دنیای نفت و قیر: با تشدید روزافزون نگرانی‌های زیست‌محیطی ناشی از تغییرات اقلیمی و کاهش منابع فسیلی، صنعت ساخت‌وساز—به‌ویژه حوزه‌ی راه‌سازی—با چالشی جدی برای کاهش وابستگی به قیر (Bitumen) مشتق از نفت خام روبه‌روست. قیر، که ماده‌ی اصلی در تولید آسفالت به‌شمار می‌آید، به طور سنتی از منابع تجدیدناپذیر تأمین می‌شود. در این میان، تلاش‌های جهانی برای دستیابی به توسعه‌ی پایدار و کاهش کربن‌محوری، پژوهش در خصوص جایگزین‌های تجدیدپذیر و زیست‌پایه را تسریع کرده است. یکی از امیدبخش‌ترین مسیرها، استفاده از افزودنی‌های زیستی (Bio-based additives) به‌عنوان اصلاح‌کننده‌های جزئی یا حتی جایگزین‌های کامل برای قیر در مخلوط‌های آسفالتی است. با این حال، عملکرد ناپایدار این ترکیبات عمدتاً ناشی از ناسازگاری‌های فیزیکوشیمیایی آن‌ها با قیر سنتی است.
در این راستا، بهره‌گیری از دانش حلالیت و به‌ویژه پارامترهای حلالیت هانسن (Hansen Solubility Parameters – HSP) به‌عنوان ابزاری پیش‌بینی‌پذیر و کمی، امکان ارزیابی دقیق میزان سازگاری مولکولی میان قیر و افزودنی‌های زیستی را فراهم می‌آورد. قیر به‌عنوان ماده‌ای پیچیده از دیدگاه شیمیایی، شامل اجزای متنوعی با قطبیت متفاوت است که معمولاً در دو بخش اصلی دسته‌بندی می‌شود: مالتن‌ها (Maltenes) شامل ترکیباتی چون اشباع‌ها، آروماتیک‌ها و رزین‌ها، و آسفالتن‌ها (Asphaltenes) که بخش بسیار قطبی و با وزن مولکولی بالاست. چگونگی برهم‌کنش این اجزا با افزودنی‌های زیستی تأثیر مستقیمی بر رفتار رئولوژیکی، پایداری ساختاری و دوام بلندمدت قیر اصلاح‌شده دارد.
در این پژوهش، دو نوع افزودنی زیستی با منشاء متفاوت مورد بررسی قرار گرفتند: روغن تالو (Tall Oil) به‌عنوان افزودنی زیستی-۱، که محصول جانبی فرایند پالایش خمیر چوب است و ترکیبی از اسیدهای چرب و رزینی دارد؛ و روغن پخت‌وپز ضایعاتی (Waste Cooking Oil) به‌عنوان افزودنی زیستی-۲، که ماده‌ای رایج اما غیرهمگن با قطبیت متفاوت به‌شمار می‌رود. به‌منظور تحلیل کمی امتزاج‌پذیری (Miscibility) این مواد با قیر، سه مؤلفه‌ی اصلی پارامترهای حلالیت هانسن شامل نیروهای پراکندگی (δD: Dispersion forces)، تعاملات قطبی (δP: Polar interactions) و پیوندهای هیدروژنی (δH: Hydrogen bonding) برای هر افزودنی و اجزای قیر محاسبه شد. همچنین از مفاهیمی مانند شعاع برهم‌کنش هانسن (Hansen Interaction Radius) و میزان هم‌پوشانی کره‌های هانسن (Hansen Sphere Overlap) برای سنجش عددی و بصری نزدیکی ساختاری ترکیبات استفاده شد.
در گام بعد، به‌منظور سنجش عملی عملکرد مکانیکی و رئولوژیکی قیرهای اصلاح‌شده، مجموعه‌ای از آزمون‌های تخصصی انجام شد. آزمون فرکانس‌سوئیپ (Frequency Sweep Test) برای بررسی رفتار ویسکوالاستیک در بازه‌های دمایی مختلف به‌کار رفت. آزمون دامنه خطی (Linear Amplitude Sweep – LAS) جهت تحلیل مقاومت خستگی تحت بارگذاری تکرارشونده استفاده شد و آزمون خمشی تیرک (Bending Beam Rheometer – BBR) نیز به منظور ارزیابی سختی و انعطاف‌پذیری در دماهای پایین و پیش‌بینی ترک‌خوردگی حرارتی مورد استفاده قرار گرفت.
بررسی نتایج نشان داد که افزودنی زیستی-۱ (Tall Oil) عملکرد به‌مراتب مطلوب‌تری از خود نشان داده است؛ از جمله در بهبود مقاومت در برابر خستگی، افزایش انعطاف‌پذیری در دماهای پایین، و ارتقاء دوام قیر. این عملکرد بالا با نزدیکی بیشتر مقادیر HSP آن به پارامترهای قیر و اجزای آن توجیه‌پذیر است. در مقابل، افزودنی زیستی-۲ (Waste Cooking Oil) به‌رغم مزایای زیست‌محیطی و دسترس‌پذیری بالا، به دلیل تفاوت‌های قطبیتی و کاهش سطح هم‌پوشانی با کره‌های هانسن قیر، نتایج ضعیف‌تری به همراه داشت.
یافته‌ها همچنین نشان دادند که شاخص‌های هندسی هم‌پوشانی پارامترهای حلالیت (Overlap ratios of Hansen Spheres) با ویژگی‌های رئولوژیکی قیر زیستی همبستگی بالایی دارند. این امر نشان می‌دهد که مدل‌سازی مبتنی بر پارامترهای حلالیت می‌تواند به عنوان ابزاری علمی و کارآمد برای انتخاب و طراحی افزودنی‌های زیستی بهینه به‌کار رود؛ روشی که می‌تواند جایگزین آزمون‌های وقت‌گیر و پرهزینه‌ی تجربی شود.
در مجموع، این تحلیل رویکردی نوین، علمی و مبتنی بر داده برای طراحی و ارزیابی قیرهای زیستی فراهم می‌سازد که در آن ترکیب اصول نظری حلالیت با آزمون‌های عملکردی منجر به بهینه‌سازی ساختاری و افزایش اطمینان عملکردی آسفالت در کاربری‌های واقعی می‌شود. این دستاورد می‌تواند نقشی اساسی در کاهش اثرات محیط‌زیستی زیرساخت‌های حمل‌ونقل ایفا کند و گامی مؤثر در جهت توسعه‌ی مصالح روسازی پایدار به‌شمار رود.
