مقدمة، تصنيف، معايير، استخدامات البيتومين

المواد البيتومينية

تتكون مادة الإسفلت من هيدروكربونات بوليمرية معقدة للغاية، وهي عبارة عن مشتقات غير معدنية (أكسجين، كبريت، نيتروجين) من خلائط صلبة أو شبه صلبة أو سائلة سوداء أو بنية داكنة. تتميز هذه المواد ببنية كثيفة، تكاد تكون غير قابلة للذوبان في الماء تمامًا، ولا تمتصه، وتتميز بمقاومة جيدة للماء، لذا تُستخدم على نطاق واسع في الهندسة المدنية لمنع تسرب الماء والرطوبة والتسرب. ينتمي الإسفلت إلى مواد الأسمنت العضوية، وتتميز خلطات الرمل والحجر والمعادن الأخرى بقدرة ربط ممتازة، مما يجعل الخرسانة الإسفلتية الناتجة أهم مادة رصف في مشاريع الطرق الحديثة.

تكوين وبنية الأسفلت البترولي

1. التركيب العنصري

يتكون الأسفلت البترولي من مجموعة متنوعة من الهيدروكربونات ومشتقات غير معدنية (الأكسجين والكبريت والنيتروجين) من الخليط، والتكوين العنصري الرئيسي هو الكربون (80٪ ~ 87٪)، والهيدروجين (10٪ ~ 15٪)؛ والباقي عبارة عن عناصر غير هيدروكربونية مثل الأكسجين والكبريت والنيتروجين، وما إلى ذلك (<3٪)؛ بالإضافة إلى ذلك، هناك بعض العناصر النزرة من المعدن.

2. تكوين المكونات

عادةً ما يُفصل الأسفلت إلى عدة مجموعات من الخصائص الكيميائية، ويرتبط أداؤه الهندسي ارتباطًا وثيقًا بالتركيب الكيميائي للمجموعة، وتُسمى هذه المجموعات "مكونات". تتضمن اللوائح الصينية الحالية طريقتين للتحليل ثلاثي المكونات وتحليل رباعي المكونات.

تحليل الأسفلت البترولي ثلاثي المكونات يتم فصل الأسفلت البترولي إلى ثلاثة مكونات: الزيت والراتينج والأسفلتين.

(1) الزيت سائل شفاف أصفر فاتح، يُعطي الأسفلت سيولة، وكمية الزيت تؤثر بشكل مباشر على ليونة الأسفلت، ومقاومة التشقق، وصعوبة البناء. غالبًا ما يحتوي الأسفلت المحلي الصيني على شمع في الزيت، ويجب فصله عن الزيت والشمع عند التحليل. يؤدي وجود الشمع إلى ليونة مادة الأسفلت عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى ظاهرة التدفق؛ وفي درجات حرارة منخفضة، يصبح الأسفلت هشًا وصلبًا، مما يؤدي إلى التشقق. ولأن الشمع مكون ضار، فإنه يُستخدم غالبًا لتحسين أداء طريقة إزالة الشمع من الأسفلت.

(2) راتنج لزج شبه صلب بني محمر، حساس لدرجات الحرارة العالية، نقطة انصهار أقل من 100 درجة مئوية، بما في ذلك الراتنج المحايد والراتنج الحمضي. الراتنج المحايد يجعل الأسفلت يتمتع بمرونة معينة، ومرونة، وقوة التصاق، ويزيد محتواه، ويزيد التصاق الأسفلت واستطالته؛ محتوى الراتنج الحمضي ليس كبيرًا، لكن نشاطه كبير، ويمكنه تحسين الأسفلت والمواد الأخرى، وتحسين ترطيب الأسفلت، ويمكن استحلاب الأسفلت.

(3) الأسفلتين هو جسيمات صلبة بنية داكنة، لا يذوب بالتسخين، مما يؤثر على التصاق الأسفلت، اللزوجة، وثبات درجة الحرارة، وصلابته، ونقطة تليينه. كلما زادت نسبة الأسفلتين، زادت اللزوجة والالتصاق، مما يعزز الصلابة وثبات درجة الحرارة.

المعايير الفنية للإسفلت البترولي

سيتم تقسيم المعايير الفنية لإسفلت البترول إلى أنواع مختلفة من الأسفلت ودرجاته، وذلك لاختيار الأفضل. حاليًا، يُصنف إسفلت البترول بشكل رئيسي إلى ثلاثة أنواع: إسفلت الطرق، وإسفلت البناء، وإسفلت البترول العادي.

في تصنيف جودة الأسفلت، يعتمد ذلك على اختراق الأسفلت، ومرونته، ونقطة تليينه، ومؤشرات أخرى. يُصنف اختراق الإبرة حسب درجة الأسفلت كأحد المؤشرات الرئيسية. في نفس نوع الأسفلت البترولي، كلما زادت درجة الإسفلت، انخفضت اللزوجة المقابلة (كلما زادت قيمة الاختراق)، وتحسنت اللدونة (كلما زادت اللدونة)، وزادت حساسية الأسفلت للحرارة (كلما انخفضت نقطة التليين).

اختيار الأسفلت البترولي

ينبغي اختيار الأسفلت البترولي بناءً على طبيعة المشروع (سكن، طرق، تآكل)، والظروف المناخية المحلية، وموقع المشروع (مستوى، تحت الأرض) وعوامل أخرى. نظراً لأن الأسفلت عالي الجودة يحتوي على نسبة زيت أعلى من الأسفلت منخفض الجودة، فإنه يتميز بمقاومة الشيخوخة، لذا، لتلبية متطلبات الموقع، ينبغي اختيار أسفلت بترولي عالي الجودة لضمان عمر خدمة أطول.

(1) يُصنف أسفلت الطريق البترولي إلى: أسفلت بترولي ثقيل، أسفلت بترولي خفيف، أسفلت بترولي مُستحلب، أسفلت بترولي سائل، وإسفلت مُعدّل. ينبغي مراعاة خصائص المرور والمناخ في اختيار مواد الأسفلت في مشاريع الطرق. في المناطق الجنوبية ذات درجات الحرارة المرتفعة، يُنصح باختيار أسفلت بترولي عالي اللزوجة لضمان ثبات ممرات الأسفلت الصيفية، ومنع التشققات، وما إلى ذلك؛ وفي المناطق الشمالية الباردة، يُنصح باختيار أسفلت بترولي منخفض اللزوجة لضمان قدرة ممرات الأسفلت على التشوه بدرجة معينة في درجات الحرارة المنخفضة، ومنع التشقق.

٢) يتميز الإسفلت البترولي بنفاذية إبرة أصغر (لزجة)، ونقطة تليين عالية (مقاومة للحرارة أفضل)، واستطالة أقل (لدائن أقل)، ويُستخدم بشكل رئيسي في تصنيع ورق الزيت، ومشمع الأرضيات، والطلاءات العازلة للماء، ومفاصل الأسفلت المدمجة، وما إلى ذلك. يُستخدم معظمها في مشاريع تسقيف المباني، ومشاريع العزل المائي تحت الأرض، ومشاريع مقاومة التآكل، ومشاريع مقاومة تآكل خطوط الأنابيب. يُحسّن استخدام طبقة الإسفلت السميكة من حساسية درجة الحرارة؛ وفي الوقت نفسه، يُعدّ سطح الإسفلت الأسود جسمًا جيدًا لامتصاص الحرارة، وعادةً ما تكون درجة حرارة سطح الإسفلت في نفس منطقة سطحه أعلى من المواد الأخرى؛ ويُحقق الإسفلت درجة حرارة سطح أعلى من أعلى درجة حرارة محلية تتراوح بين ٢٥ و٣٠ درجة مئوية. لتجنب تدفق الصيف، يجب أن تكون نقطة تليين مواد الأسفلت المستخدمة في التسقيف العام أعلى من الحد الأقصى لدرجة حرارة السقف في المنطقة 20 ℃ ~ 25 ℃، ويمكنك اختيار الأسفلت البترولي رقم 10 أو رقم 30. على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة سقف الأسفلت في ووهان وتشانغشا حوالي 68 ℃، ويجب اختيار نقطة تليين الأسفلت في حوالي 90 ℃، مما يسهل تدفقه في الصيف المنخفض؛ ولكن لا ينبغي أن تكون عالية جدًا، وإلا فإن درجات الحرارة المنخفضة في الشتاء تكون سهلة الصلابة والهشاشة وحتى التشقق. يمكن لبعض الأجزاء التي لا تتأثر بسهولة بدرجة الحرارة أو المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة، مثل حاجز بخار العزل المائي تحت الأرض، وما إلى ذلك، اختيار درجة أعلى من الأسفلت، مثل الأسفلت رقم 60 أو رقم 100. لذلك، يتم اختيار الأسفلت البترولي وفقًا للمنطقة وبيئة المشروع والمتطلبات.

(3) الأسفلت البترولي العادي: يحتوي على نسبة شمع تصل إلى 20% إلى 30%. عند وصول درجة حرارة الأسفلت إلى نقطة التليين، من السهل حدوث ظاهرة التدفق؛ كما أن اختراق البارافين في الأسفلت يُقلل من مقاومة طبقة الإسفلت للحرارة وقوة الترابط. لذلك، يُنصح بعدم استخدام الأسفلت البترولي العادي في المشاريع.

أسفلت الفحم

الأسفلت الفحمي هو ناتج تقطير الفحم (قطران الفحم) المُحصّل من خلال إعادة المعالجة. ويُقسّم، وفقًا لاختلاف استخداماته في متطلبات المشاريع، وحسب قوامه، إلى فئتين: الأسفلت الفحمي اللين (سائل، شبه صلب) والأسفلت الفحمي الصلب (صلب).

يتكون أسفلت الفحم من هيدروكربونات عطرية، بالإضافة إلى الأكسجين والكبريت ومشتقات الكربون من الخليط، وهي العناصر الرئيسية للكربون والهيدروجين والأكسجين والكبريت والنيتروجين. يتميز تركيب أسفلت الفحم بـ"نسبة هيدروكربونية" أعلى بكثير من الأسفلت البترولي. تتشابه المكونات الكيميائية لأسفلت الفحم مع الأسفلت البترولي، ويمكن فصلها إلى خمسة مكونات: زيت، راتنج لين، راتنج صلب، كربون حر C1 وكربون حر C2. يحتوي الزيت على النفثالين والأنثراسين والفينول ومواد خطرة أخرى، ويجب تحديد محتواه.

بالمقارنة مع أسفلت الفحم وإسفلت البترول، تختلف الخصائص التقنية التالية: استقرار أقل في درجات الحرارة؛ التصاق أفضل مع الكتل المعدنية؛ استقرار ضعيف في المناخ، وسرعة في الشيخوخة؛ مقاومة للتآكل، ويمكن استخدامها في معالجة الخشب والأسطح الأخرى. تشمل المؤشرات التقنية لإسفلت الفحم بشكل رئيسي: اللزوجة، واختبار التقطير، ومحتوى الماء، ومحتوى التولوين غير القابل للذوبان، ومحتوى النفثالين، ومحتوى الفينول، وغيرها. من بين هذه المؤشرات، تُعتبر لزوجة أسفلت الفحم من أهم المؤشرات لتقييم جودة أسفلت الفحم، كما أنها تُصنف حسب درجة أسفلت الفحم بناءً على طريقة اختبارها، وهي مشابهة لإسفلت البترول.

الخصائص التقنية الرئيسية لأسفلت الفحم أسوأ من أسفلت البترول، وأقل استخدامًا في مشاريع البناء؛ لكن خصائصه المضادة للتآكل جيدة، لذلك فهو مناسب لطبقة العزل المائي تحت الأرض أو كمواد مضادة للتآكل.

الأسفلت المعدل

لا تتطلب الهندسة المدنية الحديثة إسفلتًا ذا أداء أفضل فحسب، بل تتطلب أيضًا عمرًا افتراضيًا أطول، بالإضافة إلى سهولة تآكله بفعل العوامل البيئية. ومن خلال مجموعة متنوعة من الإجراءات التقنية، تُضاف مواد أخرى إلى مواد الإسفلت التقليدية لتحسين أدائها، وهو ما يُعرف باسم الأسفلت المُعدّل. ويهدف هذا التعديل إلى تحسين الخواص الريولوجية لمواد الإسفلت، وإطالة متانته، وتحسين التصاق الأسفلت والركام. أما بالنسبة لتطبيقات ومشاريع العزل المائي للإسفلت، فإن أهم غرض من التعديل هو النقطتان الأوليتان.

طريقة تحسين الخواص الريولوجية للإسفلت

تحسين الخواص الرومولوجية للإسفلت بعدة طرق، ويكون تأثير التعديل أفضل باستخدام الأنواع التالية من المعدلات:

(1) معدِّلات الراتنج

يُستخدم راتنج الأسفلت المُعدّل بشكل رئيسي راتنجات اللدائن الحرارية، بالإضافة إلى البولي إيثيلين (PE)، والبولي بروبيلين (PP)، والبولي بروبيلين اللاإرادي (APP)، والراتنجات الفينولية، والراتنج الطبيعي، وغيرها. تُحسّن هذه المواد لزوجة الأسفلت، واستقراره في درجات الحرارة العالية، مع زيادة صلابته؛ إلا أن تحسين أدائه في درجات الحرارة المنخفضة ليس واضحًا.

(2) معدل المطاط

المطاط مُعدّل مهم للإسفلت، ويتميز بقابلية امتزاج جيدة، ويمكن استخدامه في صناعة الأسفلت مع المطاط، وله مزايا عديدة، مثل انخفاض تشوهه في درجات الحرارة العالية، ومرونته في درجات الحرارة المنخفضة، وغيرها. يشمل الأسفلت المُعدّل بالمطاط الشائع الاستخدام: الأسفلت المُعدّل بمطاط الكلوروبرين، والأسفلت المُعدّل بمطاط البوتيل، والأسفلت المُعدّل بالمطاط المُعاد تدويره، والأسفلت المُعدّل بمطاط الستايرين-بيوتادين. يتميز الأسفلت المُعدّل بمطاط الستايرين-بيوتادين بأداء ممتاز، مما يُحسّن بشكل كبير من مرونة الإسفلت، واستطالته، واستقراره في درجات الحرارة العالية، ومرونته في درجات الحرارة المنخفضة، ومقاومته للتعب والشيخوخة، وغيرها من الخصائص، وهو يُستخدم بشكل رئيسي في إنتاج أسطح اللفائف العازلة للماء أو الطلاءات العازلة للماء.

(3) تعديلات مزيج المطاط والراتنج

في الوقت نفسه، يُحسّن استخدام المطاط والراتنج خصائص الأسفلت البترولي، مما يُحسّن خصائص المطاط والراتنج معًا، ويُقلّل التكلفة. تختلف طرق التحضير، واستخدام أنواع المواد الخام، ونسبها، وعمليات الإنتاج، ما يُتيح الحصول على مجموعة متنوعة من المنتجات عالية الأداء، لا سيما اللفائف، والصفائح، ومواد الختم.

(4) معدِّلات الحشو الدقيقة

لتحسين خصائص التصاق الأسفلت ومقاومته للحرارة، وتقليل حساسيته للحرارة، عادةً ما تُضاف كمية معينة من الحشوات المعدنية الدقيقة. من أشهرها الرماد المتطاير، والرماد البركاني، ومسحوق الصخر الزيتي، ومسحوق التلك، ومسحوق الجير، ومسحوق الميكا، والتراب الدياتومي، وغيرها.

(5) معدِّلات الألياف

في الأسفلت المخلوط بمجموعة متنوعة من مواد الألياف، يتميز الأسفلت بثبات ملحوظ في درجات الحرارة العالية، مع زيادة قوة الشد في درجات الحرارة المنخفضة. من بين مواد الألياف الشائعة الاستخدام: ألياف صناعية متنوعة (مثل ألياف البولي إيثيلين وألياف البوليستر) وألياف الأسبستوس المعدنية.

طرق إطالة عمر الأسفلت

تُستخدم حاليًا طرق تحسين متانة الأسفلت، بشكل رئيسي، بخلطه مع بعض الإضافات الكيميائية باهظة الثمن، مثل مضادات الأكسدة، ولكن يجب تحديد استخدام مضادات الأكسدة من خلال اختبار فعالية هذه التقنية. حاليًا، يُمكن صياغة "أسفلت مُعدّل بأسود الكربون" كأكثر الإضافات فعالية لتحسين متانة الأسفلت، وذلك باستخدام معالجة مسبقة بأسود الكربون.