به گزارش نشریه دنیای نفت و قیر، یک پژوهش جدید نشان داده است که افزودن تنها ۰.۳ درصد وزنی گوگرد به قیر اصلاح‌شده با SBS می‌تواند پایداری آن را در زمان نگهداری گرم به شکل چشمگیری افزایش دهد و در حالت استفاده از گوگرد لوزی‌شکل، شاخص اندازه‌گیری‌شده جدایش بین بخش بالایی و پایینی نمونه را حدود ۹۶ درصد کاهش دهد. در این تحقیق از قیر جاده‌ای ۷۰\۱۰۰ حاوی ۳ درصد وزنی SBS خطی استفاده شده است و دو نوع گوگرد پلیمری و لوزی‌شکل با دوز یکسان ۰.۳ درصد مورد مقایسه قرار گرفته‌اند.
مهم‌ترین نتیجه در آزمون پایداری ذخیره‌سازی به دست آمده است. نمونه حاوی SBS بدون گوگرد پس از نگهداری گرم اختلاف ۲.۷ درجه سانتی‌گرادی میان بخش بالا و پایین نشان داده است، در حالی که افزودن ۰.۳ درصد گوگرد پلیمری این اختلاف را به ۰.۴ درجه رسانده و حدود ۸۵ درصد کاهش ایجاد کرده است. استفاده از همان مقدار گوگرد لوزی‌شکل اختلاف را به تنها ۰.۱ درجه سانتی‌گراد کاهش داده است که در مقایسه با نمونه حاوی SBS بدون گوگرد، معادل کاهش تقریبی ۹۶ درصدی شاخص جدایش محسوب می‌شود.
این نتیجه به یکی از چالش‌های مهم قیر اصلاح‌شده پلیمری مربوط می‌شود. افزودن SBS معمولاً خاصیت ارتجاعی، مقاومت در برابر شیارشدگی و عملکرد قیر در دمای بالا را بهبود می‌دهد، اما فاز غنی از پلیمر و فاز قیری همیشه در طول نگهداری گرم به‌صورت کاملاً یکنواخت باقی نمی‌مانند. تفاوت در چگالی، ساختار مولکولی و سازگاری میان قیر و پلیمر می‌تواند باعث شود در دمای بالا بخشی از فاز پلیمری به‌تدریج جابه‌جا شود و خواص محصول در قسمت‌های مختلف مخزن یکسان باقی نماند.
پژوهش این مسئله را در شرایط نسبتاً سخت بررسی کرده است. نمونه‌ها در دمای ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد آماده شده‌اند و سپس در آزمون ذخیره‌سازی گرم به مدت ۷۲ ساعت در همین دما نگهداری شده‌اند. پس از پایان آزمون، بخش‌های بالا و پایین به‌صورت جداگانه بررسی شده‌اند تا مشخص شود خواص آنها تا چه اندازه از یکدیگر فاصله گرفته است. هرچه اختلاف میان دو بخش بیشتر باشد، ناپایداری و جدایش بیشتر است و نزدیک شدن این اختلاف به صفر نشان می‌دهد ماده در طول نگهداری یکنواخت‌تر باقی مانده است.
هر دو سامانه حاوی گوگرد عملکرد بسیار بهتری از نمونه دارای SBS به‌تنهایی نشان داده‌اند. قیر حاوی ۳ درصد SBS بیشترین اختلاف میان قسمت بالا و پایین را در میان سامانه‌های اصلاح‌شده ثبت کرده است، در حالی که افزودن مقدار بسیار کمی گوگرد این فاصله را به‌شدت کاهش داده است. گوگرد لوزی‌شکل بهترین یکنواختی را ایجاد کرده و پس از نگهداری، رفتار بخش بالا و پایین نمونه تقریباً یکسان باقی مانده است.
بررسی ترکیب شیمیایی نیز همین روند را تأیید کرده است. در نمونه حاوی SBS بدون گوگرد، اختلاف ترکیب عناصر میان بخش بالا و پایین بیشتر بوده و جابه‌جایی محسوس‌تری در مقادیر گوگرد، هیدروژن و کربن مشاهده شده است. در مقابل، نمونه‌های SBS حاوی گوگرد اختلاف ترکیبی بسیار کمتری داشته‌اند. این نتیجه اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان می‌دهد کاهش اختلاف رئولوژیکی با ثبات بیشتر ترکیب ماده همراه بوده و صرفاً تغییر یک شاخص منفرد آزمایشگاهی نبوده است.
گوگرد لوزی‌شکل پس از پیرشدگی کوتاه‌مدت نیز عملکرد قابل توجهی نشان داده است. این فرمولاسیون کمترین حساسیت را به بازتوزیع اجزا و پیرشدگی رئولوژیکی در میان سامانه‌های SBS مورد بررسی داشته است. بنابراین مزیت آن فقط به زمان نگهداری گرم محدود نشده و پس از شبیه‌سازی بخشی از شرایط حرارتی تولید و اجرا نیز ترکیب یکنواخت‌تری حفظ کرده است.
با این حال گوگرد لوزی‌شکل در تمام معیارها بهترین عملکرد را نداشته است. در آزمون خزش و بازیابی چندتنشی پس از پیرشدگی کوتاه‌مدت، نمونه حاوی گوگرد پلیمری کمترین خزش غیرقابل بازیابی و بیشترین بازیابی ارتجاعی را ثبت کرده است. به بیان دیگر، گوگرد لوزی‌شکل در یکنواختی فازی و پایداری ترکیب عملکرد بهتری داشته است، در حالی که گوگرد پلیمری از نظر بازیابی زیر بار تکراری نتیجه قوی‌تری ارائه کرده است.
این تفاوت از دید تجاری اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان می‌دهد فقط مقدار گوگرد تعیین‌کننده نیست و شکل ساختاری آن نیز می‌تواند تعادل عملکرد قیر اصلاح‌شده را تغییر دهد. دو فرمولاسیون با دوز دقیقاً یکسان ۰.۳ درصد، نتایج متفاوتی در پایداری ذخیره‌سازی و پاسخ مکانیکی نشان داده‌اند و در نتیجه انتخاب نوع گوگرد می‌تواند به هدف اصلی فرمولاسیون وابسته باشد.
هر دو نمونه SBS حاوی گوگرد پس از پیرشدگی کوتاه‌مدت مقاومت بالایی در برابر تغییرشکل دائمی نشان داده‌اند. این موضوع اهمیت دارد، زیرا بهبود پایداری ذخیره‌سازی زمانی ارزش صنعتی دارد که مزیت‌های اصلی SBS در عملکرد دمای بالا از بین نروند. نتایج نشان می‌دهند در شرایط این پژوهش، افزایش یکنواختی ماده بدون حذف عملکرد مناسب آن در برابر بارگذاری ایجاد شده است.
یکی از نکات مهم این تحقیق دوز بسیار پایین افزودنی است. مقدار گوگرد فقط ۰.۳ درصد وزنی بوده است، در حالی که میزان SBS به ۳ درصد می‌رسیده است. بنابراین میزان گوگرد یک‌دهم مقدار پلیمر بوده، اما همین مقدار محدود توانسته است اختلاف بخش بالا و پایین نمونه را از ۲.۷ درجه به ۰.۱ تا ۰.۴ درجه کاهش دهد.
با این حال این نتیجه به معنی آن نیست که ۰.۳ درصد برای تمام قیرهای SBS مقدار بهینه محسوب می‌شود. پژوهش این دوز مشخص را مورد بررسی قرار داده است و مقایسه گسترده‌ای میان غلظت‌های مختلف برای تعیین نقطه بهینه انجام نداده است. بنابراین نمی‌توان نتیجه را مستقیماً به هر گرید قیر، هر نوع SBS یا هر پالایشگاه تعمیم داد.
ترکیب خود قیر پایه نیز می‌تواند نتیجه را تغییر دهد. دو قیر با گرید نفوذ یکسان ۷۰\۱۰۰ الزاماً از نظر ترکیب آروماتیک‌ها، رزین‌ها و آسفالتین‌ها مشابه نیستند و همین تفاوت می‌تواند بر میزان تورم SBS، سازگاری پلیمر و پایداری نهایی اثر بگذارد. به همین دلیل یک فرمول موفق روی یک قیر پایه ممکن است برای خوراک پالایشگاهی دیگر نیاز به تنظیم مجدد داشته باشد.
شرایط تولید نیز اهمیت زیادی دارد. دمای اختلاط، شدت برش، مدت اختلاط، ساختار SBS، نوع گوگرد و ترتیب اضافه شدن مواد همگی می‌توانند بر تشکیل شبکه اصلاح‌شده اثر بگذارند. بنابراین نتیجه پژوهش نشان می‌دهد نوع گوگرد قابلیت ایجاد تغییر بزرگ در پایداری را دارد، اما واحد صنعتی همچنان باید فرمول را در شرایط واقعی خود اعتبارسنجی کند.
اهمیت این موضوع برای تولیدکنندگان قیر اصلاح‌شده فقط آزمایشگاهی نیست. اگر فاز پلیمری در مخزن جدا شود، محصولی که در زمان‌های مختلف از همان مخزن بارگیری می‌شود می‌تواند خواص رئولوژیکی متفاوتی داشته باشد، حتی اگر تمام محموله با یک گرید تجاری فروخته شود. افزایش پایداری ذخیره‌سازی در نتیجه می‌تواند یکنواختی کیفیت را از مرحله تولید تا نگهداری، بارگیری و تحویل بهتر حفظ کند.
این مسئله در تجارت صادراتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، زیرا قیر اصلاح‌شده ممکن است پیش از بارگیری یا تحویل برای مدت طولانی در دمای بالا نگهداری شود. تأخیر در برنامه کشتی، انتظار در ترمینال یا ذخیره‌سازی طولانی می‌تواند حساسیت به جدایش را افزایش دهد و در چنین شرایطی فرمولاسیونی که ذاتاً پایداری بیشتری دارد مزیت عملی بیشتری ایجاد می‌کند.
پایداری بالاتر همچنین می‌تواند نیاز عملیاتی برای حفظ یکنواختی محصول را کاهش دهد. مخازن قیر اصلاح‌شده معمولاً از گردش یا هم‌زدن برای محدود کردن جدایش استفاده می‌کنند و افزایش پایداری ذاتی ماده می‌تواند حساسیت محصول به زمان نگهداری را کمتر کند. با این حال پژوهش حاضر میزان کاهش مصرف انرژی یا امکان حذف تجهیزات اختلاط مخزن را بررسی نکرده است و نباید چنین نتیجه‌ای را از داده‌ها استخراج کرد.
نتایج همچنین نشان می‌دهند که عبارت «قیر SBS اصلاح‌شده با گوگرد» نباید به‌عنوان یک فرمول واحد در نظر گرفته شود. گوگرد پلیمری و گوگرد لوزی‌شکل حتی در مقدار یکسان رفتار متفاوتی ایجاد کرده‌اند. نوع لوزی‌شکل بیشترین پایداری فازی و یکنواختی ترکیب را ایجاد کرده است، در حالی که نوع پلیمری بازیابی ارتجاعی قوی‌تری در آزمون خزش نشان داده است.
این تفاوت می‌تواند در آینده امکان طراحی فرمول بر اساس نوع کاربرد را فراهم کند. تولیدکننده‌ای که با زمان طولانی نگهداری گرم مواجه است ممکن است پایداری فازی را در اولویت قرار دهد، در حالی که برای روسازی تحت بار سنگین، بازیابی ارتجاعی و مقاومت در برابر تغییرشکل می‌تواند اهمیت بیشتری داشته باشد. فرمول نهایی باید میان پایداری ذخیره‌سازی، رفتار رئولوژیکی، مقاومت به پیرشدگی، هزینه تولید و الزامات پروژه تعادل ایجاد کند.
در عین حال محدودیت‌های پژوهش اجازه نمی‌دهند نتیجه به کل بازار قیر اصلاح‌شده پلیمری تعمیم داده شود. آزمایش با یک قیر پایه ۷۰\۱۰۰، یک SBS خطی با مقدار ۳ درصد و یک دوز گوگرد انجام شده است. بنابراین مطالعه اثر بسیار قوی گوگرد را در همین شرایط مشخص اثبات می‌کند و هنوز یک دستورالعمل عمومی برای تمام فرمولاسیون‌های صنعتی ارائه نمی‌دهد.
عملکرد واقعی روسازی نیز مسئله جداگانه‌ای است. پایداری ذخیره‌سازی و رفتار رئولوژیکی برای کیفیت قیر اهمیت زیادی دارند، اما عملکرد جاده علاوه بر آنها به سنگدانه، طراحی مخلوط، فضای خالی، تراکم، ترافیک، رطوبت، اقلیم و پیرشدگی بلندمدت وابسته است. بنابراین کاهش ۹۶ درصدی این شاخص را نباید به معنی کاهش ۹۶ درصدی خرابی روسازی تفسیر کرد.
نتیجه دقیق‌تر اما همچنان مهم است: افزودن تنها ۰.۳ درصد گوگرد به قیر ۷۰\۱۰۰ حاوی ۳ درصد SBS توانسته است شاخص جدایش در آزمون ذخیره‌سازی گرم را به‌شدت کاهش دهد و گوگرد لوزی‌شکل اختلاف بخش بالا و پایین را از ۲.۷ درجه سانتی‌گراد به تنها ۰.۱ درجه رسانده است. هم‌زمان، سامانه‌های حاوی گوگرد عملکرد مناسب خود را در دمای بالا حفظ کرده‌اند و دو نوع گوگرد مزیت‌های متفاوتی در پایداری فازی و بازیابی ارتجاعی نشان داده‌اند.
برای صنعت قیر، این نتیجه نشان می‌دهد یک تغییر بسیار کوچک در شیمی فرمولاسیون می‌تواند اثر بزرگی بر یکی از مشکلات مهم قیر اصلاح‌شده پلیمری داشته باشد. مرحله بعدی باید مشخص کند آیا همین سطح بهبود در قیرهای پایه مختلف، انواع دیگر SBS، دوزهای متفاوت گوگرد، شرایط واقعی کارخانه و دوره‌های طولانی‌تر ذخیره‌سازی نیز تکرار می‌شود یا خیر.
اگر این نتایج در مقیاس صنعتی نیز پایدار بمانند، گوگرد می‌تواند به ابزار مهم‌تری برای کنترل یکی از چالش‌های قدیمی قیر SBS تبدیل شود؛ یعنی حفظ شبکه پلیمری یکنواخت از مخزن تولید تا زمان اجرای نهایی در روسازی.
