به گزارش دنیای نفت و قیر، در روزهای اخیر دو مطالعه علمی در حوزه مواد آسفالتی توجه جامعه مهندسی راه و پژوهشگران حوزه انرژی و محیطزیست را جلب کرده است. این تحقیقات به دو موضوع متفاوت اما مرتبط میپردازند: نخست استفاده از روغن زیستی غنی از ترکیبات فنولی که برای حذف فوتوکاتالیستی قیر با گوگرد دوپ شده است و دوم، توسعه روشی دقیق برای شناسایی الگوهای شیمیایی در آسفالتهای پیرشده. پیامدهای این دستاوردها میتواند برای بسیاری از مناطق جهان، بهویژه خاورمیانه که با رشد سریع زیرساختهای حملونقل و شرایط اقلیمی سخت مواجه است، اهمیت قابل توجهی داشته باشد. در این مناطق دمای بالای سطح جادهها، تابش شدید خورشید و حجم بالای تردد باعث میشود فرایندهای انتشار آلایندهها و پیرشدگی قیر با سرعت بیشتری رخ دهد.
قیر به عنوان ماده چسباننده اصلی در مخلوطهای آسفالتی، نقش کلیدی در ساخت و نگهداری شبکههای جادهای دارد. با وجود اهمیت گسترده این ماده، انتشار ترکیبات آلی فرّار از قیر در مراحل مختلف تولید و اجرا، یکی از چالشهای زیستمحیطی شناختهشده در صنعت راهسازی است. این ترکیبات در هنگام گرم شدن قیر، در زمان اختلاط با مصالح سنگی و همچنین در دوره اولیه بهرهبرداری از روسازی آزاد میشوند. انتشار این مواد میتواند در تشکیل مهدود فتوشیمیایی نقش داشته باشد و همچنین کارکنان پروژههای راهسازی را در معرض مخلوطی پیچیده از هیدروکربنها قرار دهد. از سوی دیگر، قیر در طول زمان تحت اثر اکسیژن، دما و تابش فرابنفش دچار پیرشدگی شیمیایی میشود. این فرایند باعث افزایش سختی و کاهش انعطافپذیری ماده شده و در نهایت میتواند به ترکخوردگی و کاهش عمر روسازی منجر شود.
مطالعه نخست رویکردی نوین برای کاهش انتشار ترکیبات آلی فرّار ارائه میدهد. در این پژوهش از روغن زیستی حاصل از پیرولیز زیستتوده استفاده شده است. روغن زیستی به عنوان یک محصول مایع غنی از ترکیبات آلی، طی سالهای گذشته به عنوان جایگزین جزئی برای برخی اجزای قیر مورد توجه قرار گرفته بود. با این حال بیشتر مطالعات قبلی بر خواص مکانیکی یا جنبههای پایداری منابع تمرکز داشتند. در تحقیق جدید تمرکز اصلی بر رفتار شیمیایی و توانایی این ماده در کنترل انتشار آلایندهها قرار گرفته است.
پژوهشگران ابتدا بخشی از روغن زیستی را که دارای مقدار بالایی ترکیبات فنولی است استخراج کردند. ترکیبات فنولی به دلیل ساختار شیمیایی خاص خود میتوانند در واکنشهای اکسیداسیون و احیای سطحی نقش مؤثری ایفا کنند. در مرحله بعد این بخش فنولی با گونههای گوگردی اصلاح شد. حضور گوگرد در ساختار این ماده باعث ایجاد مراکز فعال کاتالیستی میشود که در حضور نور خورشید قادر به آغاز واکنشهای فوتوکاتالیستی هستند.
پس از آمادهسازی این افزودنی، آن را در سامانههای قیری آزمایش کردند. نتایج آزمایشگاهی نشان داد هنگامی که سطح قیر حاوی این روغن زیستی اصلاحشده در معرض نور قرار میگیرد، واکنشهایی روی سطح ماده رخ میدهد که به تجزیه مولکولهای ترکیبات آلی فرّار کمک میکند. در این آزمایشها از روشهای طیفسنجی برای پایش ترکیبات منتشرشده استفاده شد. نتایج نشان داد برخی از ترکیبات رایج در انتشار قیر، از جمله هیدروکربنهای آروماتیک سبک و ترکیبات اکسیژندار، در حضور این سامانه فوتوکاتالیستی دچار اکسیداسیون میشوند. در نتیجه بخشی از این مولکولها پیش از آنکه در هوا تجمع پیدا کنند به ترکیبات پایدارتر یا کمفرّار تبدیل میشوند.
نکته مهم در این فرایند استفاده از انرژی خورشیدی است. سطح جادهها در بسیاری از مناطق جهان، بهویژه در اقلیمهای گرم و خشک، در معرض تابش شدید خورشید قرار دارد. این شرایط محیطی میتواند انرژی لازم برای فعال شدن سامانه فوتوکاتالیستی را فراهم کند. در چنین وضعیتی سطح روسازی نه تنها نقش سازهای دارد، بلکه میتواند به عنوان محیطی برای کاهش انتشار برخی آلایندهها نیز عمل کند. آزمایشهای اولیه نشان میدهد افزودن روغن زیستی فنولی دوپشده با گوگرد میتواند میزان انتشار ترکیبات آلی فرّار از قیر را در شرایط آزمایشگاهی و شبیهسازی محیطی کاهش دهد.
در همین مطالعه اثر این افزودنی بر رفتار پیرشدگی قیر نیز بررسی شد. پیرشدگی معمولاً در اثر واکنشهای اکسیداسیون رخ میدهد و به تشکیل گروههای عاملی جدیدی مانند کربونیل و سولفوکسید در ساختار قیر منجر میشود. افزایش این گروههای شیمیایی نشانهای از پیشرفت فرایند اکسیداسیون است و معمولاً با افزایش سختی ماده همراه است. یافتههای اولیه نشان داد حضور ترکیبات فنولی در روغن زیستی میتواند تا حدی به مهار برخی واکنشهای رادیکالی کمک کند. این ویژگی احتمالاً به دلیل خاصیت آنتیاکسیدانی ترکیبات فنولی است که قادرند برخی رادیکالهای آزاد را جذب کنند. در نتیجه این افزودنی ممکن است علاوه بر کاهش انتشار آلایندهها، در کنترل سرعت برخی واکنشهای اکسیداسیونی نیز نقش داشته باشد.
در کنار این پژوهش، مطالعه دیگری که در سال ۲۰۲۶ منتشر شده است به موضوع شناسایی الگوهای شیمیایی در آسفالتهای پیرشده میپردازد. شناخت دقیق تغییرات شیمیایی قیر در طول زمان همواره یکی از موضوعات مهم در مهندسی روسازی بوده است. قیر از هزاران مولکول مختلف تشکیل شده که شامل هیدروکربنهای آروماتیک، رزینها، آسفالتنها و ترکیبات قطبی گوناگون هستند. با گذشت زمان و تحت تأثیر دما، اکسیژن و نور، ترکیب این مولکولها به تدریج تغییر میکند.
روش جدید معرفیشده در این پژوهش از طیفسنجی جرمی با وضوح بالا همراه با تحلیلهای آماری پیشرفته استفاده میکند. در این روش نمونههایی از قیر استخراجشده از روسازیهای مختلف بررسی میشود. این نمونهها شامل قیر تازه، قیرهایی با عمر بهرهبرداری طولانی و همچنین مواد بازیافتی حاصل از روسازیهای قدیمی هستند. با بررسی دادههای بهدستآمده، پژوهشگران توانستهاند مجموعهای از نشانگرهای مولکولی را شناسایی کنند که هر یک با مرحله خاصی از پیرشدگی مرتبط هستند.
این الگوهای مولکولی در واقع نوعی امضای شیمیایی برای آسفالت محسوب میشوند. با تحلیل این امضاها میتوان اطلاعاتی درباره تاریخچه حرارتی و اکسیداسیونی ماده به دست آورد. چنین اطلاعاتی در بررسیهای فنی روسازی اهمیت زیادی دارد. برای نمونه هنگامی که یک روسازی دچار خرابی زودهنگام میشود، مهندسان نیاز دارند بدانند آیا علت آن شرایط محیطی بوده، خطا در اجرا رخ داده یا ترکیب مواد اولیه مناسب نبوده است. تحلیل شیمیایی قیر میتواند شواهد دقیقی درباره این موضوع ارائه دهد.
کاربرد دیگر این روش در مدیریت مصالح بازیافتی آسفالتی است. امروزه استفاده از مصالح حاصل از روسازیهای قدیمی به یکی از راهکارهای اصلی کاهش مصرف منابع طبیعی در صنعت راهسازی تبدیل شده است. با این حال عملکرد این مصالح تا حد زیادی به وضعیت شیمیایی قیر موجود در آنها بستگی دارد. اگر قیر موجود در مواد بازیافتی بیش از حد اکسید شده باشد، لازم است از افزودنیهای نرمکننده یا جوانکننده استفاده شود. روش جدید تحلیل مولکولی امکان ارزیابی دقیق وضعیت قیر بازیافتی را فراهم میکند و میتواند به انتخاب افزودنی مناسب کمک کند.
ترکیب نتایج این دو مسیر پژوهشی نشان میدهد مطالعات مربوط به قیر وارد مرحلهای شدهاند که در آن توجه بیشتری به جنبههای شیمیایی و محیطزیستی معطوف شده است. در گذشته تمرکز اصلی تحقیقات بیشتر بر ویژگیهای رئولوژیکی مانند ویسکوزیته، سختی و مقاومت در برابر خستگی بود. هرچند این ویژگیها همچنان اهمیت زیادی دارند، اما درک دقیق ساختار شیمیایی قیر میتواند اطلاعات عمیقتری درباره رفتار بلندمدت آن ارائه دهد.
افزودنیهای زیستپایه مانند روغن زیستی اصلاحشده با گوگرد نمونهای از تلاش برای ترکیب فناوری مواد با اهداف زیستمحیطی است. در عین حال ابزارهای تحلیلی پیشرفته امکان بررسی دقیقتر فرایندهای پیرشدگی را فراهم میکنند. این دو روند در کنار یکدیگر میتوانند به توسعه نسل جدیدی از مواد آسفالتی منجر شوند که علاوه بر عملکرد سازهای مناسب، انتشار آلاینده کمتری داشته باشند و امکان استفاده مجدد از مصالح در آنها با دقت بیشتری مدیریت شود.
برای مناطقی که شبکههای جادهای آنها با سرعت در حال گسترش است، چنین پیشرفتهایی میتواند اهمیت ویژهای داشته باشد. تابش شدید خورشید، دمای بالای سطح جاده و بار ترافیکی سنگین از عواملی هستند که سرعت پیرشدگی قیر را افزایش میدهند. در چنین شرایطی استفاده از افزودنیهایی که بتوانند همزمان انتشار ترکیبات آلی فرّار را کاهش دهند و پایداری شیمیایی ماده را بهبود بخشند، میتواند به افزایش دوام روسازی کمک کند.
با وجود نتایج امیدوارکننده، این فناوریها هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارند. آزمایشهای میدانی طولانیمدت برای ارزیابی عملکرد این مواد در شرایط واقعی ضروری است. همچنین لازم است اثر این افزودنیها بر فرایندهای تولید، دمای اختلاط و تعامل با مصالح سنگی بهطور دقیق بررسی شود. از سوی دیگر بهکارگیری روشهای پیشرفته تحلیل مولکولی در مقیاس صنعتی نیازمند سادهسازی برخی مراحل آزمایشگاهی است.
با ادامه این تحقیقات انتظار میرود در سالهای آینده دانش شیمی قیر نقش پررنگتری در طراحی روسازیها ایفا کند. ترکیب رویکردهای نوین در مهندسی مواد و ابزارهای تحلیلی پیشرفته میتواند راه را برای توسعه روسازیهایی با دوام بیشتر، انتشار کمتر آلایندهها و قابلیت بازیافت بهتر هموار کند.
