نفت خام موجود در پالایشگاه با تقطیر به اجزای آن تبدیل می شود و به دلیل اختلاف نقطه جوش در قسمت های مختلف برج، نفت خام از یکدیگر جدا می شود. در فرآیند تقطیر اولیه (تقطیر در فشار محیط) مقداری مواد سنگین در کف برج باقی می ماند که در خلاء به برج های تقطیر منتقل می شود و با تقطیر در خلاء اجزای مختلف آن جدا می شود. باقی مانده برج که به عنوان Vacuum Batum شناخته می شود، برای تولید قیر استفاده می شود.
به منظور تولید قیر، باتوم ها در واحد تولید قیر (برج تولید قیر) تحت عملیات هوادهی قرار می گیرند. دمای کف خلاء داخل برج حدود 240 تا 320 درجه سانتیگراد است و عبور هوا از کف خلاء در این دما باعث می شود که فرآیند اکسیداسیون اتفاق بیفتد و در نتیجه فرآیند هوادهی می توان خواص باقیمانده را کاهش داد. مهمترین اثر دمیدن هوا بر روی باتوم های خلاء تبدیل مولکول های Meltan به مولکول های سنگین تر، یعنی آسفالتین است. این تبدیل باعث کاهش درجه نفوذ قیر و افزایش صافی قیر می شود.
ته خلاء (VB) سنگینترین برش نفت خام است که از آن استخراج میشود.
پایینِ ستون تقطیر خلاء در پالایشگاه های نفت، ماده پایه برای تولید قیر است. بسته به منبع نفت خام و فرآیند پالایش، ترکیب VB تا حد زیادی متفاوت است و تأثیر مهمی بر خواص مکانیکی و ریزساختار قیر دارد. رایج ترین روش جداسازی، ترکیب قیر را به چهار گروه عمومی (SARA) تقسیم می کند: اشباع، آروماتیک، رزین (که بخش مالتن را تشکیل می دهند) و آسفالتین. هر کسر SARA مخلوطی با پیچیدگی، آروماتیک، محتوای هترواتم و وزن مولکولی است که به ترتیب S<A<R<As افزایش مییابد.
در برخی از پالایشگاهها که از نفت خام سنگین استفاده میشود و فشار و دما در ستونهای تقطیر خلاء کنترل میشود، قیر را میتوان مستقیماً به عنوان درجه نفوذ قابل استفاده در سنگفرش به دست آورد. VB تولید شده در پالایشگاه های ایران دارای نفوذ > dmm 300 (در دمای 25 درجه سانتیگراد) و η نزدیک به 600 cS (در دمای 135 درجه سانتیگراد) است که برای کاربردهای روسازی مناسب نیست، به جز پالایشگاه شیراز که به طور مستقیم عیار 60/70 را تولید می کند. دمیدن هوای گرم به VB فرآیندی گسترده برای بدست آوردن قیر درجه نفوذ است. متأسفانه به دلیل افزایش بار ترافیکی، قیر تمیز به دست آمده در پالایشگاه (مستقیم یا از طریق دمیدن) قادر به مقاومت در برابر بارهای مکانیکی دینامیکی ترافیک نیست که منجر به تغییر شکل دائمی (شیار شدن) و کنده شدن آن تحت بارگذاری طولانی مدت میشود. خستگی و ترک خوردگی تحت بارگذاری طولانی مدت در دماهای متوسط و پایین به دلیل تنش های حرارتی، پیری و غیره اتفاق میوفتد.
با توجه به این ضعف های ذاتی قیر، مطالعات زیادی برای اصلاح قیر با افزودنی های مختلف انجام شده است، بنابراین قیر اصلاح شده با خواص مکانیکی بهبود یافته توسعه یافته است. افزودن پلیمرها به قیر باعث بهبود درجه عملکرد (افزایش نقطه نرم شدن، کاهش نفوذ و نقطه شکست Frass) میشود. روسازی هایی که با استفاده از این قیرهای اصلاح شده با پلیمر ساخته شده اند، مقاومت بیشتری در برابر شیار و ترک حرارتی نشان می دهند و آسیب ناشی از خستگی و کنده شدن را کاهش می دهند.
با حساسیت دمایی کمتر در بسیاری از این مطالعات از پلیمرهای بکر مانند PE ،EVA ،PET،SBS و SBR استفاده شده است که باعث افزایش قابل توجهی در هزینه های تولید می شود. در این میان پلیمرهای ضایعاتی زیادی از فرآیندهای صنعتی پتروشیمی وجود دارد و پلیمرهای پسماند پس از مصرف به عنوان آلایندههای زیستمحیطی مانند لاستیکهای مستعمل، قطعات پلیاتیلن، دستکشهای لاتکس مستعمل و غیره در نظر گرفته میشوند که ارزان و در اصلاح قیر مفید هستند.
استفاده از مواد ثانویه (بازیافتی)، به جای اولیه (بکر)، به کاهش فشارهای دفن زباله، کاهش نیاز به استخراج، حفاظت از محیط زیست و به حداقل رساندن مصرف منابع اصلی کمک می کند. افزودن لاستیک بازیافتی در مخلوط آسفالتی با استفاده از فرآیند خشک می تواند خواص مهندسی مخلوط آسفالتی را بهبود بخشد و تأثیر قابل توجهی بر عملکرد مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی در دمای بالا و ترک خوردگی در دمای پایین دارد.
قیر طبیعی یک ماده طبیعی سیاه رنگ است. تبخیر ترکیبات آلی فرار و میزان بالای آسفالتین آن را سخت و شکننده کرده است که می توان از آن به عنوان سخت کننده استفاده کرد.
نقطه نرم شدن قیر نفتی منابع قابل توجهی از قیر طبیعی در چندین منطقه ایران مانند کرمانشاه، بهبهان، مغان و غیره وجود دارد که به عنوان سوخت در کوره ها استفاده می شود و در صورتی که بتوان از آن به عنوان افزودنی مطلوب برای قیر استفاده کرد، صادر می شود. پلیمرهای مختلف برای بهبود شکل پذیری قیر اصلاح شده استفاده می شود و لاتکس لاستیک استایرن-بوتادین (SBR) به عنوان یک پلیمر بکر با موفقیت در اصلاح قیر استفاده می شود.
برای مخلوط کردن اجزا با VB، ابتدا VB در یک کوره با دمای 160 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت ذوب شده و به یک محفظه اختلاط که از قبل تا دمای 180 درجه سانتیگراد گرم شده منتقل میشود. محفظه اختلاط با استفاده از یک بخاری گردش روغن Haake گرم و کنترل میشود. در اینجا، در حالی که میکسر با برش بالا در 8000 دور در دقیقه کار می کند، اصلاح کننده ها به محفظه اختلاط وارد شده و اختلاط برای 90 دقیقه بعدی ادامه می یابد. در پایان مخلوط کردن، مخلوط به داخل منتقل میشود.
میکروسکوپ مدل جناپول. خواص ویسکوالاستیک مخلوط انتخابی، پایه VB، VB خالی و قیر تمیز 60/70 بر روی رئومتر Paar- Physica MCR300 در حالت نوسانی دینامیکی با استفاده از هندسه صفحات موازی 25 میلی متری در دمای 30 درجه سانتی گراد و 1-500 هرتز اندازه گیری شده.
نتایج و بحث
نتایج آزمایش های مرسوم انجام شده بر روی مخلوط های قیری آماده شده در جدول خلاصه شده است:
در این جدول خواص فیزیکی پایه و شاهد (قیر بدون افزودن هیچ گونه اصلاح کننده ای تحت شرایط اختلاط) قرار گرفته است.
بر اساس آیین نامه روسازی دولت ایران و با توجه به شرایط اقلیمی ایران، قیرهای با درجه نفوذ 40/50، 60/70 و 85/100 به ترتیب برای اقلیم های خشک، دما و اقلیم سرد توصیه شده است.
در شکل پذیری قیر اصلاح شده خاصیت خودایستایی نبوده و سایر خواص قیر مانند نقطه نرمی، نفوذ، نقطه شکست فراس، مورفولوژی و خواص رئولوژیکی نیز باید باشد.
طول شکل پذیری استاندارد برای قیر تمیز موجود است (معمولاً بیش از 100 سانتی متر در دمای 25 درجه سانتی گراد) اما این ویژگی برای قیرهای اصلاح شده استاندارد نیست. بنابراین می توان از این کامپوزیت ها در سنگفرش و سایر کاربردها استفاده کرد.
قیر تمیز به دست آمده در پالایشگاه (مستقیم یا از طریق دمیدن) قادر به مقاومت در برابر بارهای مکانیکی دینامیکی نیست و بنابراین باید اصلاح شود. پلیمرهای زباله پس از مصرف به عنوان آلاینده های زیست محیطی در نظر گرفته می شوند که باید دوباره مورد استفاده قرار گیرند. همچنین منابع قیر طبیعی در چندین منطقه ایران وجود دارد که می توان از آنها برای اصلاح قیر استفاده کرد. پلی اتیلن زباله بازیافتی، لاتکس زباله، CRM، NB و HVS برای به دست آوردن قیر درجه نفوذ از VB استفاده میشود. ترکیب 10% قیر طبیعی و 5% لاتکس بازیافتی با VB برای بدست آوردن قیر اصلاح شده 60/70 با بهبود رفتار رئولوژیکی و در نتیجه کاهش احتمال ترک خوردن در دمای پایین و شیار شدن در دمای بالا مناسب است.