اثر گوگرد در آسفالت
گوگرد زدایی مواد نفتی به منظور كاهش آلودگی هوا از مسائلی است كه همواره مورد نظر بوده است. استفاده از گوگرد در ساختن روسازی‌های آسفالتی در بسیاری از كشورها از توجه خاصی برخوردار بوده است. جایگزین كردن ۳۰ تا ۵۰ درصد قیر مصرفی با گوگرد سبب میشود كه مقاومت آسفالت به مقدار قابل توجهی افزایش یابد.
حدود ۹۲ % از گوگرد تولید شده در سطح جهان صرف تولید اسید سولفوریك میشود و فقط ۸% گوگردبه طور مستقیم در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. از كاربردهای گوگرد می‌توان به مواردی چون تولید اسید سولفوریك، صنایع كاغذسازی، دی اكسید گوگرد، ولكانیزاسیون لاستیك‌ها، كشاورزی، بتن ریزی و پوشش ساختمانی اشاره نمود.
از دیگر كاربردهای گوگرد استفاده از آن در ساختن روسازی‌های آسفالتی است. علت این امر افزایش قیمت مواد نفتی، كاهش تدریجی منابع هیدروكربونی و بخصوص گوگرد مازاد است. جایگزینكردن قیر با گوگرد سبب میشود كه مقاومت آسفالت به مقدار قابل توجهی افزایش یابد. در ساختن روسازی راه‌ها می‌توان كیفیت و مصالح سنگی را با استفاده از گوگرد بهبود بخشید.
اثر تركیبی گوگرد با قیر
در درجه حرارت محیط گوگرد از حلقه‌ای مركب از ۸ اتم كه به صورت ۸ ضلعی قرار گرفته است تشكیل میشود و به همین دلیل مقاومت شیمیایی زیادی دارد. وقتی دمای آن از ۱۱۸ درجه سانتی گراد بیشتر شود فوراً ذوب شده و ساختمان شیمیایی آن شكسته شده و قابلیت تركیب آن به خصوص با هیدروكربورهای اشباع نشده قیرها به شدت افزایش می‌یابد. كند روانی گوگرد تا دمای ۱۵۷ درجه سانتیگراد كاهش می‌یابد بنابراین اضافه كردن گوگرد مذاب به قیرهای خالص در دمای بین ۱۱۸ تا ۱۵۷ درجه سانتی گراد موجب كاهش كندروانی قیر شده و نیز با قیر تركیب میشود. در نتیجه امكان تركیب و مخلوط كردن مصالح شن و ماسه و قیر را در دمای پایین تر میسر می‌سازد و سهولتی نیز در كار خواهد بود. گوگرددر دماهای بالاتر از نقطه ذوب پلیمریزه شده و به صورت زنجیر دو رادیكاله در می‌آید. رادیكال‌ها ممكن است به دو صورت به قیر عمل كنند.
- تشكیل باند كربن سولفوره می‌دهند.
- هیدروژن جذب می‌كنند كه در نتیجه عمل دهیدروژناسیون صورت می‌گیرد.
انجام این فعل و انفعال‌ها به درجه حرارت بستگی دارد. در دمای ۱۴۰ درجه سانتیگراد اتم گوگرد وارد ساختار شیمیایی مولكول شده، با گروه نفتن آروماتیك‌های موجود در قیر تركیب و باعث تشكیل پلی سولفایدها میشود. پلی سولفایدها از نظر قطبیت در گروه پلار آروماتیك‌ها جای می‌گیرند در نتیجه قیر نرم‌تر شده و خاصیت الاستیسیته بیشتری خواهد یافت. بنابراین می‌توان گفت واكنش بین گوگرد و گروه نفتن آروماتیك منجر به تشكیل تركیبات پلار آروماتیك با درصد بالای گوگرد میشود. در دمای بیش از ۱۵۷ درجه سانتی گراد به دلیل كندروانی زیاد گوگرد دیگر گوگرد نقش روان كننده قیر را ایفا نكرده و برعكس مخلوط را سخت كرده و ضمناً طی فرآیند هیدروژن گیری موجب آزادشدن هیدروژن سولفوره نیز میشود. تغییرات رئولوژیكی قیر در این دما ناشی از افزایش نسبت آسفالتن به رزین است.
كنش گوگرد در قیرهای خالص به ترتیب زیر است.
بین صفر تا ۴ درصد وزنی گوگرد با قیر تركیب میشود. بین ۴ تا ۲۵ درصد گوگرد در قیر حل شده لیكن دیگر تركیب شیمیایی به وجود نمی‌آید. بین ۲۵ تا ۵۰ درصد گوگرد می‌تواند به صورت ذرات ریز درقیر پخش شود. برای عیارهای بیش از ۵۰ درصد گوگرد حتی اگر در قیر پخش هم شده باشد تمایل به ته نشینی دارد.
اضافه كردن گوگرد به مخلوط آسفالت، عمق شیار تمام مخلوط‌ها حتی مخلوط‌های ساخته شده با قیرهای نرم و مصالح شنی را تا ۸ میلیمتر کاهش می‌دهد.
بافت قیر گوگردی
گوگرد به دو صورت به مخلوط آسفالت افزوده میشود كه به بررسی این دو حالت می‌پردازیم.
افزودن گوگرد به مصالح داغ آغشته به قیر
در این روش مصالح سنگی در دمای ۱۴۹ درجه و قیر در دمای ۱۴۰ درجه سانتیگراد با هم مخلوط می‌شوند. ابتدا قیر دور سنگدانه‌ها را گرفته و پوششی در اطراف مصالح به وجود می‌آورد و خلل و فرج مربوطه را پر می‌نماید هنگامی كه گوگرد مذاب به این مصالح داغ افزوده میشود اطراف مصالح قیر دار را می‌پوشاند.
قسمتی از لایه قیر گرفته به وسیله‌ی گوگرد پر میشود. از آنجا كه لایه تركیبی قیر و گوگرد در این حالت بسیار نازك و اندك می باشد علاوه بر این كه این قشر اثر چندانی در چسبندگی و كنار هم گذاشتن مصالح سنگی را نمی‌تواند از خود نشان دهد بلكه گوگرد موجود در فضای بین مصالح صرفاً به صورت كریستال‌های گوگردی حضور خواهند یافت در حقیقت مانند مصالح ریزدانه عمل خواهند كرد. برای افزایش اثر لایه نازك مركب از قیر و گوگرد و كاهش فضای خالی بین مصالح سنگی لازم می‌آید مقدار گوگرد مصرفی را افزایش دهیم كه هم از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست و هم از گوگرد اضافه شده انتظاری غیر از نقش مصالح ریز دانه را نمی‌‌توانیم داشته باشیم.
تركیب قیر با گوگرد قبل از افزون به مصالح داغ
در این حالت عنصر گوگرد در مخلوط به سه حالت مختلف وجود خواهد داشت.
- مقدار كمی از آن با قیر وارد تركیب شیمیایی میشود.
- بخش دیگری در قیر حل میشود.
- باقیمانده به صورت كریستال‌های گوگرد كه عموماً به صورت ذرات ریز آسفالت هستند ظاهر می‌شوند.
مقدار گوگردی كه در قیر حل میشود بستگی به نوع قیر داد. مثلاً نوعی از قیر در درجه حرارت ۱۵۰ درجه سانتی گراد تا ۲۰ درصد گوگرد را در خود حل می‌نماید.
گوگرد كریستالی پراكنده شده در تمام قالب‌ها همچون یك عامل تقویت كننده عمل می‌كند و هنگامی تحت اثر بار ثابت تغییر شكل می‌دهد. انرژی بیشتری مورد نیاز است تا ذرات گوگرد SEA كه مخلوط پراكنده به جنبش افتند زیرا در این حالت ویسكوزیته مخلوط مقدار بیشتری را نسبت به قیر پیدا می‌كند. این مطلب مخصوصاً در مخلوط‌های تا ۵۰ درصد وزنی گوگرد كه اندازه ذرات موجود بزرگتر و زنجیره‌ای هستند به روشنی دیده میشود. رشد طولی كریستال‌های گوگرد به شكل سوزن‌هایی در نمونه‌ها بوده و پروسه تجدید كریستال شدن گوگرد در درجه حرارت ثابت و در زمان طولانی از هنگام ساخت یا تهیه نمونه اتفاق می‌افتد.
تثبیت تركیب‌های قیر – گوگرد
تمام مخلوط‌های قیر-گوگرد را به دلایل ذیل باید تثبیت و پایدار نمود.
- دارای ثبات كمتری خواهند بود.
- باید بدون تاخیر استفاده شوند.
- قبل از استفاده به عملیات اختلاط اولیه نیاز دارند تا گوگرد در مخلوط ته نشین نشده و به صورت معلق باشد.
طرح روسازی‌های آسفالت گوگردی
برای تهیه آسفالت گوگردی بهتر است ابتدا قیر و گوگرد با هم تركیب شده سپس به مصالح افزوده شوند.در این قسمت به بررسی تهیه چند طرح مختلف از آسفالت گوگردی می پردازیم كه شامل موارد زیر است.
- آسفالت گوگردی تهیه شده با گوگرد مذاب
- آسفالت گوگردی تهیه شده با گوگرد جامد
- امولسیون آسفالت گوگردی
درصد گوگرد مناسب
جایگزین شدن قیر توسط گوگرد بر مبنای حجمی است. مقدار گوگرد اگر كمتر از ۲۵ درصد وزنی باشد خواص بافت مورد نظر نامناسب بوده زیرا ذرات گوگردی موجود در مخلوط كافی نخواهد بود و چنانچه مقدار آن بالای ۶۰ درصد وزنی باشد، مقدار اضافی گوگرد به دانه‌های پخش شده چسبیده و باعث نامطلوب شدن مخلوط میشود علاوه برآن فاز پراكنده گوگرد در قیر به قیر در گوگرد تبدیل شود. بنابراین نسبت مناسب برای رسیدن به بافت مطلوب شامل ۳۵ تا ۵۰ قسمت گوگرد در ۵۰ تا ۶۵ قسمت قیر است.
امولسیونهای آسفالت گوگردی
جهت بهبود و پوشش بهتر قیر به مصالح سنگی، صرفه جویی در انرژی، تنوع بیشتر و كاربرد در شرایط آب و هوایی متفاوت از امولسیونهای آسفالتی گوگردی استفاده می‌كنند. امولسیونهای آسفالت گوگردی شامل فازهای مختلفی هستند كه درصد و مقدار اجزاء تشكیل دهنده هر فاز از تركیبی به تركیب دیگر متفاوت است. تفاوت تركیب‌های مختلف فقط در مقدار و درصد فازها است و پروسه تولید در تمام آن‌ها مشابه است.
تركیب مورد نظر امولسیون آسفالت گوگردی شامل فازهای زیر است.
فاز قیری
این فاز شامل ۴۰ تا ۷۰ درصد قیر روسازی، ۱۰ تا ۵۰ درصد گوگرد و ۵ تا ۳۰ درصد هیدروكربن نفتی مایع به عنوان عامل نرم كننده است.
فاز آبی
این فاز شامل مقدار جزئی آب و ماده امولسیون ساز با غلظت ۰/۲ تا ۴ درصد وزنی بر اساس كل تركیب است.
این تركیب‌ها باید طوری باشد تا از تغییر شكل یافتن و شیاردار شدن آسفالت توسط و اتومبیل به خصوص در هوای گرم جلوگیری كند برای رسیدن به تركیب با خصوصیات اجرایی مناسب درصد گوگرد باید بین ۲۰ تا ۳۰ درصد گوگرد باشد.
نكات ایمنی
خطرات گوگرد جامد
گوگرد جامد باعث سوزش شدید چشم میشود بنابراین باید از عینك‌های مخصوص پلاستیكی استفاده كرد.
خطرات گاز گوگردی
در دماهای بیش از ۱۵۴ر سانتیگراد باشد، مقداری بخار سمی مانند اسید سولفوریک تولید میشود، بنابراین استفاده از ماسك ایمنی، دستكش و عینك مخصوص الزامی است. مقدار مجاز این بخارات در هوا ۵ تا ۱۰ ppm است.
مسائل خوردگی
گوگرد جامد اگر كاملاً خشك باشد خوردگی ایجاد نخواهد كرد ولی در تماس باآب باعث خوردگی شدید خواهد شد. لذا مخزن نگهداری، پمپ و لوله‌های انتقال گوگرد مایع باید از جنس فولاد مقاوم در مقابل خوردگی باشد.
آتشگیری
غبار گوگرد در ۱۹۰ درجه سانتیگراد و گرد متراكم گوگرد در ۲۲۰ درجه سانتیگراد خود به خود آتش خواهد گرفت لذا همیشه باید در دماهای پایین‌‌تر از این دما‌ها نگهداری شود.
