مقدمة
تشتمل المواد الرابطة البيتومينية المستخدمة في أعمال بناء الرصف على كل من البيتومين والقطران. يتمتع كل من البيتومين والقطران بمظهر مماثل، أسود اللون على الرغم من اختلاف خصائصهما.
أصل
تتشكل رواسب البيتومين الطبيعية من بقايا الطحالب المجهرية القديمة وغيرها من الكائنات الحية. وعندما ماتت هذه الكائنات، ترسبت بقاياها في الطين في قاع المحيط أو البحيرة التي كانت تعيش فيها. وتحت حرارة وضغط الدفن في أعماق الأرض، تم تحويل البقايا إلى مواد مثل البيتومين أو الكيروجين أو البترول. الودائع في La Brea Tar Pits هي مثال على ذلك. هناك أوجه تشابه هيكلية بين البيتومين والمواد العضوية في النيازك الكربونية. ومع ذلك، فقد أظهرت الدراسات التفصيلية أن هذه المواد متميزة. يمكن في بعض الأحيان الخلط بين الأسفلت أو البيتومين و”القطران”، وهي مادة سوداء مماثلة لدنة بالحرارة يتم إنتاجها عن طريق التقطير المدمر للفحم. خلال أوائل ومنتصف القرن العشرين، عندما تم إنتاج غاز المدن، كان القطران منتجًا متاحًا بسهولة واستخدم على نطاق واسع كمواد رابطة لمجمعات الطرق. أدت إضافة القطران إلى الطرق الحصباء إلى ظهور كلمة مدرج المطار، والتي تستخدم الآن في اللغة الشائعة للإشارة إلى مواد صنع الطرق. ومع ذلك، منذ السبعينيات، عندما حل الغاز الطبيعي محل غاز المدن، تجاوز الأسفلت (البيتومين) تمامًا استخدام القطران في هذه التطبيقات. البيتومين هو منتج بترولي يتم الحصول عليه عن طريق تقطير النفط الخام. TAR عبارة عن مادة لدنة بالحرارة تم الحصول عليها من التقطير المدمر. تسمى درجة البيتومين المستخدمة في أعمال بناء الرصف للطرق والمطارات بدرجات الرصف وتستخدم لعزل المياه في الهياكل والأرضيات الصناعية وما إلى ذلك وتسمى بالدرجات الصناعية.
يتم تصنيف قار الرصف المتوفر في الهند إلى فئتين
- يُشار إلى قار الرصف من بترول ولاية آسام على أنه من النوع A ويتم تصنيفه على أنه درجات A35 وA90.etc.
- قار الرصف من مصادر أخرى يُشار إليه بالنوع S ويُصنف بالدرجات S35 وS90 وما إلى ذلك.
يتم تقليل لزوجة البيتومين في بعض الأحيان بواسطة مادة مخففة متطايرة تسمى هذه المادة البيتومين المقطوع. يتم تعليق البيتومين في حالة مقسمة بدقة في وسط مائي ويتم تثبيته باستخدام مستحلب؛ تُعرف المادة باسم المستحلب.
الفرق بين البيتومين والقطران
| Sl. No. | Bitumen | Tar |
| 1 | ويوجد البيتومين باللون الأسود إلى البني | عادة ما يوجد القطران باللون البني |
| 2 | يتم الحصول على البيتومين من التقطير الجزئي للزيت الخام | يتم الحصول على القطران عن طريق التقطير المدمر للفحم أو الخشب |
| 3 | البيتومين قابل للذوبان في ثاني كبريتيد الكربون وكلوريد الكربون رباعي | القطران قابل للذوبان في التولوين |
| 4 | يتراوح الوزن الجزيئي لبيتومين الطرق من 400 إلى 5000 | نطاق الوزن الجزيئي لقطران الطريق هو 150 إلى 3000 |
| 5 | يتكون البيتومين من كمية كبيرة من الهيدروكربونات العطرية | يتكون القطران من كمية كبيرة من المادة الزيتية ذات الوزن الجزيئي المنخفض |
| 6 | يُظهر البيتومين مقاومة لطلاء ركام الطريق كما أنه لا يحتفظ بوجود الماء | يغطى القطران بسهولة أكبر ويحتفظ به بشكل أفضل في وجود الماء |
| 7 | محتوى الكربون الحر أقل | محتوى الكربون الحر هو أكثر |
| 8 | يظهر مقاومة أكبر لعوامل الطقس | يظهر مقاومة أقل للعوامل الجوية |
| 9 | أقل قابلية لدرجات الحرارة | المزيد من الحساسية لدرجات الحرارة |
القار
يتكون مصدر قار الطرق إما من البترول أو من خلال العمليات الطبيعية نتيجة للقوى الجيولوجية.
أشكال مختلفة من البيتومين قطع البيتومين
الممارسة المعتادة هي تسخين البيتومين لتقليل لزوجته. في بعض الحالات يتم إعطاء الأفضلية لاستخدام المواد الرابطة السائلة مثل البيتومين المخفض. في عملية خفض البيتومين، يتم استخدام مذيب مناسب لخفض لزوجة البيتومين. ومن وجهة النظر البيئية، يفضل أيضًا استخدام البيتومين المخفض. سوف يتبخر المذيب من المادة البيتومينية وسوف يربط البيتومين الركام. يتم استخدام البيتومين المقطوع في الطقس البارد لبناء وصيانة الطرق البيتومينية. نواتج التقطير المستخدمة لتحضير البيتومين المختزل هي النافتا والكيروسين والديزل والزيت وزيت الفرن. هناك أنواع مختلفة من البيتومين المتقطع مثل المعالجة السريعة (RC)، والمعالجة المتوسطة (MC)، والمعالجة البطيئة (SC). ويوصى باستخدام RC لتضميد الأسطح والترقيع. يوصى باستخدام MC للخلط المسبق بكمية أقل من الركام الناعم. ويتم استخدام SC للخلط المسبق بكمية ملحوظة من الركام الناعم.
مستحلب البيتومين
مستحلب البيتومين هو منتج سائل يتم فيه تعليق البيتومين في حالة مقسمة بشكل ناعم في وسط مائي ويتم تثبيته بواسطة مادة مناسبة. عادة ما يتم استخدام المستحلبات من النوع الكاتيوني في الهند. يبلغ محتوى البيتومين في المستحلب حوالي 60% والباقي ماء. عندما يتم وضع المستحلب على الطريق، فإنه يتحلل مما يؤدي إلى إطلاق الماء ويبدأ المزيج في الثبات. يعتمد وقت الإعداد على درجة البيتومين. يمكن قياس لزوجة المستحلبات البيتومينية حسب المعيار الدولي: 8887-1995. تتوفر ثلاثة أنواع من المستحلبات البيتومينية، وهي الإعداد السريع (RS)، الإعداد المتوسط (MS)، والإعداد البطيء (SC). مستحلبات البيتومين هي مواد رابطة مثالية بناء طريق التل. حيث يصعب تسخين البيتومين أو الركام. تستخدم مستحلبات الإعداد السريع في أعمال تلبيس الأسطح. تُفضل مستحلبات الإعداد المتوسط لأعمال الخلط المسبق وأعمال إصلاح التصحيح. يفضل استخدام المستحلبات البطيئة في موسم الأمطار.
الاشعال البيتوميني
في التمهيدي البيتوميني يتم امتصاص نواتج التقطير من خلال سطح الطريق الذي ينتشر عليه. يعتمد الامتصاص هناك على مسامية السطح. يتم استخدام البادئات البيتومينية بالكامل على الأسطح المستقرة ودورات قاعدة الحصباء المرتبطة بالمياه. يتم تحضير مواد التمهيدي البيتومينية عمومًا في مواقع الطرق عن طريق خلط البيتومين المخترق مع نواتج التقطير البترولية.
البيتومين المعدل
يمكن لبعض الإضافات أو مزيج من الإضافات التي تسمى معدلات البيتومين أن تحسن خصائص البيتومين وخليط البيتومين. ويعرف البيتومين المعالج بهذه المعدلات باسم البيتومين المعدل. ينبغي استخدام البيتومين المعدل بالبوليمر (PMB)/القار المعدل بالمطاط (CRMB) فقط في ملابس الملابس اعتمادًا على متطلبات التغيرات المناخية الشديدة. تم إصدار المواصفات التفصيلية للقار المعدل بواسطة IRC: SP: 53-1999. تجدر الإشارة إلى أن أداء PMB وCRMB يعتمد على التحكم الصارم في درجة الحرارة أثناء البناء.
مزايا استخدام البيتومين المعدل هي كما يلي:
انخفاض التعرض للتغيرات في درجات الحرارة اليومية والموسمية
مقاومة أعلى للتشوه عند درجة حرارة الرصيف العالية
خصائص مقاومة أفضل للعمر
عمر تعب أعلى للخلطات
التصاق أفضل بين الركام والموثق
منع التشقق والتكسير العاكس.
أنواع 1) الأسفلت الصخري
ويتكون من الحجر الجيري والحجر الرملي المشرب طبيعيا بالبيتومين.
ستكون المادة المعدنية حوالي 90٪ ومحتوى البيتومين 10٪.
أنواعها 2) بحيرة الأسفلت
سيتم تقسيم المواد المعدنية جيدًا وتفريقها من خلال البيتومين
الكتلة بأكملها قادرة على التدفق
نوع أسفلت البحيرة المستخدم في صنع الطرق في المملكة المتحدة هو أسفلت بحيرة ترينيداد.
يتم استخدامه في بناء الطرق المرنة وأيضًا في دورات تآكل الأسفلت.
تحضير بيتومين الطريق من البترول
يعد تكرير النفط من أكثر الإجراءات تعقيدًا، حيث يتم إنتاج مجموعة هائلة من المنتجات بدءًا من أبسط غاز الميثان الهيدروكربوني وحتى أصعب أنواع البيتومين التي يبلغ وزن مكوناتها الجزيئية عدة آلاف.
تحضير أشكال مختلفة من البيتومين لأغراض الطرق من البترول موضح في الشكل أعلاه.
تحضير قار الطرق
أ) تقطير البترول
يتم إنتاج البيتومين من الزيوت الخام المختارة عن طريق عملية التركيز بالتقطير.
يتم الحصول على نواتج التقطير في نطاقات نقطة الغليان المطلوبة عن طريق التكثيف في عمود التجزئة.
يتم أولاً تسخين الزيت الخام إلى درجة حرارة أقل من 350 درجة مئوية تحت الضغط الجوي للتخلص من الأجزاء الخفيفة مثل البنزين والكيروسين وزيت الغاز.
من الضروري إجراء مزيد من التسخين فوق 400 درجة مئوية للتخلص من الزيوت الثقيلة.
يتم تكرير النفط الخام المغطى باستخدام الضغوط المنخفضة وحقن البخار في عمود التجزئة.
يتم ضخ النفط الخام الوارد من خلال أنبوب متواصل يشبه ذلك المستخدم في محطات التقطير، حيث يتم رفعه إلى درجة الحرارة المطلوبة
| Sl. No. | ملكية | درجات قطران الطريق | ||||
| RT-1 | RT-2 | RT-3 | RT-4 | RT-5 | ||
| 1 | اللزوجة بمقياس اللزوجة القطران القياسي (10 مم)
(أ) عند درجة حرارة مئوية (ب) نطاق اللزوجة، بالثواني |
35 |
40 |
45 |
55 |
– |
| 33-55 | 30-55 | 35-60 | 40-60 | – | ||
| 2 | نطاق درجة الحرارة المتساوية (EVT)، درجة مئوية | 32-36 | 37-41 | 43-46 | 53-57 | 63-67 |
| 3 | نقطة التليين، درجة مئوية | – | – | – | – | 45-50 |
| 4 | نطاق الثقل النوعي عند 27 درجة مئوية | 1.16-1.26 | 1.16-1.26 | 1.18-1.28 | 1.18-1.28 | 1.18-1.28 |
| 5 | نقطة تليين البقايا، درجة مئوية كحد أقصى. | 48 | 50 | 52 | 54 | 56 |
| 6 | محتوى الماء، النسبة المئوية بالوزن، الحد الأقصى. | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 7 | الفينولات، النسبة المئوية من حيث الحجم، الحد الأقصى. | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 |
| 8 | النفثالين، في المئة بالوزن، ماكس. | 4 | 3.5 | 3 | 2.5 | 2 |
| 9 | المادة غير قابلة للذوبان في التولوين، في المئة بالوزن، ماكس. | 22 | 22 | 24 | 24 | 24 |
| 10 | كسور التقطير، النسبة المئوية بالوزن (جرام لكل 100 جرام) التقطير:
(أ) تصل إلى 200 درجة مئوية، كحد أقصى. |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
| (ب) من 200 درجة إلى 270 درجة مئوية | 5-12 | 2-9 | 1-6 | 0.5-4 | 0-4 | |
| (ج) من 270 درجة إلى 300 درجة مئوية | 4-10 | 4-8 | 3-6 | 2-7 | 1-5 | |
| التقطير الإجمالي (ب+ج)، الحد الأقصى. | 16 | 14 | 12 | 10 | 7 | |
تحضير القطران
هناك ثلاث مراحل في إنتاج قطران الطريق:
تفحيم الفحم لإنتاج القطران الخام
تكرير أو تقطير القطران الخام
مزج بقايا التقطير مع أجزاء الزيت المقطر للحصول على قطران الطريق المطلوب.
تفحم الفحم بدرجة حرارة عالية
تتكون عملية الكربنة أو التقطير المدمر للفحم بشكل أساسي من تسخين طبقة رقيقة من الفحم محاطة بغرفة من الطوب الحراري لعدة ساعات عند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية. هناك طريقتان رئيسيتان للتفحيم، وهما:
أ) الكربنة في أفران فحم الكوك
ب) الكربنة في معوجات أعمال الغاز
الكربنة في أفران فحم الكوك
يتم تحميل كمية تبلغ حوالي 16 طنًا من الفحم في فرن فحم الكوك.
يتكون فرن فحم الكوك من صندوق رفيع كبير ومبطن بالطوب، ويبلغ طوله 40 قدمًا وارتفاعه 14 قدمًا وعرضه 1.5 قدم.
يتم تسخين شحنة الفحم لمدة 18 ساعة عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية. وينتج كل طن من الفحم 8 جالون من القطران الخام.
تقطير القطران الخام
يتم إخضاع القطران الخام الناتج عن تكثيف الأبخرة المنبعثة من الفحم أثناء عملية الكربنة إلى عملية التقطير.
يتم تقطير أو تكرير القطران بواسطة أجهزة تقطير القطران. تتكون العملية أولاً من تسخين القطران الخام لإزالة الماء وبعض الزيوت الخفيفة (البنزول)، ثم تسخينه أكثر وتكثيف البخار الأثقل في عمود التجزئة.
يتم تنفيذ العملية على مرحلتين:
في المرحلة الأولى، يمر القطران عبر الأنابيب الموجودة في الجزء الأكثر برودة من الفرن عند درجة حرارة 140 درجة مئوية.
ثم يتم تمريره إلى غرفة التجفيف حيث يتم تحرير الضغط ويتم إطلاق الماء والزيت الخفيف.
يتم بعد ذلك تمرير القطران المتبقي إلى المرحلة الثانية من الأنبوب عند درجة حرارة 300 درجة مئوية.
ومن الأنابيب الثابتة، يمر القطران إلى حجرة ذات ضغط منخفض حيث يحدث التبخر.
يتم تكثيف الأبخرة في عمود التجزئة الذي يشكل أجزاء من نطاقات مختلفة من نقاط الغليان.
أما البقايا غير المقطرة فهي القطران الأساسي أو القار.
ومن أجل زيادة نقاط الغليان يمكن تصنيفها إلى زيت خفيف، زيت كاربوليك، زيت النفثالين، زيت الغسيل، زيت الأنثراسين.
مزج أجزاء تقطير القطران لإنتاج قطران الطريق
ويتضح مما سبق أن القطران ذو اللزوجة المناسبة للاستخدام على الطرق يمكن تركه كمخلفات بمجرد إيقاف التقطير عند النقطة المناسبة.
قطران الطريق 1 و2، على أساس اللزوجة، وتتراوح لزوجتهما من 10 إلى 40 ومن 40 إلى 125 ثانية عند لزوجة القطران القياسية (STV) عند 30 درجة مئوية.
يتم استخدام النوع A الذي يتمتع بنقطة تليين عالية في الضمادات السطحية والدورات الأساسية. يستخدم النوع B لارتداء الدورات والسجاد.
تحضير قطران الطريق
النوع أ = القطران الأساسي + زيت النفثالين
النوع ب = القطران الأساسي + زيت الغسيل + زيت الأنثراسين
الدستور الكيميائي للقطران
تشير التقديرات إلى وجود أكثر من 10000 مركب في القطران. وقد تم فصل 300 من هذا. تتكون الزيوت المقطرة إلى حد كبير من الهيدروكربونات العطرية، مع مجموعة ميثيل واحدة أو أكثر متصلة بالنواة، مع كميات أقل من مركبات الهيدروكسي العطرية، والهيدروكربونات البارافينية والمركبات الحلقية غير المتجانسة مع الأكسجين أو النيتروجين أو الكبريت في الحلقة.
طور ديكنسون طريقة تسمى “تجزئة المذيبات” والتي تستخدم الهكسان n والبنزين والبيريدين كمذيبات لإعطاء خمسة كسور. قام بهذه الطريقة بتقسيم القطران الناتج من الخامات المعوجة الرأسية والمعوجة الأفقية وخامات فرن فحم الكوك ومن خلال قياس متوسط الأوزان الجزيئية. تم اقتراح الهياكل النموذجية لأجزاء المذيبات عن طريق الفحص الطيفي على أساس الوزن الجزيئي ونسبة C/H.
تنعكس الاختلافات في التركيب الكيميائي بين القطران الناتج عن عمليات الكربنة المختلفة في اختلاف خصائصها. يحتوي القطران الناتج عن الكربنة في أفران فحم الكوك أو المعوجات الأفقية على هيدروكربونات عطرية أكثر بحتة مقارنة بالمعوجات العمودية. وبالتالي، فكما هو الحال في زيوت نواتج التقطير بقطران فرن فحم الكوك، قد تتكون أكثر من 90 بالمائة من هيدروكاردون عطري من سلسلة البنزين والنفثالين والأنثراسين والفينانثرين، وتحتوي الزيوت المماثلة من القطران المعوج العمودي على ما يصل إلى 25٪ من المادة الفينولية ونفس الكمية من البارافينات. وذلك لأن درجة الحرارة التي يتم الوصول إليها في أفران فحم الكوك والمعوجات الأفقية ستكون أعلى من المعوجات الرأسية المستمرة والأبخرة المتصاعدة أثناء الكربنة تكون على اتصال بفحم الكوك الساخن لفترة أطول.
غالبًا ما يُشار إلى قطران المعوجة الرأسية على أنه قطران منخفض الرائحة، بينما يُشار إلى قطران فرن الكوك والقطران المعوجة الأفقي على أنه قطران عالي الرائحة. بشكل عام، تتميز الفئة عالية العطرية بنطاق وزن جزيئي أوسع، وثقل نوعي أعلى، ومحتوى أعلى من النغمة، ومحتوى فينولي منخفض.
