نمودار داده های آزمون قیر

در اواخر دهه 1960 میلادی، Heukelom سیستمی را ارائه کرد که در آن اطلاعات نفوذپذیری، نقطه نرمی، نقطه شکست فراس و ویسکوزیته را می‌توان به‌صورت تابعی از دما بر روی نمودار به دست آورد. این سیستم اکنون بنام نمودار داده‌های آزمون (BTDC) شناخته می‌شود.

نمودار از یک محور افقی درجه حرارت و دو محور عمودی نفوذپذیری / ویسکوزیته تشکیل‌شده است. مقیاس دما به‌صورت خطی و مقیاس نفوذپذیری به‌صورت لگاریتمی می‌باشد. مقیاس ویسکوزیته به‌گونه‌ای تعبیه‌شده که قیرهای گرید نفوذی با حساسیت دمایی نرمال با شاخص‌های نفوذپذیری رابطه مستقیم داشته باشند. یک نمودار داده‌های آزمون در شکل شماره 6-10 نشان داده‌شده است.

نمودار داده های آزمون قیرBTDC نشان می‌دهد که چگونه ویسکوزیته قیر به درجه حرارت بستگی دارد. در BTDC زمان بارگذاری در نظر گرفته نمی‌شود. ازآنجاکه نتایج آزمون در این نمودار رابطه خطی دارند، پیش‌بینی مشخصات دما / ویسکوزیته قیر نفوذی در یک محدوده گسترده دمایی تنها با استفاده از نقطه نرمی و نفوذپذیری امکان‌پذیر است.

شناخت ویسکوزیته قیر در طول فرآیند متراکم سازی آسفالت اهمیت زیادی دارد. این موضوع در شکل شماره 6-11 برای یک آسفالت متراکم تولیدشده از قیر با نفوذپذیری 200 نشان داده‌شده است. اگر ویسکوزیته قیر در طول عملیات تولید بسیار بالا باشد، ممکن است سنگدانه ها به‌خوبی توسط قیر پوش داده نشوند. درحالی‌که اگر ویسکوزیته خیلی پایین باشد سنگدانه ها به‌خوبی پوشش داده‌شده ولی به‌احتمال فراوان قیر اطراف این سنگدانه ها در طول فرآیند ذخیره‌سازی و یا انتقال چکه کرده و قیر موجود در آسفالت تخلیه می‌شود. برای پوشش مرغوب و رضایت‌بخش، مقدار ویسکوزیته باید در حدود Pa.s 0/2 باشد.

شکل 6-10    مقیاس BTDC تولیدشده از یک منبع قیرهای گرید نفوذی

در طول ذخیره‌سازی اگر ویسکوزیته خیلی پایین باشد، مخلوط بیش‌ازحد سیال بوده و درنتیجه باعث انتشار مواد در زیر غلتک می‌شود. ویسکوزیته بالا باعث کاهش چشمگیر کارایی مخلوط شده و تراکم مناسب به دست نمی‌آید. مشخص‌شده که ویسکوزیته مطلوب برای متراکم سازی بین Pa.s 2 تا Pa.s 20 است.

بنابراین، BTDC یک ابزار مفید برای تشخیص دمای مناسب به‌منظور دستیابی به ویسکوزیته مطلوب برای هر نوع قیر است. ویسکوزیته موردنیاز در طول فرآیند تولید آسفالت و لایه‌برداری در شکل شماره 6-11 ارائه‌شده است.

شکل 6-11    BTDC ویسکوزیته قیر

برای مشاهده ادامه مطلب برروی لینک زیر کلیک کنید:

برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

راهنمای جامع قیر

راهنمای جامع قیر، بخش بیست و هفتم- رابطه بین ماهیت، ساختار و رئولوژی قیر

تأثیر اجزاء تشکیل‌دهنده قیر بر خواص آن

تأثیر اجزاء تشکیل‌دهنده قیر (ترکیبات SARA) بر روی خصوصیات قیر درگذشته موردمطالعه قرارگرفته است (Griffin و Miles 1961، Griffin و همکاران 1959، McKay و همکاران 1978 و Reerink 1973). با ثابت نگه‌داشتن غلظت آسفالتن در یک نمونه و تغییر اجزاء دیگر موارد زیر مشاهده‌شده است:

• افزایش مقدار آروماتیک با نسبت ثابت اشباع به رزین به‌غیراز کاهش اندک حساسیت برشی، تأثیر کمی بر رئولوژی دارد.
• ثابت نگه‌داشتن نسبت رزین به آروماتیک و افزایش مقدار اشباع‌ها موجب نرم‌تر شدن قیر می‌شود.
• افزایش رزین باعث سخت‌تر شدن قیر شده، شاخص نفوذپذیری و حساسیت برشی را کاهش داده ولی ویسکوزیته را افزایش می‌دهد.

هم‌چنین دیده‌شده که خصوصیات رئولوژیکی قیر وابستگی شدیدی به مقدار آسفالتن دارد (Lin و همکاران 1996). در یک دمای ثابت با افزایش غلظت آسفالتن مخلوط شده در مالتن، ویسکوزیته قیر نیز افزوده می‌شود. بااین‌حال، افزایش ویسکوزیته درصورتی‌که آسفالتن های کروی به‌خوبی حل‌نشده باشند، به‌طور قابل‌توجهی بیش‌تر از حد انتظار خواهد بود. این نشان می‌دهد که آسفالتن ها می‌توانند با یکدیگر و یا با محیط حل‌کننده واکنش داشته باشند. حتی در محلول رقیق تولوئن، ویسکوزیته با افزایش غلظت آسفالتن، افزایش می‌یابد.

آسفالتن ها به‌صورت پشته‌های بشقاب مانند بوده و از ساختارهای حلقه‌ای آروماتیک/نفتنیک تشکیل‌شده‌اند. ویسکوزیته محلول، مخصوصاً یک محلول رقیق، به شکل ذرات آسفالتن وابسته است. اندازه ذرات فقط هنگامی‌که با افزایش سایز یک تغییر شکل به وجود آید اهمیت دارد. در دماهای بالا، پیوند نگه‌دارنده ذرات آسفالتن شکسته شده و موجب تغییر شکل و اندازه ذرات و یا خوشه‌ها می‌شود. متعاقباً با افزایش دما، ویسکوزیته کاهش می‌یابد. با سرد شدن قیر مذاب پیوند بین ریز تجمعات آسفالتن برای تشکیل خوشه برقرار می‌شود.

افزایش چشمگیر رفتار غیر نیوتنی قیر سرد ناشی از جاذبه‌های درون‌مولکولی و بین‌مولکولی مابین آسفالتن ها و دیگر اجزاء می‌باشد. تحت برش، این جاذبه‌ها به شکلی تغییر شکل داده و یا حتی از هم جدا می‌شوند. در دماهای محیطی، رئولوژی قیر به درجه پیوند ذرات آسفالتن و مقدار نسبی اجزاء موجود در سیستم که بر این پیوندها اثرگذار هستند، بستگی دارد.

پرسش‌ها در مورد واکنش بین رزین‌ها و آسفالتن ها در پژوهشی توسط Mullins در سال 2010 موردبررسی قرارگرفته است. شواهدی وجود دارد که نشان‌دهنده تعامل و واکنش محدود بین ریز تجمعات آسفالتن و اجزاء رزین است (2010،Mullins).

استدلال مطرح‌شده برای حمایت از تئوری وجود برهم‌کنش بین رزین‌ها و آسفالتن ها برای تثبیت آسفالتن ها این است که ریز تجمعات آسفالتن و یا پراکندگی آن‌ها در تولوئن در صورت عدم حضور رزین پایدار می‌باشد (2010،Mullins). آزمایش جدایش آسفالتن ها از نفت خام نشان داد که مقدار رزین کم‌تر از حد انتظار بوده و این شاهدی است از تأثیر محدودکننده رزین‌ها بر روی ریز تجمعات آسفالتن.

مطالعات دیگری با به‌کارگیری اندازه‌گیری میکرو سنجی (به‌طور مثال اندازه‌گیری تغییرات بسیار کوچک با افزایش دما) نشان داد که یک تعاملی بین فاز رزین و آسفالتن وجود دارد. این اندازه‌گیری با آنچه توسط شبیه‌سازی‌ها پیش‌بینی‌شده بود قابل‌مقایسه است. مطالعات دیگر شامل اندازه‌گیری پراکندگی نوترون با زاویه کوچک نشان داد که اندازه ریز تجمعات آسفالتن در حضور رزین‌ها کوچک‌تر بوده و این بیان‌کننده وجود یک واکنش بین این دو جزء تشکیل‌دهنده قیر است. البته در مدل Dickie و Yen-Mullins به پرسش‌ها در مورد واکنش بین رزین و آسفالتن و میزان آن جوابی داده نشده است.

برای مشاهده ادامه مطلب برروی لینک زیر کلیک کنید:

برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

روش‌های دیگر طبقه‌بندی قیر

مواد تشکیل‌دهنده قیر را می‌توان بر اساس قطبیت آن‌ها به چند گروه طبقه‌بندی کرد. این روش با استفاده از تکنیک کروماتوگرافی تبادل یونی (IEC) صورت می‌گیرد (Branthaver و همکاران، 1993). کروماتوگرافی تبادل یونی روشی مؤثر برای جداسازی و اندازه‌گیری یون‌هاست. سازوکار آن بارداری نمونه بر مبنای برهم‌کنش یونی است. در این روش، بین فاز متحرک که معمولاً به‌صورت محلول بوده و حاوی نمونه‌هایی است که دارای اجزاء قابل یونیزه می‌باشد و فاز ساکن که باردار است، تبادل یونی به‌صورت تعادلی و برگشت‌پذیر انجام می‌شود.

با استفاده از این روش می‌توان قیر را به پنج جزء تشکیل‌دهنده اسید قوی، اسید ضعیف، باز قوی، باز ضعیف و جزء خنثی تقسیم‌بندی کرد. آنالیز ساختاری این اجزاء تشکیل‌دهنده با استفاده از آنالیز عنصری و طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون‌قرمز انجام‌شده درحالی‌که وزن مولکولی این اجزاء با استفاده از اسمومتری فشار بخار تعیین می‌شود.

طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون‌قرمز بر اساس جذب تابش و بررسی جهش‌های ارتعاشی و مولکول‌ها و یون‌های چنداتمی صورت می‌گیرد. این‌یک روش مؤثر برای تعیین ساختار و اندازه‌گیری گونه‌های شیمیایی است. طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون‌قرمز عمدتاً برای شناسایی ترکیبات آلی به کار می‌رود. در این پژوهش مشخصات و نحوه توزیع گروه‌های تشکیل‌دهنده و اجزاء آن به همراه رئولوژی خاص هر بخش تشکیل‌دهنده نمونه قیر موردبررسی قرار گرفت.

مشخص‌شده که کروماتوگرافی تبادل یونی (IEC) به متغیرهای آزمایشگاهی حساس بوده و بازیابی نمونه در آن هرگز کامل نیست (به‌طور مثال برخی از مواد برای همیشه در ستون‌ها جذب‌شده و باقی می‌مانند). هنگام آنالیز نمونه قیر پیر شده، مقدار نمونه جذب‌شده بر روی رزین‌ها بیش‌تر از مقدار مشاهده‌شده برای قیر تازه است.

تفکیک اجزاء تشکیل‌دهنده قیر بر مبنای حجم هیدرودینامیکی با استفاده از کروماتوگرافی اندازه (SEC) انجام‌گرفته است (Branthver و همکاران، 1993). کروماتوگرافی اندازه نوعی کروماتوگرافی مایعی است که در آن جداسازی‌ها صرفاً بر اساس اندازه مواد صورت می‌گیرد. تفکیک قیر به اجزاء سازنده با استفاده از این روش بر مبنای اندازه مولکولی و یا اندازه مولکول‌های مرتبط باهم است.

بازیابی نمونه درروش کروماتوگرافی اندازه (SEC) نسبت به روش کروماتوگرافی تبادل یونی (IEC) بیش‌تر است. ویسکوزیته و رئولوژی اجزاء تفکیک‌شده موردمطالعه قرارگرفته است. جالب است بدانید بخش‌هایی حاوی سولفوکسیدها و کتون ها بوده که محصولات اکسیداسیون هستند و در اجزاء با وزن مولکولی پایین حضور دارند.

برای مشاهده ادامه مطلب برروی لینک زیر کلیک کنید:

برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

راهنمای جامع قیر، بخش بیست و یکم-آنالیز عنصری قیر

به‌طورکلی قیر از مولکول‌های هیدروکربن، برخی انواع هتروسیکلیک ها و گروه‌های عاملی شامل اتم‌های سولفور، نیتروژن و اکسیژن تشکیل‌شده است (Romberg و همکاران 1959، Traxler و Coombs، 1936). قیر هم‌چنین حاوی مقدار کمی از فلزات مانند نیکل، وانادیوم، آهن، کلسیم و منیزیم بوده که به شکل نمک‌های فلزی، اکسیدها و یا ساختارهای پورفیرین می‌باشد.

پورفیرین ها ترکیبات آلی پیچیده‌ای هستند که به‌طور طبیعی تشکیل می‌شوند. واژه پورفیرین از کلمه یونانی به معنی بنفش گرفته‌شده است. به‌طور مثال هموگلوبین موجود در خون و کلروفیل یافت شده در گیاهان سبز نمونه‌هایی از پورفیرین های پیوند خورده با اتم‌های فلزی هستند. پورفیرین ها حاوی چهار اتم نیتروژن بوده که هرکدام از آن‌ها توانایی پیوند با یک اتم فلز برای تشکیل یک متالوپورفیرین را دارند.

آنالیز عنصری قیر تولیدشده از انواع نفت خام نشان داد که اغلب قیرها حاوی عناصر زیر است:

• ·       82-88 درصد کربن
• ·       8-11 درصد هیدروژن
• ·       0-1/5 درصد اکسیژن
• ·       0-6 درصد سولفور
• ·       0-1 درصد نیتروژن

از سال 1930 میلادی مشخص‌شده است که قیر حاوی متالوپورفیرین (بر اساس کارهای تحلیلی صورت گرفته و شناسایی آهن و وانادیوم در آن) بوده و درنتیجه به ارتباط بین گیاهان دریایی کلروفیل دار و پیدایش نفت پی برده شد. خاکستر نفت سیاه آنالیز شده توسط دستگاه طیف‌سنجی حضور عناصر فلزی زیر را نشان می‌دهد (1981، Crump):

• آلومینیوم          سرب          سدیم
• باریوم              منیزیم        استرانسیوم
• کلسیم             منگنز         تانتال
• کروم              مولیبدن        قلع
• مس               نیکل            اورانیوم
• گالیوم            پتاسیم         وانادیوم
• آهن               سیلیکون       روی
• لانتانیم          نقره             زیرکونیوم

این عناصر به‌طور عمده در اجزاء سنگین‌تر و یا غیرقابل فرار نفت، احتمالاً به شکل کلوئیدی، به‌صورت نمک (مانند کربوکسیلیک اسید)، ترکیبات فلزات واسطه و ترکیبات پورفیرین یافت می‌شوند. آنالیز قیر تولیدشده از منابع مختلف در جدول شماره 4-1 ارائه‌شده است.

فلزات غالبی که در اکثر منابع نفت خام یافت می‌شوند شامل سدیم (بیشتر به‌صورت سدیم کلراید)، وانادیوم، آهن، نیکل و کروم است. وانادیوم و نیکل تا حد زیادی به‌صورت ساختارهای پورفیرین می‌باشند. قیر و نفت سیاه محصولات مرتبط باهم بوده و Goodrich حدس می‌زد که عناصری مشابه با نفت سیاه در قیر وجود خواهد داشت (Goodrich و همکاران 1986).

قیر بسته به منشأ نفت خامی که از آن تولیدشده و اصلاح شیمیایی انجام‌گرفته بر روی آن در طول فرآیند تولید، دارای ترکیبات مختلف بوده و عملکرد متفاوت نیز خواهد داشت. ترکیب‌بندی شیمایی قیر بسیار پیچیده است؛ بنابراین، آنالیز کامل از قیر (در صورت امکان‌پذیر بودن) بسیار سخت خواهد بود و تعداد زیادی داده تولید کرده که ارتباط آن‌ها با خصوصیات رئولوژیکی غیرممکن خواهد بود. علاوه براین مجموع داده‌های به‌دست‌آمده برای یک نوع خاص قیر بوده و برای تمامی قیرها یکسان نخواهد بود.

عموماً قیر به دو گروه شیمیایی گسترده شامل آسفالتن ها و مالتن ها تقسیم‌بندی می‌شود. مالتن ها را می‌توان به سه زیرگروه اشباع‌ها، آروماتیک‌ها و رزین‌ها تقسیم‌بندی کرد. این طبقه‌بندی ارتباط بین رئولوژی قیر و ترکیب‌بندی شیمیایی آن را ممکن خواهد کرد.

روش استخراج حلال به علت سریع بودن یک روش جذاب می‌باشد (1953، Traxler و Schweger)؛ اما جدایش به‌دست‌آمده معمولاً نسبت به داده‌های به‌دست‌آمده از کروماتوگرافی ضعیف‌تر است. به همین ترتیب، روش جذب ساده (1916، Marcusson) به‌اندازه کروماتوگرافی ستونی مؤثر نیست.

در سال 1987 کنگره ایالات‌متحده آمریکا اجازه داد که برنامه تحقیقاتی بزرگراه‌های استراتژیک (SHRP)، که یک طرح پژوهشی 5 ساله بوده، برای توسعه و ارزیابی روش‌ها و فناوری‌ها برای مقابله با تخریب بزرگراه‌ها به‌منظور ارتقاء عملکرد، دوام، ایمنی و بهره‌وری آن‌ها اجرا شود. یکی از بخش‌های این پروژه تحقیقاتی مطالعه شیمی قیر و روش‌های نوین تفکیک مواد تشکیل‌دهنده بر اساس ماهیت گروه‌های عاملی و وزن مولکولی آن‌ها بود.

برای مشاهده ادامه مطلب برروی لینک زیر کلیک کنید:

برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

1-1  تاریخچه قیر

قیر در فرهنگ لغت انگلیسی آکسفورد به‌صورت مخلوط تار مانندی از هیدروکربن‌های به‌دست‌آمده از نفت خام به‌صورت طبیعی و یا طی فرایند تقطیر تعریف‌شده که در روسازی جاده‌ها و پشت‌بام‌ها کاربرد دارد.

باور عمومی تاریخچه قیر این است که قیر از زبان باستانی و مقدس هندوها در هند (سانسکریت) منشأ گرفته که در آن Jatu به معنای Pitch (قیر) و Jatu-krit به معنای تولید Pitch است. ازنظر برخی معادل لاتین آن در اصل Gwitu-men (وابسته به Pitch) و ازنظر برخی دیگر Pixtu-men نامیده شده که به‌مرورزمان به واژه Bitumen تبدیل و از زبان فرانسوی وارد زبان انگلیسی شده است.

اشارات متعددی به قیر در کتاب مقدس وجود دارد. در کتاب پیدایش (نخستین بخش از کتاب انجیل)، به این موضوع اشاره‌شده که کشتی نوح با استفاده از نی و Pitch ساخته‌شده و موسی نیز درون سبدی که با حصیر ساخته و توسط Pitch عایق شده بود گذاشته و در رودخانه نیل رهاشده است.

خواندن توصیف ساخت برج‌های بابل نیز جذاب و متفاوت است. نسخه مجاز کتاب مقدس می‌گوید که این برج‌ها دارای خشت‌های سنگی بوده و سازندگان آن‌ها از گل برای ملات استفاده می‌کردند. نسخه جدید بین‌المللی بیان می‌کند که در ساخت این برج‌ها به‌جای سنگ از آجر و به‌جای گل از قیر (Tar) استفاده‌شده است. ترجمه موفات در سال 1935 می‌گوید که آن‌ها در ساخت برج‌های بابل از آجر و آسفالت (قیر) استفاده کرده‌اند.

کاربردهای باستانی قیر طبیعی و یا Pitch در مکان‌های مسکونی قدیمی که در اطراف آن‌ها این ماده طبیعی به سهولت در دسترس بوده کشف‌شده است. به نظر می‌رسد که درجاهای دیگر استفاده کم‌تری از این ماده شده است. در بسیاری از کشورها، هیچ‌کدام از کاربردهای کنونی قیر وجود ندارد.

بااین‌حال به نظر می‌رسد که شناخت گسترده‌ای از منابع بزرگ قیر طبیعی مانند دریاچه آسفالت (Lake asphalt) در ترینیداد وجود دارد. در اواسط قرن نوزدهم، تلاش‌هایی در جهت استفاده از آسفالت سنگی از منابع اروپایی برای روسازی جاده‌ها انجام گرفت و ازاینجا بود که رشد آهسته استفاده از محصولات طبیعی برای رسیدن به این هدف آغاز و به دنبال آن شاهد ظهور تار زغال‌سنگ (Coal Tar) و سپس قیر تصفیه‌شده تولیدی از نفت خام هستیم.

برای مشاهده ادامه مطلب برروی لینک زیر کلیک کنید:

برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: