده هیدروکربنی است که دارای تعریف ، ویژگی ، منابع و ویژگی های خاص می باشد . مواد قیری از نفت نیز متنوع تر هستند ،زیرا قیر علاوه بر نفت منابع دیگری نیز دارد . قیرها بسته به منشا به سه دسته زیر تقسیم می شوند :
ا- قیرهای طبیعی
۲- قیرهای نفتی
۳- قیرهای قطرانی
قیر طبیعی
قیر طبیعی یک رزین هیدروکربن طبیعی است که در تاریخ معاصر مجددا” در رود بونیتا واقع در شمال شرق یوتا یافت شده است.این آسفالت طبیعی شبیه یک آسفالت نفت خام سخت شده است. معمولاً اسامی آسفالت، یوتانیت و آسفالتوم نیز برای این ماده به کار برده می شود. قیر طبیعی به مانند آسفالت طبیعی در حلالهای آلیفاتیک و آروماتیک محلول است.” بعلت سازگاری بالای این محصول، معمولاً جهت سخت کردن مشتقات نفتی رقیق نیز به کار می رود.
قیر طبیعی در حالت کلوخه ایی ماده ای براق، مشکی و بسیار شبیه ابسدین، و بسیار ترد است و در حالت پودر میکرونیزه دارای رنگ قهوه ای تیره می باشد. قیر طبیعی در زیر سطح زمین در لایه های عمودی یافت می شود. به خاطر جبهه معدن کاری باریک، قیر طبیعی امروزه با استفاده از بیل مکانیکی و لودر و چکش ها و دیگر ابزار مکانیکی جدید استخراج می گردد.
خصوصیات قیر طبیعی
قیر طبیعی شامل طبقه ای از بیتومین های جامدی است که بعنوان آسفالتیتها شناخته شده اند و از دیگر آسفالتیتها بعلت خصوصیات ذیل متمایز می شوند:
قیر طبیعی که به نام های بنتونایت، آسفالتایت، آسفالت طبیعی، آسفالت دکوراتیو، آسفالتوم و قیر معدنی نیز شناخته می شود، یک رزین هیدروکربن طبیعی است و بهترین عایق رطوبتی در طبیعت می باشد. قیر طبیعی در حالت کلوخه ای ماده ای براق، مشکی و بسیار ترد است و در حالت پودر میکرونیزه دارای رنگ قهو های تیره می باشد. قیر طبیعی در زیر سطح زمین در لایه های عمودی یافت می شود.
قیر طبیعی یک ماده اولیه افزونی اصلاح کننده عایق های رطوبتی بوده که با ارتقاء تصاعدی خاصیت عایق رطوبتی، حجم دهی، نقش جایگزین مواد اولیه و افزودنی دیگر را نیز ایفا می نماید. محصولات مصرفی در مصارف بخش مهندسی عمران با توجه به ارتقا نقطه نرمی و ایجاد مقاوت بیشتر در برابر حرارت در نقش اصلاح کننده حرارتی نیز می باشد.
خصوصیات قیر طبیعی:
قیر طبیعی دارای خصوصیاتی از جمله قابلیت انحلال بالا در محلول های آلی، خلوص بالا و خواص ثابت، وزن مولکولی بالا و محتوای نیتروژن بالا می باشد.
قیر طبیعی یک ماده آلی˛ هیدروکربن و بهترین عایق رطوبتی در طبیعت می باشد. همچنین˛ از نقطه نرمی 130 الی 250 درجه سانتی گراد˛ بسته به نوع و کیفیت آن˛ برخوردار بوده و اهمیت آنرا در مصارف عمرانی و در باب عایق حرارتی نیز ارتقا می بخشد و به عنوان ماده اولیه و افزودنی جایگزین و اصلاح کننده در مصارف متعددی از جمله طرح های عمرانی و خصوصا راه سازی مورد مصرف قرار می گیرد.
قیرهای نفتی
قیرهای نفتی، قیرهای جامد و نیمه جامدی هستند که به‌طور مستقیم از تقطیر نفت خام و یا با عملیات اضافی دیگر نظیر دمیدن هوا به دست می‌آیند. قیر نفتی بازمانده یا ته‌مانده سنگین تقطیر نفت خام است . میزان قیر نفت خام از صفر تا بیش از نیمی از آن متغیر است. به‌علاوه قیرهای بدست آمده از منابع مختلف می‌توانند تفاوت‌های زیادی داشته باشند. بنابراین پالایشگاه‌های تولیدکننده قیر باید نفت خام خود را به‌دقت انتخاب کنند تا به کیفیت قیر اطمینان داشته باشند.
استحصال مستقیم قیر از نفت خام
تقطیر یک فرآیند اساسی در تصفیه نفت خام است. مرحله اول تقطیر تحت‌فشار اتمسفر انجام‌شده و به‌طورمعمول شامل حرارت دادن نفت خام تا دمای حدود ۶۵۰ تا ۸۰۰ درجه فارنهایت و سپس تزریق آن به داخل یک ستون جداسازی است. بدین طریق برشهای سبک‌تر به‌صورت محصول بالای برج و ته‌مانده قیری را تحت عنوان ته‌مانده اتمسفریک می‌نامند. این اولین مرحله در کل فرآیند تصفیه است. بسیاری از نفت‌های خام حاوی درصدهای بالایی از برشهای با نقطه‌جوش بالا هستند که نمی‌توان آنها را در یک واحد تقطیر اتمسفریک تقطیر نمود. برای جداسازی این برش‌ها و تهیه قیر با مشخصه‌های موردنظر از یک برج تفکیک ثانوی که در شرایط خلأ کار می‌کند استفاده میگردد .
باقیمانده این فرآیند را تحت عنوان قیر استحصال مستقیم می‌نامند. فرآیند تولید آسفالت به‌وسیله روش تقطیر در خلأ به‌جز نفوذپذیری تأثیر بسیار اندکی روی سایر خواص قیر به‌جا می‌گذارد. منشأ نفت خام به‌کاررفته نیز تأثیر قابل‌توجهی روی خواص فیزیکی قیر استحصالی دارد.
قیر قطرانی
انواع قیر از لحاظ شیمیائی طبقه بندیهای مختلفی برای قیر صورت گرفته که دو مورد از مرسوم ترین آنها طبقه بندی بر اساس طبیعی یا نفتی بودن قیر و مورد مرسوم تر بر اساس نوع منبع تامین کننده قیر یعنی نفت یا ذغال سنگ یا چوب می باشد .
( Tar ) قیرقطران این نوع قیر به دلیل تشابه ظاهری و کاربرد مشابه با قیر نفتی گاهی با یک اسم شناخته می شوند. چون منبع تهیه این نوع قیر با قیر نفتی متفاوت است، ترکیب یمیائی و خواص فیزیکی متفاوتی دارد که در نتیجه یک لغت عمومی برای مایعاتی است که، Tar رفتاری متفاوت در هنگام استفاده و عملکرد در سرویس دارد از سوزاندن مواد آلی طبیعی مثل چوب یا ذغال سنگ و تقطیر تخریبی آنها در غیاب هوا می باشد. دو نوع قیر قطرانی با توجه به نوع فرآیند از سوزاندن یا کربونیزاسیون ذغال سنگ میتوان تهیه کرد : ١. یک فرآیند که حاصل آن قیری با در صدبالائی از آروماتیک ها ست قیری که در دمای ۶٠٠درجه سانتی گراد بدست می آید و دارای در صد پائین تری آروماتیک است که پس از سرد کردن بخارات و جداسازی برشهای روغنی مواد باقیمانده قیر ذغال سنگ است .
BS با برشهای روغنی بدست می آید و در استاندارد Pich از اختلاط (Refined tar ) قیر قطرانی پالایشگاهی تولید می شده که پس از tar و pich دارای ٨ گرید مختلف میباشد. در عصر انقلاب صنعتی اروپا مقدار زیادی پیدایش منابع نفت و گاز، ذغال سنگ تقریبا” کنار گذاشته شده و مصرف آن بسیار کاهش یافته است .
امروزه ٩٠ % از این محصولات در چهار گروه کاربردی راهسازی، خاکه ذغال قالبی، الکترودهای ذغالی و لعاب و روکش لوله ها استفاده میگردد ولی استفاده از قیر های حاصل از ذغال سنگ پالایشگاهی در جاده ها فقط محدود به مخلوط برای پوششهای سطحی میباشد و این بدان دلیل است که این قیر ها در دمای پائین محلول تر و عملکرد بهتری دارند و در نتیجه چسبندگی بهتری ایجاد میکنند ولی ضعف اصلی این قیر ها حساسیت حرارتی بیشتر آن نسبت به قیر نفتی میباشد .
چهار کاربرد قیر قطرانی:
۱-راهسازی (Road Tar )
۲- خاکه ذغال قالبی (Briquettin)
۳- الکترود های ذغالی (Electrode Binder)
۴- لعاب و روکش لوله ها (Pipe Enamels)
استفاده از قیرهای حاصل از قطران تصفقه شده در جاده، فقط محدود به مخلوط قیر قطران برای پوشش های سطحی می شود. قیرهای ذغال سنگی که در این مخلوط استفاده می شوند، در دمای پایین محلول تر و عملکرد بهتری دارند. به طور کلی عقیده بر این است که چون خاصیت اسیدی Tar بالا است، چسبندگی خوبی با مصالح ایجاد می کند.
بنابراین، خیس کنندگی مصالح بهتر صورت گرفته و چسبندگی بهبود می یابد، اما به دلیل مشکلات زیست محیطی و توسعه عامل های چسبندگی شیمیایی، استفاده از قطران محدود شده است. اگر چه استفاده از قطران می تواند به دلیل تحت تاثیر قرار گرفتن کمتر قطران نسبت به نشت روغن و گازوییل در نواحی پارکینگ وسائل نقلیه و موارد مشابه مورد استفاده قرار گیرد، با این همه نقص اصلی قطران را می توان حساسیت حرارتی بیشتر آن نسبت به قیر نفتی دانست.
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 میلی‌متر 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 اندازه‌گیری 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 شعله به 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 تقریبی پخت آسفالت) اندازه‌گیری می‌شود.
۵ –شکل پذیری یا انگمی:
اگر نمونه‌ای از قیر با سطح مقطع ۱ سانتی‌متر مربع را با سرعت ۵ سانتی‌متر/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 درجه 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 تغییرات دما دارد. درجه نرمی قیرهای معمولی حدود ۶۰ تا ۷۰ میباشد.
