قیر امولسیونی emulsion bitumen نوعی قیر مایع است که میزان ویسکوزیته آن کمتر است. با پخش کردن قیر در آب و اضافه کردن امولسیفایر، قیر معمولی به مایع با میزان ویسکوزیته کمتر تبدیل می شود.

قیر اموسیون دارای دو فاز است که از دو مایع غیرقابل اختلاط قیر و آب تولید شده است. فاز قیر در فاز آبی با برش مکانیکی آن در آسیاب کلوئیدی منتشر می شود. پخش شدن قیر از طریق یک ماده امولیسفایر شیمیایی به شکل معلق در آب وجود دارد.

قیر امولسیون به طور کل ترکیبی از آب و قیر می باشد و از آن جایی که آب و محصولات روغنی راحت از هم جدا می شوند، از یک امولیسفایر یا ترکیبی از امولیسفایر استفاده می شود تا پایدار تر شود.

به طور کل اندازه قیر در امولسیون قیر 55 تا 65 درصد، میزان آب 35 تا 45 درصد و میزان امولیسفایرها باید حداکثر 0.5 درصد وزن امولسیون قیر باشد.

امولیسفایر علاوه بر توانایی آن در کاهش کشش بین مولکول های روغن و آب دارای طبقه بندی کاتیون و آنیون می شود.

به عنوان نمونه امولیسفایر کاتیونی، یک لایه بار مثبت در اطراف قطر های قیر ایجاد می کند که از متصل شدن به هم جلوگیری می نماید که این کار باعث دوام بیشتر پخش شدن قیر در آب می شود. بعضی از سنگدانه ها، مثل سنگدانه مرمر به بهترین شکل با امولسیون قیر آنیونی مخلوط شده و بعضی دیگر راه حل بهتری برای امولسیون قیر کاتیونی می باشند.

اکثر امولسیون هایی که در جهان تولید می شوند از مدل امولسیون کاتیونی به حساب می آیند که از مخلوط مین و آن ها، دی آمین ها، ترکیبات چهارتایی آمونیوم، آمین های الکوکسی (Alkoxylated Amiens)، آمید و آمین ها تشکیل شده اند. بیشتر آن ها به طور طبیعی به شکل خنثی استخراج شده و نیاز است تا با اسید واکنش دهند تا در آب حل شده و کاتیونی شوند. در نهایت امولسیون های کاتیونی اسیدی هستند و دارای PH کمتر از 7 می باشند. به طور معمول هیدروکلریک اسید با اتم نیتروژن واکنش داده و یون آمونیوم ایجاد می شود. ترکیب های آمونیوم چهارتایی احتیاج به واکنش اضافی با اسید را ندارد و شکل نمک و محلول در آب می باشند اما برای اصلاح کارآیی امولسیون می توان ph آن را از طریق اسید تنظیم نمود. امولسیون آنیونی بعد از نوع کاتیونی کاربرد بیشتری داشته و به طور معمول از طریق امولیسفایر اسید های چرب یا سولفونات ها ثابت می شوند.

اسید های چرب در آب غیر محلول بوده و از طریق واکنش با قلیا به طور معمول سدیم با پتاسیم هیدروکسید قابل حل می شوند. در نهایت امولسیون های آنیونی قلیایی بوده و PH آن بیشتر از 7 است. سولفونات به طور معمول از نمک های سدیم محلول در آب حاصل می شوند و خنثی کردن بیشتر نیاز ندارد ولی میزان سدیم هیدروکسید اضافی برای تنظیم PH بیشتر از 7 و یونی کردن اسید های طبیعی موجود در قیر به کاربرده می شود.

امولیسفایر غیر یونی به میزان زیادی تولید نشده و به طور معمول برای اصلاح خواص امولسیون های کاتیونی و آنیونی به کاربرده می شود. امولیسفایر های غیر یونی بیشتر برای اسید های چرب می باشند.

قیر و آب جزء اصلی ترین و مهمترین مواد تشکیل دهنده قیر امولسیون هستند که با کمک امولسیفایر مخلوط می شوند. طبقه بندی قیر امولسیونی بر حسب ساختار یونی به سه دسته آنیونیک، کاتیونیک و نانیونیک تقسیم می شود که به طور کامل به شرح آن می پردازیم.

مهمترین شاخص در خصوصیت قیر های امولسیونی زمان شکست و جدا شدن قیر و آب بعد از استفاده و اجراست که می توان آن را به دسته که شامل تند شکن(ناپایدار)، کند شکن(نیمه پایدار) و دیر شکن(پایدار) می شود.

قیر های تند شکن(cationic Rapid Setting-CRS)

امولسیون های قیر تند شکن(ناپایدار) (cationic Rapid Setting-CRS) امولسیون های قیری ناپایدار روی سطح مصالح زیاد شکسته می شوند و یک لایه نازک قیر باقی می ماند. مصرف زیاد آن در آب بندی با مصالح سنگی، آب بندی ماسه، آسفالت های سطحی و ماکادام نفوذی است. امولسیون های قیر تند شکن برای این که در سطح راه جاری نشود، از کند روانی بالایی برخودار هستند.

قیر کند شکن(Cationic Medium Setting-CMS)

این دسته نسبت به قیر تند شکن پایداری بیشتری دارد و می توان آن را با مصالح سنگی مخلوط کرد چرا که به سرعت بعد از تماس با سنگدانه شکسته نمی شوند و مخلوط آسفالت برای مدت کوتاه کارایی خودش را حفظ می کند. این امولسیون ها در کارخانه های آسفالت بسیار تهیه شده و یا به شکل آسفالت مخلوط در محل به کاربرده می شود. امولسیون های قیری کند شکن پوشش بهترین نسبت به مصالح سنگی، در دمای بالای محیط را دارا می باشند.

قیر های دیر شکن(Cationic Slow Setting)

این دسته شامل امولسیون های قیری می باشد که بعد از تماس با مصالح سنگی دوام بیشتری دارند. این امولسیون ها را می توان با مصالح سنگی با دانه بندی پیوسته و مقدار زیادی ریزدانه به کاربرد. امولسیون های قیری دیرشکن کندروانی کمی داشته که می توان با افزودن آب، کندروانی آن را کاهش داد.

این گروه زمانی که رقیق شود می تواند برای اندود سطحی، آب بندی سطح روسازی بدون مصرف سنگدانه و فرونشاندن گرد و غبار به کار برده می شود. اگر سرعت شکست تند تری در مخلوط آسفالت مانند در دوغاب امولسیون مورد نیاز باشد می توان به آن سیمان اضافه کرد. نوع قیری که در راه سازی استفاده می شود با توجه به شرایط جوی، نوع و شدت ترافیک، نوع روسازی، جنس و دانه بندی مصالح سنگی تعیین می شود.

روش تولید قیر امولسیون

در حال حاضر دو روش تجارتی برای تهیه امولسیون قیر مورد نیاز راهسازی متداول است که به شرح زیر است:

• روش آسیاب کلوئیدی

اکثر قیر امولسیون از طریق آسیاب کلوئیدی پیوسته (Colloid Mill) تولید می شود. این دستگاه شامل یک روتور پر سرعت بوده که با rpm 1000 تا  rpm 6000   در یک سیم می چرخد. فضای بین روتو و سیم پیچ به طور معمول mm0.2  تا mm 0.5 تنظیم می شود. قیر داغ و محلول های امولیسفایر به شکل جداگانه ولی همزمان داخل آسیاب کلوئیدی وارد می شوند و دمای این دو ترکیب برای کنرتل فرآیند حائز اهمیت است. به طور معمول از قیر پن گرید برای ایجاد امولسیون قیر به کاربرده شده و برای رسیدن به ویسکوزیته باید دما بین 100 تا 140 درجه باشد.

برای جلوگیری از جوشیدن آب، دمای آب طوری انتخاب می شود که دمای مخلوط کمتر از 90 درجه باشد. زمانی که قیر و محلول امولیسفایر در آسیاب کلوئیدی وارد می شود، تحت تاثیر نیروی برش شدیدی قرار گرفته که سبب تبدیل قیر به ذرات کوچک می شود. ذرات هر کدام از طریق امولسفایر پوشانده شده و سطح قطره های یک بار الکتریکی را در بر می گیرد و نیروی الکترواستاتیک حاصل شده، مانع از تمجع ذرات می شود.

زمانی که قیر به کاربرده شده از نوع پن گرید و نرم نباشد، تولید آن سخت تر است. دمای بالاتری برای پمپ کردن و منتشر شدن قیر در آسیاب نیاز است و برای پخش شدن قیر در آسیاب باید از نیروی بیشتری به کاربرده شود و این سبب افزایش دما محصول می شود.

برای بهره گیری از قیر با ویسکوزیته به نسبت بالا به همراه امولیسفایر های معمولی از آسیاب های تحت فشار استفاده می شود و سبب افزایش خروجی با قیر معمولی می شود. امولسیون با دمای بیشتر از 130 درجه تحت فشار تشکیل می شود و امولسیون های ایجاد شده باید قبل از ذخیره سازی در تانک های معمولی تا کمتر از دمای 100 درجه سانتیگراد سرد شوند.

• مخلوط کن سریع

در این روش قیر داغ وارد محلول رقیق قلیایی شده و در نهایت فرآیند امولسیون سازی به علت فعل و انفعال هایی بین اسید های آلی موجود در قیر و قلیایی محلول انجام می شود، شکل می گیرد. شیوه تولید قیر با این روش به این شکل است که باید میزان مشخصی آب را تا نزدیک نقطه جوش رسیده، در یک مخلوط کن مجهز به دستگاه همزن وارد کرده و در نهایت به آن قلیا بی افزایند.

در مرحله بعدی، قیر گرم که حدود 100 درجه سانتیگراد را به شکل آهسته و مستمر به مخلوط کن اضافه کرده تا یک قیر امولسیون با بهترین کیفیت تولید شود. لازم به ذکر است بدانید دستگاه همزن نباید در مرکز مخلوط کن قرار گیرد چرا که سبب گرداب می شود.

ویژگی های قیر امولسیون

کاربرد بیشتر قیر امولسیون برای ایجاد پوشش در سطح می باشد که با وجود اصول ذکر شده مهمترین خواص قیر امولسیونی به شرح زیر است:

• بالا بودن خاصیت چسبندگی
• امکان استفاده در دمای محیط
• حمل و نقل راحت به شکل فله
• نفوذ پذیری عالی به علت سیالیت بالا
• سازگاری بالا با محیط زیست و سمی نبودن
• عدم نیاز به حرارت در زمان نگهداری، حمل و پاشش
• برخورداری از خطر اشتعال کمتر به دلیل داشتن مقدار مختلف آب

قیر امولسیونی باید قابل ذخیره باشد، ولی در زمان کار باید به سرعت وکیور شود و قیر باقیمانده دارای خواص ایده آل، حمل و نقل و کاربرد پایدار مثل چسبندگی قوی به سطح جاده و دیگر سطح های مد نظر باشد.

امولسیون قیر باید دارای ویکسوزیته کم باشد تا کارکردن و کاربرد آن آسان شود و بی نظمی اسپری شدن کاهش یابد. علت بی نظمی های شیب یا خمیدگی جاده ها به این علت است که وقتی امولسیون می شکند قیر باقی مانده دقیقا خاصیت قیری را دارد که برای ساخت امولسیون به کار می رود اما استثناء هم وجود دارد.

امولیسفایر به کاربرده شده احتمال دارد قیر بازیافت شده را اصلاح نماید علل الخصوص خاصیتی که مشابه چسبندگی باشد. امولسیون پایدار شده با رس (Clay Stablizized)   می توانند برای تولید فیلم های قیر به کار رود که این نوع از امولسیون در دماهای بالا جاری نشده و برای پوشش بام و عایق کاری در عایق ضد رطوبت مناسب می باشد. اصلاح کننده ها می توانند به آن مواد منعقد شده، یک مخلوط یکنواخت در ابعاد میکرون از دو ماده امولیسفای شده قبلی را ایجاد می کند.

انواع قیر امولسیون

قیر امولسیوناز لحاظ ساختار یونی به طور کلی به چهار دسته تقسیم می شود که به شرح زیر است:

• قیر امولسیونی کاتیونی   Cationic emulsion bitumen 

اگر در سیستم حاوی ذرات قیر با بار مثبت ذرات به سمت کاتد مهاجرت کنند سیستم، کاتیونی نام می گیرد.

• قیر امولسیونی آنیون Anionic emulsion bitumen   

اصطلاح های کاتیونی و آنیونی مطابق بار الکتریکی ذرات قیر نام گرفته شده است. این سیستم شناسایی بر گرفته از یک قانون اساسی الکتریسته(دفع بار های هم نام، جهت بار های ناهمنام) می باشد. اگر یک پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود غوطه ور در یک امولسیون حاوی ذرات قیر با بار منفی استفاده شود این ذرات به سمت آند می روند که در این حالت امولسیون را آنیون می گویند.

• قیر امولسیونی غیر یونی Non-ionic emulsion bitumen 

ذرات قیر در قیر امولسیون نانیونیک با قیر امولسیون غیر یونی خنثی بوده و در نهایت به سمت هیچکدام از الکترود ها مهاجرت نمی کنند که این نوع از امولسیون ها کمتر در بزرگراه ها مورد استفاده قرار می گیرد

• قیر امولسیونی تثبیت شده با رس

این نوع قیر به جای کاربری در جاده سازی در صنعت به کاربرده می شوند. در این مواد امولسفایر ها پودر های رس طبیعی یا فرآوری شده یا بنتومیت با سایز های کمتر از سایز ذرات قیر در امولسیون می باشد. با وجود این که ذرات قیر ممکن است حامل مقداری بار ضعیف باشد، مکانیسم اولیه که مانع تراکم می شود شامل حفاظت مکانیکی سطح ذرات قیر از طریق پودرها و ساختار تیکسوتروپ امولسیون که مانع از حرکت ذرات قیر می شود، می باشد.

کاربرد قیر امولسیون

قیر به علت داشتن ویژگی های خاص و منحصر به فرد همانند عدم نفوذپذیری در مقابل آب و چسبندگی عالی، کاربرد های بسیاری دارد که به شرح زیر است:

• استفاده زیاد در مخلوط های آسفالت سرد
• استفاده برای تعمیرات و لکه گیری های آسفالتی
• استفاده برای غبارگیری و مالچ پاشی
• کاربری برای فوگسیل، سیل کت، تک کت، پریمکت و …
• کاربرد های متعدد در آسفالت های سطحی یک لایه ای یا چند لایه ای

جاده هایی که در اثر عوامل جوی و فرسودگی دچار خرابی در سطح رویه راه شده اما جسم آن ها سالم باشد نیاز به عملیات بهسازی دارند تا خرابی راه نفوذ نکرده و سبب از بین رفتن آن نشود. این خرابی ها شامل ترک های ریز در سطح راه، از دست رفتن مصالح یا ساییده شدن رویه می شود که تا به حال برای بهسازی این راه ها از اسلاری سیل که مخلوطی از قیر و مواد ریز دانه باشد به کاربرده می شد که آن چنان رضایت بخش نبود و اکنون از قیر امولسیون استفاده می شود.

شرایط کاربرد قیر های امولسیون

به طور عمده کاربرد قیر های امولسیونی بیشتر برای پر کردن ترک ها و چاله های محدود است که بدین منظور برای رفع اینگونه خرابی ها از سطح راه پیشنهاد می شود:

در شرایطی که چاله های سطحی راه کمتر باشد از مخلوط های نازک آسفالت امولسیونی با دانه بندی 0 تا 4 یا 0 تا 10 میلیمتر به کاربرده می شود.

در شرایطی که چاله ها بزرگتر باشد و یا راه دچار تغییر شکل و موجی شده باشد از روکش های آسفالت گرم نیز استفاده می شود و یا با آسفالت تراش اول تغییر شکل ها و موج ها برداشته شده و در نهایت آسفالت نازک امولسیونی ایجاد می شود.

میزان پخش آسفالت امولسیونی نازک در سطح روش ها با توجه به وضعیت موجود شرایط آب و هوایی و فصل کاری نوع امولسیون و درصد قیر آن مشخص می شود.

محدودیت های کاربرد قیر های امولسیونی

اجرای آسفالت های نازک امولسیونی در بعضی از شرایط کاربرد ندارد که به شرح زیر است:

• زمانیکه روسازی دچار نشست ناشی از لایه های زیرین شده باشد.
• عمق چاله ها به میزانی باشد که حتی با دو بار عبور دستگاه و اجرا آسفالت نازک امولسیونی در دو لایه نیز پر نشود.
• ترک ها رویه از نوع ترک های فعال باشد.

جمع بندی

قیر امولسیون مخلوطی از قیر نفتی و آب است که ذرات غیر قابل امتزاج داشته و از طریق امولسیون ساز تولید می شود. این قیر به دو روش آسیاب کلوئیدی و یا مخلوط سریع تولید شده و قطر دانه های آن001/0 تا  002/0 میلی متر می باشد.

قیر، آب، امولسیفایر، اسید و کلسیم کلراید جزء اصلی ترین مواد تشکیل دهنده قیر امولسیون می باشند که به دلیل ویژگی هایی مثل چسبندگی عالی، اشتعال پذیری، سازگاری با محیط زیست و… کاربرد های صنعتی مختلفی دارد.

سوالات متداول

قیر امولسیون از لحاظ ساختار یونی به چند دسته تقسیم می شود؟

قیر امولسیونی کاتیونی، قیر امولسیونی آنیونی، قیر امولسیونی غیر یونی، قیر امولسیونی تثیبت شده بارس

قیر امولسیون به چند روش تولید می شود؟

قیر امولسیون به دو روش کلوئیدی و مخلوط سریع تولید می شود.