ویژگی و خواص عمومی قیر زیرکار آسفالت

فهرست

فصل 1 7
قیر چیست؟ 7
مقدمه 7
اجزاء قیر 7
شرح مختصری درباره چهار گروه اصلی سازنده ء قیر 8
آسفالتن 8
آروماتیک های قطبی (رزین ها) 9
آروماتیک های نفتنی 9
ساختمان حلقوی ترکیب آروماتیک 10
ترکیبات اشباع (پارافین ها) 10
ساختمان کلوئیدی قیر 11
رابطه بین اجزای شیمیایی و رئولوژی قیر 12
تاریخچه قیر، تجارت قیر 17
فصل2 25
مواد تشکیل‌دهنده قیر 25
شرح مختصری درباره چهار گروه اصلی سازنده ء قیر 26
آسفالتن 26
آروماتیک های قطبی (رزین ها) 27
آروماتیک های نفتنی 27
ترکیبات اشباع (پارافین ها) 27
ساختمان کلوئیدی قیر 28
رابطه بین اجزای شیمیایی و رئولوژی قیر 29
فصل 3 31
مشخصات قیر 31
روش های تهیه قیر 32
تهیه قیر های مایع 34
روش تهیه امولسیون های آسفالتی 35
انواع امولسیون های آسفالتی 36
موارد کاربرد قیر 37
فصل 4 39
آزمایش‌های تعیین خصوصیات قیر 39
فصل 5 45
انواع قیرهای مورد استفاده در راهسازی 45
تاثیر قیر در مخلوط گرم پوشش آسفالت 45
مزایای استفاده از قیر در اسفالت 45
کاربرد قیر در جاده‌های نوسازی شده 46
اندود نفوذی یا پریمکت (Prime coat) در راهسازی 58
پریمکت قیر و کاربردهای آن 61
تفاوت‌های تک کت و پریمکت 62
کاربرد و مشخصات اندودهای نفوذی و سطحی در نگهداری راه 63
اندود نفوذی یا پریمکت: 63
نوع قیر مصرفی در اندود نفوذی: 64
مقدار استفاده قیر در هر متر مربع 64
فصل 6 69
آسفالت حفاظتی با قیر امولسیونی 69
اهداف استفاده از آسفالت های حفاظتی 70
منابع و مآخذ 83

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 88%-82% 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:
1. جداسازی از طریق حلال
2. جذب مولکولی به وسیله جامدات
3. کروماتوگرافی
4. 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
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 5 تا 25 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.
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.
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 40 درصد تا 65 درصد کل قیر را تشکیل داده ، مایعی است ویسکوز به رنگ قهوه ایی تیره که میانگین وزن مولکولی آنها بین 300 تا 2000 است.

کلمه قیر در زبان سانسکریت با لفظ Bitumen مشخص شده است. این کلمه در زبان لاتین و انگلیسی عمومی با همان لفظ Bitumen و در انگلیسی آمریکایی با لفظ Asphalt به کار رفته است. در زبان فارسی کلمه قیر در واقع همان قطران ذغال سنگ می باشد. قیر از دوران بسیار قبل در زمان سومری ها، آشوری ها و بسیاری از تمدن های پیشین به عنوان عایق رطوبتی و نیز ماده محافظ در کشتی سازی، مومیایی کردن اجساد، مجسمه سازی و تزئینات استفاده می شده و همچنین به صورت ماستیک (ترکیب قیر و آجر پخته) در ساختمان معابد، پایه پل ها، سطح خیابان ها و خانه ها کاربرد داشته است. ضمناً قیر برای نگهداری آب در مخازن و به عنوان ماده ی ضد رطوبت و عامل اتصال به کار می رفته است. قدمت قیر بیش از 5000 سال می باشد، اگرچه به طور ثبت شده به حدود 3800 سال قبل یعنی زمان سومری ها بر می گردد.
نقش قیر در ایران باستان نیز بسیار اساسی و مهم بوده است و دارای قدمتی بیش از 5000 سال می باشد. در اواسط هزاره سوم قبل از میلاد در تمدن ایلام در حوالی شوش از قیر در مصارف مختلفی استفاده می شده است.
سلسله هخامنشیان نیز از قیر برای آب بندی در کاخ با عظمت تخت جمشید استفاده کرده اند که هنوز آثار آن در این مجموعه تاریخی قابل مشاهده می باشد.
صنعت مدرن تولید قیر مربوط به سال 1712 میلادی می شود که با کشف سنگ های قیر طبیعی در فرانسه آغاز شده است. در آن هنگام مواد قیری را به صورت کلوخه روی سطح جاده های محلی پخش می کردند و اجازه می دادند که در اثر عبور و مرور گاری ها و درشکه ها به تدریج خرد گردیده و به سطح جاده کوبیده شوند.
به مرور زمان با پودر کردن و گرم نمودن مواد قبل از استفاده از استوانه های آهنی داغ پس از کوبیدن قیر آن را مسطح و متراکم می نمودند و در خیابان های اکثر شهر های اروپا استفاده می کردند.
استفاده از قیر برای ساخت آسفالت از اوایل قرن نوزدهم میلادی شروع شده و برای اولین بار در سال 1830 در پیاده رو های فرانسه از آن استفاده شده است. اولین خیابان آسفالته در آمریکا و مربوط به سال 1870 می باشد. در ایران برای اولین بار در سال 1312 از آسفالت برای پوشش خیابان کاخ ( فلسطین ) استفاده گردید. لازم به ذکر است که امروزه برای قیر بیش از 250 نوع کاربرد در صنایع کشاورزی، ساختمان، راه سازی و سایر بخش ها وجود دارد.
وجود آسفالت این قدر برای ما بدیهی شده و این قدر هر روز جلو چشمان ما و زیر پای‌مان قرار دارد که فراموش می‌کنیم برای خودش سرگذشتی داشته است. داستان آسفالت را باید از هزاران سال پیش و از دل طبیعت شروع کنیم، از زمانی که اولین دریاچه‌های آسفالتی و آسفالت‌های صخره‌ای شکل گرفتند.
آسفالت ماده‌ای سیاه و چسبناک به‌صورت مایع یا نیمه‌جامد است که از نفت خام به دست می‌آید و گاهی به آن قیر طبیعی نیز می‌گویند. این ماده عملا بخشی از آن آسفالتی است که سطح جاده‌ها و خیابان‌ها را می‌پوشاند.
آسفالت
در دوران باستان، اهالی بین‌النهرین از آسفالت برای عایق‌بندی حمام معابد و مخازن آب استفاده می‌کردند و فنیقی‌ها برای آب‌بندی درزهای بدنه‌ی کشتی‌های تجاری خود، آسفالت به کار می‌بردند. مصری‌ها هم در زمان فراعنه از این ماده استفاده می‌کردند تا مانع فرسایش صخره‌های کناره‌ی ساحل رود نیل شوند.
625 پیش از میلاد
نخستین استفاده از آسفالت به‌عنوان ماده‌ای برای ساخت جاده‌ها در این زمان ثبت شده است. یونانیان باستان هم با این ماده آشنا بوده‌اند. کلمه‌ی آسفالت برآمده از واژه‌ی یونانی «آسفالتوس» (Asphaltos) به‌معنی ایمن یا مطمئن است. رومیان از آسفالت برای عایق کردن حمام‌ها و مجاری و مخازن آب استفاده می‌کردند.
1595
اروپایی‌هایی که به کاوش دنیای جدید یعنی آمریکا مشغول بودند، توانستند در این سرزمین‌های تازه، ته‌نشین‌های طبیعی آسفالت کشف کنند. سر والتر رالی (Sir Walter Raleigh) جلگه یا دریاچه‌ای از آسفالت را توصیف می‌کند که در جزیره‌ی ترینیداد در نزدیکی ونزوئلا قرار داشته است. او از این آسفالت برای ترمیم عایق‌بندی کشتی‌های خود بهره می‌گرفت.
اوایل قرن نوزدهم
در این زمان، توماس تلفورد (Thomas Telford) توانست با بهبود شیوه‌ی جاده‌سازی به‌کمک سنگ‌های خردشده، بیش از 1400 کیلومتر جاده در اسکاتلند بسازد. در همان سال‌ها جان لاودن مک‌ادم (John Loudon McAdam) هم از سنگ خردشده استفاده کرد تا برای ساخت شاهراهی در اسکاتلند، سطحی سخت پدید آورد.
کمی بعد، جاده‌سازان برای کاهش گردوخاک و دوام بیش‌تر، از قیر داغ برای کنار هم نگه داشتن خرده سنگ‌ها استفاده کردند و به این ترتیب، معابر «آسفالته» شکل گرفتند.
1870
ادموند جی دسمت (Edmund J. DeSmedt)، شیمیدان بلژیکی، اولین خیابان واقعی آسفالت‌شده را در آمریکا ساخت. او هم‌چنین با استفاده از 45 هزار متر مربع ورق آسفالت طبیعی از دریاچه‌ی ترینیداد، خیابان پنسیلوانیا در شهر واشنگتن را آسفالت کرد.
شرکت کامر (Cummer) اولین محل تولید ترکیبات داغ برای آسفالت را راه‌اندازی کرد و اولین حق امتیاز انحصاری آسفالت در سال 1871 و در نیویورک ثبت شد.
1900
فردریک جی وارن (Frederick J. Warren) امتیاز انحصاری بیتولیتیک را به نام خود ثبت کرد که ترکیبی از قیر طبیعی و سنگ‌دانه بود.
برادران وارن در سال 1901 اولین آسفالت‌سازی مدرن را در ماساچوست دایر کردند.
1907
تولید آسفالت از نفت تصفیه‌شده رواج بیش‌تری از آسفالت طبیعی پیدا کرد. با افزایش محبوبیت اتوموبیل‌ها و نیاز به جاده‌هایی بهتر و بیش‌تر، نوآوری‌های تازه‌ای در تولید آسفالت و فرآیند آسفالت کردن خیابان‌ها پدید آمد. در همین زمان شیوه‌های مکانیزه‌ی آسفالت کردن معابر به کار گرفته شد.
1942
در طول جنگ جهانی دوم فناوری آسفالت پیش‌رفت عظیمی داشت، زیرا به سطوح و گذرگاه‌هایی نیاز بود که بتوانند از پس وزن زیاد وسایل و تجهیزات سنگین نظامی برآیند.

1955
انجمن ملی آسفالت با نام National Bituminous Concrete Association در آمریکا تاسیس شد که بعدها به National Asphalt Pavement Association یا NAPA تغییر نام داد.
یکی از اولین فعالیت‌های این انجمن برنامه‌ی بهبود کیفیت آسفالت بود که با حمایت این انجمن و در دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های خصوصی پی‌گیری می‌شد.
دهه‌ی 1970
بحران انرژی باعث شد که اهمیت حفظ منابع طبیعی دوچندان شود. از آن زمان به بعد، بخش زیادی از آسفالت تازه را آسفالت‌های بازیافتی تشکیل می‌دهد. در حال حاضر در کشوری مثل آمریکا، بیش‌ترین ماده‌ی بازیافتی آسفالت معابر است که در هر سال بیش از 70 میلیون تن از آن دوباره وارد چرخه‌ی مصرف می‌شود.
2002
با توجه به اقداماتی که برای بهبود آسفالت و بازیافت آن صورت گرفت، آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده‌ی آمریکا اعلام کرد که کارخانجات آسفالت‌سازی از فهرست منابع عمده‌ی آلاینده‌های خطرناک هوا خارج شده‌اند.
تاریخچه قیر، تجارت قیر
قیر ماده ای غلیظ، چسبنده و سیاه رنگ و غیر بلورین است كه در دی سولفید کربن(CS2) حل می شود. این تعریف از قیر را می توان در بسیاری از متون مشاهده کرد. اولین تمدنی که با قیر آشنا شد، تمدن سومریان باستان بود که مردمان آن در 4000 سال قبل از میلاد مسیح از این ماده برای آب بندی برج های خود بهره می گرفتند. پس از آنان مصریان و بابلیان نیز از قیر استفاده کردند. مصریان باستان از قیر در مصارف مختلف، از جمله، آب بندی و مویایی کردن اجساد بهره مي بردند.
کلمه مومیایی از واژه فارسی (موم) گرفته شده است که در زبان انگلیسی به (Mummy) تبدیل شده است. این روش که در حقیقت برای جاودانه کردن انسان به کار می رفته، در مصر باستان رواج فراوانی داشته است. مصریان باستان با استفاده از ماده ای که بخش اعظم آن از قیر تشکیل شده بود، اجساد را به شیوه های مختلف مومیایی می کردند. آنان قیر مورد نیاز جهت مومیایی کردن را از معادن قیر طبیعی که در آن مناطق وجود داشت، به روش های سنتی اخراج می کردند.
مطالعات اخیر باستان شناسی روی قیر مصرف شده در مومیایی هاي مصری، نشان می دهد که آنان قیر مورد نیاز خود را یا از معادن قیر طبیعی کوه (زیت) در حوالی کانال سوئز و یا از معادن اطراف (بحر میت) به دست می آوردند.