به گزارش دنیای نفت و قیر، افزایش فشار بر نهادهای راهسازی برای کاهش انتشار کربن در زیرساختهای حملونقل، توجه به سامانههای آسفالت توسعهیافته با مواد زیستی را در اروپا، آمریکای شمالی و بخشی از خاورمیانه افزایش داده است. تازهترین پروژه سوئد درباره بررسی آسفالتهای دارای مواد زیستی بدون جداسازی قیر، اکنون مورد توجه آزمایشگاههای حملونقل، پژوهشگران حوزه قیر و سازمانهای مهندسی روسازی قرار گرفته، زیرا این پروژه یکی از قدیمیترین محدودیتهای فنی صنعت آسفالت را هدف قرار داده است؛ یعنی بررسی عملکرد قیر درون مخلوط آسفالت بدون آنکه از ساختار سنگدانه جدا شود. اهمیت این موضوع تنها به سیاستهای اقلیمی اسکاندیناوی محدود نیست. کشورهایی که وابستگی بالایی به واردات قیر دارند، از جمله برخی کشورهای حوزه خلیج فارس، اکنون فناوریهای مبتنی بر قیر زیستی را در ارتباط با بهینهسازی پالایشگاهی، انعطافپذیری تأمین قیر و پروژههای کمکربن زیرساختی زیر نظر گرفتهاند. همزمان، پیمانکارانی که در مناطق گرم فعالیت میکنند نیز در حال ارزیابی این موضوع هستند که آیا قیرهای دارای ترکیبات زیستی میتوانند بدون کاهش مقاومت در برابر شیارشدگی، وابستگی به فرمولاسیونهای سنگین نفتی را کاهش دهند یا خیر.
پروژه تحقیقاتی سوئد بر مخلوطهای آسفالتی حاوی قیرهای توسعهیافته زیستی متمرکز است و به جای استفاده از روشهای سنتی استخراج، از آزمونهای مکانیکی پیشرفته مبتنی بر فروروندگی استفاده میکند. در روشهای متداول، برای تعیین ویژگیهای مکانیکی و رئولوژیکی قیر موجود در آسفالت، ابتدا قیر از مخلوط جدا میشود. این فرآیند شامل استفاده از حلالها، سانتریفیوژ، گرمایش و مراحل بازیابی ثانویه است. اگرچه این روشها سالها مورد استفاده قرار گرفتهاند، اما اکنون به دلیل تغییر در ترکیب شیمیایی قیر، برهم زدن وضعیت اکسیداسیون و حذف برخی اجزای سبک، مورد انتقاد قرار دارند. در قیرهای زیستی، که ساختار مولکولی حساستری نسبت به قیرهای نفتی دارند، استخراج میتواند رفتار واقعی ماده را تغییر دهد.
روش جدید سوئدی دقیقاً برای حذف همین مشکل توسعه یافته است. در این روش به جای جداسازی قیر از مخلوط آسفالت، آزمایش فروروندگی کروی مستقیماً روی نمونه آسفالتی انجام میشود. در این آزمون، یک ابزار کروی با بار کنترلشده به سطح آسفالت فشار وارد میکند و میزان نفوذ، مقاومت، رفتار خزشی و میزان بازگشت ماده اندازهگیری میشود. سپس با استفاده از مدلهای تحلیل مکانیکی و رفتار ویسکوالاستیک، ویژگیهای مرتبط با قیر تخمین زده میشود، بدون آنکه ساختار اصلی آسفالت از بین برود. این موضوع برای آسفالتهای زیستی اهمیت زیادی دارد، زیرا تعامل میان سنگدانه، اجزای نفتی، روغنهای زیستی و ترکیبات پیرشده میتواند بر سختی و مقاومت تغییرشکل تأثیر مستقیم بگذارد.
این پروژه عمدتاً با همکاری شبکههای پژوهشی حملونقل سوئد، آزمایشگاههای زیرساخت، مؤسسات روسازی و بخشهای دانشگاهی علوم مواد انجام شده و به برنامههای ملی پایداری این کشور متصل است. این فناوری اکنون برای اهداف آزمایشگاهی، کنترل کیفیت و احتمالاً بررسیهای میدانی در آینده مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین برخی گروههای پژوهشی اروپایی که روی روسازیهای کمکربن در مناطق سرد فعالیت دارند، به این روش علاقه نشان دادهاند.
قیرهای توسعهیافته زیستی موضوع کاملاً جدیدی نیستند. طی دهه گذشته، کشورهای مختلف تلاش کردهاند بخشی از قیر نفتی را با مواد تجدیدپذیر جایگزین کنند. آنچه پروژه سوئد را متفاوت میکند، تنها استفاده از مواد زیستی نیست، بلکه توسعه روشهای ارزیابی قابل اعتماد برای استفاده صنعتی است. نبود روشهای کنترل کیفیت دقیق، یکی از مهمترین دلایلی بوده که استفاده گسترده از قیرهای زیستی را در شبکههای اصلی جادهای محدود کرده است. ترکیب آسفالتهای زیستی بسته به نوع مواد اولیه و هدف عملکردی، متفاوت است. در سوئد، مواد زیستی معمولاً از باقیماندههای صنایع جنگل، محصولات جانبی صنعت خمیر کاغذ، روغنهای حاصل از پیرولیز زیستتوده، مشتقات روغنهای گیاهی یا ضایعات قابل بازیافت تولید میشوند. وجود صنعت گسترده جنگلداری در سوئد، زمینه مناسبی برای توسعه این نوع مواد فراهم کرده، زیرا زیرساختهای فرآوری زیستتوده در این کشور پیشرفته و تثبیتشده است.
در بیشتر فرمولاسیونها، جزء زیستی جایگزین کامل قیر نفتی نمیشود، بلکه بخشی از آن را تکمیل میکند. میزان این جایگزینی میتواند از درصدهای محدود تا مقادیر بالاتر متغیر باشد. پژوهشگران باید میان ویسکوزیته، حساسیت دمایی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و رفتار ترکخوردگی در دماهای پایین تعادل برقرار کنند. افزایش بیش از حد مواد زیستی ممکن است شاخصهای زیستمحیطی را بهبود دهد، اما همزمان احتمال شکنندگی و پیرشدگی سریعتر را افزایش دهد.
یکی از چالشهای اصلی، پیچیدگی ساختار مولکولی قیر است. قیر معمولی از اجزایی مانند اشباعها، آروماتیکها، رزینها و آسفالتینها تشکیل شده که به صورت یک ساختار کلوئیدی در تعامل با یکدیگر قرار دارند. ورود ترکیبات زیستی این تعادل را تغییر میدهد. برخی روغنهای زیستی دارای ترکیبات اکسیژندار هستند که در برخی شرایط سازگاری مناسبی ایجاد میکنند، اما ممکن است حساسیت به اکسیداسیون یا رطوبت را افزایش دهند. به همین دلیل، دوام بلندمدت قیرهای زیستی تنها با شاخصهای زیستمحیطی قابل ارزیابی نیست و پایداری مکانیکی در برابر بارگذاری و تغییرات فصلی همچنان معیار اصلی مهندسی محسوب میشود.
در همین نقطه است که روش فروروندگی سوئدی اهمیت پیدا میکند. استخراج سنتی قیر میتواند ترکیبات فرار را حذف کرده و تعادل شیمیایی را تغییر دهد و در نتیجه دادههای رئولوژیکی نادرستی تولید کند. روش جدید بدون تخریب ساختار نمونه، امکان بررسی رفتار واقعی آسفالت را فراهم میکند. پژوهشگران میتوانند پاسخ تغییرشکل موضعی، بازگشت ویسکوالاستیک و روند سختشدن در فرآیند پیرشدگی را بدون حذف قیر از مخلوط بررسی کنند.
این روش همچنین با روند جهانی حرکت به سمت ارزیابیهای غیرمخرب و نیمهمخرب روسازی هماهنگ است. سازمانهای حملونقل در کشورهای مختلف به سمت پایش هوشمند، ارزیابی دیجیتال روسازی و روشهای سریعتر بررسی مواد حرکت کردهاند. اگر این فناوری در مقیاس صنعتی تأیید شود، وابستگی به آزمایشهای پرهزینه و زمانبر مبتنی بر حلال را کاهش خواهد داد.
در این پروژه، پارامترهایی مانند مدول فروروندگی، مقاومت خزشی، مقاومت در برابر تغییرشکل دائمی، حساسیت حرارتی و روند پیرشدگی بررسی میشود. پژوهشگران همچنین عملکرد مخلوطهای زیستی را با آسفالتهای متداول تحت بارگذاریهای مکرر و دماهای مختلف مقایسه میکنند. نتایج اولیه نشان میدهد برخی قیرهای زیستی مقاومت مناسبی در برابر شیارشدگی دارند، اما در دماهای پایین رفتار ترکخوردگی متفاوتی از خود نشان میدهند.
عملکرد در مناطق سرد برای کشورهای اسکاندیناوی اهمیت بالایی دارد. روسازیهای سوئد در معرض چرخههای یخزدگی و ذوب، نفوذ رطوبت و تنشهای حرارتی قرار دارند. قیری که در شرایط گرم عملکرد مناسبی دارد، ممکن است در زمستانهای شمال اروپا به سرعت دچار شکست شود. به همین دلیل، آزمایشگاههای سوئدی علاوه بر شاخصهای زیستمحیطی، رفتار ترکخوردگی، روند گسترش ترک و تغییرات سختی در اثر پیرشدگی را نیز بررسی میکنند.
یکی دیگر از دلایل توجه جهانی به این پروژه، مسائل اقتصادی مرتبط با پالایشگاهها است. تولید قیر به ساختار پالایش نفت وابسته است و تغییرات بازار انرژی میتواند بر عرضه بلندمدت قیر اثر بگذارد. به همین دلیل، فناوریهای مبتنی بر مواد تجدیدپذیر میتوانند در آینده نهتنها برای سیاستهای زیستمحیطی، بلکه برای پایداری زنجیره تأمین نیز اهمیت پیدا کنند.کشورهای خاورمیانه نیز به فناوریهایی که مصرف قیر را بهینه میکنند علاقهمند شدهاند. هرچند شرایط اقلیمی این مناطق با اسکاندیناوی تفاوت زیادی دارد، اما دوام روسازی برای آنها نیز اهمیت اقتصادی بالایی دارد. دمای بسیار بالا در کشورهای حاشیه خلیج فارس خطر شیارشدگی، اکسیداسیون و سختشدن حرارتی قیر را افزایش میدهد. به همین دلیل، هر نوع قیر زیستی که قرار باشد در این مناطق استفاده شود، نیازمند اصلاحات و آزمایشهای گسترده خواهد بود.
پروژه سوئد ممکن است بر تدوین استانداردهای آینده نیز اثر بگذارد. نهادهای حملونقل اروپایی بهتدریج به سمت مشخصات مبتنی بر عملکرد حرکت میکنند. اگر آزمایش فروروندگی بتواند در آزمایشگاههای مختلف نتایج قابل تکرار و قابل اعتماد ارائه دهد، احتمال دارد در آینده وارد استانداردهای جدید ارزیابی قیر شود.
پیامدهای زیستمحیطی این پروژه تنها به کاهش کربن محدود نیست. روشهای سنتی استخراج قیر حجم بالایی از مواد شیمیایی تولید میکنند و نیازمند فرآیندهای پیچیده آزمایشگاهی هستند. کاهش استفاده از این روشها میتواند با اهداف ایمنی و مدیریت زیستمحیطی همسو باشد. همچنین استفاده از مواد زیستی حاصل از صنایع جنگلداری به استفاده مجدد از ضایعات صنعتی در ساخت جادهها کمک میکند. با وجود نگاه مثبت به آسفالتهای زیستی، پژوهشگران همچنان با احتیاط پیش میروند. اطلاعات میدانی بلندمدت این فناوری هنوز محدود است و رفتار آن در برابر پیرشدگی، رطوبت، خستگی و تغییرات فصلی باید در دورههای طولانی بررسی شود. علاوه بر این، مواد اولیه زیستی معمولاً از نظر ترکیب شیمیایی یکنواخت نیستند و همین موضوع کنترل کیفیت را دشوار میکند.
هزینه اقتصادی نیز همچنان موضوع مهمی است. مواد زیستی و فناوریهای پیشرفته آزمایشگاهی در مراحل اولیه ممکن است هزینه تولید را افزایش دهند. با این حال، حامیان این فناوری معتقدند مزایای بلندمدت و فشارهای قانونی آینده در زمینه انتشار کربن میتواند این هزینهها را جبران کند.
اهمیت اصلی پروژه سوئد در پیوند دادن علم مواد پایدار با نیازهای واقعی مهندسی روسازی است. بسیاری از پروژههای قبلی درباره آسفالتهای زیستی بیشتر بر مسائل محیطزیستی تمرکز داشتند و اطلاعات محدودی درباره دوام واقعی آنها ارائه میکردند. اما پروژه جدید تلاش میکند روشهای ارزیابی دقیقتری ارائه دهد که قابلیت استفاده صنعتی داشته باشند.
صنعت آسفالت همواره در پذیرش مواد جدید محتاط بوده است، زیرا خرابی جادهها پیامدهای اقتصادی و سیاسی گستردهای ایجاد میکند. به همین دلیل، هر فناوری جدید باید علاوه بر عملکرد آزمایشگاهی، دوام واقعی در برابر ترافیک، تنشهای فصلی و دورههای طولانی بهرهبرداری را اثبات کند. روش جدید سوئد توجه گستردهای جلب کرده، زیرا یکی از مهمترین مشکلات آسفالتهای زیستی را هدف قرار داده است؛ یعنی سنجش دقیق رفتار قیر در شرایط واقعی آسفالت.
