به گزارش نشریه دنیای نفت و قیر، پروژه تحقیقاتی جدیدی در اروپا از اول اکتبر آغاز شده است که بررسی می‌کند آیا می‌توان با استفاده از مواد چسباننده زیستی در کنار آسفالت بازیافتی، میزان بازیافت در روسازی‌ها را بدون کاهش عملکرد مهندسی افزایش داد. پروژه BRAVE تا ۳۰ سپتامبر ۲۰۲۸ ادامه خواهد یافت و بر رفتار شیمیایی، رئولوژیکی و پیرشدگی ترکیب مواد چسباننده دارای اجزای زیستی با قیر پیرشده موجود در آسفالت بازیافتی تمرکز خواهد کرد.
نام کامل پروژه به بررسی استفاده از مواد چسباننده زیستی در آسفالت بازیافتی از طریق رویکرد شیمی‌مکانیکی اشاره می‌کند و همین نام هدف اصلی پروژه را نشان می‌دهد. BRAVE قصد ندارد ماده چسباننده زیستی را به‌صورت جداگانه بررسی کند، بلکه می‌خواهد رفتار آن را در سیستمی مطالعه کند که بخشی از قیر موجود در آن قبلاً تولید، اجرا و در طول عمر روسازی پیر شده است. پژوهشگران قصد دارند بر اساس این بررسی، روش‌هایی برای افزایش نرخ بازیافت پیشنهاد کنند که هم‌زمان عملکرد روسازی را نیز حفظ کنند.
دانشگاه ارسطو تسالونیکی در یونان هماهنگی پروژه را بر عهده دارد و دانشگاه فنی وین و شرکت سوئدی Nynas نیز به‌عنوان شرکای پروژه مشارکت می‌کنند. اتحادیه اروپا حدود ۱۸۱ هزار و ۴۲۴ یورو برای این پروژه اختصاص داده است و دکتر گئورگیوس پیپینتاکوس پژوهش اصلی آن را در قالب یک برنامه پسادکتری Horizon Europe انجام خواهد داد.
مقیاس پروژه را باید به‌درستی تفسیر کرد. BRAVE یک پروژه پژوهشی متمرکز است و در شرایط فعلی نباید آن را یک طرح تولید تجاری قیر زیستی یا پروژه اجرای گسترده در جاده معرفی کرد. هدف فعلی این پروژه ایجاد شناخت علمی دقیق‌تر از رفتار ترکیب مواد چسباننده زیستی با آسفالت بازیافتی و تعیین شرایطی است که بتوان بازیافت چندباره را بدون ایجاد افت نامطلوب در دوام یا عملکرد انجام داد.
همین موضوع BRAVE را از پروژه‌هایی که مستقیماً بر تولید قیر زیستی از پسماند تمرکز دارند متمایز می‌کند. در آن پروژه‌ها مسئله اصلی تبدیل یک ماده زیستی یا پسماند آلی به ماده‌ای است که بتواند بخشی یا تمام قیر نفتی را جایگزین کند، اما BRAVE مرحله متفاوتی را بررسی می‌کند. این پروژه می‌خواهد مشخص کند وقتی یک ماده چسباننده زیستی با قیر پیرشده موجود در آسفالت بازیافتی ترکیب می‌شود، ویژگی‌های مهندسی کل سامانه چگونه تغییر می‌کنند.
آسفالت بازیافتی از نظر مواد چالش مهمی ایجاد می‌کند، زیرا قیر موجود در روسازی قدیمی معمولاً سخت‌تر و پیرتر از قیر تازه است. اکسیداسیون و از دست رفتن برخی اجزای سبک در زمان تولید و بهره‌برداری معمولاً سختی قیر را افزایش می‌دهند و انعطاف‌پذیری آن را کاهش می‌دهند. به همین دلیل افزایش سهم آسفالت بازیافتی بدون طراحی مناسب می‌تواند حساسیت روسازی به ترک‌خوردگی را افزایش دهد.
مواد زیستی می‌توانند یکی از ابزارهای اصلاح رفتار قیر پیرشده را فراهم کنند، اما نمی‌توان از ابتدا فرض کرد که اثر آنها در همه شرایط مثبت خواهد بود. برخی ترکیبات زیستی می‌توانند قیر پیرشده را نرم‌تر کنند و مقاومت در برابر ترک‌خوردگی یا خستگی را بهبود دهند، اما نرم‌شدن بیش از حد نیز می‌تواند مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی در دمای بالا را کاهش دهد. رفتار این مواد در برابر پیرشدگی طولانی‌مدت نیز بر اساس منشأ و ترکیب شیمیایی آنها تغییر خواهد کرد.
به همین دلیل BRAVE سازگاری، پیرشدگی و دوام را در مرکز برنامه پژوهشی خود قرار داده است و تنها میزان نرمی اولیه ماده را بررسی نخواهد کرد. پروژه قصد دارد مشخص کند اجزای شیمیایی ماده چسباننده زیستی چگونه با قیر پیرشده آسفالت بازیافتی برهم‌کنش می‌کنند و این تعامل چگونه رفتار رئولوژیکی ترکیب را در طول چرخه‌های مختلف بازیافت تغییر می‌دهد.
برای انجام این کار از رویکرد شیمی‌مکانیکی استفاده خواهد شد که تغییرات شیمیایی ماده را به رفتار مکانیکی و رئولوژیکی آن ارتباط می‌دهد. تجزیه گرماوزنی برای بررسی رفتار حرارتی و ترکیب ماده به کار خواهد رفت و طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای کربن نیز اطلاعاتی درباره ساختار و تغییرات شیمیایی فراهم خواهد کرد. آزمایش با رئومتر برشی دینامیکی نیز پاسخ رئولوژیکی ماده را اندازه‌گیری خواهد کرد و امکان ارتباط دادن تغییرات شیمیایی با عملکرد مکانیکی را فراهم خواهد ساخت.
پروژه همچنین از روش‌های آماری چندمتغیره برای بررسی ارتباط میان داده‌های شیمیایی و مکانیکی استفاده خواهد کرد. این رویکرد اهمیت دارد، زیرا یک آزمایش متداول قیر به‌تنهایی ممکن است نتواند توضیح دهد چرا یک ترکیب خاص از ماده زیستی و قیر بازیافتی عملکرد متفاوتی نسبت به ترکیب دیگری ایجاد می‌کند.
یکی از مشکلات مهم در بازیافت آسفالت نیز دقیقاً همین تعادل میان چند ویژگی عملکردی را ایجاد می‌کند. ماده‌ای که انعطاف قیر بسیار پیرشده را بازیابی می‌کند ممکن است مقاومت در برابر خستگی و ترک‌خوردگی را افزایش دهد، اما هم‌زمان سختی را آن‌قدر کاهش دهد که مقاومت در برابر شیارشدگی در دمای بالا افت کند. بنابراین موفقیت یک ترکیب را نمی‌توان فقط با بهبود یک شاخص تعیین کرد و باید مجموعه رفتار آن را هم‌زمان ارزیابی کرد.
پیچیدگی مسئله در بازیافت چندباره بیشتر می‌شود. روسازی‌ای که امروز با آسفالت بازیافتی ساخته می‌شود ممکن است در آینده دوباره تراشیده و وارد یک مخلوط آسفالتی جدید شود و قیر آن چندین مرحله گرم‌شدن، اکسیداسیون، اختلاط و پیرشدگی در سرویس را تجربه کند. BRAVE به‌طور مشخص قصد دارد ظرفیت بازیافت چندباره این ترکیبات را نیز بررسی کند و دوام آنها را در چنین چرخه‌ای ارزیابی کند.
این موضوع با افزایش تلاش اروپا برای استفاده بیشتر از مصالح بازیافتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. استفاده یک‌باره از آسفالت بازیافتی مصرف سنگدانه و قیر تازه را کاهش می‌دهد، اما ایجاد یک چرخه واقعی در روسازی مستلزم آن است که ماده پس از یک مرحله بازیافت همچنان قابلیت استفاده مجدد داشته باشد. در نتیجه دوام ماده طی چند چرخه می‌تواند به اندازه عملکرد آن در نخستین مخلوط اهمیت پیدا کند.
مواد چسباننده زیستی در صورتی می‌توانند به این هدف کمک کنند که خواص قیر پیرشده را بدون ایجاد ضعف جدی پس از پیرشدگی دوباره اصلاح کنند. با این حال، مطالعات علمی موجود نشان می‌دهند مواد زیستی از نظر ترکیب و رفتار پیرشدگی تفاوت زیادی با یکدیگر دارند و نمی‌توان نتایج یک نوع ماده را به تمام منابع زیستی تعمیم داد.
بررسی‌های علمی اخیر نیز پیرشدگی را یکی از پرسش‌های اصلی فناوری قیرهای زیستی معرفی کرده‌اند. برخی ترکیبات زیستی دارای اجزای سبک یا اکسیژن‌دار هستند و در برابر تبخیر یا اکسیداسیون رفتاری متفاوت با قیر متعارف نشان می‌دهند، در حالی که برخی فرمولاسیون‌های دیگر مقاومت مناسبی در برابر پیرشدگی ثبت کرده‌اند. در نتیجه منشأ ماده، مقدار مصرف، شرایط تولید و نوع قیر پایه نتیجه نهایی را تعیین خواهند کرد.
وجود آسفالت بازیافتی اهمیت سازگاری را بیشتر می‌کند، زیرا ماده چسباننده تازه به‌طور مستقل عمل نمی‌کند و باید با قیر پیرشده‌ای که سطح سنگدانه‌های بازیافتی را پوشانده است تعامل برقرار کند. میزان اختلاط و سازگاری این دو فاز می‌تواند سختی، مقاومت در برابر ترک، تغییر شکل و دوام روسازی را تغییر دهد. BRAVE می‌خواهد همین ارتباط میان ساختار شیمیایی و پاسخ مهندسی را با ابزارهای دقیق‌تری بررسی کند.
در نتیجه اهمیت BRAVE فقط به کاهش مصرف قیر نفتی محدود نمی‌شود و پرسش فنی بزرگ‌تری را دنبال می‌کند. پروژه بررسی خواهد کرد که آیا می‌توان از شیمی مواد زیستی برای افزایش نرخ بازیافت آسفالت استفاده کرد و در عین حال تعادل لازم میان ویژگی‌های عملکردی روسازی را نیز حفظ کرد.
حضور Nynas نیز پروژه را به یکی از تولیدکنندگان شناخته‌شده قیر اروپا متصل می‌کند و مشارکت دانشگاهی امکان استفاده از روش‌های پیشرفته شیمیایی و رئولوژیکی را فراهم می‌سازد. با این حال، حضور یک تولیدکننده صنعتی به این معنی نیست که محصول تجاری مشخصی بر اساس BRAVE از هم‌اکنون انتخاب شده یا برای ورود به بازار آماده شده است.
اطلاعات عمومی پروژه هنوز منشأ زیستی ماده چسباننده، درصد جایگزینی قیر متعارف، سهم دقیق آسفالت بازیافتی در مخلوط‌ها یا فرمولاسیون نهایی مورد آزمایش را اعلام نکرده‌اند. همچنین تاکنون برنامه مشخصی برای اجرای یک قطعه جاده در مقیاس کامل یا تولید تجاری ماده نهایی منتشر نشده است. بنابراین در مرحله فعلی باید BRAVE را یک برنامه تحقیق و توسعه دانست و نه یک فناوری تجاری آماده استفاده.
این احتیاط اهمیت زیادی دارد، زیرا اصطلاح ماده چسباننده زیستی مجموعه بسیار گسترده‌ای از مواد را در بر می‌گیرد. چنین موادی می‌توانند از روغن‌های گیاهی، ترکیبات لیگنوسلولزی، بقایای کشاورزی، روغن‌های زیستی حاصل از پسماند یا سایر منابع زیستی تولید شوند و خصوصیات شیمیایی آنها تفاوت زیادی داشته باشد. تا زمانی که فرمولاسیون نهایی پروژه مشخص نشود، نمی‌توان درباره میزان کاهش کربن، هزینه تولید، امکان توسعه در مقیاس صنعتی یا عملکرد دقیق روسازی نتیجه قطعی ارائه کرد.
همین احتیاط درباره مزایای زیست‌محیطی نیز باید رعایت شود. افزایش استفاده از آسفالت بازیافتی می‌تواند نیاز به سنگدانه و قیر تازه را کاهش دهد و استفاده از مواد زیستی نیز می‌تواند وابستگی به منابع فسیلی را کمتر کند، اما اثر واقعی زیست‌محیطی به منشأ خوراک، انرژی مصرف‌شده در فرآوری، حمل‌ونقل، طول عمر روسازی و قابلیت بازیافت دوباره آن وابسته خواهد بود.
اگر یک ماده زیستی باعث کاهش عمر روسازی شود، بخشی از مزیت نظری آن به دلیل نیاز به تعمیر و بازسازی زودتر از بین خواهد رفت. به همین دلیل تمرکز BRAVE بر دوام و بازیافت چندباره اهمیت زیادی دارد و نشان می‌دهد پایداری باید همراه با عملکرد واقعی روسازی ارزیابی شود.
این پروژه همچنین بخشی از تغییر گسترده‌تری در فناوری آسفالت را نشان می‌دهد. پژوهش‌های جدید به‌تدریج از بررسی جداگانه میزان بازیافت، درصد مواد زیستی و عملکرد روسازی فاصله می‌گیرند و تلاش می‌کنند تعامل این عوامل را در یک سامانه واحد بررسی کنند. چنین رویکردی برای افزایش سهم آسفالت بازیافتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، زیرا با افزایش ماده بازیافتی، رفتار قیر پیرشده سهم بزرگ‌تری در عملکرد کل مخلوط خواهد داشت.
اگر BRAVE بتواند ارتباط قابل اعتمادی میان ترکیب شیمیایی، پیرشدگی و رفتار مکانیکی ایجاد کند، نتایج آن می‌توانند به طراحی هدفمندتر مواد چسباننده زیستی برای آسفالت بازیافتی کمک کنند. در چنین حالتی، ماده زیستی فقط به‌عنوان یک نرم‌کننده عمومی استفاده نخواهد شد و می‌توان آن را بر اساس وضعیت شیمیایی قیر بازیافتی و نیاز عملکردی روسازی انتخاب یا تنظیم کرد.
چنین رویکردی می‌تواند کنترل کیفیت آسفالت بازیافتی را نیز بهبود دهد. آسفالت بازیافتی ذاتاً یکنواخت نیست، زیرا نوع قیر اولیه، شرایط اقلیمی، مدت بهره‌برداری و تعمیرات قبلی بر وضعیت آن اثر می‌گذارند. یک چارچوب شیمی‌مکانیکی می‌تواند بخشی از این تفاوت‌ها را توضیح دهد و به تعیین دقیق‌تر مقدار و نوع ماده زیستی مورد نیاز کمک کند.
با وجود این، BRAVEهنوز در ابتدای مسیر پژوهش قرار دارد و نباید آن را مدرکی برای حل شدن محدودیت‌های فنی آسفالت با درصد بالاتر مواد بازیافتی دانست. پروژه تازه آغاز شده است و پژوهشگران هنوز باید سازگاری مواد، مقاومت در برابر پیرشدگی، ظرفیت بازیافت چندباره و دوام ترکیبات مورد آزمایش را اثبات کنند.
در دو سال آینده، مهم‌ترین نتایج قابل پیگیری شامل نوع و ترکیب ماده چسباننده زیستی انتخاب‌شده، رفتار آن در تماس با قیر پیرشده، تغییر خواص رئولوژیکی پس از پیرشدگی، عملکرد پس از چند چرخه بازیافت و توان افزایش سهم آسفالت بازیافتی بدون افت نامطلوب در مقاومت در برابر ترک یا شیارشدگی خواهند بود.
هرگونه آزمایش در مقیاس مخلوط آسفالتی یا اعتبارسنجی میدانی نیز اهمیت ویژه‌ای خواهد داشت. آزمایش‌های شیمیایی و رئولوژیکی در سطح ماده چسباننده می‌توانند مکانیسم‌ها و شاخص‌های مهم عملکرد را مشخص کنند، اما رفتار بلندمدت روسازی به ساختار کامل مخلوط، سنگدانه، فضای خالی، مقاومت رطوبتی، دمای تولید و کیفیت تراکم در محل نیز وابسته خواهد بود.
برای صنعت قیر، اهمیت بلندمدت BRAVE در این احتمال نهفته است که تقاضای آینده دیگر فقط با مقدار قیر تازه مورد نیاز هر پروژه تعریف نشود و نحوه ترکیب قیر تازه، قیر پیرشده و مواد زیستی نیز اهمیت بیشتری پیدا کند. افزایش بازیافت می‌تواند مصرف قیر تازه در هر تن مخلوط را کاهش دهد، اما هم‌زمان نیاز به مواد چسباننده تخصصی‌تری را افزایش دهد که بتوانند عملکرد ماده بازیافتی را مدیریت کنند.
بنابراین BRAVE را نباید صرفاً تلاش دیگری برای جایگزین کردن قیر متعارف دانست. اهمیت اصلی پروژه در این است که بررسی می‌کند ماده چسباننده زیستی چگونه می‌تواند در یک سامانه چرخشی آسفالت عمل کند که در آن قیر بازیافتی همچنان یک جزء فعال مهندسی محسوب می‌شود و فقط به‌عنوان پسماند به مخلوط بازنمی‌گردد.
پروژه BRAVE از اول اکتبر با همین پرسش آغاز شده است و تا سپتامبر ۲۰۲۸ تلاش خواهد کرد مبنای علمی روشن‌تری برای استفاده از مواد چسباننده زیستی در آسفالت بازیافتی ایجاد کند. اگر نتایج نشان دهند که می‌توان نرخ بازیافت را افزایش داد و در عین حال سازگاری، دوام و عملکرد مکانیکی را طی پیرشدگی و بازیافت مکرر حفظ کرد، این پروژه می‌تواند مسیر توسعه نسل جدیدی از مواد چسباننده برای روسازی‌های چرخشی اروپا را تقویت کند.
