پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش دوم
پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش دوم
مقدمه
قیر یکی از قدیمی‌ترین مواد مهندسی شناخته‌شده است که برای هزاران سال در شیوه‌ها و کاربردهای مختلف مانند چسب، درزگیر، نگه‌دارنده، عامل ضد آب کننده و بایندر آسفالت مورداستفاده قرارگرفته است. ساکنان قبلی زمین به‌طور مستقیم قیر طبیعی را که معمولاً در سطح زمین ظاهر می‌شد را استفاده می‌کردند. در اوایل سال ۱۹۰۰ میلادی، قیر پالایش‌شده حاصل از پالایش نفت خام در ایالات‌متحده آمریکا تولید شد. از آن زمان به بعد، میزان مصرف جهانی قیر به‌سرعت افزایش یافت که اغلب این مصارف در صنعت تولید آسفالت و جاده‌سازی مورداستفاده قرار می‌گرفت.
طبق برآورد اتحادیه قیر و آسفالت اروپا در سال ۲۰۱۱ میلادی، مصرف جهانی قیر تقریباً ۱۰۲ میلیون تن در سال بود که از این میزان حدود ۸۵ درصد در ساخت انواع مختلف آسفالت به کار گرفته می‌شد. در حقیقت، ترکیب شیمیایی قیر تولیدشده بسیار پیچیده و متغیر بوده و خواص قیر تولیدی ارتباط نزدیکی با منبع نفت خام و فرآیند پالایش دارد. با انتخاب نوع نفت خام و فرآیند پالایش مناسب، قیر باکیفیت با خواص مطلوب را می‌توان به دست آورد. به‌هرحال، منابع محدود نفت خام برای تولید قیر باکیفیت خوب و عدم اعمال کنترل‌های مناسب در طول فرآیند پالایش و همچنین کسب درآمد اقتصادی حداکثر، لزوم توجه بیش‌تر به اصلاح قیر را یادآوری می‌کند.
صنعت آسفالت طی دهه‌های گذشته در سراسر جهان و به‌ویژه در کشورهای درحال‌توسعه به‌سرعت گسترش‌یافته است. به دنبال این توسعه و گسترش سریع، افزایش بارهای ترافیکی، افزایش حجم عبور و مرور وسایل نقلیه و تعمیر و نگهداری ناکافی منجر به بروز مشکلات شدید (مانند شیار شدگی و شکستگی) در سطح جاده‌ها شده است. حقیقت تلخ این است که بیش‌تر این مشکلات مربوط به کیفیت قیر بکار گرفته‌شده است. برای غلبه بر این معضل، برای تولید قیر باکیفیت مطلوب، تعداد فزاینده‌ای از تحقیقات و پژوهش‌ها با تمرکز بر اصلاح قیر شروع‌شده است. در میان تمام تلاش‌ها و تحقیقات در مورد روش‌های اصلاح قیر، شیوه اصلاح پلیمری یکی از روش‌های محبوب و موردتوافق اکثریت است.
پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر به‌صورت اختلاط پلیمرها در قیر به‌وسیله یک مخلوط‌کن فیزیکی و یا طی واکنش‌های شیمیایی با قیر ترکیب می‌شوند. در طول ۴۰ سال گذشته، بیش‌تر دانشمندان فعال در این حوزه تمرکز خود را بر روی پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر قرار داده و باعث افزایش سرعت انتشار مقالات تحقیقاتی از سال ۱۹۷۰ میلادی به بعد شدند. در این رابطه پلیمرهای مختلفی بررسی شدند که شامل پلاستومرها (به‌طور مثال پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، اتیلن ونیل استات، اتیلن بوتیلن اکریلات) و الاستومرهای ترموپلاستیک (مانند استایرن-بوتادین-استایرن، استایرن-ایزوپرن-استایرن و استایرن-اتیلن/بوتیلن-استایرن) است. اگرچه هیچ‌کدام از این‌ها در ابتدا به‌منظور اصلاح قیر طراحی نشده بودند.
پلیمرهایی که به آن‌ها اشاره شد منجر به بهبود برخی از خواص قیر مانند سفتی بالاتر در دماهای بالا، مقاومت زیاد در برابر شکست در دمای پایین، مقاومت بهتر در مقابله با رطوبت و یا افزایش عمر خستگی می‌شوند. برخی عوامل مهم شامل ویژگی‌های قیر و خود پلیمر، مقدار پلیمر و فرآیند تولید، خصوصیات قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) را تعیین می‌کنند. با افزایش مقدار پلیمر ممکن است وارونگی فازی در برخی از قیرهای اصلاح‌شده پلیمری رخ دهد و منجر به تغییراتی از غالب بودن فاز قیر به غالب بودن فاز پلیمری شود. به‌هرحال، یک ریزساختار ایدئال برای قیر اصلاح‌شده پلیمری شامل دو فاز پیوسته درهم‌تنیده است که مقدار بهینه پلیمر را برای اصلاح قیر تعیین می‌کند. با این دو فاز پیوسته درهم‌تنیده، قیر اصلاح‌شده پلیمری معمولاً عملکرد کلی بهتری را ازلحاظ خصوصیات مکانیکی، پایداری ذخیره‌سازی و مقرون‌به‌صرفه بودن از خود نشان می‌دهد.
علاوه بر مزایای گزارش‌شده، محققین و دانشمندان با چالش‌های مختلف مواجه هستند، ازجمله هزینه‌های بالا، حساسیت دمای بالای برخی از قیرهای اصلاح‌شده پلیمری، مقاومت کم در برابر پیرشدگی، پایداری ذخیره‌سازی ضعیف و بهبود اندک قابلیت ارتجاعی. ترکیبی از اکسیداسیون قیر و پلیمر تخریب‌شده برای علت گرایش به پیری در قیر اصلاح پلیمری شده گزارش‌شده است که به نظر به چالشی برای برخی پلیمرهای غیراشباع مانند استایرن-بوتادین-استایرن (SBS) تبدیل‌شده است. پایداری ذخیره‌سازی ضعیف برخی از قیرهای اصلاح‌شده پلیمری معمولاً درنتیجه سازگاری ضعیف بین قیر و پلیمر اصلاح‌کننده بوده که توسط خواص مختلف پلیمرها و قیرها مانند چگالی، وزن مولکولی، قطبیت و انحلال‌پذیری کنترل می‌شود. فرض بر این است که ساختار شیمیایی و واکنش‌پذیری پلیمرها بر سازگاری آن‌ها با قیر مؤثر بوده و ممکن است یک رابطه مستقیم بین آن‌ها با خواص قیر اصلاح‌شده پلیمری وجود داشته باشد. به‌عبارت‌دیگر برای فتح این چالش‌ها، دانشمندان سعی بر یافتن دسته‌های مختلفی از راه‌حل‌ها مانند اشباع کردن، ولکانیزاسیون سولفور، افزودن آنتی‌اکسیدان، استفاده از رس معدنی آب‌گریز، عامل دارها و به‌کارگیری پلیمرهای واکنشی (که می‌توان آن را به‌عنوان یک محصول عامل دار جدید در نظر گرفت) کردند.
همراه با ابعاد فنی، جنبه اقتصادی نیز یک نیروی تأثیرگذار در انتخاب تکنولوژی است. از منظر اقتصادی، همیشه رسیدن به عملکرد بیشینه برای یک جاده مدنظر نمی‌باشد. تنها زمانی که تکنولوژی مقرون‌به‌صرفه باشد، مردم می‌توانند حداکثر منافع را از آن به دست آورده و این نوع از تکنولوژی به محبوبیت می‌رسد. برای قیرهای اصلاح‌شده پلیمری، میزان هزینه با مقدار پلیمر مصرف‌شده کاملاً در ارتباط است، درحالی‌که مقدار پلیمر معمولاً تأثیر بسزایی بر روی میزان و درجه عملکرد قیر اصلاح‌شده پلیمری دارد؛ بنابراین قبل از ساخت یک جاده، طراحان باید بدانند که چه میزان عملکرد و کارایی برای جاده در نظر گرفته‌شده تا بتوانند در مورداستفاده کردن و یا عدم استفاده از قیر اصلاح‌شده پلیمری و همچنین میزان و چگونگی به‌کارگیری آن تصمیم‌گیری کنند.
درحال حاضر حجم عمده مصرف جهانی قیر بر پایه خود قیر است. شرایط ترافیکی و آب و هوایی در کشورهای مختلف، متفاوت است. حتی برای یک کشور، شرایط موجود در طول سال‌های مختلف، متفاوت است. بر پایه اطلاعات منتشرشده توسط اتحادیه آسفالت و روسازی اروپا (EAPA)، میزان مصرف سالیانه قیر اصلاح‌شده پلیمری که به‌عنوان قیر برای آسفالت و روسازی بکار برده شده در بیش‌تر کشورهای اروپایی در طول سه سال گذشته کم‌تر از ۲۰ درصد است. با توجه به مقدار مصرف پلیمر، Eurobitume ادعا کرد که میزان پلیمر SBS بکار گرفته‌شده مرسوم در حدود ۳/۵ درصد وزنی در محصول نهایی است که این ادعا بر پایه بررسی صنایع داخلی مربوط به قیر اصلاح‌شده پلیمری در داخل اروپا است.
این مقاله بر روی اصلاح پلیمری قیر برای ساخت جاده‌ها باهدف ارائه یک بازنگری جامع از توسعه مقوله اصلاح پلیمری قیر برای ۴۰ سال گذشته، چالش‌هایی که در این حوزه با آن مواجه هستیم و همچنین راه‌حل‌هایی که دانشمندان برای این چالش‌ها ارائه کرده‌اند متمرکز می‌شود. نخست یک دورنمای تاریخی به همراه یک گفت‌وگوی عمیق در مورد پلیمرهای مرسوم و توسعه و تحول فناوری‌های همراه با آن ارائه می‌شود. بعدازاین، قابلیت گسترش صنعت اصلاح پلیمری قیر در آینده موردبررسی قرارگرفته و در آخر، برخی از نتایج و همچنین توصیه‌هایی در این زمینه ارائه خواهد شد.
برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:
پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش سوم
برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:
