قیر امولسیونی

قیر امولسیونی به علت بی خطر بودن برای محیط زیست و انسان، قیر سبز نامیده می­شوند، این نوع قیر اولین بار در سال ۱۹۲۲ توسط هیو آلن مکی تولید و ثبت شد. برای تهیه این فرآورده، قیر گرم، آب و ماده امولسیون ساز را با نسبت­ های معین با اعمال انرژی مخلوط می­ کنند. نقش امولسیون سازها، جلوگیری از به هم پیوستن مجدد ذرات معلق است و با پوشش سطح ذرات معلق، باعث به وجود آمدن نیروی دافعه الکتریکی بین ذرات شده و مانع نزدیک شدن آن­ها به یکدیگر می­ شود.

امولسیون­ ها در واقع ترکیبات دو فازی هستند که از قیر، آب و یک یا چند ماده افزودنی برای تشکیل و پایدارسازی و اصلاح خواص امولسیون تشکیل شده­ اند. قیر توسط یک همگن ساز یا آسیاب کلوئیدی، به صورت ذراتی (ابعاد در حدود ۱/۰ تا ۵۰ میکرون) که توسط بارهای الکتریکی پایدار شده­ اند، با یک امولسیون ساز در آب پراکنده می­ شود.

۲-طبقه بندی قیر امولسیونی

امولسیون­ ها به سه دسته تقسیم می ­شوند، که دو دسته اول آن­ها بیشتر مورد استفاده قرار می­ گیرند.

• قیر امولسیونی کاتیونی
• قیر امولسیونی آنیونی
• قیر امولسیونی غیر یونی

در عمل دو گروه اول استفاده وسیع­تری در ساخت راه­ ها و نگهداری آن­ها دارند ولی قیرهای امولسیونی غیر یونی در پیشرفت تکنولوژی امولسیون اهمیت بیشتری دارند. امولسیون­ های آنیونیک و کاتیونیک بر اساس بار الکتریکی که ذرات قیر را احاطه می­ کند، شناخته می­ شوند. وقتی دو قطب (یک آند و یک کاتد) در یک مایع قرار بگیرند و جریان الکتریکی از آن عبور کند، ذرات قیر به جهت آند حرکت می ­کنند و بنابراین امولسیون به عنوان آنیوینک شناخته می­ شود. برعکس اگر ذرات مثبت قیر به سمت کاتد حرکت کنند، امولسیون به عنوان کاتیونیک شناخته می شود. در امولسیون­ های غیر یونی ذرات قیر خنثی هستند و به سمت هیچ یک از قطب­ها حرکت نمی­ کنند.

امولسیون­ ها بر اساس سرعت منعقد شدن ذرات قیر نیز طبقه بندی می­ شوند (بازگشت به حالت قیر پایه). در این طبقه بندی، RS به معنی قیر تند شکن (Rapid setting) و MS به معنی قیر کند شکن (Medium Setting) و SS به معنی قیر دیر شکن (Slow Setting) و QS به معنی قیر سریع شکن (Quick Setting) می­ باشند. تمایل امولسیون به منعقد شدن (شکست امولسیون) به سرعتی که امولسیون پس از تماس با سطح مصالح به ناپایداری و شکست می­ رسد، بسیار وابسته است. در امولسیون SS تمایل به ترکیب با مصالح بسیار ناچیز است یا اصلا وجود ندارد. امولسیون MS تمایل به ترکیب با مصالح زبر و درشت دارد و امولسیون­ های RS و QS برای ترکیب با مصالح ریز (fine) طراحی شده­ اند. امولسیون­ های RS و QS دارای تمایل ترکیب شدن یکسانی با مصالح هستند ولی امولسیون QS زودتر از امولسیون RS می­ شکند.

همچنین امولسیون­ ها را می­توان با استفاده از یک سری اعداد و حروف معرفی نمود که بیانگر طبقه بندی بر اساس ویسکوزیته امولسیون و سختی قیر به کار رفته در آن­ها است. حرف C در ابتدای امولسیون به معنای کاتیونیک بوده و فقدان آن به معنی آنیونیک بودن امولسیون است. مثلا RS-1 آنیونیک و CRS-1 کاتیونیک می­ باشد.

عددی که بعد از نشانه امولسیون قرار می­گیرد نشانه ویسکوزیته آن امولسیون می باشد. مثلا MS-2 از MS-1 ویسکوزتر (غلیظ تر)است. حرف h که بعد از امولسیون می­آید به این معنی است که از قیر سخت تری استفاده شده است. حرف S به معنی قیر نرم تر است. حرف HF که در ابتدای نام بعضی از انواع امولسیون­های آنیونیک می­آید به معنی پوشش ضخیم تر مصالح توسط قیر (high float) است که با آزمایش شناوری تعیین می­ شود. امولسیون­های high float ژله مانند بوده که در اثر اضافه کردن مواد شیمیایی مشخصی به وجود می­ آیند و باعث ایجاد لایه ضخیم­تری از قیر روی مصالح می­ شوند.

۳-عوامل موثر بر کیفیت و کارایی

عوامل زیادی وجود دارند که تولید، ذخیره­ سازی و کارایی قیر امولسیونی را تحت تاثیر قرار می دهند. عواملی که بر خصوصیات قیرهای امولسیونی تاثیر بیشتری دارند شامل موارد زیر می­ باشند:

• خصوصیات شیمیایی قیر
• سختی و میزان قیر
• اندازه ذرات قیر در امولسیون
• نوع و غلظت عامل امولسیون ساز
• شرایط تولید، مانند درجه حرارت، فشار و نیروی برشی
• بار الکتریکی ذرات امولسیون
• ترتیب افزودن ترکیبات
• نوع تجهیزات مورد استفاده در تولید امولسیون
• خصوصیات عامل امولسیون ساز
• افزودن اصلاح کننده­های شیمیایی و پلیمرها
• کیفیت آب (سختی)

۴-مزایای قیر امولسیونی

قیر­های امولسیونی دارای مزایای فراوانی هستند از قبیل:

• ایمنی بیشتر
• صرفه جویی در هزینه، برای مصرف قیر­های امولسیونی معمولا نیاز به حرارت نیست لذا از نظز اقتصادی ارجحیت دارد.
• تنوع کاربرد
• صرفه جویی در مصرف انرژی
• کاهش آلودگی زیست محیطی
• امکان استفاده از این نوع قیر­ها بر روی سطوح مرطوب
• چون از نفت یا از حلال­ های قابل اشتعال استفاده نمی­ شود، خطر اشتعال در حین حمل و نقل قیر کاهش می­ یابد.

۵-اجزاء سازنده قیر امولسیونی

بررسی سه عامل اصلی امولسیون (قیر، آب و امولسیون ساز)جهت درک کارکرد قیر امولسیونی امری ضروری است.

۵-۱-قیر

قیر از اجزاء اصلی قیر امولسیونی بوده و در بیشتر موارد ۵۰ تا ۷۵ درصد امولسیون را تشکیل می­دهد. ترکیب شیمیایی قیر موضوعی پیچیده است و نیازی به بررسی و آزمایش همه خصوصیات قیر نیست، ولی برخی خصوصیات قیر به شدت روی امولسیون تاثیر می­گذارند. رابطه دقیقی بین خصوصیات قیر و قابلیت تبدیل به امولسیون قیر­ها وجود ندارد. با وجود اینکه سختی قیر ممکن است متغیر باشد، معمولا تمام امولسیون­ ها با قیر­های با درجه نفوذ بین ۲۵۰-۶۰ تولید می­ شوند.

در بعضی مواردشرایط آب و هوایی ایجاب می­ کند که قیر سخت تر یا نرم تر مورد استفاده قرار گیرد. در همه موارد لازم است تا عامل امولسیون ساز با قیر برای تولید امولسیونی پایدار، سازگار باشد. منبع اساسی قیر، نفت خام بوده و به همین دلیل، قیر ترکیبی از مولکول­ های بزرگ هیدروکربن و یا ترکیب­های شیمیایی گوناگون می­باشد.

مشخصات قیرها به ترکیب شیمیایی و درصد مولکول های هیدروکربن­های موجود و رابطه آن­ها به یکدیگر وابسته است. ویژگی ­های مختلف فیزیکی و شیمیایی در انواع قیر نتیجه تفاوت­ های نفت خام و شرایط پالایش آن­ها بوده و خصوصیات و عملکرد قیر باقی مانده در مسیر را تحت تاثیر قرار می­ دهند. واکنش­های پیچیده مولکول­های مختلف، پیش بینی رفتار قیر را هنگام امولسیون شدن تقریبا غیر ممکن می­ سازد. به این دلیل کنترل همیشگی کیفیت در تولید امولسیون ضروری است.

۵-۲-آب

دومین جزء قیر امولسیونی آب است و تاثیر آن را در خصوصیات محصول نهایی نمی­توان نادیده گرفت. آب ممکن است حامل مواد معدنی و یا مواد دیگری باشد که تولید محصولی پایدار را تحت تاثیر قرار دهد. آبی که برای نوشیدن مناسب است می تواند برای تولید امولسیون مناسب نباشد. ممکن است به دلیل وجود ناخالصی­ ها، آب موجود در طبیعت برای حل کردن و یا تعلیق ذرات قیر مناسب نباشد. به همین دلیل یکی از مواردی که باید در نظر گرفته شود وجود یون­های کلسیم و منیزیم است. این یون ها به تشکیل امولسیون کاتیونیک پایدار کمک می کنند. در واقع به امولسیون­ های کاتیونیک، کلرید کلسیم اضافه می شود تا پایداری برای ذخیره کردن امولسیون افزایش یابد.

یون­های فوق الذکر برای امولسیون­های آنیونیک مضرند و این به دلیل تشکیل نمک­ های غیر قابل حل کلسیم و منیزیم در واکنش بین نمک­ های سدیم و پتاسیم قابل حل در آب است که به عنوان امولسی فایر استفاده می­ شوند. آنیون­ های کربنات و بی­کربنات می­ توانند به پایداری امولسیون­ های آنیونیک کمک کنند ولی در امولسیون­ های کاتیونیک در واکنش با امولسیون ساز­های آمین هیدروکلراید، باعث ناپایداری امولسیون کاتیونیک می­ شوند.

در تولید امولسیون، آبی که دارای ذرات خارجی ریز باشد نباید مورد استفاده قرار گیرد، این آب در امولسیون­ های کاتیونیک می­تواند مضر باشد. ذرات دارای بار منفی، امولسیون سازهای کاتیونیک را جذب می­ کنند و باعث ناپایدار شدن آن می­ شوند. استفاده از آب ناخالص بر توازن اجزاء امولسیون اثر گذاشته و می­تواند کارایی امولسیون را تحت تاثیر قرار دهد و یا باعث شکست زود هنگام و یا غیر قابل پیش بینی شود.

۵-۳-ماده امولسیون ساز

خصوصیات امولسیون به مواد شیمیایی که به عنوان امولسیون ساز شناخته می­ شوند وابستگی شدیدی دارد. امولسیون ساز، ذرات قیر را به صورت معلق نگه داشته و زمان شکست را کنترل می­ کند، همچنین عامل تعیین کننده در طبقه بندی امولسیون به عنوان کاتیونیک، آنیونیک و غیر یونی است. در سال های اولیه تولید امولسیون، مواردی مانند خاک رس و صابون به عنوان امولسیون ساز به کار گرفته می­ شدند. با افزایش تقاضا برای امولسیون، امولسیون ساز هایی با کارایی بیشتر مورد استفاده قرار گرفتند. معمول­ترین امولسیون ساز­های آنیونیک، اسید­های چرب (fatty acid) می­ باشند که از مشتقات محصولات چرب به دست می­ آیند. امولسیون­های آنیونیک در واکنش با هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم به صابون تبدیل می­ شوند. بیشتر امولسیون ساز­های کاتیونیک آمین­های چرب هستند (مانند دی­آمین­ها، ایمیدازولین­ها، آمید­ها و برخی ترکیبات آمینی). این ترکیبات در واکنش با اسید به صابون تبدیل می­ شوند که معمولا هیدروکلریک می ­باشد. نوع دیگری از امولسیون ساز­ها، نمک­های آمونیوم (quartenary) چربند که برای تولید امولسیون­های کاتیونیک به کار می­ رود. این نمک­ها در آب حل می­ شوند و احتیاج به اضافه کردن اسید ندارند. این امولسیون ساز­ها پایدار و موثرند.

امولسیون ساز مهمترین عامل در تشکیل امولسیون است. برای اینکه امولسیون ساز بتواند در تولید قیر امولسیونی موثر واقع شود باید بخش فعال کننده سطح (surfactant) یعنی قسمتی که باعث ایجاد بار­های مثبت و منفی در سطح مولکول­های قیر می­ شود، محلول در آب بوده و بین خصوصیات آب دوستی و چربی دوستی آن تعادل برقرار کند. در بیشتر موارد، مواد فعال کننده سطح قبل از ورود به آسیاب کلوییدی با آب و یا قیر ترکیب می­ شود.

۶-کاربرد قیر امولسیونی

• لکه گیری (patching)
• درزگیری (joint sealing)
• میکروسرفیسینگ (micro surfacing)
• آسفالت سطحی (chip sealing)
• اندود نفوذی (prime coat)
• اندود سطحی (take coat)
• آسفالت حفاظتی (surface treatment)
• مالچ پاشی (mulch treatment)
• پوشش­های حفاظتی (protective coat)
• لایه­های لغزشی و آب بندی بتن (slip layers and concrete curing)
• اندود­های آب بند (sealing)
• بازیافت سرد آسفالت (RAP)

افزودنی آنتی استریپر ایوانیک آلمان با نام تجاری TEGO Addibit L300 برای تامین دوام رطوبتی آسفالت استفاده می شود.

پلیمر وستنامر شرکت ایوانیک آلمان در ترکیب با پودر لاستیک استفاده می شود.

پلیمر وستاپلاست شرکت ایوانیک آلمان دامنه عملکردی قیر را در دماهای بالا و پایین افزایش می دهد.

امولسی فایر PKF برای تهیه قیر امولسیونی عملکردی بسیار عالی دارد.

غلیظ کننده قیر امولسیونی (تیکنر) شرکت ایوانیک آلمان برای بهبود غلظت قیر امولسیونی بسیار پرکاربرد می باشد.

وستاوکس بهبود دهنده ی PG قیر با کارایی بهتر از ساسوبیت.

برگرفته از کتاب های:

• قیر و آسفالت پاسارگاد، گروه مولفان [شرکت نفت پاسارگاد]، جلد اول، چاپ اول، سال ۱۳۹۰
• کتاب جامع قیر امولسیونی، مولفین احمد گلی خوراسگانی و همکاران، چاپ اول، سال ۱۳۹۴
• از قیر تا ایزوگام، تالیف هیات علمی شرکت شرکت فنی مهندسی فناور گستر پیمان، جلد اول، ویرایش دوم، چاپ سوم، سال ۱۳۹۱
• عملکرد و کاربرد قیر­های امولسیونی، نویسنده اصغر کشاورز زاد و همکاران، چاپ اول، سال ۱۳۹۱