القار
البيتومين هو منتج ثانوي للتقطير الجزئي للنفط الخام، ولكنه موجود أيضًا في الرواسب الطبيعية. إنه يحتوي على مزيج فريد من خصائص العزل المائي والالتصاق الممتازة التي تم استخدامها بفعالية لأكثر من 5000 عام. البيتومين عبارة عن مادة بلاستيكية حرارية منخفضة التكلفة تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الأسقف والطرق والأرصفة. ومع ذلك، فهو هش في البيئات الباردة ويلين بسهولة في البيئات الدافئة. إحدى الطرق العديدة المستخدمة لتقوية البيتومين هي مزجه مع البوليمرات، إما البكر أو الخردة، لإنتاج البيتومين المعدل بالبوليمر (PmB). يقدم هذا الفصل مقدمة عن بنية البيتومين وخصائصه، ومراجعة قصيرة للأدبيات المنشورة عن PmB. وأخيرا، يتم وصف الخطوط العريضة لتركيز ومحتوى كل فصل في الكتاب.
يُعرّف المعيار البريطاني 3690، الجزء 1: 1989 البيتومين بأنه “سائل لزج، أو صلب، يتكون أساسًا من الهيدروكربونات ومشتقاتها، وهو قابل للذوبان في ثلاثي كلور الإيثيلين وهو غير متطاير إلى حد كبير ويلين تدريجيًا عند تسخينه”. لونه أسود أو بني وله خصائص مقاومة للماء واللاصقة. يتم الحصول عليه عن طريق عمليات التكرير من البترول، ويوجد أيضًا على شكل رواسب طبيعية أو كمكون من الأسفلت الموجود بشكل طبيعي، والذي يرتبط فيه بالمواد المعدنية.
لقد استخدم الإنسان البيتومين والمجلدات البيتومينية منذ آلاف السنين. هناك العديد من الإشارات إلى القار في الكتاب المقدس. ويشير سفر التكوين إلى قيام نوح بعزل الفلك عن الماء، والذي “رُكِي من الداخل والخارج بالقار”. Pitch هو المعادل اللاتيني لكلمة “gwitu-men” والتي تم اختصارها لاحقًا إلى “bitumen”، ثم تمر عبر الفرنسية إلى الإنجليزية. وأيضًا، في وصف بناء برج بابل، “لقد استخدموا الطوب للحجر والقار للملاط” (وايتواك، 1990). منذ أكثر من 5000 عام، تم استخدام البيتومين 60/70 كعامل مانع لتسرب المياه و/أو عامل ربط (إبراهام، 1945). أول استخدام مسجل كان من قبل السومريين حوالي 3800 قبل الميلاد واستخدمه المصريون في عمليات التحنيط (Volke، 1993؛ Chirife et al.، 1991).
البوليمر المعدل البيتومين
يتواجد البيتومين بشكل طبيعي، كما ذكرنا أعلاه، ويبقى أيضًا بعد تكرير النفط الخام. منذ مطلع القرن العشرين، أصبح الطلب على البيتومين يفوق بكثير ما هو متاح من المصادر الطبيعية. يوجد القار “الطبيعي” بالقرب من رواسب النفط الخام الجوفية حيث قد تحدث تسربات سطحية عند الصدوع الجيولوجية. تعتمد كمية وطبيعة هذه المادة التي تحدث بشكل طبيعي على عدد من العمليات الطبيعية التي تعمل على تعديل خصائص هذه المادة. غالبًا ما يكون هذا المنتج مصحوبًا بمواد معدنية، تعتمد كميتها وطبيعتها على الظروف التي تسببت في حدوث مثل هذا الخليط (وايتواك، 1990).
ينشأ النفط الخام من بقايا الكائنات البحرية والمواد النباتية المترسبة مع الطين وشظايا الصخور في قاع المحيط. على مدى ملايين السنين، تتراكم المواد العضوية والطين في طبقات يصل سمكها إلى مئات الأمتار، ويضغط الوزن الهائل للطبقات العليا على الطبقات السفلية لتشكل الصخور الرسوبية. يُعتقد أن تحويل الكائنات الحية والمواد النباتية إلى هيدروكربونات من النفط الخام هو نتيجة لتأثير الحرارة من القشرة الأرضية والضغط الذي تمارسه الطبقات الرسوبية العليا، وربما يكون مدعومًا بتأثيرات العمل البكتيري والقصف الإشعاعي. ومع ترسيب طبقات أخرى من الرواسب على الصخور الرسوبية حيث تشكل النفط، أدى الضغط الإضافي إلى ضغط الزيت جانبيًا ولأعلى عبر الصخور المسامية. وتمتد الصخور المسامية إلى سطح الأرض، مما يسمح للنفط بالتسرب من خلالها، مما يؤدي إلى تسرب سطحي (وايتواك، 1990).
بشكل عام، هناك أربع مناطق رئيسية لإنتاج النفط في العالم: الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا والشرق الأوسط والبلدان المحيطة بمنطقة البحر الكاريبي. يتم الحصول على البيتومين عن طريق التقطير الجزئي للنفط الخام عند درجة حرارة 300-350 درجة مئوية. يوضح الشكل 1.1 رسمًا تخطيطيًا لعملية التقطير. تنطلق الأجزاء الأخف (مثل البروبان والبيوتان) أولاً، تليها النافتا والكيروسين وزيت الغاز ونواتج التقطير والبقايا القصيرة. وهذه البقايا القصيرة هي المادة الخام المستخدمة في تصنيع العديد من درجات البيتومين المختلفة. يتم نفخ الأكسجين من خلال البقايا القصيرة، واعتمادًا على درجات الحرارة والضغوط المستخدمة، وكمية الأكسجين المضافة، يتم الحصول على درجات مختلفة من البيتومين. يتم تصنيف البيتومين في المملكة المتحدة عمومًا إلى أربع درجات:
1. البيتومين بدرجة الاختراق: يتم تحديده عن طريق اختبارات الاختراق (المعيار البريطاني 2000، الجزء 49: 1983) ونقطة التليين (المعيار البريطاني 2000، الجزء 58: 1983).
2. درجات التخفيض (التي أضيف إليها الكيروسين): محددة باللزوجة.
3. الدرجات الصلبة: يتم تحديدها عن طريق اختبار الاختراق ونطاق نقطة التليين.
4. الدرجات المؤكسدة: يتم تحديدها بواسطة اختبارات الاختراق ونقطة التليين وأيضاً بمعايير الذوبان.
