بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آسفالت گوگردی
چکیده:
حجم گوگرد تولیدی در کشور بقدری زیاد است که مشکلات عدیده ای را ایجاد نموده و در مواردی صادرات آن نیز با مشکل روبرو شده است. استفاده از گوگرد تولیدی پالایشگاه گاز خانگیران در ساخت آسفالت و آزمایش صحرایی آن بصورت یک کار تحقیقاتی انجام گرفت. ابتدا تحقیقات آزمایشگاهی در این زمینه انجام و در صدهای مختلف گوگرد با قیرهای مختلف مخلوط شد تا نهایتاً درصد بهینه گوگرد و نوع قیر مناسب پایه بدست آمد. این قیر مشخصاتی در محدوده قیر ۶۰/۷۰ استاندارد پالایشگاهی دارد و لذا می تواند در مقایسه با قیرهای ۶۰/۷۰ معمولی ارزیابی شود. قیر اصلاح شده از جهات مختلف شیمیایی و فیزیکی ارزیابی و نقاط مثبت و منفی آن بررسی گردید. سپس در آزمایشگاه طراحی آسفالت انجام گرفت و شرایط عملیاتی مانند درجه حرارتهای مورد نیاز و ... بدست آمد. با توجه به نتایج حاصل از انجام بررسی ها، روش افزودن گوگرد به قیر و سپس افزودن قیر گوگردی به مصالح سنگی مبنای کار قرار گرفت. در پژوهش های صورت گرفته همواره مسایل آلودگی و زیست محیطی مدنظر بوده است بطوریکه در مراحل مختلف کاری، با کمترین آلودگی ترکیبات گوگردی مواجه گردیده شود. پس از طراحی آسفالت و تهیه فرمول کارگاهی ساخت بتون آسفالتی، در نهایت در مقیاس صتعتی اقدام به ساخت، تولید و پخش آسفالت جهت ارزیابی عملکرد آن شد. در این عملیات ۵۰۰ تن آسفالت گوگردی ساخته شده در یکی از محورهای در حال ساخت، در مقایسه با آسفالت معمولی تحت بار ترافیکی و گذشت زمان قرار گرفته است. این مقاله در برگیرنده اثرات مختلف افزایش گوگرد به قیر در عملکرد آسفالت بوده و شرایط بهینه انجام اینکار را توصیه می نماید.
کلید واژه ها: آسفالت گوگردی - بتون آسفالت گوگردی - گوگرد - قیر - آسفالت
مقدمه
بازیابی گوگرد از سوختهای فسیلی به منظور جلوگیری از آلودگی هوا و ایجاد خوردگی در دستگاهها باعث می شود که بالاجبار مقادیر معتنابهی گوگرد در صنایع مربوطه تولید شود که تولید آن بخصوص در صنایع پالایش گاز و نفت ایران چشمگیر تر بوده و بخش قابل توجهی از آن مازاد بر مصرف است، زیرا در مقابل حجم عظیم تولید گوگرد، مصرف آن بسیار محدود و در حجم های بسیار کم میباشد. از طرف دیگر صادرات این ماده، حداقل از برخی پالایشگاهها، دارای مشکلات خاص خود بوده و در بسیاری از مواقع از لحاظ اقتصادی چندان مقرون به صرفه نمی باشد. پیش بینی ها نشان می دهد تولید سالیانه گوگرد در ایران و جهان بدلیل محدودیتهای زیست محیطی و ترش شدن تدریجی منابع هیدروکربوری رو به افزایش است. لذا متخصصان و ادار گردیده اند که در مورد مصرف گوگرد مازاد مطالعاتی انجام دهند. یکی از کاربردها، بکارگیری آن در راهسازی است.
۲- تاریخچه
استفاده از گوگرد در راهسازی سابقه ای حدوداً یکصد ساله دارد. رویکرد همگانی اولیه در دهه هفتاد میلادی و بدنبال بحران انرژی در دنیا بوده است که منجر به ساخت دهها قطعه آزمایشی آسفالت گوگردی در نقاط مختلف دنیا گردید. اولین قطعات آسفالت گوگردی در اواسط دهه هفتاد میلادی در آمریکا و کانادا ساخته شد [۱] و سپس تا سال ۲۰۰۲ میلادی حدود ۴۲۰۰ کیلومتر آسفالت گوگردی در بیش از ۲۰۰ نقطه جهان ساخته شد و مورد ارزیابی قرار گرفت [۲] که از جمله این کشورها می توان به آمریکا، انگلستان، فرانسه، لهستان، اسپانیا، فنلاند، بلژیک، نروژ، عراق، کویست و عربستان سعودی اشاره نمود. [۳] ساخت قطعات آزمایشی آسفالت گوگردی در دهه هشتاد رو به کاهش نهاد ولی در اواخر دهه نود بار دیگر رو به افزایش نهاده است. علت این امر تغییر در قیمت نسبی گوگرد / قیر در این دوره می باشد که با افزایش این نسبت، توجیه اقتصادی و لذا تمایل به ساخت آسفالت گوگردی افزایش مییابد. در کشور ما نیز از دهه هفتاد میلادی پژوهشهایی در این زمینه در مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی خصوصاً پژوهشگاه صنعت نفت آغاز گردید. [۴] نتایج بدست آمده از عملکرد آسفالت گوگردی در نقاط مختلف جهان حاکی از آن است که عملکرد و قوام آسفالت گوگردی در اکثر نقاط معادل و یا بهتر از آسفالت معمولی بوده است.
۳- تئوری
۱-۳ - خواص گوگرد
گوگرد خالص مادهای جامد و زرد رنگ بوده که در دمای حدود ۱۱۹C ذوب شده و در دمای حدود ۱۶۰C یک افزایش ناگهانی در ویسکوزیته آن به وجود میآید. در درجه حرارتهای خیلی بالا، گوگرد گازهای سمی مانند SO۲ تولید می کند. این ماده در ترکیب با آب در شرایط مخصوص و دماهای معینی اسید سولفوریک تولید می کند که بسیار خورنده است. وزن مخصوص گوگرد جامد حدود ۲ برابر قیر میباشد ("۲/۰۷gr/cm) و وزن مخصوصی گوگرد مایع (el-lil /vgr/cm
۳- ۲- عملکرد گوگرد
در ساختمان شیمیایی قیر و خواص آن واکنش بین گوگرد و قیر تابعی از درجه حرارت و غلظت گوگرد است. گوگرد در نقطه ذوب خود بصورت حلقه هشت تایی میباشد و در دماهای بالاتر پلیمریزه شده و به صورت زنجیر دو رادیکاله در می آید. رادیکالها ممکن است به دو صورت با قیر عمل کنند، یا تشکیل باند کرین - گوگرد می دهند و یا هیدروژن جذب کرده و در نتیجه عمل دهیدروژناسیون صورت می گیرد. البته احتمال انجام هر یک از این فعل و انفعالات به درجه حرارت بستگی داشته و محصول عمل متفاوت خواهد بود. در دمای ۲۴۰C، گوگرد مشابه اکسیژن هوا عمل نموده و واکنش عمده اکسیداسیون خواهد بود و گاز HS آزاد میگردد. در صورتیکه در دمای ۵°C تا ۱۴۰ واکنش عمده، ورود اتمهای گوگرد در مولکولهای گروه نفتن آروماتیک قیر می باشد و در نتیجه این فرآیند میزان گروه نفتن آروماتیک قیر کاهش یافته و درصد گروه پلار آروماتیک قیر افزایش می یابد. طی این فرآیند قیر نرمتر شده و در ضمن چسبندگی بیشتری خواهد یافت. [۶] نکته ای که باید بدان توجه نمود آنست که در محدوده دمایی ۵C + ۱۴۰ تمام گوگرد افزوده شده به قیر در واکنش شرکت نمی کند و بخشی از آن بصورت محلول در قیر و بخش دیگر بصورت شناور در قیر باقی می ماند. درصد گوگرد واکنش نموده بستگی به غلظست گوگرد ود درصد بخش نفتن آروماتیک قیر و در نتیجه به نوع قیر دارد. بنابراین افزایش گوگرد به قیر در دمای ۱۴۰C، روندی شامل وارد شدن گوگرد در ساختمان شیمیایی قیر، حل شدن گوگرد در قیر، تعلیق مازاد گوگرد بصورت ذرات کلونیدی و در نهایت تمایل گوگرد به ته نشینی را خواهیم داشت.[ ۸ و ۷]
۶- تاثیر افزایش گوگرد به مخلوطهای آسفالتی
۶- ۱- بتون آسفالتی با توجه به اینکه قسمت اعظم آسفالت گرم مورد استفاده در دنیا از نوع بتون آسفالتی می باشد، بکارگیری گوگرد در داخل بتون آسفالتی مورد توجه بیشتری قرار گرفته است، بطوریکه اکثر قطعات آسفالت گوگردی اجرا شده در کشورهای مختلف از نوع بتون آسفالتی گوگردی بوده و گزارشهای موجود در مورد تاثیر افزایش گوگرد در خواص و عملکرد بتون آسفالتی می باشد. از مجموع گزارشهای مطالعه شده در مورد مقایسه خواص و عملکرد بتون آسفالتی معمولی و بتون آسفالتی گوگردی نتایج زیر بدست آمده است. ۱-۱-۴- بهبود برخی از مشخصات مکانیکی از جمله افزایش تاب فشاری مارشال، افزایش سختی (StiffineSS)، افزایش مقاومت در مقابل شیاردار شدن (rutting) و کاهش ترکهای عرضی در مورد آسفالت گوگردی، [۸] ۲-۱-۴- افزایش عمر و دوام آسفالت گوگردی در مقایسه با آسفالت معمولی [۲] ۳-۱-۴- افزایش و سهولت کاربری (کار کردن) آسفالت بعد از افزایش گوگرد به آن [۲] ۴-۱-۴- صرفه جوئی در هزینه انرژی لازم برای ساخت آسفالت از طریق کاهش دمای اختلاط
مقاومت بیشتر در مقابل حلالهای نفتی
ب- ۲- ماسه آسفالت با توجه به اینکه، ماسه آسفالت دارای استحکام و مرغوبیت کمتری از آسفالت معمولی می باشد، برای لایه های رویه و ترافیک سنگین کاربرد ندارد. تحقیقات به عمل آمده نشان داده است که افزایش گوگرد به ماسه آسفالت، مقاومت آن را تا حد قابل توجهی بالا میبرد به نحوی که در لایه های رویه و ترافیک سنگین نیز کاربرد خواهد داشت. علاوه بر آن با استفاده از گوگرد می توان از ماسه بادی کویر و قیر، مخلوط مناسبی ساخت که دارای استحکام کافی جهت استفاده در راههای اصلی باشد. در برخی از منابع به فرمولاسیون: ماسه بادی ۸۲ درصد، قیر ۶ درصسل و گوگرد ۱۲ درصد اشاره شده است. این مخلوط به واسطه درصد بالای گوگرد، به سرعت میبندد و به جهت گیرش سریع می توان آن را به عنوان ماده مناسبی جهت لکه گیری جاده بکار برد و با فاصله کوتاهی پس از پخش به وسایل نقلیه اجازه عبور داد. [ ۹]
۵- روشهای تهیه آسفالت گوگردی
جهت تهیه آسفالت گوگردی، گوگرد را در مراحل مختلف تهیه آسفالت می توان در مخلوط وارد نمود. در منابع مطالعه شده به روشهای زیر اشاره شده است:
۵- ۱- اختلاط قبلی قیر و گوگرد
در این روش که خود به چند صورت امکان پذیر است، قیر گوگرد خورده به سنگدانه های داغ در Pug mill افزوده می شود در زیر به این صورتها اشاره میگردد. ۱-۱-۵- اختلاط قیر داغ و گوگرد مذاب با وسایلی مانند آسیاب کلوئیدی، همزن پرهای و یا اختلاط در مسیر (In-Line blending) یا در ظرفی توزین (Weigh Bucket) انجام میگیرد که هر روش مزایا و معایب مخصوص به خود را دارد. ۲-۱-۵- اختلاط قیر داغ و گوگرد جامد، بصورتی که گوگرد جامد به مخزن قیر مذاب وارد شده و پس از تماس با قیر مذاب و مایع شدن، با همزن های قوی به خوبی در داخل قیر توزیع می گردد و در نهایت قیر گوگرد دار به طرف Pug mill هدایت میگردد. [ ۱۰]
۵ - ۲- افزایش مستقیم گوگرد
به Pug mill در این روش گوگرد مایع یا جامد پس از توزین، مستقیماً به داخل Pug mill تزریق شده و بدینوسیله ضمن حذف مخازن مربوط به گوگرد مایع و یا پیش اختلاط قیر و گوگرد که منجر به تولید HS خواهد شد، آلودگی های احتمالی کمتر شده و سهولت بیشتری نیز در کار ایجاد خواهد شد.مخلوط سنگدانه داغ و قیر ریخته و بخوبی مخلوط می شود.
۹ - عملیات آزمایشگاهی قبل از ساخت آسفالت گوگردی
در مقیاس صنعتی، لازم بود که در آزمایشگاه کلیه پارامترهای فنی منجمله دمای اختلاط، درصد بهینه قیر و گوگرد، روش اختلاط، طراحی مخلوط آسفالتی و ... بدست آید. در این راستا، مخلوطهای بسیاری ساخته شد که جهت پرهیز از اطاله کلام، صرفاً نتایج حاصله بیان میگردد. جهت دستیابی به مخلوطی همگن و یکنواخت، روش اختلاط قبلی قیر و گوگرد آنهم بصورت قیر مذاب و گوگرد جامد انتخاب گردید. قیر ۶۰/۷۰ از پالایشگاه اصفهان و گوگرد جامد از شرکت پالایش گاز شهید هاشمی نژاد (خانگیران) به میزان کافی تهیه گردید. اختلاط قیر و گوگرد باید کافی بوده، بطوریکه گوگرد بصورت کاملاً یکنواخت در محیط قیر حل و توزیع گردد و از ایجاد توده های کریستالهای گوگرد اجتناب شود. قیر گوگرد خورده یک dispersion نسبتاً ناپایدار است و باید همیشه به عنوان یک محصول حدواسط که نباید آن را انبار کرد در نظر گرفته شود. اختلاط مناسب با مشاهده فیلم نازکی از مخلوط در زیر یک میکروسکوپ نوری مشاهده و مورد بررسی قرار گرفت. بررسیهای میکروسکوپی نشان داد که مقدار گوگرد حل شده در قیر مستقل از گرید قیر بوده و در دمای محیط با گذشت زمان متبلورنمی شود.
۹ - ۱ نتایج خواص قیر گوگرد خورده
از مشاهده و بررسی نتایج مندرج در جدول شماره ۱ مربوطه به تعداد محدودی از مخلوطهای ساخته شده می توان به نتایج زیر رسید.
۶ - ۱ - ۱ - درجه نفوذ
همانگونه که قبلاً ذکر شد با افزایش گوگرد، قیر نرمتر شده و درجه نفوذ افزایش مییابد. افزایش حدود ۵ درصد گوگرد باعث افزایش چشمگیر در نفوذ پذیری شده و با افزایش تدریجی درصد میجی گرد تا حدود ۴۵ درصد، درجه نفوذ محصول تفاوت زیادی نشان نمی دهد، ازدیاد درصد گرد به بالاتر از ۴۵ درصد، باعث کاهش نفوذ پذیری قیر به پائین تر از مقدار اولیه قیر پایه می شود .
۶- ۲-۱- نقطه نرمی
بدلیل تبدیل بخش نفتن آروماتیک قیر به پلار آروماتیک و ثابت ماندن آسفالتین ها به اشباع شده ها در روند افزایش گوگرد به قیر، میزان نقطه نرمی محصول تغییر چندانی نمی نماید. ۶ - ۳-۱- کششی پذیری با افزایش درصد گوگرد به قیر، کشش پذیری در دماهای بالا (۱۵ و ۲۵ درجه سانتی گراد) کاهش مییابد. اما در دماهای پائین، کشش پذیری بهبود یافته و با افزایش درصد گوگرد، تغییر محسوسی در میزان آن مشاهده نمی شود.
۴-۱-۶- اثر حرارت بر قیر گوگرد خورده
انجام آزمایش کاهش وزن بر اثر حرارت (LOSS On Heating) بیانگر آن است که هر چه درصد گوگرد در قیر بیشتر باشد، درصد اتلاف وزن بیشتر می شود و افت درجه نفوذ پذیری قیر گوگرد خورده پس از آزمایش LOSS On Heating در مقایسه با قیر خالص بیشتر خواهد بود. این روند در آزمایش RTFO یا اثر حرارت بر لایه نازک قیر گردشی نیز مشاهده می شود.
۵-۱-۶- ویسکوزیته
با افزایش گوگرد همانند نفوذ پذیری، ویسکوزیته نیز کاهش می یابد ولی در درصد حدود ۳۵، ویسکوزیته بالا رفته و به میزان قیر خالص نزدیک می شود و مجدداً با افزایش گوگرد میزان ویسکوزیته کاهش می یابد.
۹- ۲- بتون آسفالتی
بر اساس نتایج تحقیقات آزمایشگاهی، به منظور جلوگیری از ایجاد آلودگی و تصاعد گازهای مضر نظیر H۲S درجه حرارت قیر گوگردی در هیچ مرحله ای نباید از C"۱۵۰ بالاتر رود البته این مسئله هیچ مشکلی را برای مراحل مختلف عملیات ساخت و پرداخت آسفالت گوگردی ایجاد نمی کند و این به علت خواص رئولوژیکی بهبود یافته قیر گوگرد خورده است. در این راستا، در مراحل بعدی عملیات آزمایشگاهی بکارگیری گوگرد در بتون آسفالتی، شامل روش بکارگیری گوگرد در مخلوط آسفالتی، تعیین بهترین شرایط اختلاط و کوبیدن و بدست آوردن بهترین فرمول کارگاهی در مورد قیرهای گوگرددار با در صدهای مختلف گوگرد، مورد بررسی قرار گرفت و پس از مقایسه با نتایج مربوط به قیر شاهد (۶۰/۷۰ پالایشگاه اصفهان) تحلیل نتایج انجام شد. در آخرین مرحله، تاثیر میزان افزایش گوگرد به قیر بر روی چسبندگی ملات قیر به سنگدانه های معدنی، در حضور آب بررسی گردید. همانگونه که در شکل ۱ ملاحظه می شود از منحنی تغییرات ویسکوزیته با درجه حرارت، دمای اختلاط و کوبیدن قیر ۶۰/۷۰ پایه بدست می آید. با توجه به اینکه ویسکوزیته قیر گوگردی از قیر خالص کمتر می باشد، لذا دماهای اختلاط و کوبیدن مخلوط قیر گوگردی پائین تر از قیر خالص خواهد بود. در این تحقیقات، دمای اختلاط بین ۱۴۵ - ۱۴۰ و دمای کوبیدن ۱۳۵ - ۱۳۰ درجه سانتی گراد انتخاب گردید. با توجه به اینکه وزن مخصوص گوگرد حدود ۲ برابر قیر می باشد از فرمول زیر می توان درصد وزنی قیر گوگرد خورده جهت تامین حجم معادل با قیر خالص را بدست آورد.
PA - درصد وزنی قیر در بتون آسفالتی بدون گوگرد
SGSA- وزن مخصوص قیر گوگرد خورده
SGA - وزن مخصوص قیر خالص
%SEA - درصد وزنی لازم از قیر گوگرد خورده
۹- ۳- طراحی مخلوط آسفالتی
طراحی مخلوط آسفالتی با قیر خالص ۶۰/۷۰ و قیر گوگردی در آزمایشگاه انجام گرفت. از مصالح سنگی یکسان استفاده شد که مشخصات آن در جدول شماره ۲ ملاحظه می گردد.
همچنین محاسبات طرح مارشال نمونه های ساخته شده با قیر ۶۰/۷۰ در جدول شماره ۳ آورده شده است. درصد بهینه قیر ۴٫۶ بدست آمد.
