قیر ؛ ماده سیاه‌‌رنگ نفوذی قابل استفاده در عایق‌کاری رطوبت
قیر ماده‌ای است سیاه‌‌رنگ و خمیری شکل که در عایق‌کاری رطوبت و ساخت آسفالت کاربرد دارد. قیر انواع گوناگون دارد که هر یک از انواع آن، دارای کاربرد خاصی است. قیر از مشتقات نفت است.
قیر جسمی هیدروکربنی است که از به هم پیوستن تعدادی‌اتم کربن و هیدروژن به‌صورت زنجیره‌ای ساخته می‌شود. قیر به رنگ سیاه است که در سولفید و تتراکلرید کربن کاملاً حل می‌شود. قیر در دمای محیط، جامد است. اما با افزایش دما، به حالت نیمه خمیری درمی‌آید و پس‌ازآن مایع می‌شود. کاربرد مهم قیر به علت وجود دو خاصیت مهم این ماده است؛ غیرقابل نفوذ بودن در برابر آب و چسبنده بودن.
قیر استخراج‌شده از نفت یا سنگ‌های معدنی مخصوص، قیر خالص نام دارد که با توجه به منشأ تشکیل، طبقه‌بندی می‌شود. قیرهای خالص همچنین برای این‌که موردنظر برای کاربردهای مختلف را پیدا کنند، تحت فرآیندهای دیگر قرار می‌گیرند و انواع مختلف قیر را (ازجمله قیر دمیده، قیر محلول، قیر امولسیون، قیر پلیمری و...) تشکیل می‌دهند. 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. این قیر ممکن است به‌صورت خالص در طبیعت وجود داشته باشد یا از معادن استخراج شود.
قیر از تعداد زیادی مولکول‌های هیدروکربوری که به‌صورت کلوئیدی در یکدیگر معلق هستند، تشکیل می‌شود. هیدروکربورهای موجود در قیر را می‌توان به یکی از سه دسته آسفالتین‌ها، رزین‌ها و روغن‌ها تقسیم‌بندی کرد. آسفالتین‌ها اسکلت ساختمانی قیر را تشکیل می‌دهند، رزین‌ها در میزان چسبندگی و شکل‌پذیری قیر مؤثرند و روغن‌ها برکندروانی آن‌ها تأثیرگذارند.
انواع قیرها
قیر طبیعی: قیرهای طبیعی وقتی‌که مواد فرار نفت خام در اعماق زمین به‌مرورزمان و در برابر عوامل جوی تبخیر شود، ماده سیاهی از آن بر جای می‌ماند که قیر طبیعی نام دارد. قیرهای طبیعی شامل قیر سنگ‌ها و قیرهای دریاچه‌ای می‌باشند.
قیر نفتی (قیر خالص، قیر دمیده، قیر محلول، قیر امولسیون): قیرهای نفتی یا پالایشگاهی از پالایش نفت خام در برج‌های تقطیر به دست می‌آید و نهایتاً آنچه در ته برج تقطیر باقی می‌ماند، قیر خالص نفتی است. قیرهای با درجه سفتی متفاوت برای مصارف مختلف راه‌سازی را می‌توان با تنظیم درجه حرارت و فشار داخل برج‌های تقطیر و نیز هوادهی تولید نمود.
مشخصات درجه نفوذ و ویسکوزیته می‌تواند قیرهای مختلف با درجه یکسان را طبقه‌بندی نماید. چون در حقیقت امکان دارد این قیرها خصوصیات عملکرد و دمای متفاوتی را دارا باشند. خواص رئولوژیک و خصوصیات مکانیکی قیرها و تأثیر حرارت بر این خواص مهم‌ترین نقش را ایفا می‌کند. درجه نفوذ یا ویسکوزیته قیر صرف‌نظر از نوع، کیفیت و خواص ناهمگون فیزیکی و شیمیایی منابع مختلف نفت خام و فرآیندهای متنوع پالایش، یا کاهش یا افزایش درجه حرارت تغییر می‌کند. در دمای بالا، قیر رفتار یک سیال نیوتنی را از خود نشان می‌دهد. با کاهش دما قیر رفتار کشسان یا الاستیک، همچنین با کاهش بیش‌تر دما قیر یک رفتار شکننده را از خود به نمایش می‌گذارد.
مشخصات قیرها
درجه نفوذ:
آزمایش درجه نفوذ برای تعیین سختی قیر مورداستفاده قرار می‌گیرد. در این آزمایش از یک سوزن تحت اثر بار 100 گرمی در مدت 5 ثانیه به داخل در دمای 25 درجه نفوذ می‌کند. مقدار نفوذ برحسب دهم میلی‌متر درجه نفوذ نامیده می‌شود. هر چه درجه نفوذ کم‌تر باشد قیر سخت‌تر است.
سیستم درجه‌بندی نفوذی برای مشخص کردن قوام و پایداری قیرهای نیمه جامد به‌کاربرده شد. این درجه‌بندی به‌طورمعمول برای قیر حاصل از باقی‌مانده برج‌های تقطیر اتمسفریک بوده که بعداً تحت فرآیندهای مثل تقطیر در خلاً، تبدیل یا شکست حرارتی، اکسیداسیون جزی با روش‌هایی مثل هوادهی و رسوب‌گذاری از طریق حلال قرار می‌گیرد. ترکیبی از این فرآیندها نیز می‌تواند گریدهای مختلفی از درجه‌بندی نفوذی را ارائه دهد. قیرهای درجه نفوذ بر اساس نتایج آزمون‌های درجه نفوذ و نقطه نرمی دسته‌بندی می‌شوند.
رای مثال قیر 40/60 درجه نفوذی بین 40 تا 60 و نقطه نرمی بین 48 تا 56 درجه سانتی‌گراد را دارد. بخش عمده قیرهای نفوذی در راه‌سازی مصرف می‌شوند. در دو دهه اخیر در اغلب پروژه‌های راه‌سازی استقبال بیش‌تری نسبت به استفاده از قیرهای سفت به دلیل تولید شدن آسفالت‌های با خواص بالاتر با قیرهای نرم به وجود آمده است.
به‌این‌ترتیب قیری که درجه نفوذ بالایی داشته باشد قیر نرم نامیده می‌شود و در مناطق سرد به کار می‌رود و برعکس قیری که درجه نفوذ پایین داشته باشد، قیر سخت نامیده شده و برای شرایط آب و هوایی گرم به کار می‌رود.
گران‌روی:
هرچه کندروانی قیر بیش‌تر باشد، خواص جامد بیش‌تری از خود نشان می‌دهد. واضح است در دماهای بالاتر کندروانی کم‌تر است. این مشخصه قیر با دستگاه سی‌بولت فیورل و به روش کینماتیکی اندازه‌گیری می‌شود.
درجه اشتعال:
دمایی است که اگر قیر به آن دما برسد، گازهای متصاعد شده از ان 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.
افت وزنی:
افت وزنی قیر در دمای بالا، در اثر تبخیر قسمتی از روغن‌ها و ترکیبات نفتی ان می‌باشد. این مشخصه نیز از خواص مهم قیر است. افت وزنی قیر رد اون در دمای 163 درجه سانتی‌گراد و در مدت 5 ساعت (شرایط پخت آسفالت) اندازه گیری می‌شود.
شکل‌پذیری:
اگر نمونه‌ای از قیر با سطح مقطح 1 سانتی‌متر مربع را با سرعت 5 سانتی‌متر/دقیقه بکشیم، مقدار افزایش طول نمونه را قبل از پاره شدن خاصیت شکل‌پذیری گویند.
درجه خلوص:
حلال قیر تتراکلرورکربن و سولفور کربن است. بنابراین اگر نمونه‌ای از قیر را در هر یک از این مواد حل کنیم، ناخالصی‌های آن باقی می‌ماند و ازآنجا درجه خلوص قیر را می‌توان تعیین کرد.
درجه نرمی:
درجه نرمی دمایی است که با رسیدن قیر به آن دما، قیر از حالت جامد به حالت روان درمی‌آید. هرچه درجه نرمی قیر بیش‌تر باشد، حساسیت کم تری نسبت به تغییرات دما دارد. درجه نرمی قیرهای معمولی حدود 60 تا 70 می‌باشد.
قیر ازجمله اجزای اصلی روسازی‌های آسفالتی و تنها بخشی از آن است که خواص آن تحت تأثیر عوامل جوی تغییر می‌یابد. به‌گونه‌ای که عملاً دوام و پایایی روسازی آسفالتی تا حدود زیادی وابسته به خصوصیات قیر به‌کاررفته و همگونی آن با محیط است. حال اگر در کنار ضعف تکنولوژی و یا کمبود امکانات و مواد اولیه برای ساخت روسازی از قیر نامتناسب با شرایط محیطی نیز استفاده شود از عمر آسفالت به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای کاسته شده و عملاً روسازی در معرض خرابی‌ها مختلف ازجمله تغییر شکل‌های دائمی و ترک‌های ناشی از دمای پایین قرار می‌گیرد.
درجه نفوذ و یا کندروانی قیر، صرف‌نظر از نوع، کیفیت و خواص ناهمگون فیزیکی و شیمیایی منابع مختلف نفت خام و فرآیندهای متنوع پالایش، با کاهش یا افزایش درجه حرارت تغییر می‌کند. در درجه حرارت زیاد قیر مایع روانی است که بعد از سرد شدن در دمای محیط، نیمه سخت، کشسان و در درجه حرارت خیلی پایین، سخت و شکننده می‌شود. به‌طورکلی تغییرات حاصله در غلظت قیر که از تغییر وضعیت در شرایط حرارتی آن به وجود می‌آید، حساسیت حرارتی قیر نامیده می‌شود که برای قیرهای گوناگون متفاوت است. دو پارامتر اساسی که در روش‌های کنونی برای کنترل حساسیت حرارتی و تأیید خواص فیزیکی قیرها و نیز انتخاب آن‌ها در بتن آسفالتی به کار گرفته می‌شود نتایج آزمایشات درچه نفوذ و نقطه نرمی است. این آزمایشات ضمن تعیین خصوصیات فیزیکی نمونه قیرهای مربوطه، با به‌کارگیری روابط موجود، پارامتر حساسیت قیرها را نیز تعیین می‌کنند که با مجموع این داده‌ها می‌توان جایگاه قیر مربوطه را مشخص نمود.ا
انواع قیر و درجه نفوذی آن‌ها
شکل زیر نمودار شماتیک فرآیند تقطیر را نشان می‌دهد.
تجزیه‌وتحلیل اولیه قیر تولیدشده از انواع روغن‌های خام نشان می‌دهد که اکثر قیرها حاوی موارد زیر هستند:
- Carbon 82–85%
- Hydrogen 8–11%
- Sulphur 0–6%
- Oxygen 0–1.5%
- Nitrogen 0–1%