ساختمان و رئولوژی قیر

 ساختمان و رئولوژی قیر

ساختمان و رئولوژی قیر

مقدمه خواص روانی یا سفتی (رئولوژی) قیر در درجه حرارت مشخص بستگی به اجزاء شیمیایی و ساختمان مولکول های هیدروکربن سازنده آن دارد. به عبارت دیگر اجزا متشکله قیر یا ساختمان آن مستقیماً در خواص روانی یا سفتی قیر تاثیر می گذارند. در این مقاله نحوه تغییرات خواص قیر مورد بررسی قرار میگیرد.

ابتدا در مورد ترکیبات شیمیایی قیر و ساختمان آن صحبت خواهیم کرد.
 

۱- اجزاء قیر

قیر مخلوط شیمیایی پیچیده ای متشکل از مولکول های هیدروکربنی طبیعی با مقدار جزئی از ترکیبات هتروسیکلی و گروههای عاملی شامل عناصری نظیر سولفور، نیتروژن و اکسیژن است. همچنین قیر حاوی مقدار کمی از فلزات نظیر وانادیوم،نیکل،آهن،منیزیم و کلسیم به شکل های معدنی ، اکسیدها می باشد. تجزیه قیرهای حاصل از منابع مختلف نفتی نشان میدهد که کربن با ۸۸%-۸۲% بیشترین جزء تشکیل دهنده ی قیر می باشد.
ترکیب دقیق قیرها بر حسب اینکه از کدام محل و منبع نفت خامی باشند، با یکدیگر متفاوت است. به هر حال میتوان اجزاء قیر را به دو گروه شیمیایی آسفالتن و مالتن تقسیم کرد. فاز مالتن را میتوان به تقسیمات کوچک تری به نام ترکیبات اشباع، آروماتیک ها و رزین ها طبقه بندی کرد. این چهار گروه به طور مشخص همیشه ثابت نیستند و قدری تداخل همیشه بین آنها وجود دارد.

برای بررسی اجزاء شیمیایی قیر ابتدا باید بتوان آنها را از یکدیگر تفکیک کرد. روش هایی که برای این جداسازی به کار می رود عبارتند از:
۱- جداسازی از طریق حلال
۲- جذب مولکولی به وسیله جامدات ری
۳- کروماتوگرافی
۴-تقطیر مولکولی

جداسازی از طریق حلال روش بسیار سریعی است، اما در این روش زمانی که اثر حلال در میان باشد، ضعیف تر از روش کروماتوگرافی و روش جذب مولکولی است. لذا روش کروماتوگرافی در جداسازی فازهای مختلف قیر بیشترین و متداولترین روش محسوب می گردد. در این روش با استفاده از حلال هپتان نرمال، آسفالتن رسوب کرده، به دنبال آن جداسازی مواد باقیمانده به روش کروماتوگرافی انجام میگیرد.
 

شرح مختصری درباره چهار گروه اصلی سازنده ء قیر
۱-۱- آسفالتن 

آسفالتن ماده جامد بی شکل است که در هپتان نرمال(حلال غیر قطبی)، نامحلول و به رنگ سیاه یا قهوه ای می باشد، علاوه بر کربن و هیدروژن، مقداری نیتروژن، گوگرد و اکسیژن نیز دارد. آسفالتن معمولاً ترکیبی بسیار قطبی محسوب شده که  شامل مواد آروماتیک پیچیده با وزن مولکولی بسیار زیاد است. نقطه ذوب مشخصی ندارد و زمانی که حرارت داده می شود لبتدا متورم و سپس تجزیه و سرانجام مواد کربنی زیادی به جا می گذارد.
مقدار آسفالتن اثر بسیار ریادی در مشخصات رئولوژی قیر دارد، هر چه مقدار آن بیشتر باشد، قیر سخت تر با درجه نفوذ پایین تر و نقطه نرمی بیشتر و در نتیجه ویسکوزیته بیشتری خواهد داشت.
مقدار آسفالتن از ۵ تا ۲۵ درصد قیر را تشکیل می دهد و اکثر اطلاعاتی که درباره آسفالتن به دست آمده نشان داده است که آسفالتن از نظر ساختمانی ترکیبی از حلقه های بهم فشرده آروماتیکی با زنجیره های جانبی آلیفاتیکی است. تعداد حلقه های آروماتیکی از شش تا بیست و حتی بیشتر از این مقدار است.
در شکل زیر نمونه ای از ساختمان فرضی آسفالتن را مشاهده می کنید.

۲-۱- آروماتیک های قطبی (رزین ها)

رزین ها در هپتان نرمال محلول اند. قسمت اعظم این ترکیبات از کربن و هیدروژن تشکیل شده و نیز حاوی مقدار کمی اکسیژن، گوگرد و نیتروژن می باشند. این مواد به رنگ قهوه ایی تیره، جامد یا نیمه جامد بوده، بسیار قطبی می باشند. خاصیت ویژه رزین ها در این است که بسیار چیبنده اند. رزین ها مواد ضد انعقاد برای آسفالتن محسوب می شوند.
 

۳-۱- آروماتیک های نفتنی

آروماتیک ها ترکیباتی حلقوی با کمترین وزن مولکولی اند و شامل زنجیره های جانبی آروماتیکی یا نفتنیکی هستند و محیط ضد انعقاد مناسبی برای آسفالتن به شمار می روند. این جزء ۴۰ درصد تا ۶۵ درصد کل قیر را تشکیل داده ، مایعی است ویسکوز به رنگ قهوه ایی تیره که میانگین وزن مولکولی آنها بین ۳۰۰ تا ۲۰۰۰ است. آروماتیک ها حاوی زنجیره های کربنی غیر قطبی بوده که در آنها حلقه های غیر اشباع ارجحیت داشته و توانایی انحلال پذیری زیادی را برای سایر هیدروکربن های سنگین دارد.
 در شکل زیر شمای ساختمان یک ترکیب آروماتیک را میتوان مشاهده نمود.

۴-۱- ترکیبات اشباع (پارافین ها)

ترکیبات اشباع از هیدروکربن های آلیفاتیک زنجیری مستقیم و شاخه دار همراه با الکیل نفتن ها و مقداری آلکیل آروماتیک ها تشکیل شده است. این ترکیبات اغلب به شکل روغن های ویسکوزی غیر قطبی و کاهی رنگ یا سفید هستند. این جزء ۵ الی ۲۰ درصد از قیر را شامل می گردد. در شکل زیر یک نمونه از این سری ترکیبات را میتوان مشاهده نمود.

۲- ساختمان کلوئیدی قیر

معمولا سیستم کلوئیدی شامل میسل های معلق آسفالتن با وزن مولکولی زیاد در یک محیط روغنی شکل مالتن با وزن مولکولی کمتر تشکیل شده است، تصور می گردد که میسل ها تجمعی از مولکول های آسفالتینی هستند که اطراف آنها را رزین های حلقوی با وزن مولکولی سبک و سنگین احاطه کرده به طوری که این پوشش باعث پایداری و یکنواختی قیر می گردد. صرف نظر از مرکز میسل ها که قطبی اند هر چه به طرف خارج میسل پیش برویم از قطبیت آنها کاسته میشود.
در حضور مقدار کافی رزین ها و اروماتیک ها، قدرت آسفالتن از نقطه نظر تحرک در قیر بیشتر شده که در این حالت به قیر نوع سل یا محلول گفته می شود.
اگر نسبت جزء آروماتیک به رزین در قیر به قدر کافی نباشد، میسل ها به قدر کافی در مالتن ها محلول نیستند که در این صورت این قیرها به نام ژل یا قیرهای نوع ژلاتینی معروف اند. بهترین مثال این دسته، قیرهای اکسید شده یا دمیده ای هستند که برای پشت بام، سقف و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.
رفتار کلوئیدی آسفالتن در قیرها بستگی به مقدار تراکم و محلول شدن قیرها دارد. این امر روی ویسکوزیته سیستم اثرات زیادی دارد و زمانی که قیر در دمای زیاد قرار می گیرد، این اثرات با دما کاهش می یابد و خاصیت ژل از بین می رود. ویسکوزیته موادی چون رزین ها، آروماتیک ها و مواد اشباع بستگی به وزن مولکولی شان و نحوه انتشار آنها دارد. یعنی هر چه وزن مولکولی بیشتر باشد، ویسکوزیته افزایش بیشتری می یابد. بخش اشباع قیر می تواند توانایی مالتن را در محلول کردن آسفالتن کاهش دهد. زیرا مقدار زیادی بخش اشباع، به تراکم یا انباشتگی آسفالتن منجر می شود. افزایش مقدار آسفالتن و مواد اشباع و نیز دمای کمتر قیر، در خصوصیات ژل بودن قیر تاثیر مستقیم دارد. در شکل زیر تصویر شماتیک از میسل های آسفالتن معلق در مالتن را مشاهده می کنید.

ویسکوزیته محلول، مخصوصاً محلول های رقیق به شکل ذرات آسفالتن بستگی دارد. اندازه ی مولکول آسفالتن زمانی بر ویسکوزیته تاثیر دارد که تغییرات شکل و اندازه آسفالتن توأما انجام پذیرد. پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های مسطح آسفالتن در دماهای زیاد شکسته می شود که نتیجه آن تغییراتی را در شکل و اندازه مولکول های آسفالتن به وجود می آورد. این تفکیک با افزایش دما ادامه دارد تا آسفالتن به حلقه های بسیار کوچک آروماتیکی و نفتایکی تبدیل گردد به همین دلیل با زیاد شدن درجه حرارت قیر، ویسکوزیته آن کم تر می شود. به هر حال زمانی که دمای قیر گرم شده به تدریج کم می شود، همبستگی یا به عبارت ساده تر اتصالات قطع شده دوباره برقرار شده و ویسکوزیته آن زیاد می شود.
 

۳- رابطه بین اجزای شیمیایی و رئولوژی قیر

مخلوط اجزای حاصل از قیر مثل ترکیبات اشباع، آروماتیک ها، رزین ها و آسفالتن نشان می دهد که اجزاء با رئولوژی قیر مربوطند . با ثابت نگه داشتن مقدار آسفالتن مقدار آسفالتن و متغیر بودن غلظت سه جزء دیگر مشخص شده است که:
      - افزایش مقدار آروماتیک ها زمانی که نسبت اشباع ها به رزین ها ثابت باشد، اثر کمی در رئولوژی قیر   دارد، در عین حال کاهش کمی در حساسیت برشی قیر نیز به جای میگذارد.
- ثابت نگه داشتن نسبت رزین ها به آروماتیک ها و افزایش مواد اشباع باعث نرمی قیر می شود.
- افزایش مقدار رزین ها باعث سخت شدن قیر، افزایش حساسیت حرارتی و حساسیت برشی میشود، لکن ویسکوزیته را زیاد می نماید.
 

۴- فرآیند تغییرات خواص شیمیایی و فیزیکی قیر

تغییرات تدریجی در خواص شیمیایی و فیزیکی قیرهای نفتی به عنوان یک اصل پذیرفته شده است. محققین در این زمینه معتقدند مهمترین عامل در این تغییرات که نقش مهمی دارد، پدیده سخت شدن تدریجی است که موجب بروز انواع آسیب دیدگی ها در رویه آسفالتی می شود. به طوری که فرآیندهای متفاوت و متنوعی می توانند در تغییرات تدریجی یا سخت شدن قیر دخالت داشته باشند که از میان آنها می توان اکسیداسیون، واکنش فتوشیمیایی، تصعید مواد فرار و سبک قیر، پلیمریزاسیون، کربونیزاسیون، جذب روغن های موجود در قیر توسط سنگدانه ها، واکنش های شیمیایی بیم ترکیبات قیر و اجزاء معدنی مصالح سنگی و دگرگونی های میکروبیولوژیک را نام برد. کلیه فرآیندهای ذکر شده تابع زمان، دمای محیط، حرارت و ضخامت فیلم و غشاء قیری پیرامون سنگدانه ها می باشد.
 

۵- رابطه بین ترکیبات شیمیایی و خواص فیزیکی قیر

از تقطیر نفت خام در فشار اتمسفر و خلا ابتدا ترکیبات سبک آن جدا می شود. آنچه که باقی می ماند بیشتر ترکیبات اشباع و آسفالتن است. دمیدن هوا در قیری که از باقی مانده خلا به دست آمده است مقدار درصد آسفالتن را افزایش و برعکس مقدار آروماتیک ها را کاهش می دهد. ضمن اینکه ترکیبات اشباع و رزین ها تقریبا بدون تغییر و همانند قبل از دمیدن هوا در قیر باقی می ماند.
مطالعات زیادی روی قیرهای مصرفی در جاده ها انجام شده تا مشخص شود که آیا ترکیبات شیمیایی قیر با گذشت زمان تغییر می کند یا خیر. البته این تحقیقات بر حسب ضریب پیرشدگی در شرایط مختلف و متفاوت طرح، مصالح و قیر انجام گرفته است.
ضریب پیرشدگی بر حسب نسبت ویسکوزیته قیر بازیافت شده به ویسکوزیته قیر اصلی در ۲۵ درجه سانتیگراد محاسبه می گردد. تغییرات عمده در ویسکوزیته قیر بستگی به مخلوط قیر و فرآیند اجرا دارد. این تغییرات بستگی کمی با گذشت زمان دارد، اما از نظر ترکیبات شیمیایی مقدار اسفالتن قیر در مخلوط آسفالت اضافه شده و نیز با گذشت زمان به تدریج افزایش پیدا می کند، در حالیکه مقدار رزین و ترکیبات آروماتیکی با زمان کاهش می یابد. اگرچه تغییرات کمی برای ترکیبات اشباع انتظار می رود اما کمی افزایش در این جزء به خاطر ریزش روغن از وسایل نقلیه روی آسفالت مشاهده شده است.
به هر حال تغییرات بافت قیر بعد از مخلوط شدن خیلی کم است، حتی وقتی که مقدار درصد فضای خالی اولیه مخلوط آسفالتی نسبتا زیاد یعنی بین پنج تا هشت درصد باشد. باید توجه داشت قیرها از منابع مختلف نفتی تهیه می شوند که ترکیبات شیمیایی متفاوتی دارند، با این حال غالبا خواص فیزیکی تقریبا یکسانی را از خود نشان می دهند.
بنابراین غیرممکن است که به طور کلی قیرها را بر حسب غلظت اجزای شیمیایی شان بررسی کد و یا یک جزء آن را جداگانه مورد مطالعه قرار داد.

افزودن دیدگاه جدید