بیتومن

قیر چیست؟

قیر یک ماده نفتی تیره‌رنگ، چسبناک و ویسکوز (غلیظ) است که عمدتاً در ساخت جاده‌ها، عایق‌کاری، و به عنوان چسبنده در آسفالت استفاده می‌شود. این ماده به‌صورت طبیعی یافت می‌شود، اما بیشتر بیتومنی که به‌صورت تجاری استفاده می‌شود، از طریق پالایش نفت خام به‌دست می‌آید.

قیر: درک عمیق‌تر

قیر و یا بیتومن که وقتی با مصالح سنگی ترکیب می‌شود به آن آسفالت نیز می‌گویند، ترکیبی پیچیده از هیدروکربن‌هاست که از نفت خام استخراج می‌شود. این ماده سیاه، چسبناک و بسیار غلیظ است و در صنایع مختلف به ویژه در ساخت‌وساز و آسفالت‌کاری جاده‌ها کاربرد فراوانی دارد. در ادامه، بررسی جامعی از این ماده ارائه شده است:

1. شکل‌گیری و ترکیب:

قیر عمدتاً از طریق تقطیر نفت خام به‌دست می‌آید و از اجزای کلیدی زیر تشکیل شده است:

• آسفالتن‌ها (Asphaltenes): مولکول‌هایی با وزن مولکولی بالا که عامل اصلی ویسکوزیته و استحکام بیتومن هستند. این ترکیبات باعث ثبات و غیر فرار بودن بیتومن می‌شوند.

• رزین‌ها (Resins): این ترکیبات موجب چسبندگی و قدرت اتصال بیتومن می‌شوند و در اتصال به مصالح سنگی نقش کلیدی دارند.

• اشباع‌ها (Saturates): شامل هیدروکربن‌های سبک‌تر مانند پارافین‌ها هستند که باعث تعادل در قوام و ویسکوزیته بیتومن می‌شوند.

• عناصر دیگر: مقدار کمی از گوگرد، نیتروژن و اکسیژن نیز ممکن است بسته به نوع نفت خام در بیتومن وجود داشته باشد.

2. ویژگی‌های قیر:

ویژگی‌های خاص قیر، آن را برای کاربردهای خاصی ایده‌آل می‌کند:

• ویسکوزیته (غلیظ بودن): بیتومن در دمای اتاق بسیار غلیظ است و به‌آرامی جریان دارد، اما با حرارت روان‌تر می‌شود و برای استفاده در راه‌سازی مناسب‌تر می‌گردد.

• کشش‌پذیری: در کاربردهای جاده‌ای اهمیت دارد زیرا به بیتومن اجازه می‌دهد در برابر انبساط و انقباض دمایی بدون ترک‌خوردگی مقاومت کند.

• دوام بالا: بیتومن قادر است بار ترافیکی سنگین، دمای شدید و فرسایش محیطی را به‌خوبی تحمل کند.

• ضد آب بودن: به دلیل نفوذناپذیری بالا، به‌عنوان عامل عایق در برابر آب استفاده می‌شود.

• پایداری حرارتی: در دامنه وسیعی از دماها پایداری خود را حفظ می‌کند و در مناطق گرم و سرد کاربرد دارد.

3. فرآیند تولید قیر:

قیر عمدتاً از طریق پالایش نفت خام تولید می‌شود، اما به‌صورت طبیعی نیز (مثلاً در ماسه‌های نفتی) یافت می‌شود.

فرآیند تولید معمولاً شامل مراحل زیر است:

• تقطیر: نفت خام در برج تقطیر گرم شده و به اجزای مختلف تقسیم می‌شود. سنگین‌ترین بخش که بخار نمی‌شود، همان بیتومن است.

• مخلوط‌سازی: پس از تقطیر، بیتومن ممکن است با روغن‌ها یا مواد دیگر ترکیب شود تا ویژگی‌های آن برای کاربردهای خاصی تنظیم گردد.

• فرآوری: در برخی موارد، بیتومن از طریق هیدروژناسیون یا کراکینگ حرارتی فرآوری می‌شود تا خواص آن بهبود یافته و قابلیت کاربردی‌اش بیشتر شود.

4. کاربردهای اصلی قیر:

قیر ماده‌ای بسیار کاربردی است که در بخش‌های مختلف به‌ویژه ساخت‌وساز و انرژی استفاده می‌شود:

الف. ساخت جاده (آسفالت):

• قیر ماده اصلی اتصال‌دهنده در آسفالت بتن است که با مصالحی مانند سنگ شکسته و شن ترکیب می‌شود.

• آسفالت گرم (Hot Mix Asphalt - HMA): پرکاربردترین نوع برای ساخت جاده‌ها، پارکینگ‌ها، باند فرودگاه‌ها و...

• آسفالت سرد (Cold Mix Asphalt): در مناطق سرد یا تعمیرات کوچک کاربرد دارد و نیازی به گرمایش ندارد.

ب. عایق‌کاری و پوشش سقف:

• در غشاهای بام (مانند ایزوگام) برای ایجاد مانع ضد آب استفاده می‌شود.

• قیر اصلاح‌شده (Modified Bitumen): در پوشش سقف‌ها برای ایجاد پوشش عایق بادوام کاربرد دارد.

ج. پوشش‌های صنعتی:

• پوشش‌های مبتنی بر قیر برای محافظت از فولاد و بتن در برابر خوردگی، رطوبت و مواد شیمیایی استفاده می‌شوند.

د. چسب‌ها و درزگیرها:

• امولسیون‌های بیتومن (بیتومن مخلوط با آب) در چسب‌های صنعتی یا درزگیرهای جاده‌ای کاربرد دارند.

هـ. عایق‌کاری و جلوگیری از نفوذ رطوبت:

• در ساخت‌وساز برای عایق‌کاری دیوارها و پی‌ها، و همچنین عایق‌کاری حرارتی لوله‌ها استفاده می‌شود.

و. عملیات معدنی:

• در استخراج برخی مواد معدنی یا نفت سنگین از ماسه‌های نفتی استفاده می‌شود.

5. عرضه و تجارت جهانی قیر:

قیر در سراسر جهان تولید و مبادله می‌شود. اطلاعات کلیدی درباره عرضه جهانی بیتومن:

الف. تولیدکنندگان اصلی:

• کانادا: بزرگ‌ترین تولیدکننده، به‌ویژه از ماسه‌های نفتی در آلبرتا.

• ونزوئلا، عربستان سعودی، روسیه و ایران: دارای ذخایر عظیم نفت سنگین و ماسه‌های نفتی غنی از بیتومن.

ب. کشورهای صادرکننده:

• عربستان سعودی، ایران، روسیه و کانادا از صادرکنندگان اصلی بیتومن هستند.

• واردات و صادرات: بسیاری از کشورها برای پروژه‌های زیرساختی خود بیتومن وارد می‌کنند؛ کشورهای آسیایی، آفریقایی و اروپایی مصرف‌کنندگان عمده هستند.

ج. حمل‌ونقل و لجستیک:

• بیتومن در تانکرها و کانتینرهای خاص حمل می‌شود، چون بسیار غلیظ است و باید در طول حمل، گرم نگه داشته شود.

• در برخی کشورها مانند کانادا، از خطوط لوله برای انتقال بیتومن به پالایشگاه یا بندر استفاده می‌شود.

6. انواع درجه‌بندی قیر:

قیر بر اساس ویسکوزیته و ویژگی‌های نفوذپذیری به درجات مختلفی طبقه‌بندی می‌شود:

الف. قیر با درجه نفوذ:

• با عمق نفوذ سوزن در دمای مشخص (معمولاً 25 درجه سانتی‌گراد) اندازه‌گیری می‌شود.

• درجات رایج: 60/70، 85/100، 120/150.

ب. قیر با درجه ویسکوزیته:

• ویسکوزیته قیر در دمای خاص اندازه‌گیری می‌شود.

• درجات رایج: VG-10، VG-30، VG-40.

ج. قیر اکسیده (Blown Bitumen):

• این نوع بیتومن با عبور هوا از آن در دمای بالا سخت‌تر شده و برای کاربردهایی مثل عایق‌کاری و پوشش سقف استفاده می‌شود.

خلاصه‌ای از قیر:

• تعریف: ماده‌ای غلیظ و چسبناک از نفت، که عمدتاً در آسفالت‌کاری، عایق‌کاری و پوشش‌های صنعتی استفاده می‌شود.

• ویژگی‌ها: ویسکوز بالا، دوام بالا، ضد آب، و پایداری حرارتی مناسب.

• کاربردها: آسفالت‌کاری جاده‌ها، عایق‌کاری ساختمان‌ها، پوشش‌های صنعتی.

• تولید: از طریق پالایش نفت خام یا استخراج طبیعی از ماسه‌های نفتی.

• تجارت جهانی: تولید در کشورهایی مانند کانادا، عربستان، روسیه و ونزوئلا، و صادرات به کشورهای نیازمند زیرساخت.
  
   

  درجه‌بندی قیر:

• درجه نفوذ (Penetration Grade): رایج‌ترین نوع، که بر اساس میزان نرمی یا سختی قیر اندازه‌گیری می‌شود. درجه‌هایی مانند 60/70، 85/100 و 120/150 میزان نفوذ را در دمای مشخص و تحت بار مشخص نشان می‌دهند.

• درجه ویسکوزیته (Viscosity Grade): بر اساس ویسکوزیته قیر در دماهای معین اندازه‌گیری می‌شود، مثل VG-10، VG-30 و VG-40. این درجه‌ها برای شرایط اقلیمی مختلف به کار می‌روند.

• قیر اکسید شده (Oxidized Bitumen یا Blown Bitumen): قیر با حرارت دادن و دمیدن هوا اکسید می‌شود تا خواص آن بهبود یابد. بیشتر در پوشش سقف و عایق‌کاری استفاده می‌شود.

• ---

  خلاصه‌ای از قیر:

• محصول نفتی چسبناک: ماده‌ای شبیه قیر از نفت خام.

• کاربردهای اصلی: ساخت جاده (آسفالت)، عایق‌بندی، کاربردهای صنعتی.

• تولیدکنندگان جهانی: کانادا، ونزوئلا، عربستان سعودی، روسیه.

• درجه‌ها: درجه نفوذ (60/70، 85/100)، درجه ویسکوزیته (VG)، قیر اکسید شده.

• ---

  تعریف درجه نفوذ قیر 60/70:

  درجه نفوذ 60/70 یعنی مقدار نفوذ قیر در بازه 60 تا 70 در شرایط آزمایش استاندارد است که معمولاً به عنوان درجه آسفالت‌کاری به کار می‌رود. این نوع قیر برای تولید آسفالت گرم (Hot Mix Asphalt) جهت پایه و رویه جاده‌ها و ساخت جاده مناسب است. این قیر از طریق هوادهی به محصول باقی‌مانده تقطیر در خلا (vacuum bottom) تولید می‌شود. درجه نفوذ آن (معیار سختی) بین 60 تا 70 است. قیر با استفاده از تست‌های نفوذ و نقطه نرم‌شدن مشخص می‌شود. طراحی بر اساس دامنه نفوذ انجام می‌شود. درجه نفوذ خاصیت ترموپلاستیکی دارد؛ یعنی در دماهای بالا نرم شده و در دماهای پایین سخت می‌شود. این رابطه دما-ویسکوزیته برای تعیین عملکردهایی مانند چسبندگی، دوام و دمای کاربرد اهمیت دارد.

  ---

  مد قیر وابسته به دما است. رابطه دما و سختی قیر به نوع نفت خام و روش تصفیه آن بستگی دارد. قیر درجه نفوذ 60/70، نیمه‌سخت است و برای آسفالت‌کاری و تعمیر جاده مناسب است. این درجه از قیر معمولاً برای تولید آسفالت گرم پایه و رویه جاده‌ها استفاده می‌شود. این یکی از پرکاربردترین درجه‌های قیر است و به عنوان ماده اولیه برای سایر محصولات قیری به کار می‌رود.

  درجه نفوذ میزان سختی قیر را با اندازه‌گیری عمقی که سوزن استاندارد تحت بار معین در 5 ثانیه در نمونه قیر در دمای 25 درجه سانتی‌گراد نفوذ می‌کند، تعیین می‌کند.

  ---

  کاربرد قیر درجه نفوذ 60/70:

  قیر 60/70 برای ساخت جاده و آسفالت با خواص عالی مناسب است. این نوع قیر در تولید آسفالت گرم برای پایه‌ها و رویه‌های پوششی استفاده می‌شود و عمدتاً در مناطق معتدل به کار می‌رود. این قیر از طریق فرایند هوادهی متوسط روی محصول تقطیر خلأ در واحدهای تولید قیر ساخته می‌شود. به دلیل میزان نفوذ متوسط و هوادهی متوسط، بیشتر در مناطق با آب و هوای معتدل استفاده می‌شود.

  ---

  قیر محصول تقطیر نفت خام است. قیر هیدروکربنی نیمه‌جامد است که با حذف بخش‌های سبک‌تر (مثل گاز مایع، بنزین و دیزل) از نفت خام سنگین در فرآیند پالایش به دست می‌آید. بنابراین، به آن قیر تصفیه شده نیز می‌گویند.

  ---

  "آسفالت سیمانی" یا "آسفالت":

  در آمریکای شمالی، قیر معمولاً به عنوان "آسفالت سیمانی" یا "آسفالت" شناخته می‌شود. در سایر نقاط، "آسفالت" به مخلوطی از سنگدانه‌های ریز، ماسه، پرکننده و قیر گفته می‌شود که برای پوشش جاده‌ها استفاده می‌شود. این مخلوط حاوی حدود 5٪ قیر است. قیر در دمای محیط پایدار و نیمه‌جامد است.

  ---

  تاریخچه قیر:

  سومری‌ها از هزاره سوم پیش از میلاد از قیر برای مجسمه‌سازی، ملات‌بندی، عایق‌بندی حمام‌ها و کانال‌ها، پله‌ها و کشتی‌سازی استفاده کردند. فرهنگ‌هایی مانند بابلیان، هندی‌ها، پارسی‌ها، مصری‌ها و یونانیان باستان نیز از آن بهره می‌بردند. در کتاب مقدس، نام ماده‌ای که آجرهای برج بابل را به هم متصل کرده، قیر ترجمه شده است. تونلی زیر رودخانه فرات در زمان ملکه سمیرامیس (حدود 700 قبل از میلاد) به‌وسیله آجرهای سوخته پوشیده شده با قیر ساخته شده است.

  واژه "bitumen" از زبان لاتین گرفته شده و نام یونانی آن "آسفالتوس" (asphaltos) است. در حدود سال 40 میلادی، دیوسکوریدس تولید آسفالتوس را شرح داده است.

  ---

  منشأ زمین‌شناسی قیر:

  ذخایر طبیعی قیر از بقایای جلبک‌های میکروسکوپی و موجودات زنده دیگر تشکیل شده‌اند که پس از مرگ، در لجن کف دریا یا دریاچه دفن شده‌اند. تحت فشار و حرارت زمین، این بقایا به قیر، کِروژن یا نفت تبدیل شده‌اند. نمونه‌ای از این ذخایر، چاله‌های تار لا بریا (La Brea Tar Pits) هستند. شبیه‌سازی‌های شیمیایی نشان داده‌اند که مواد مشابه قیر در شهاب‌سنگ‌ها نیز یافت می‌شود، اما مطالعات دقیق نشان می‌دهد این مواد متفاوتند.

  ---

  کاربردهای قیر:

  قیر به دلیل چسبندگی و هم‌بستگی قوی، عمدتاً در صنعت ساخت و ساز استفاده می‌شود. قیر در پوشش جاده‌ها کاربرد دارد زیرا در دمای گرم ویسکوز است و هنگام سرد شدن جامد می‌شود، بنابراین به عنوان چسب برای سنگدانه‌ها عمل می‌کند.

  حدود 85٪ از قیر تولیدی در جهان به عنوان چسب در آسفالت جاده‌ها به کار می‌رود. همچنین در موارد زیر استفاده می‌شود:

• بزرگراه‌ها

• باند فرودگاه‌ها

• پیاده‌روها

• پارکینگ‌ها و پیست‌های مسابقه

• زمین‌های تنیس

• سقف‌سازی

• عایق رطوبتی

• عایق مخازن و استخرها

• عایق صوتی

• پوشش لوله‌ها و کابل‌ها

• رنگ‌ها، عایق‌های ساختمانی و...

• تقطیر: تقطیر اتمسفری و خلا برای جداکردن بخش‌های سبک‌تر از باقی‌مانده‌های سنگین.

• حلال زدایی: استفاده از حلال‌هایی مانند پروپان یا بوتان برای جداکردن اجزای روغنی و قیری بدون آسیب رساندن به ساختار شیمیایی.

• اکسیداسیون: دمیدن هوا در دمای بالا به قیر برای تغییر خواص فیزیکی، افزایش سختی و نقطه نرم‌شدن. قیر اکسید شده بیشتر در پوشش سقف استفاده می‌شود.

• مخلوط‌سازی: ترکیب قیرهای با ویسکوزیته‌های مختلف برای رسیدن به مشخصات فنی مطلوب.

• ---

  مراجع استاندارد:

  در کشورهای مختلف، استانداردهای متفاوتی برای تعیین کیفیت قیر وجود دارد، از جمله:

• کمیته استاندارد اروپا (CEN)

• استاندارد آلمان (DIN EN)

• استاندارد فرانسه (AFNOR)

• استاندارد بریتانیا (BSI)

• ASTM آمریکا

• AASHTO آمریکا

• سازمان استاندارد آفریقای جنوبی (SABS)

• استاندارد استرالیا (AS)

• ---

  مشخصات رایج قیر:

• درجه نفوذ: ASTM D 946 و AASHTO M 20

• درجه ویسکوزیته: ASTM D 3381 و AASHTO M 226

• درجه PG (Performance Grade): ASTM D 6373 و AASHTO M 320

• استانداردهای اروپایی: EN 12591 و سایر استانداردهای ملی

• ---

  انواع قیر:

• درجه نفوذ: ASTM D 946 (40/50، 60/70، 80/100)

• استاندارد BS EN: 35/50، 50/70، 70/100

• درجه‌بندی نفوذ در اوایل قرن بیستم برای مشخص کردن قیرهای نیمه‌جامد توسعه یافت و میزان نفوذ سوزن تحت بار را برای تعیین غلظت و سختی قیر به کار می‌برد.

  ---

  شرایط پرداخت: پرداخت‌های TT و اعتبار اسنادی (LC).
  نوع بسته‌بندی: بشکه‌های بسته‌بندی شده (180 کیلوگرم خالص / 190 کیلوگرم ناخالص).
  برای برخی بازارها، به‌ویژه بازار بنگلادش، بشکه‌های 150 کیلوگرم خالص نیز موجود است.
  در فصول سرد، بارگیری با کانتینرهای 20 فوت و در فصول گرم، با کانتینرهای 40 فوت به‌صورت کیسه‌های بزرگ (وزن 1 تن) انجام می‌شود.