قیر

شرکت سرو آزما (توليد کننده تجهيزات آزمايشگاهي مکانيک خاک و مقاومت مصالح) قصد دارد با اطلاع رساني کامل در زمينه تاسيس آزمايشگاه مکانيک خاک بتن و جوش (ژئوتکنيک)،‌راه را براي تاسيس يک آزمايشگاه ، کوتاهتر و سريعتر کند. با توجه با مطالب پائين که با قوانين و ضوابط سازمان نظام مهندسي بروز گرديده شما ميتوانيد برای اطلاعات بيشتر در زمينه تاسیس آزمايشگاه مکانيک خاک ، بتن قیر و آسفالت با ما تماس بگيريد…

تلفن تماس : 552574774 -021 ، 55257475 – 021

قیر ماده‌ای است سیاه رنگ و خمیری شکل که در عایق کاری 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 یک هیدروکربن متراکم، بسیار چسبناک و برگرفته از نفت است که به دو نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شود. اولین نوع، قیر طبیعی است که در زیر تپه‌ها و دریاچه‌های نفتی یافت می‌شود و نوع دیگر، قیر تصفیه شده حاصل از ته نشینی نفت خام است.

قیر حاوی 2 درصد اکسیژن، 11 درصد هیدروژن و 87 درصد کربن است.

همانطور که گفته شد، این محصول یک هیدروکربن با وزن مولکولی بالا شامل روغن، رزین و آسفالتین است. وجود 5 تا 30 درصد آسفالتین در قیر باعث سختی قیر می‌شود.

قیر به دو روش تولید می‌شود:

1) اجرای مستقیم

2) دمیدن هوا که براساس فرآیند مقطعی یا ادامه‌دار انجام می‌شود

قیر عمدتا در ساخت و سازها، راه‌سازی، عایق کاری جاده‌ها، آسفالت کردن خیابان‌ها یا عایق بندی پشت بام‌ها استفاده می‌شود. این محصول با توجه به فرآیندهای مختلف تولید به انواع و درجه‌های مختلف و آزمایش‌های فیزیکی نظیر تست نفوذ، تست گرانروی(ویسکوزیته)، تست نقطه

اشتعال، تست حلالیت، تست نقطه نرم شدن، تست انعطاف‌پذیری و موارد دیگر تقسیم می‌شود.

لازم به ذکر است که برخی از این طبقه‌بندی‌ها براساس نتایج آزمایشات انجام شده روی قیر و برخی دیگر براساس نوع پالایش و مراحل انجام شده بر روی قیر صورت گرفته‌اند.

تعریف

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

انواع قیر

قیر استخراج شده از نفت یا سنگ‌های معدنی مخصوص، قیر خالص نام دارد که با توجه به منشأ 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.

آزمایش هایی که بر روی نمونه ی قیر صورت می گیرند تعیین کننده ی بخشی از انواع قیر از جمله penetration grade, viscosity grade و performance grade هستند. آزمایش های قیر شامل viscosity, penetration , spot test و … هستند که قیر را از ابعاد مختلفی مورد بررسی قرار می دهند و تعیین می کنند که نمونه ی آزمایش شده برای چه منطقه ای و با چه هدفی کاربرد دارد.

قیر نفتی و قیر طبیعی

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^[۵] و دوام آن بیشتر از قیرهای نفتی است. چنین قیری ممکن است به‌صورت خالص در طبیعت وجود داشته باشد (قیر دریاچه‌ای) مانند دریااچه قیر بهبهان ایران و دریاچه قیر تیرینیداد آمریکا، یا از معادن استخراج شود (قیر معدنی). قیر طبیعی با نام یواینتایت (Uintaite) نیز شناخته می‌شود.

قیر دمیده

قیر دمیده از دمیدن هوای داغ به قیر خالص در مرحله آخر عمل تصفیه به دست می‌آید. در این فرایند، هوای داغ با دمای ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد توسط لوله‌های سوراخ‌دار به محفظه حاوی قیر دمیده می‌شود. در اثر انجام این فرایند، اتم‌های هیدروژن موجود در مولکول‌های هیدروکربورهای قیر، با اکسیژن هوا ترکیب می‌شود و با تشکیل آب، عمل بسپارش اتفاق می‌افتد. قیر دمیده نسبت به قیر خالص دارای درجه نفوذ کمتری است، درجه نرمی بیشتری دارد و حساسیت کم تری نسبت به تغییرات دما دارد. این نوع قیر بیشتر در ساختن ورق‌های پوشش بام، باتری اتومبیل و اندودکاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. علامت اختصاری قیر دمیده R می‌باشد. مثلاً قیر۸۰/۲۵ R به معنای قیر دمیده با درجه نرمی ۸۰ و درجه نفوذ ۲۵ می‌باشد.

قیر مخلوط یا محلول

قیر مخلوط به مخلوطی از قیر و یک حلال مناسب (مثلاً نفت سفید یا بنزین) گفته می‌شود. این قیر در درجه‌حرارت محیط مایع است یا با حرارت کمی به مایع تبدیل می‌شود. قیر مخلوط در انواع آسفالت‌های پوششی و ماکادامی مورد استفاده قرار می‌گیرد.سرعت گیرش یا سفت شدن این نوع قیر بستگی به نوع محلول دارد. به‌طور مثال به دلیل سرعت بالای تبخیر بنزین، قیر حل شده در بنزین سریع‌تر سفت می‌شود. این قیر، اصطلاحاً قیر تندگیر (RC) نامیده می‌شود. همچنین قیرهایی که در نفت حل شده‌اند، قیر کندگیر (MC) نامیده می‌شوند و به قیرهایی که در نفت گاز یا نفت کوره حل شوند، قیر دیرگیر (SC) گفته می‌شود. قیرهای محلول بر اساس درجه گرانروی‌شان درجه‌بندی می‌شوند.

قیر ترینیداد

در ترینیداد، قیر را از دهانهٔ آتشفشان خاموش درمی‌آورند. رویهٔ بستهٔ قیر را شکسته، و از زیر آن قیر را برداشت می‌نمایند که باز قیر، روان شده و جای آنچه که برداشته شده را پر می‌کند. این قیر دارای ناخالصی (جسمهای معدنی و ریشهٔ گیاهان) است. آن را در دمای ۱۶۰ درجه آب کرده، و صاف می‌کنند که آن را قیر ترینیداد پالوده(Trinidad-epure) می‌نامند و دارای ۳۸٫۵٪ جسم‌های معدنی، و ۵٪ جسم‌های آلی نامحلول در CS2 و ۵۶٫۵٪ قیر که در سولفور کربن حل می‌شود. جسم‌های معدنی که آن‌ها را خاکستر آتشفشانی و خاک رس کلوییدی می‌پندارند، به گونهٔ دانه‌های ریز در آن پخش اند که این ریزدانه‌ها، درجهٔ نرمی و چکیدن آن را بالا برده‌اند. قیر ترینیداد پالوده را در روغن‌های معدنی حل کرده یا با قیر نفتی درهم و به کار می‌برند. این قیر دارای چگالی ۱٫۴، درجه نفوذ ۱٫۴ تا ۴ (در گرمای ۲۵ درجه)، درجهٔ نرمی ۷۸ تا ۸۴ و درجهٔ شکستن ۱۳ تا ۱۴ است.

قیرابه

قیرابه (قیر امولسیون) با مخلوط کردن قیر و آب و یک ماده امولسیون‌ساز به‌دست می‌آید. مقدار ماده امولسیون ساز بسیار کم و در حدود ۰٫۳ تا ۰٫۵ درصد وزن قیر می‌باشد. مقدار آب مصرفی این نوع قیر در حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد وزن قیر می‌باشد. ماده امولسیون‌ساز معمولاً یک نمک قلیایی اسیدهای آلی یا نمک آمونیم است که باعث باردار شدن ذرات قیر می‌شود. به این ترتیب ذرات قیر در اثر بار القایی یکدیگر را دفع می‌کنند و به‌صورت کره‌هایی با قطر یک‌صدم تا یک‌هزارم میلی‌متر در آب شناور می‌شوند.^[۲] استفاده از این نوع قیر، باعث کاهش آلایندگی محیط زیست می‌شود و چون از نفت یا حلال‌های قابل اشتعال استفاده نمی‌شود، خطر اشتعال در حین حمل و نقل قیر کاهش می‌یابد. از قیر امولسیونی برای آسفالت سرد در محیط‌های مرطوب یا برای عایق کاری استفاده می‌شود که در این صورت باید دوباره به آن آب اضافه کرد و محتوای آن را به حدود ۶۵ درصد رساند.

کاربرد

قیر معمولاً در دو حوزه راه‌سازی و عایق‌کاری به کار می‌رود. حدوداً ۹۰ درصد از قیر تولیدی، در حوزه راهسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد و مصارف عایق‌کاری، تنها ۱۰ درصد از مصرف قیر را به خود اختصاص می‌دهد.

عایق کاری: از قیر معمولاً برای عایق بندی بام‌ها و کف حمام‌ها استفاده می‌شود. معمولاً به منظور تثبیت قیر، آن را همراه با گونی مورد استفاده قرار می‌دهند که به آن قیرگونی گفته می‌شود. الیاف گونی نقش مسلح‌کننده قیر را دارند و قیر را در محل خود تثبیت می‌کنند. هم چنین محصولاتی مانند مقوای قیری یا نمد قیری که با نام‌های تجاری نظیر ایزوگام و… ارائه می‌شوند نیز کاربردی مشابه قیرگونی دارند. به منظور جلوگیری از نفوذ رطوبت زمین به کف ساختمان، از بلوکاژ یا ماکادم استفاده می‌شود.

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 کم‌تر باشد قیر سخت‌تر است.

• نفوذناپذیری در برابر آب

• چسبندگی

قیر معمولاً از تقطیر نفت خام بدست می آید چنین قیری، قیر نفتی یا قیر تقطیری نامیده می شود.

• 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 می شوند، این فرآیند در فشاری نزدیک به یک اتمسفر انجام می شود. در مرحله دوم نیز ترکیبات سنگین مانند گازوئیل و نفت سفید خارج می شوند. این فرآیند در فشاری نزدیک به خلا صورت می پذیرد و در نهایت مخلوطی از ذرات جامد بسیار ریز به نام آسفاتن باقی میماند که در ماده سیال گریس مانندی به نام مالتن شناور است.

• برخی از قیر در طبیعت در اثر تبدیل تدریجی نفت خام و تبخیر مواد فرار آن در اثر گذشت سال های بسیار زیاد بدست می آید، چنین قیری، قیر طبیعی نامیده می شود و دوام آن بیشتر از قیرهای نفتی است، چنین قیری ممکن است به صورت خالص در طبیعت وجود داشته باشد (قیر دریاچه ای) مانند دریاچه قیر بهبهان ایران.

درجه نفوذ: Penetration test

هدف از این آزمایش تعیین میزان سختی و قوام قیر خالص می باشد این آزمایش بر روی قیر پسماند حاصل از تقطیر قیرهای محلول و قیرهای امولسیونی نیز انجام می شود. در این تست قیر خالص با دمای حدود 110-120را داخل کاپ استاندارد میریزیم بطوری که پس از سرد شدن سطح قیر درون کاپ با سطح کاپ مماس شود. سپس اجازه می دهیم کاپ مدت زمان 1-30/1 ساعت در دمای آزمایشگاه بماند تا سرد شود سپس مدت 1-30/1 ساعت کاپ را داخل حمام آب مقطر 25 درجه سانتیگراد قرار میدهیم پس از طی این مدت زمان کاپ را زیر دستگاه نفوذ قرار داده و آزمایش را انجام می دهیم در این آزمایش از سوزن استاندارد استفاده میکنیم و فاصله فرو رفتن سوزن ها داخل قیر از جداره کاپ باید 1 سانتیمتر باشد این آزمایش را با سه بار فرو رفتن سوزن ها داخل قیر انجام می دهیم و در پایان میانگین سه عدد را به عنوان درجه نفوذ قیر گزارش می کنیم.

گرانروی: هر چه کند روانی قیر بیشتر باشد خواص جامد بیشتری از خود نشان می‌دهد. واضح است در دماهای بالاتر کند روانی کم‌تر است. این مشخصه قیر با دستگاه سی بولت فیورل یا به روش کینماتیکی اندازه‌گیری می‌شود.
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.

نقطه اشتعال: Flash Point

در این آزمایش نقطه اشتعال قیرهای خالص و قیرهای محلول اندازه گیری می شود برای اعمال حرارت به نمونه قیر از سیالی که نقطه جوش بالایی داشته باشد استفاده می شود. دستگاه اشتعال باز از یک هیتر المنتی و یک کاپ بزرگ مسی که سیال انتقال حرارت درون آن ریخته می شود و کاپ شیشه ای نمونه قیر روی آن قرار میگیرد . ابتدا نمونه قیر را داخل کاپ شیشه ای ریخته و روی کاپ مسی قرار می دهیم دستگاه را روشن میکنیم تا هیتر با انتقال حرارت از طریق سیال به کاپ شیشه ای قیر را گرم کند زمانی که قیر گرم می شود مولکول های اجزای فرار از سطح قیر جدا شده و وارد هوا می شوند با عبور دادن شعله کوچک از سطح قیر و مشاهده جرقه کوچک دمایی که جرقه مشاهده شده را به عنوان نقطه اشتعال گزارش می کنیم.

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.

آزمایش افت وزنی: TFOT

در این آزمایش میزان افت وزنی قیر خالص بر اثر اعمال گرما را اندازه گیری میکنیم. ابتدا 4 عدد ظروف مخصوص آزمایش را با استفاده از ترازوی 4 رقم اعشار وزن میکنیم سپس داخل هر کدام از ظروف مقدار 50 گرم قیر خالص ریخته و وزن می کنیم بعد 4 عدد ظرف را داخل دستگاه افت وزنی با دمای 163 درجه سانتیگراد به مدت 5 ساعت قرار می دهیم در پایان پس از طی مدت زمان 5 ساعت اجازه می دهیم نمونه ها سرد شده و آنها را وزن میکنیم و با استفاده از محاسبات میزان افت وزنی قیر خالص را گزارش می کنیم.

۵-شکل‌پذیری 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 آن کمی قیر گویند.

آزمایش کشش قیریا انگمی: Ductility

در این آزمایش نیز همانند آزمایش درجه نفوذ هدف تعیین میزان سختی و قوام قیر می باشد این آزمایش بر رو روی قیر پسماند حاصل از تقطیر قیرهای محلول و قیرهای امولسیونی نیز انجام می شود در این تست قیر با دمای حدود 110-120را داخل قالب استاندارد میریزیم بطوری که پس از سرد شدن سطح قیر درون قالب با سطح قالب مماس شود. سپس اجازه می دهیم قالب مدت زمان 1-30/1 ساعت در دمای آزمایشگاه بماند تا سرد شود سپس مدت 1-30/1 ساعت قالب را داخل حمام آب 25 درجه سانتیگراد دستگاه کشش قرار میدهیم پس از طی این مدت زمان قالب را روی گیره دستگاه قرار داده و آزمایش را شروع می کنیم گیره دستگاه شروع به حرکت کرده و نمونه قیر را می کشد جایی که نمونه قیر کش آمده پاره شود را به عنوان میزان کشش قیر بر حسب سانتیمتر گزارش میکنیم.

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 درجهٔ خلوص قیر را می‌توانیم تعیین کنیم. درجه خلوص عبارت است از: (وزن نمونه قیر) ÷ [(وزن ناخالصی) – (وزن قیر)]

آزمایش حلالیت:Soloblity intrycloroethilene

در این آزمایش میزان حلالیت قیر در حلال تری کلرو اتیلن اندازه میگیریم این آزمایش بر رو روی قیر پسماند حاصل از تقطیر قیر های محلول و قیر های امولسیونی نیز انجام می شود .ابتدا آون را به دمای 110 سانتیگراد رسانده و یک کاغذ صافی داخل کروزه قرار داده و 15 دقیقه داخل آون قرار می دهیم سپس کروزه را مدت 30 دقیقه داخل دسیکاتور قرار می دهیم بعد کروزه را با ترازوی 4 رقم اعشار وزن میکنیم .سپس یک ارلن کوچک 100 سی سیرا وزن کرده و 2 گرم قیر داخل ارلن ریخته و وزن میکنیم بعد مقدار 100 سی سی تری کلرو اتیلن داخل مزور ریخته و زیر هود کم کم به ارلن کوچک 100 سی سی اضافه می کنیم تا قیر کاملا حل شود وقتی قیر کاملا حل شد درب ارلن را بسته و 15 دقیقه درب بسته می گذاریم .سپس کروزه را روی ارلن بوخنر یک لیتری قرار داده و محلول داخل ارلن کوچک 100 سی سی را داخل کروزه میریزیم تا از کاغذ صافی عبور کند سپس کروزه را 15 دقیقه زیر هود قرار داده و بعد 20 دقیقه داخل آون با دمای 110 سانتیگراد و بعد 30 دقیقه داخل دسیکاتور قرار می دهیم در آخر کروزه را وزن کرده و با انجام محاسبات درصد حلالیت قیر در حلال تری کلرواتیلن اندازه میگیریم.

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 بیشتر باشد، حساسیت کم تری نسبت به تغییرات دما دارد. درجه نرمی قیرهای معمولی حدود ۶۰ تا ۷۰ می‌باشد.

نقطه نرمی:Softening point

در این آزمایش میزان سختی قیر و دمای قیر در آن به نرمی حداکثر می رسد را تعیین می کنیم. این آزمایش باید حداکثر تا 4 ساعت پس از نمونه گیری انجام شود. ابتدا قالب نمونه را با گریس مخصوص چرب میکنیم و نمونه قیر با دمای مناسب را داخل قالب استاندارد میریزیم بطوری که پس از سرد شدن سطح قیر درون قالب با سطح قالب مماس شود و اجازه می دهیم 30 دقیقه در دمای آزمایشگاه سرد شود سپس حمام آب مقطر 5 درجه سانتیگراد را آماده میکنیم یک بشر شیشه ای با حجم 600 میلی لیتر آماده کرده و 500 سی سی آب مقطر درون آن میریزم و گیره قالب و دماسنج مخصوص نقطه نرمی را داخل بشر قرار می دهیم. با افزودن یخ آب مقطر دمای آب را به 5 درجه سانتیگراد می رسانیم سپس قالب های نمونه را روی گیره قرار داده و گیره های ساچمه و ساچمه ها را روی نمونه قرار می دهیم و اجازه می دهیم 15 دقیقه در دمای 5 درجه سانتیگراد بماند سپس بشر را روی هیتر همزن دار گذاشته و اعمال حرارت را شروع میکنیم بطوری که در هر دقیقه 5 درجه سانتیگراد دمای آب بالا رود زمانی که قیر نرم شده و تحت نیروی وزن ساچمه ها به صفحه زیرین قالب برخورد میکند دمای آب را مشاهده کرده و آن دما را به عنوان نقطه نرمی گزارش میکنیم.