چکیده
این مطالعه به بررسی نحوه واکنش قیر با اکسیژن در طول زمان می‌پردازد و تاثیر غلظت اکسیژن را بر اکسید شدن قیر بررسی می‌کند. اکسیداسیون قیر یک فرآیند شیمیایی پیچیده است که منجر به تشکیل ترکیبات قطبی مانند گروه های کربونیل، سولفوکساید و هیدروکسیل می شود. این ترکیبات باعث تغییر خواص رئولوژیکی قیر و در نهایت منجر به ترک‌خوردگی و خرابی سطح جاده‌ها می‌شوند. آزمایش ها در دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد انجام شد که دمای معمول در شرایط عملی جاده ها است. قیر در لایه های نازک (<۰٫۰۳ میلی‌متر) تحت فشار هوا و اکسیژن خالص قرار گرفت و تشکیل محصولات اکسید شده با استفاده از طیف سنجی مادون قرمز اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که سرعت تشکیل گروه های کربونیل، سولفوکساید و هیدروکسیل به غلظت اکسیژن بستگی دارد. همچنین، این مطالعه نشان داد که سرعت واکنش در شرایط مختلف فشار اکسیژن تغییرات قابل‌توجهی ندارد و وابستگی به اکسیژن نشان‌دهنده یک فرآیند اکسایش موازی است که با مکانیسم های معمول رادیکال آزاد ناسازگار است.
مقدمه
قیر یک ماده پیچیده و عمدتاً هیدروکربنی است که از باقی‌مانده های تقطیر نفت خام به‌دست می‌آید و برای تولید آسفالت استفاده می‌شود. با توجه به اینکه عمر مفید روسازی های جاده ها به دلیل واکنش قیر با اکسیژن محدود می شود، مطالعه دقیق‌تر این فرآیند می‌تواند به بهبود ویژگی های قیر و افزایش عمر جاده ها کمک کند. اکسید شدن قیر، فرآیندی است که در آن اکسیژن با قیر واکنش نشان داده و ترکیباتی مانند گروه های کربونیل، سولفوکساید و هیدروکسیل تولید می شود.
این ترکیبات به دلیل قطبی بودن و توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی، ویسکوزیته قیر را افزایش می‌دهند و موجب سخت شدگی آن می‌شوند که به ترک خوردگی و آسیب های سطح جاده ها منجر می شود.
افزایش دمای متوسط روسازی ها به دلیل تغییرات اقلیمی می تواند نرخ اکسیداسیون را افزایش دهد و مشکلات موجود در ارتباط با پیرشدگی قیر را تشدید کند. در حال حاضر، درک دقیقی از مکانیسم های شیمیایی دخیل در این فرآیند وجود ندارد. این مسئله مانع از توسعه افزودنی های موثر و طراحی جاده هایی با عمر طولانی‌تر می‌شود. تحقیقات مختلفی در زمینه شبیه سازی و مطالعه اثرات دما، فشار و غلظت اکسیژن بر فرآیند اکسیداسیون قیر انجام شده است.
هدف مطالعه
هدف این مطالعه بررسی تاثیر غلظت اکسیژن بر نرخ تشکیل گروه های کربونیل، سولفوکساید و هیدروکسیل در فرآیند اکسیداسیون قیر است. این گروه ها از جمله ترکیبات اصلی هستند که در طی اکسیداسیون قیر تشکیل می‌شوند و به دلیل تغییرات ویسکوزیته قیر در نهایت به آسیب های سطح جاده ها منجر می شوند. سرعت اکسیداسیون قیر به شدت به غلظت اکسیژن وابسته است و در این تحقیق تلاش شده است تا وابستگی سرعت اکسیداسیون به غلظت اکسیژن در شرایط دمایی مختلف بررسی شود.
روش‌شناسی
آزمایش ها در دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد انجام شد، که این دما معمولاً در سطح جاده ها مشاهده می شود. برای بررسی تاثیر اکسیژن، فیلم های نازک قیر با ضخامت کمتر از ۰٫۰۳ میلی‌متر انتخاب شدند تا نفوذ اکسیژن به لایه قیر به حداقل برسد. این فیلم ها تحت فشار اکسیژن ۲۲٫۲۳ کیلوپاسکال (هوا) و ۱۰۱٫۳۳ کیلوپاسکال (اکسیژن خالص) قرار گرفتند. سرعت تشکیل محصولات اکسید شده با استفاده از طیف سنجی مادون قرمز اندازه‌گیری شد.
نتایج و بحث
نتایج نشان داد که سرعت تشکیل گروه های کربونیل، سولفوکساید و هیدروکسیل به غلظت اکسیژن بستگی دارد. این محصولات به دلیل قطبی بودن و توانایی ایجاد پیوند هیدروژنی، نقش مهمی در افزایش ویسکوزیته قیر دارند و منجر به تغییرات در ویژگی های رئولوژیکی آن می شوند. همچنین مشاهده شد که سرعت واکنش نسبت به غلظت اکسیژن تقریباً ثابت باقی می ماند و در هر دو ناحیه سرعت واکنش «سریع» و «کُند» تغییر محسوسی ندارد. این نکته نشان‌دهنده آن است که فرآیند اکسید شدن به‌طور موازی پیش می‌رود و با مکانیسم های زنجیره ای رایج اکسیداسیون رادیکال آزاد ناسازگار است.
بر اساس تحقیقات پیشین، نیز مشاهده شده که افزایش فشار و دما باعث تسریع فرآیند اکسیداسیون قیر می‌شود و در نتیجه تشکیل سریع‌تر گروه‌های کربونیل و هیدروکسیل را در پی دارد. این افزایش سرعت اکسیداسیون، منجر به تغییرات سریع در خواص فیزیکی قیر خواهد شد.
نتیجه گیری
این مطالعه نشان می‌دهد که غلظت اکسیژن تأثیر زیادی بر سرعت تشکیل محصولات اکسید شده قیر دارد. این محصولات، به‌ویژه گروه‌های کربونیل، سولفوکساید و هیدروکسیل، نقش کلیدی در تغییر رئولوژی قیر دارند و می‌توانند به بهبود یا آسیب ویژگی های فیزیکی و شیمیایی قیر کمک کنند. درک بهتر از این فرآیندها می‌تواند به طراحی قیرهایی با دوام بیشتر و جاده هایی با عمر طولانی‌تر کمک کند. همچنین، این مطالعه می‌تواند مبنای جدیدی برای توسعه فناوری‌های جدید در زمینه تولید قیرهای مقاوم‌تر در برابر اکسیداسیون باشد.
پیشنهادات برای تحقیقات آینده شامل استفاده از افزودنی های آنتی‌اکسیدان برای کاهش سرعت اکسیداسیون و ترکیب قیر با پلیمرهای خاص برای بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون است. علاوه بر این، استفاده از روش های نوین مانند طیف سنجی رامان و میکروسکوپ الکترونی می‌تواند در شبیه سازی دقیق‌تر و بهبود کیفیت قیر کمک کند.