قیر و انواع قیر 

قیر ماده ای بسیار ارزشمند، جامد یا خمیری شکل و دارای خاصیت چسبندگی می باشد. اکثر قیر ها در پالایشگاه های استخراج نفت تولید و با اهداف مختلفی توسط مهندسین به کار گرفته می شوند. به عنوان یکی از مشتقات نفتی، قیر کاربرد های زیادی در صنعت داشته و از آن در ایزولاسیون و از همه مهم تر؛ در ساخت آسفالت و ایزوگام استفاده می شود. قیر انواع مختلفی دارد که هر کدام از آنها با توجه به اجزای سازنده خود، دارای کاربرد هایی متفاوت از دیگری می باشند.

قیر چیست؟

از مهم ترین و در واقع بیشترین اجزای سازنده قیر، می توان به هیدروکربن های سنگین اشاره کرد. هیدروکربن ها، ترکیباتی متشکل از کربن و هیدروژن بوده و اغلب در مشتقات نفتی یافت می شوند. سنگین بودن یا نبودن هیدروکربن ها، شاخه ای بودن یا نبودن ترکیبات آنها، تعداد هیدروکربن های موجود در هر کدام از انواع قیر و… از مواردی هستند که در تعیین خصلت ها و از همه مهم تر کاربرد های مختلف قیر، نقشی حیاتی ایفا می کنند.

در واقع قیر را می توان در تعریفی مبتنی بر هیدروکربن ها نیز معرفی کرد به گونه ای که: «قیر ترکیبی از هیدروکربن های بسیار متراکم، با چسبندگی بسیار بالا و ساخته شده از نفت می باشد». این ماده خمیری شکل، می تواند به رنگ سیاه و یا قهوه ای تیره باشد که این موضوع نیز به اجزای سازنده آن وابسته است. در دمای عادی محیط پیرامون، قیر به شکل جامد یافت شده و تنها با افزایش دما می توان آن را به تدریج به شکل خمیری و پس از مدتی به حالت مایع تبدیل کرد. این ماده چسبنده، در تترا کلرید کربن و سولفید کربن، به شکل کامل حل می شود.

از مهم ترین ویژگی های قیر می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نفوذ ناپذیر بودن در برابر آب

به دلیل داشتن این خصلت، از قیر در عایق کاری رطوبت استفاده می شود. از مهم ترین دلایل این نفوذ ناپذیری نیز می توان به نوع اجزای سازنده آن یعنی هیدروکربن ها اشاره کرد.

چسبندگی بسیار بالا

به دلیل داشتن این خصلت نیز از قیر در ساخت ایزوگام و آسفالت استفاده می شود. دلیل اصلی چسبندگی قیر نیز وجود پیوند های بسیار مستحکم میان اجزای سازنده آن می باشد.

قیر متشکل از 87 درصد کربن، 11 درصد هیدروژن و حدود 2 درصد اکسیژن می باشد. این ماده، به د لیل وزن بالای اجزای سازنده‌اش، دارای وزن مولکولی بالا و متشکل از آسفالتین، رزین و روغن می باشد. یکی از اصلی ترین دلایل سختی این ماده، وجود 5 الی 30 درصدی آسفالتین در آن می باشد. برای تولید قیر، می توان به دو روش عمل کرد که به شرح زیر می باشند:

دمیدن هوا طی فرآیندی ادامه دار یا مقطعی

روش اجرای مستقیم

کاربرد های مختلف قیر

از انواع مختلف قیر با توجه به ویژگی های گوناگون آنها در ساخت و ساز ها، عایق بندی پشت بام و یا جاده ها و آسفالت کردن خیابان ها استفاده می شود. این ماده سیاه رنگ، طی فرآیند های مختلفی تولید می شود که انجام تست های مختلف، اعمال دما های کم و زیاد تر یا افزودن موادی به خصوص در برخی از این فرآیند ها، موجب تولید قیر هایی با کاربرد های مختلف می شود. از مجموعه آزمایش های فیزیکی که بر روی قیر ها انجام می شود تا بتوان آنها را دسته بندی کرد، می توان به تست نفوذ، تست نقطه ذوب و جوش، تست انعطاف پذیری، تست حلالیت و مواردی از این قبیل اشاره کرد.

نکته: گرانروی به معنی مقاومت ماده در برابر جاری شدن می باشد و به عبارتی با غلظت آن رابطه ای مستقیم دارد. غلظت ماده ای مانند قیر نیز نسبت مستقیمی با تعداد هیدروکربن های تشکیل دهنده آن دارد؛ بنابراین هر چه تعداد کربن و هیدروژن های آن بیشتر باشد، غلظت و گرانروی آن نیز افزایش می یابد.

مواردی از کاربرد های قیر و امولسیون قیر در روسازی فرودگاه ها و راه ها:

اندود تقویتی

ماکادام نفوذی

برای غبار نشانی

اندود سطحی

برای تحکیم خاک در جا

مخلوط های سرد ماشینی

به عنوان روکش سطحی

برای درز بندی با مخلوط معلق

موارد گوناگون برای مصرف مالچ (خاک پوش) های نفتی:

برای تولید باران های مصنوعی

به عنوان مالچ های مورد استفاده در راه ها و راه آهن ها

به عنوان مالچ های ساختمانی

برای تثبیت شن های روان

برای حفاظت تأسیسات و فرودگاه ها

به عنوان مالچ های کشاورزی

به عنوان مالچ های عایق (Insulation mulch)

انواع گوناگون قیر

اغلب قیر ها از طریق روش تقطیر و از نفت خام به دست می آیند که به همین دلیل آن را قیر نفتی و یا قیر تقطیری می نامند. قیر های نفتی طی فرآیندی دو مرحله ای تقطیر نفت خام در برج های تقطیر تولید می شوند. در مرحله اول این تقطیر و در فشاری حدود یک اتمسفر، مواد سبک‌تری مانند پروپان و بنزین از نفت خام جدا شده و مواد باقی مانده وارد مرحله دوم می شوند. در گام دوم و در فشاری نزدیک به فشار موجود در خلأ، موادی از قبیل نفت سفید و گازوئیل که از ترکیبات سنگین به شمار می روند، از برج تقطیر خارج می شوند.

در نهایت و پس از گذراندن مراحل اول و دوم، ماده ای سیال و گریس مانند به نام مالتن حاصل می شود که ذرات جامد و بسیار ریزی به نام آسفالتن در آن غوطه‌ور هستند. برخی دیگر از انواع قیر نیز به شکل طبیعی و با تبخیر تدریجی مواد فرار در نفت خام، طی سال های بسیار طولانی حاصل می شوند. در این روش، به دلیل آهسته بودن فرآیند تبدیل، سرعت تولید قیر بسیار پایین بوده و نیازمند پروسه ای طولانی می باشد. این نوع قیر را به دلیل دخیل نبودن موارد بیرونی در تولید آن، قیر طبیعی می نامیم.

یکی از مزایای قیر های طبیعی نسبت به قیر های نفتی، دوام بیشتر آنها می باشد. این نوع قیر را می توان به شکل های دریاچه ای و یا معدنی در طبیعت یافته و استخراج کرد. قیر های دریاچه ای به انواعی از این ماده گفته می شود که به صورت خالص در طبیعت وجود دارند؛ مانند دریاچه قیر بهبهان در ایران و دریاچه قیر تیرینیداد در آمریکا. قیر های معدنی نیز به انواعی از قیر طبیعی گفته می شود که از معادن استخراج می شوند. همچنین قیر های طبیعی با اسامی آسفالتایت (Asphaltite)، آسفالتوم (Asphaltum)، گیلسونایت (Gilsonite)، بنتونایت (Bentonite) و یواینتایت (Uiantaite) نیز نامیده می شوند.

قیر نفتی

به قیر استخراج شده از سنگ های معادن مخصوص، قیر خالص گفته می شود که با توجه به دلایل تشکیل خود، طبقه بندی می شوند. همان طور که از نام این نوع قیر مشخص است، در حالت عادی و پس از استخراج ویژگی های مورد نظر برای استفاده های مختلف را ندارد. بنابراین برای ایجاد خصلت های مختلف در قیر های خالص، فرآیند هایی روی آنها صورت گرفته و موجب پدید آمدن انواع مختلف قیر می شود که در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد.

آزمایش هایی که توسط متخصصین بر روی نمونه های قیر خالص انجام می شوند، بخش های مختلف انواع قیر از جمله Performance grade، Penetration grade و Viscosity grade را تعیین می کنند. در بین آزمایش های مورد نظر، می توان به Viscosity، Spot test و Penetration و… اشاره کرد که هدف از انجام تمامی آنها، بررسی قیر در ابعاد مختلف می باشد. نتیجه ای که از این تست ها حاصل می شود، نشان خواهد داد که قیر مورد نظر، مناسب چه منطقه و دارای چه کاربردی می باشد.

انواع مختلف قیر عبارت اند از:

قیر دمیده

این نوع قیر از دمیدن هوایی با دمای بالا به قیر خالص در آخرین گام از مرحله تصفیه، حاصل می شود. دمای این هوا که به وسیله لوله هایی سوراخ دار در قیر دمیده می شود، باید چیزی حدود 200 تا 300 درجه سانتی‌گراد باشد. طی این فرآیند، هیدروژن های موجود در ترکیبات هیدروکربنی قیر، با اکسیژن های موجود در مولکول هوا ترکیب شده و آب تشکیل می شود که به این اتفاق بسپارش می گوییم.

قیر دمیده نسبت به قیر خالص دارای ویژگی های متفاوتی است که عبارت اند از:

درجه نرمی بیشتر

درجه نفوذ کمتر

حساسیت کمتر نسبت به دما

این نوع قیر به دلیل ویژگی های خاص خود اغلب در باتری های اتومبیل، اندود کاری و ساخت ورقه های پوشش بام مورد استفاده واقع می گردد. علامت اختصاری نسبت داده شده به این نوع قیر، R می باشد. به عنوان مثال، قیری که دمیده شده و دارای درجه نرمی 80 و درجه نفوذ 25 باشد، به صورت 80.25 R نمایش داده می شود.

قیر محلول یا مخلوط

قیر محلول به مخلوطی از یک حلال مناسب مانند بنزین یا نفت سفید و قیر گفته می شود. این نوع قیر در دمای محیط به شکل مایع یافت می شود و به دلیل پایین بودن نقطه ذوب، تنها با حرارتی کم به مایع تبدیل می شود. قیر های مخلوط در تولید انواع آسفالت های پوششی و ماکادامی مورد استفاده واقع می گردد.

 سرعت سفت شدن یا همان سرعت گیرش این قیر ها به نوع حلال بستگی دارد؛ برای مثال قیر محلول در بنزین به دلیل سرعت بالای تبخیر بنزین، با سرعت بیشتری سفت می شود. به این نوع قیر، تند گیر (RC)، به قیر های محلول در نفت کند گیر (MC) و به قیر های محلول در نفت کوره یا نفت گاز، دیرگیر (SC) گفته می شود. قیر های تولید شده با این روش را با توجه به درجه گرانروی آنها دسته بندی می کنند.

قیرابه

قیرابه که با نام قیر امولسیون نیز شناخته می شود؛ از مخلوط آب، قیر و یک ماده امولسیون ساز تشکیل شده است. مقدار ماده امولسیون ساز مورد استفاده برای تهیه این نوع قیر، بسیار کم و حدود 0.3 الی 0.5 درصد وزن قیر است. همچنین مقدار آب مصرفی برای تولید قیرابه چیزی حدود 30 الی 50 درصد وزن قیر می باشد. معمولاً برای تولید این نوع از قیر از یک نمک قلیایی اسید های آلی یا نمک آمونیوم استفاده می شود که سبب باردار شدن ذرات موجود در قیر می شوند.

پس از باردار شدن ذرات قیر، آنها در اثر بار القایی همدیگر را دفع کرده و به شکل کره هایی با قطر 0.01 الی 0.001 میلی متر در آب غوطه‌ور می شوند. از مجموعه مزایای استفاده از قیرابه می توان به کاهش آلایندگی های محیط زیست و کاهش خطر اشتعال در هنگام حمل و نقل اشاره کرد. این اتفاق به دلیل عدم استفاده از حلال های مشتعل کننده مانند بنزین رخ می دهد.

موارد استفاده از قیرابه به شرح زیر می باشند:

برای آسفالت سرد در محیط های دارای رطوبت

برای ایجاد عایق (در این مورد باید با افزودن آب به قیرابه مورد نظر، محتوای آن را به چیزی حدود 65 درصد رساند.)

قیر طبیعی

عمده قیر هایی که در صنعت مورد استفاده واقع می شوند، از نفت به وجود آمده اند. با این وجود، مقدار زیادی از قیر ها، به شکل متراکم در طبیعت یافت، استخراج و مورد استفاده واقع می شوند. از جمله منابع طبیعی قیر می توان به Pitch Lake در ترینیداد و توباگو و Lake Bermudez در ونزوئلا اشاره کرد.

قیر ترینیداد

در ترینیداد، قیر ها از دهانه آتشفشانی خاموش و طی پروسه ای نه چندان طولانی استخراج می شوند. طی این پروسه رویه بسته قیر را شکسته و قیر را از زیر آن بیرون می آورند که پس از این کار قیر دوباره جاری شده و جایی که قیر از آن برداشته شده را پر می کند. این نوع قیر به دلیل روند ایجاد طبیعی خود دارای ناخالصی هایی از جمله ریشه گیاهان و اجسام معدنی می باشد. برای رفع ناخالصی های موجود در قیر ترینیداد، آن را در دمای 160 درجه آب و صاف کرده و ماده حاصل را قیر ترینیداد پالوده (Trinidad epure) می نامند.

قیر ترینیداد پالوده، شامل 38.5 درصد اجسام معدنی مختلف، 5 درصد جسم های آلی نامحلول در CS2 و 56.5 درصد قیر محلول در سولفور کربن می باشد. اجسام معدنی که اغلب خاکستر های آتشفشانی و خاک رس کلوئیدی می باشند، به صورت دانه های ریز در قیر توزیع شده اند که به دلیل حضور آنها، درجه نرمی و چکیدن قیر افزایش یافته است. قیر ترینیداد پالوه را اغلب در روغن های معدنی حل و یا با قیر های نفتی مخلوط کرده و سپس از آنها در موارد مختلف استفاده می کنند. این نوع قیر دارای درجه نفوذ 1.4 الی 4 (در گرمایی حدود 25 درجه سانتی‌گراد)، چگالی 1.4، درجه شکستن 13 الی 14 و درجه نرمی 78 الی 84 می باشد.

کاربرد های گوناگون قیر

اغلب حوزه هایی که در آنها انواع مختلف قیر را به کار می برند، عبارت اند از:

راه سازی

چیزی حدود 90 درصد از قیر های تولیدی در پالایشگاه ها، در حوزه راه سازی مورد استفاده متخصصین قرار می گیرد.

عایق کاری

مصارف مربوط به عایق کاری، چیزی حدود 10 درصد از قیر های تولیدی را به خود اختصاص می دهند. از انواع مختلف قیر ها، معمولاً در عایق بندی کف حمام و پشت بام ها استفاده می شود. در این موارد برای تثبیت هر چه بیشتر قیر، آن را همراه با گونی هایی مورد استفاده قرار می دهند که به آن قیر گونی گفته می شود.

 الیاف گونی به عنوان مسلح کننده قیر استفاده شده و موجب تثبیت شدن هر چه بیشتر آن می شوند. همچنین مواردی مانند نمد قیری یا مقوای قیری که اغلب با نام تجاری ایزوگام شناخته می شوند نیز کاربردی مانند قیرگونی دارند. جهت جلوگیری از نفوذ رطوبت به کف ساختمان یا زمین نیز از ماکادام یا بلوکاژ استفاده می شود.

ویژگی های مختلف قیر

در ادامه به بررسی تعدادی از خصلت های قیر می پردازیم:

درجه خلوص:

همان طور که پیش تر اشاره کردیم، موادی مانند سولفور کربن و تترا کلرو کربن به عنوان حلال های قیر مورد استفاده واقع می شوند. اگر نمونه ای از قیر را در یکی از این مواد حل نماییم، ناخالصی هایی که در آن نمونه وجود داشتند، باقی مانده و با این روش می توان درجه خلوص قیر را تعیین نمود. فرمول درجه خلوص عبارت است از: (وزن نمونه قیر) ÷ ](وزن ناخالصی) – (وزن قیر)[

درجه نفوذ:

برای تعیین سختی قیر های مختلف، از آزمایش درجه نفوذ بهره می برند که در این آزمایش، از سوزنی استاندارد با اعمال باری 100 گرمی در مدت زمان 5 ثانیه استفاده می شود که در دمای 25 درجه به داخل قیر نفوذ می کند. مقدار نفوذ انجام شده بر حسب دهم میلی متر را درجه نفوذ قیر می نامند. هر چه مقدار درجه نفوذ کمتر باشد، قیر سخت تر است.

افت وزنی:

افت وزنی قیر که اغلب در دما های بالا رخ می دهد، بر اثر تبخیر بخشی از ترکیبات نفتی و روغن های موجود در آن می باشد. این خصلت از مجموعه خصلت های مهم و تعیین کننده کاربرد های مختلف قیر می باشد. افت وزنی قیر ها در اُوِن، دمای 136 درجه سانتی‌گراد و در مدت زمان 5 ساعته (شرایط حدودی برای پخت آسفالت) اندازه گیری می شود.

درجه نرمی:

درجه نرمی دمایی است که با رسیدن قیر به آن دما، ماده تغییر حالت داده و از جامد به مایعی روان تبدیل می شود. هر چه درجه نرمی قیر بیشتر باشد، حساسیت آن نسبت به تغییرات دما کمتر می شود. درجه نرمی قیر های معمولی چیزی حدود 60 الی 70 می باشد.

گرانروی:

هر چه مقاومت قیر در برابر جاری شدن بیشتر باشد، خواص آن به جامدات نزدیک تر است. همان طور که می دانید در دما های بالاتر، مقاومت قیر در برابر جاری شدن بسیار کمتر می باشد. این خصلت قیر ها، با دستگاهی به نام سی بولت فیورل و یا به روشی اندازه گیری می شود که کینماتیکی نام دارد.

انگمی یا شکل پذیری:

اگر نمونه ای از قیر با سطح مقطع 1 سانتی متر مکعب را با سرعتی حدود 5 سانتی متر بر دقیقه بکشیم، میزان افزایش طول قیر پیش از پاره شدن را خاصیت شکل پذیری قیر می نامند.

درجه اشتعال:

درجه اشتعال همان دمایی است که گاز های متصاعد قیر با قرار گرفتن در آن و نزدیک شدن به شعله، مشتعل شده و موجب ایجاد شعله در سطح آن می شوند. حداکثر دمای ممکن که می توان با آن قیر را در کارگاه ها گرم کرد، به درجه اشتعال قیر مورد نظر محدود می شود.

سخن پایانی

در این مطلب سعی کردیم تا تمامی نکات و جزئیات در مورد قیر، انواع قیر، کاربرد ها و خصلت های آن را در اختیار شما عزیزان قرار دهیم. از همراهی شما تا انتهای مقاله سپاس گزاریم.