اثر گوگرد در آسفالت

گوگرد زدایی مواد نفتی به منظور کاهش آلودگی هوا از مسائلی است که همواره مورد نظر بوده است. استفاده از گوگرد در ساختن روسازی‌های آسفالتی در بسیاری از کشورها از توجه خاصی برخوردار بوده است‌. جایگزین کردن ۳۰ تا ۵۰ درصد قیر مصرفی با گوگرد سبب می‌شود که مقاومت آسفالت به مقدار قابل توجهی افزایش یابد.

حدود ۹۲ % از گوگرد تولید شده در سطح جهان صرف تولید اسید سولفوریک می‌شود و فقط ۸% گوگردبه طور مستقیم در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. از کاربردهای گوگرد می‌توان به مواردی چون تولید اسید سولفوریک، صنایع کاغذسازی، دی اکسید گوگرد، ولکانیزاسیون لاستیک‌ها، کشاورزی،‌ بتن ریزی و پوشش ساختمانی اشاره نمود.

از دیگر کاربردهای گوگرد استفاده از آن در ساختن روسازی‌های آسفالتی است. علت این امر افزایش قیمت مواد نفتی، کاهش تدریجی منابع هیدروکربونی و بخصوص گوگرد مازاد است. جایگزینکردن قیر با گوگرد سبب می‌شود که مقاومت آسفالت به مقدار قابل توجهی افزایش یابد. در ساختن روسازی راه‌ها می‌توان کیفیت و مصالح سنگی را با استفاده از گوگرد بهبود بخشید.

اثر ترکیبی گوگرد با قیر

در درجه حرارت محیط گوگرد از حلقه‌ای مرکب از ۸ اتم که به صورت ۸ ضلعی قرار گرفته است تشکیل 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 شکسته شده و قابلیت ترکیب آن به خصوص با هیدروکربورهای اشباع نشده قیرها به شدت افزایش می‌یابد. کند روانی گوگرد تا دمای ۱۵۷ درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد بنابراین اضافه کردن گوگرد مذاب به قیرهای خالص در دمای بین ۱۱۸ تا ۱۵۷ درجه سانتی گراد موجب کاهش کندروانی قیر شده و نیز با قیر ترکیب می‌شود. در نتیجه امکان ترکیب و مخلوط‌ کردن مصالح شن و ماسه و قیر را در دمای پایین تر میسر می‌سازد و سهولتی نیز در کار خواهد بود. گوگرددر دماهای بالاتر از نقطه ذوب پلیمریزه شده و به صورت زنجیر دو رادیکاله در می‌آید. رادیکال‌ها ممکن است به دو صورت به قیر عمل کنند.

1. ‌تشکیل باند کربن سولفوره می‌دهند.
2. ‌هیدروژن جذب می‌کنند که 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 مولکول شده‌، با گروه نفتن آروماتیک‌های موجود در قیر ترکیب و باعث تشکیل پلی سولفایدها میشود. پلی سولفایدها از نظر قطبیت در گروه پلار آروماتیک‌ها جای می‌گیرند در نتیجه قیر نرم‌تر شده و خاصیت الاستیسیته بیشتری خواهد یافت‌. بنابراین می‌توان گفت واکنش بین گوگرد و گروه نفتن‌ آروماتیک منجر به تشکیل ترکیبات پلار آروماتیک با درصد بالای گوگرد میشود. در دمای بیش از ۱۵۷ درجه سانتی گراد به دلیل کندروانی زیاد گوگرد دیگر گوگرد نقش روان کننده قیر را ایفا نکرده و برعکس مخلوط را سخت کرده و ضمناً طی فرآیند هیدروژن گیری موجب آزادشدن هیدروژن سولفوره نیز می‌شود. تغییرات رئولوژیکی قیر در این دما ناشی از افزایش نسبت آسفالتن به رزین است.

کنش گوگرد در قیرهای خالص به ترتیب زیر است.

بین صفر تا ۴ درصد وزنی گوگرد با قیر ترکیب می‌شود. بین ۴ تا ۲۵ درصد گوگرد در قیر حل شده لیکن دیگر ترکیب 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 کردن 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 که 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 که 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 که لایه ترکیبی قیر و گوگرد در این حالت بسیار نازک و اندک می باشد علاوه بر این که این قشر اثر چندانی در چسبندگی و کنار هم گذاشتن مصالح سنگی را نمی‌تواند از خود نشان دهد بلکه گوگرد موجود در فضای بین مصالح صرفاً به صورت کریستال‌های گوگردی حضور خواهند یافت در حقیقت مانند مصالح ریزدانه عمل خواهند کرد. برای افزایش اثر لایه نازک مرکب از قیر و گوگرد و کاهش فضای خالی بین مصالح سنگی لازم می‌آید مقدار گوگرد مصرفی را افزایش دهیم که 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.

ترکیب قیر با گوگرد قبل از افزون به مصالح داغ‌

در این حالت عنصر گوگرد در مخلوط به سه حالت مختلف وجود خواهد داشت.

1. ‌مقدار کمی از آن با قیر وارد ترکیب شیمیایی می‌شود.
2. ‌بخش دیگری در قیر حل می‌شود.
3. ‌باقیمانده به صورت کریستال‌های گوگرد که عموماً به صورت ذرات ریز آسفالت هستند ظاهر می‌شوند.

مقدار گوگردی که 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 کریستالی پراکنده شده در تمام قالب‌ها همچون یک عامل تقویت کننده عمل می‌کند و هنگامی تحت اثر بار ثابت تغییر شکل می‌دهد. انرژی بیشتری مورد نیاز است تا ذرات گوگرد SEA که مخلوط پراکنده به جنبش افتند زیرا در این حالت ویسکوزیته مخلوط مقدار بیشتری را نسبت به قیر پیدا می‌کند. این مطلب مخصوصاً در مخلوط‌های تا ۵۰ درصد وزنی گوگرد که اندازه ذرات موجود بزرگتر و زنجیره‌ای‌‌ هستند به روشنی دیده می‌شود.‌ رشد طولی کریستال‌های گوگرد به شکل سوزن‌هایی در نمونه‌ها بوده و پروسه تجدید کریستال شدن‌ گوگرد در درجه حرارت ثابت و در زمان طولانی از هنگام ساخت یا تهیه نمونه اتفاق می‌افتد.

تثبیت ترکیب‌های قیر – گوگرد

تمام مخلوط‌های قیر-گوگرد را به دلایل ذیل باید تثبیت و پایدار نمود‌.

1. ‌دارای ثبات کمتری خواهند بود‌.
2. ‌باید بدون تاخیر استفاده شوند.
3. ‌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 ترکیب شده سپس به مصالح افزوده شوند.در این قسمت به بررسی تهیه چند طرح مختلف از آسفالت گوگردی می پردازیم که شامل موارد زیر است.

1. ‌آسفالت گوگردی تهیه شده با گوگرد مذاب
2. ‌آسفالت گوگردی تهیه شده با گوگرد جامد
3. ‌امولسیون آسفالت گوگردی

درصد گوگرد مناسب

جایگزین شدن قیر توسط گوگرد بر مبنای حجمی است‌. مقدار گوگرد اگر کمتر از ۲۵ درصد وزنی باشد خواص بافت مورد نظر نامناسب بوده زیرا ذرات گوگردی موجود در مخلوط کافی 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 پراکنده 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 کاربرد در شرایط آب و هوایی متفاوت از امولسیون‌های آسفالتی گوگردی استفاده می‌کنند. امولسیون‌های آسفالت گوگردی شامل فازهای مختلفی هستند که درصد و مقدار اجزاء تشکیل دهنده هر فاز از ترکیبی به ترکیب دیگر متفاوت است‌. تفاوت ترکیب‌های مختلف فقط در مقدار و درصد فازها است و پروسه تولید در تمام آن‌ها مشابه است.

ترکیب 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 هیدروکربن نفتی مایع به عنوان عامل نرم کننده است.

فاز آبی

این فاز شامل مقدار جزئی آب و ماده امولسیون ساز با غلظت ۰/۲ تا ۴ درصد وزنی بر اساس کل ترکیب است.

این ترکیب‌ها باید طوری باشد تا از تغییر شکل یافتن و شیاردار شدن آسفالت توسط و اتومبیل به‌ خصوص در هوای گرم جلوگیری کند برای رسیدن به ترکیب با خصوصیات اجرایی مناسب درصد گوگرد باید بین ۲۰ تا ۳۰ درصد گوگرد باشد.

نکات ایمنی

‌خطرات گوگرد جامد

گوگرد جامد باعث سوزش شدید چشم می‌شود بنابراین باید از عینک‌های مخصوص پلاستیکی استفاده کرد.

خطرات گاز گوگردی

در دماهای بیش از ۱۵۴ر سانتیگراد باشد، مقداری بخار سمی مانند اسید سولفوریک تولید می‌شود، بنابراین استفاده از ماسک ایمنی‌، دستکش و عینک مخصوص الزامی است. مقدار مجاز این بخارات در هوا ۵ تا ۱۰ ppm است.

‌مسائل خوردگی

گوگرد جامد اگر کاملاً خشک باشد خوردگی ایجاد نخواهد کرد 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 متراکم گوگرد در ۲۲۰ درجه سانتیگراد خود به خود آتش خواهد گرفت لذا همیشه باید در دماهای پایین‌‌تر از این دما‌ها نگهداری شود.