بیتومن چیست؟
بیتومن با اصطلاحات دیگری مانند قیر و آسفالت نیز شناخته شده است.
بیتومن مایع ویسکوز و خمیری شکل سیاه رنگ، مخلوطی از هیدورکربن ها بوده که به طور طبیعی وجود داشته یا از طریق تقطیر نفت خام حاصل گردیده است.
حالت فیزیکی بیتومن یا قیر وابسته به دما بوده و در هر دمایی شکل خاص و ویژه ای دارد. مهمترین ویژگی بیتومن، خاصیت واترپروف (ضد آب) و چسبندگی بالای آن می باشد.
فرآیند تولید قیر از طریق تقطیر نفت خام باعث تفکیک اجزای سبک نفت خام مانند بنزین و گازوئیل می شود و قیر “سنگین ترین” جزء نفت خام بوده و در دمای 340°c جداسازی می گردد. کیفیت و سهولت تولید قیر یا بیتومن به منبع و نوع نفت خام آن بستگی دارد. عملیات جداسازی بیتومن جهت حصول بالاترین کیفیت در چندین مرحله تکرار میگردد.
از سوی دیگر، قیر بطور طبیعی دراجساد پوسیده موجودات و گیاهان تحت فشار و دما علی الخصوص بصورت رسوبات در کف دریاچه های باستان جایی که موجودات ماقبل تاریخ از بین رفته اند نیز وجود دارد.
خواص فیزیکی قیر
بیتومن یا قیر، متریال جامد یا نیمه – جامد در دمای محیط است، با افزایش دما نرم و با کاهش دما سخت می شود. در دمای بالا، بیتومن مانند مایعات نیوتونی رفتار می کند و با افزایش دما، گرانروی کاهش پیدا می کند. به همین دلیل قیر یا بیتومن، در زمان استفاده باید گرم شود.
همچنین، بیتومن یک ماده ویسکوالاستیک است. بیتومن یا قیر مانند جامدات الاستیک در زمان های بارگیری کوتاه رفتار می کند و در زمان های بارگیری بیشتر مانند مایع ویسکوز یا چسبناک رفتار می کند. مولکول های قطبی موجود در قیر یا بیتومن منجر به تمایل قیر به سنگدانه ها می شود و ماده ای چسبناک و همچنین ضد آب است. قیر یک نوع محصول مهندسی بوده و مشخصات آن، بر پایه مشخصات فیزیکی متمرکز است نه براساس مشخصات شیمیایی.
ترکیبات شیمیایی قیر یا بیتومن
ترکیبات شیمیایی انواع قیر یا بیتومن در حالت کلی مشابه هستند، اما با توجه به منابع نفت خام اصلی و فرآیند های انجام گردیده در هنگام تصفیه و مخلوط کردن، اندکی تغییر می کنند. قیرها را به طور کلی می توان مخلوط پیچیده ای از هیدروکربن ها توصیف کرد که حاوی تعداد زیادی ترکیبات شیمیایی مختلف با وزن مولکولی نسبتاً بالا هستند.
کوچکترین اندازه ترکیبات مولکولی قیر یا بیتومن، در فرآیند ساخت قیر توسط تقطیر “نقطه برش” حدود ۳۰۰ دالتون تعیین میشود. تحقیقات گذشته حاکی از آن است که وزن های مولکولی تا ۱۰۰۰۰ دالتون وجود دارد، در صورتیکه برخی تحقیقات نشان می دهند در صورت وجود مولکول های بزرگتر از ۱۵۰۰، احتمالاً تعداد بسیار کم وجود دارند.
مولکول های موجود در قیر ترکیبی از آلکان ها، سیلکلوآلکان ها، مواد معطر و مولکول های هترو حاوی گوگرد، اکسیژن، نیتروژن و فلزات و شامل روغن، رزین و آسفالتین بوده و آسفالتین موجود در قیر علت سختی آن می باشد.
قیر یا بیتومن یک ماده ویسکوالاستیک است، بنابراین قطبیت شیمیایی یک ویژگی بسیار مهم آن برای اندازه گیری می باشد.
قطبی ترین ترکیبات، ترکیبات ساختاری را ایجاد می کنند که خاصیت سختی یا مدول را به بیتومن می دهد. در حالیکه ترکیبات با قطبیت پایین، خواص انعطاف پذیری و دمای پایین را به آسفالت میدهند، ترکیباتی با قطبیت متوسط در بیتومن یا قیر با کمترین و بیشترین ترکیبات قطبی سازگارند. از آنجا که قیر یا بیتومن ازمولکولهای به هم پیوسته تشکیل شده است، آنالیز هر یک از ترکیبات بصورت جداگانه غیر عملی خواهد بود. . به همین علت، ترکیبات بیتومن در چهار طبقه عمده و قطبی به شرح ذیل طبقه بندی
میگردد:
آسفالتینها از طریق روش “فرآیند استخراج حلالی “جداسازی میگردند در حالیکه سه بخش دیگر، با استفاده از روش کروماتوگرافی تفکیک میگردند
به طور معمول، ترکیبات آروماتیک های نفتنی و آروماتیک های قطبی بیشترین ترکیبات تشکیل دهنده قیر یا بیتومن هستند. به علاوه، اکثر قیرهای طبیعی حاوی ترکیبات ارگانیسولفور هستند که در نتیجه مقدار کل گوگرد آنها تا ۴٪ است. نیکل و وانادیوم در سطح <۱۰ ppm یافت می شود ، همانطور که برای برخی از نفت معمول است. این ماده در دی سولفید کربن محلول است. معمولاً به صورت کلوئید، آسفالتین ها به عنوان فاز پراکنده و مالتن ها به عنوان فاز پیوسته، مدلسازی می شوند. و “تقریباً غیرممکن است که تمام مولکولهای مختلف آسفالت (بیتومن یا قیر) را جداسازی و شناسایی کرد زیرا تعداد مولکولها با ساختار شیمیایی متفاوت، بسیار زیاد است”.
عملکرد قیر یا بیتومن به نحوهی تعامل مولکول های قیر با یکدیگر و یا با مواد دیگر مانند تجمع آب و سطوح مرتبط است. وجود گوگرد، نیتروژن، اکسیژن و فلزات در برخی از مولکول ها آنها را کمی قطبی می کند. اهمیت مولکول های حاوی هترواتم در شیمی قیر توانایی ایجاد برهمکنش های مولکولی است که به شدت بر خصوصیات فیزیکی و عملکرد قیرها تأثیرگذار هستند. ترکیبات حاوی مولکول های هترواتم می توانند از نظر مقدار و خصوصیات در قیرهای استخراج شده از منابع مختلف نفت خام متفاوت باشند.
درصد جرمی عنصر گوگرد در بیتومن یا قیر ممکن است بین ۱ – ۷ % وجود داشته باشد و شامل ترکیبات مختلف گوگردی مانند تیوفنها و سولفیدها است. تحقیقات در این زمینه نشان داده است که هترواتمها، گوگرد و نیتروژن، تا حدود زیادی در پیکربندی حلقه های پایدار وجود دارند. اگرچه ترکیبات نیتروژندار خیلی رایج نیستند ولیکن گروه های پیرول، ایندول و کاربازول در برخی از قیرها یافت میشوند. اکسیژن عمدتاً در ساختار گروههای عاملی اسیدهای کربوکسیلیک و استری وجود دارد. فلزات نیز عمدتاً در ساختارهای پورفیرین مانند مشاهده می گردند.
