ترکیب آسفالت؛ مواد تشکیل دهنده شیمیایی و طبیعی

بدون ماده چسبنده سیاه رنگ که آسفالت نام دارد، چه کار می کردیم؟ ما روی آسفالت راه می رویم، دوچرخه سواری می کنیم، رانندگی می کنیم. هواپیمایی که با آن پرواز می کنیم روی آسفالت بلند می شود و روی آن فرود می آید. گاهی اوقات هم به کفش هایمان می چسبد.

آرتور ام عثمانی، مدیر ارشد علمی شرکت توسعه عثمانی، ایندیاناپولیس، در مقدمه اشاره می کند: «سالانه حدود 70 میلیارد پوند آسفالت تنها در ایالات متحده استفاده می شود، و استفاده از آسفالت در آسیا طی 10 سال آینده رشد چشمگیری خواهد داشت.» از کتاب او تحت عنوان علم و فناوری آسفالت (نیویورک: مارسل دکر، 1997). او می افزاید که مواد حاوی آسفالت نه تنها در روسازی و جاده سازی، بلکه در سقف ها، پوشش ها، روکش ها و باتری ها نیز کاربرد دارند.

کاربرد گسترده آسفالت به خاصیت ضد آب و چسبندگی فوق العاده آن متکی است. به عنوان مثال، سطوح سخت مانند جاده ها به قابلیت آسفالت در کنار هم نگه داشتن سنگدانه هایی از سنگ و ماسه بستگی دارد. بیشتر آسفالت ها جاذب کامل نور هستند. به همین دلیل است که به رنگ سیاه هستند.

آسفالت را به صورت یک ماده سیمانی به رنگ قهوه ای تیره یا سیاه توصیف می کند که اجزای اصلی تشکیل دهنده آن قیرهایی هستند که در طبیعت یافت می شوند یا از فرآوری نفت تولید می شوند.

انجمن آزمایش و مواد آمریکا

قیر یک اصطلاح عمومی برای مواد سیمانی جامد، نیمه جامد یا چسبناک سیاه یا تیره طبیعی یا تولید شده است که عمدتاً از هیدروکربن ‌هایی با وزن مولکولی بالا تشکیل شده ‌اند. این اصطلاح شامل قطران و قیرهای به دست آمده از زغال سنگ می شود.

عثمانی به C&EN می گوید: «امروزه، تقریبا تمام آسفالت مورد استفاده از کف بشکه نفت تولید می شود؛ یعنی آخرین مرحله در پالایشگاه نفت بعد از حذف نفتا، بنزین، نفت سفید و سایر بخش ‌های نفت خام. از منابع طبیعی دیگر مقادیر بسیار کمی تولید می شود.»

آسفالت ها مواد بسیار پیچیده حاوی ترکیبات آلیفاتیک و آروماتیک اشباع و غیراشباع با حداکثر 150 اتم کربن هستند. ترکیب شیمیایی آن ها بسته به منبع نفت خام متغیر است. بسیاری از ترکیبات حاوی اکسیژن، نیتروژن، سولفور و سایر هترواتم ها می باشند. آسفالت معمولا حاوی حدود 80% وزن کربنی است، حدود 10% هیدروژن، تا 6% سولفور و مقادیر بسیار کمی از اکسیژن و نیتروژن. مقادیر بسیار کمی از فلزات مانند آهن، نیکل و وانادیوم نیز در آن یافت می شود. وزن مولکولی ترکیبات تشکیل دهنده از چند صد تا هزاران متغیر است.

این ترکیبات با توجه به حلالیت در هگزان یا هپتان، به عنوان آسفالتین یا مالتن طبقه بندی می شوند. آسفالتین ها گونه هایی با وزن مولکولی بالا هستند که در این حلال ها نامحلول می باشند، در حالی که مالتن ها وزن مولکولی پایین تری دارند و محلول هستند. آسفالتین ها معمولا بین 5 و 25 درصد از وزن آسفالت ها را تشکیل می دهند و ممکن است به عنوان کلوئید میسل های آسفالتین پراکنده در مالتن ها در نظر گرفته شوند.

بسیاری از ترکیبات موجود در آسفالت قطبی هستند زیرا حاوی الکل، کربوکسیل، فنولیک، آمین، تیول و سایر گروه های عاملی می باشند. در نتیجه این قطبیت، مولکول ها در کنار هم قرار می گیرند تا خوشه های چندمولکولی را با وزن مولکولی تا 100000 تشکیل دهند. تصویر می شود که چسبندگی آسفالت به سنگدانه ها به جاذبه قطبی بین مولکول ها در آسفالت و سطوح قطبی سنگدانه ها بستگی دارد.

عثمانی می گوید: «آسفالت دارای یک شبکه پلیمر مانند منحصر به فرد است.» اگرچه به معنای واقعی کلمه یک پلیمر به حساب نمی آید، اما یک ماده ترموپلاستیک است که هنگام حرارت دهی نرم و هنگام خنک سازی سخت می شود. در یک بازه دمای مشخص، آسفالت ویسکوالاستیک است به این معنی که مشخصه های مکانیکی جریان ویسکوز و تغییرشکل الاستیک را از خود نشان می دهد.

اگرچه میلیون ها سال است که آسفالت در نفت خام وجود داشته است، اما زمان زیادی از کاربرد آن در جاده سازی نمی گذرد. تعداد کمی از ما ممکن است از تکان خوردن ماشین بر ترک ها و شیارهای جاده های پرترافیک در امان بوده باشیم.

فاکتورهای زیادی بر عملکرد آسفالت تاثیر می گذارند. این فاکتورها عبارتند از ترکیب شیمیایی آن و منبع نفت خام، نوع و مقدار سنگدانه های مورد استفاده، وجود رطوبت، روش ساخت و ساز جاده، دما و البته حجم ترافیک.

در حالت ایده آل، آسفالت مورد استفاده برای جاده سازی باید در تمام شرایط آب و هوایی ویسکوالاستیک باقی بماند. با این وجود، بسیاری از جاده های آسفالت شده در تابستان نرم می شوند و شیار و تغییرشکل دائمی در آن ها قابل مشاهده است. در دماهای پایین، مولکول های خنثی در آسفالت خود را در شکل ساختاری سازمان یافته تری مرتب می کنند. در نتیجه، ماده سخت می شود، شکننده تر می شود و تحت فشار و تنش بارهای ترافیکی سنگین ترک برمی دارد. این به عنوان ترک حرارتی و خستگی شناخته می شود.

آسفالت ها نیز پلاستیسیته خود را از دست می دهند و بنابراین سخت تر شده و وقتی که مواد فرار با وزن مولکولی پایین ‌تر خود را از دست می ‌دهند یا وقتی این اجزا اکسید می‌ شوند، ترک می خورند یا خرد می شوند. این فرآیند با عنوان پیری شناخته می شود. رطوبت ناشی از باران و سایر منابع می تواند به داخل آسفالت نفوذ کرده و به آن آسیب برساند، به خصوص آسفالت های قدیمی و اکسید شده زیرا مقادیر بیشتری از اجزای قطبی برای جذب مولکول های آب درون آن ها وجود دارد.

عملکرد آسفالت ها را می توان با استفاده از تکنیک های اصلاح مختلف بهبود بخشید. به عنوان مثال، دمیدن هوا ازطریق آسفالت مایع داغ باعث حذف ترکیبات فرار شده و در نتیجه محصولی با ویسکوزیته بالاتر بدست می آید. اضافه کردن مواد اصلاح کننده مانند پلی بوتادی ان به صورت خرده های لاستیک از لاستیک های کهنه و سایر پلیمرها، نیز باعث سفت شدن آسفالت می شود.

به گفته عثمانی، اینکه چگونه اصلاح کننده های پلیمری عیوب آسفالت را کاهش می دهند، به خوبی درک نشده است. وی خاطرنشان کرد: برای حفظ استفاده فعلی از آسفالت و توسعه کاربردهای جدید، نیاز مبرمی به احیای تحقیق، توسعه و مهندسی در مواد آسفالت وجود دارد.