تم تطوير نظام تصنيف الاختراق في أوائل القرن العشرين لتوصيف تماسك الأسفلت شبه الصلب. البيتومين بدرجة الاختراق هو عبارة عن قار مصفى يتم تصنيعه بدرجات لزوجة مختلفة وهو عبارة عن قار قياسي يستخدم عادةً كقار للرصف ضروري لبناء الطرق ولإنتاج أرصفة الأسفلت ذات الخصائص المتفوقة. يتم إجراء اختبار الاختراق لتوصيف البيتومين، بناءً على الصلابة. وبالتالي، فإنه يحمل اسم البيتومين الاختراق.
الافتراض الأساسي لتصنيف الاختراق هو أنه كلما كان الأسفلت أقل لزوجة، كلما اختراق الإبرة بشكل أعمق. سيتم تصنيف البيتومين الذي يتم إنتاجه أثناء عملية أكسدة القاع الفراغي (مادة التغذية لإنتاج البيتومين المشتقة من بقايا برج التقطير في مصافي الزيت الفراغي) في وحدة إنتاج البيتومين على أساس نقطة اختراقه. يتم إدراج درجات الاختراق كمجموعة من وحدات الاختراق (وحدة اختراق واحدة = 0.1 مم) مثل 60/70. يساعد تصنيف البيتومين على تقييم مدى ملاءمته للظروف المناخية المختلفة وأنواع البناء. في المناطق الأكثر دفئًا، تُفضل درجات الاختراق الأقل لتجنب التليين بينما تُستخدم درجات الاختراق الأعلى مثل 120/150 في المناطق الباردة لمنع حدوث الهشاشة المفرطة. درجات الاختراق المحددة في AASHTO M 20 وASTM D 946 مدرجة في الجدول أدناه.

• البيتومين 80/100: خصائص هذه الدرجة تتوافق مع درجة S 90 IS-73-1992. وهذا مناسب للطرق ذات الحجم المنخفض ولا يزال يستخدم على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم. نظرًا لانخفاض نفخ الهواء ونقطة الاختراق نسبيًا، يتم استخدامه في المناطق الباردة.

• البيتومين 60/70: هذا النوع أصعب من 80/100 ويمكنه تحمل الأحمال المرورية العالية. خصائص هذه الدرجة تؤكد تلك الخاصة بالدرجة S 65 IS-73-1992. البيتومين 60/70، يعني أن الاختراق يتراوح بين 60 ديسيمتر (ديسيمتر) إلى 70 ديسيمتر، وهذا يعني أن الإبرة سوف تخترق عينة البيتومين بحد أدنى 60 ديسيمتر وحد أقصى 70 ديسيمتر. يتم استخدامه حاليًا بشكل رئيسي في بناء الطرق السريعة. يعتبر البيتومين 60/70 أحد أكثر أنواع البيتومين استخداماً وهو مادة أساسية لجميع المنتجات البيتومينية الأخرى. يتم استخدامه في المناطق المعتدلة.

• البيتومين 40/50: درجة اختراق البيتومين 40/50 تعني أن قيمة الاختراق تتراوح بين 40 إلى 50 في ظروف الاختبار القياسية والتي تستخدم عادة كدرجة رصف. البيتومين درجة الاختراق 40/50 هو البيتومين درجة الاختراق شبه الصلبة مناسبة لبناء الطرق وإصلاحها. يستخدم هذا النوع من البيتومين بشكل رئيسي في تصنيع خليط الأسفلت الساخن للقواعد ودورات التآكل.

• البيتومين 30/40: هذا هو الأصعب بين جميع الدرجات ويمكنه تحمل الأحمال المرورية الثقيلة للغاية. خصائص هذه الدرجة تؤكد تلك الخاصة بالدرجة S 35 IS-73-1992. يستخدم البيتومين 30/40 في التطبيقات المتخصصة مثل مدارج المطارات وكذلك في الطرق ذات حركة المرور الكثيفة للغاية في المدن الساحلية.

إن القطع هو سائل يتدفق بحرية في درجات الحرارة العادية ويتم الحصول عليه عن طريق صهر البيتومين مع المذيبات المناسبة. يتم تقليل لزوجة البيتومين بشكل كبير عن طريق إضافة الكيروسين أو أي مذيب آخر. يتم تصنيع البيتومين المقطوع عن طريق تقليل لزوجة البيتومين العادي عن طريق إضافة مذيب من النوع البترولي في الغالب. للاستخدام في الضمادات السطحية، وبعض أنواع البيتومين الحصباء وتثبيت التربة والبيتومين، من الضروري أن يكون لديك مادة رابطة سائلة يمكن خلطها نسبيًا في درجات حرارة منخفضة. ومن ثم، لزيادة سيولة المادة الرابطة البيتومينية عند درجات حرارة منخفضة، يتم مزج المادة الرابطة مع مذيب متطاير. بعد استخدام خليط التخفيض في أعمال البناء، تتبخر المواد المتطايرة ويطور التخفيض خصائص الربط. تعتمد لزوجة التخفيض ومعدل تصلبها على الطريق على خصائص وكمية كل من البيتومين والزيت المتطاير المستخدم كمواد مخففة. يتم استخدام Cutback Bitumen لأن لزوجته أقل من لزوجة الأسفلت النقي وبالتالي يمكن استخدامه في التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة. يمكن استخدام البيتومين المقطوع في بناء وصيانة الطرق البيتومينية في الطقس البارد.
يتم تصنيف التخفيضات وفقا للوقت الذي تستغرقه للمعالجة، أو تصبح صلبة بسبب تبخر المادة المخففة. التصنيفات هي المعالجة السريعة (RC)، المعالجة المتوسطة (MC) أو المعالجة البطيئة (SC). يختلف التخفيض في السلوك وفقًا لنوع القاطع أو التدفق المستخدم كمخفف مع الروح البيضاء المستخدمة بشكل شائع في درجات RC والكيروسين لـ MC والديزل لـ SC. سوف يتبخر المذيب سريع المعالجة (RC) بسرعة أكبر من المذيب متوسط المعالجة (MC)، والذي بدوره سوف يعالج بسرعة أكبر من المذيب البطيء (SC).
معايير خفض البيتومين هي كما يلي:
- ASTM D 2026 وD 2027 وD 2028 لخفض المعالجة البطيئة والمتوسطة والسريعة
- AASHTO M 81، M 82 لخفض المعالجة السريعة والمتوسطة
- EN 15522 رابط القطع والصهر البيتوميني

يتم تقسيم البيتومين المقطوع عمومًا إلى ثلاث مجموعات اعتمادًا على درجة تطاير المذيب المضاف:

• المعالجة البطيئة (SC-30، SC-70، SC-250، SC-800، SC-3000)، والتي تسمى غالبًا "زيوت الطرق"، هي عادة مادة متبقية يتم إنتاجها من التقطير الجزئي لبعض أنواع البترول الخام. تقليديا يتم استخدام أي نوع من الزيوت العطرية والنفثينية والبارافينية. يمكن تحضير مواد البيتومين السائلة بطيئة المعالجة عن طريق مزج البيتومين مع جزء بترولي زيتي.

• المعالجة المتوسطة (MC-70، MC-250، MC-800، MC-3000)، عبارة عن مزيج من البيتومين مع الهيدروكربونات الخفيفة مثل الكيروسين.

• المعالجة السريعة (RC-30، RC-70، RC-250، RC-800، RC-3000)، يتم تحضيرها باستخدام مادة مخففة خفيفة وسريعة التبخر مثل النافتا أو البنزين.

في أوائل الستينيات، تم تطوير نظام محسّن لتصنيف البيتومين (الأسفلت) والذي يتضمن اختبار اللزوجة العلمي العقلاني. حل هذا الاختبار العلمي محل اختبار الاختراق التجريبي باعتباره التوصيف الرئيسي لرابط البيتومين. يحدد تصنيف اللزوجة خصائص البيتومين التالية:

- اللزوجة عند 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت)
- اللزوجة عند 135 درجة مئوية (275 درجة فهرنهايت)
– عمق اختراق إبرة 100 جرام يتم تطبيقها لمدة 5 ثوان عند 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)
– درجة حرارة نقطة الوميض
– ليونة عند 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)
- الذوبان في ثلاثي كلور الإيثيلين
– اختبار فرن الأغشية الرقيقة (يأخذ في الاعتبار تأثيرات الشيخوخة على المدى القصير):
– اللزوجة عند 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت)
– ليونة عند 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)

درجات اللزوجة يتم تصنيف البيتومين وفقا لدرجات اللزوجة (درجة السيولة). كلما ارتفعت الدرجة، كلما كان البيتومين أكثر صلابة. في درجة اللزوجة، يتم إجراء اختبارات اللزوجة عند 60 درجة مئوية و135 درجة مئوية، والتي تمثل درجة حرارة سطح الطريق خلال فصل الصيف ودرجة حرارة الخلط على التوالي. تم أيضًا الاحتفاظ بالاختراق عند 25 درجة مئوية، وهو متوسط درجة حرارة الرصيف السنوية، في المواصفات.
معايير القار اللزوجة هي كما يلي:
– آشتو م 226
– أستم د 3381
- IS73:2013

وهكذا تطورت الدرجات الجديدة المستندة إلى معيار S73:2013 مع التسمية:

VG-10 BITUMEN: يستخدم VG-10 في الغالب في تطبيقات الرش مثل تلبيس الأسطح والرصف في مناخ بارد جدًا بدلاً من درجة اختراق البيتومين 80/100. كما أنها تستخدم لإنتاج مستحلب البيتومين ومنتجات البيتومين المعدلة.

VG-20 بيتومين: يستخدم VG-20 للرصف في المناطق المناخية الباردة والمرتفعة.

VG-30 BITUMEN: يتم استخدام VG-30 بشكل خاص لإنشاء أرصفة البيتومين شديدة التحمل والتي تحتاج إلى تحمل الأحمال المرورية الكبيرة. يمكن استخدامه بدلاً من درجة اختراق البيتومين 60/70.

VG-40 BITUMEN: يتم استخدام VG-40 في المناطق شديدة الضغط مثل التقاطعات، وبالقرب من أكشاك رسوم المرور ومواقف الشاحنات بدلاً من درجة اختراق 30/40. بسبب اللزوجة العالية، يمكن إنتاج خلطات البيتومين الأكثر صلابة لتعديل مقاومة التدافع والمشاكل الأخرى المتعلقة بارتفاع درجة الحرارة والأحمال المرورية الثقيلة.

مستحلب البيتومين هو سائل يتدفق بحرية في درجات الحرارة المحيطة ويتكون من سائلين غير قابلين للامتزاج، البيتومين والماء، مثبتين بواسطة مكون ثالث، المستحلب. يتم تشتيت البيتومين طوال المرحلة المائية المستمرة في شكل قطرات منفصلة، يتراوح قطرها عادة من 0.5 إلى 5 ميكرون، والتي يتم تعليقها بواسطة الشحنات الكهروستاتيكية. يتم الحصول على التشتت عن طريق معالجة البيتومين والماء تحت ظروف خاضعة للرقابة من خلال مطحنة غروانية مع إضافات مختارة.
يمكن أن يتنوع محتوى البيتومين ليناسب المتطلبات المختلفة ويتراوح عادةً بين 30% و70%. الهدف الأساسي من استحلاب البيتومين هو الحصول على منتج يمكن استخدامه دون التسخين المطلوب عادةً عند استخدام التخفيضات وقار الرصف. يعد استخدام المستحلبات ذات الجودة المناسبة أمرًا ضروريًا لضمان ثبات المستحلب مع مرور الوقت وأيضًا أنه ينكسر ويتماسك عند وضعه على الركام/سطح الطريق. إنه سائل يتدفق بحرية بلون الشوكولاتة في درجة حرارة الغرفة.
يجب تصنيف مستحلبات البيتومين حسب شحنتها الأيونية إلى كاتيونية أو أنيونية. نظرًا لاستخدام مستحلبات البيتومين المائي بشكل مكثف كمواد ربط وتشكيل فيلم في البناء، يتم استخدام نوعين من المستحلبات: الأنيونية والكاتيونية. لا تستخدم مستحلبات البيتومين الأنيونية بشكل عام في بناء الطرق حيث يتم استخدام الركام السيليسي بشكل عام في بناء الطرق. لا تعطي مستحلبات البيتومين الأنيونية أداءً جيدًا مع السيليس بينما تعطي مستحلبات البيتومين الكاتيونية أداءً جيدًا مع هذه الركام.
تعمل المستحلبات الكاتيونية على تغليف الركام بشكل أكثر كفاءة بسبب حملها الإيجابي، وبالتالي تتمتع بخصائص التصاق أفضل. المستحلب الكاتيوني هو الأكثر تفضيلاً والأكثر استخدامًا على نطاق واسع. تبدأ المستحلبات الكاتيونية بحرف "C" إذا لم يكن هناك C، فإن المستحلب عادة ما يكون أنيونيًا. تعتبر الشحنة مهمة عند تصميم مستحلب للتوافق مع مجاميع معينة. تصف المجموعة التالية من المواصفات مدى سرعة ضبط المستحلب أو اندماجه. RS (مجموعة سريعة)، MS (مجموعة متوسطة)، SS (مجموعة بطيئة)، وQS (مجموعة سريعة) هي درجات الإعداد.
تتميز مستحلبات البيتومين بلزوجة منخفضة ويمكن استخدامها في درجات الحرارة المحيطة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في أرصفة الطرق والأسطح.
معايير البيتومين المستحلب هي كما يلي:
– المستحلبات الأنيونية الأمريكية: ASTM D 977 و AASHTO M 140
– المستحلبات الكاتيونية الأمريكية: ASTM D 2397 وAASHTO M 208
- أوروبا: معيار الإطار المنسق EN 13808

يتم تصنيف الدرجات الرئيسية لمستحلبات البيتومين على النحو التالي:

مستحلب البيتومين CSS-1: CSS-1 عبارة عن مستحلب كاتيوني بطيء الإعداد مصمم للاستخدام كطبقة تثبيت، وتثبيت القاعدة، وختم الضباب، والتحكم في الغبار والتطبيقات المتخصصة. تحتوي مستحلبات البيتومين الكاتيونية CSS-1 على شحنة موجبة وبالتالي من الممكن حدوث تفاعل مباشر وسريع جدًا بين المستحلب والركام أو الرصيف. تُستخدم مستحلبات CSS-1 لمجموعة متنوعة من الأغراض. المستحلبات بطيئة الإعداد هي الأكثر ثباتًا بين المستحلبات، ويمكن تخفيفها عمومًا بالماء وخلطها مع الحشوات المعدنية والركام. بالنسبة لجميع الاستخدامات، يجب أن تكون درجات حرارة الهواء والرصف عند البناء مرتفعة بما يكفي للسماح للمستحلب بالشفاء التام.

مستحلب البيتومين CMS-2: CMS-2 عبارة عن مستحلب إسفلتي كاتيوني ذو أساس مائي متوسط الإعداد للاستخدام في الأسفلت البارد والدافئ ومخاليط الركام، وتثبيت القاعدة، واستصلاح العمق الكامل. يمكن خلط CMS-2 باردًا أو دافئًا في محطة مركزية، باستخدام طاحونة محمولة في موقع العمل أو في مكانها على الطريق. ويمكن استخدام المادة المختلطة على الفور، أو تخزينها لاستخدامها لاحقًا. يمكن وضعه مع رصف أو العمل على الرصيف بشفرة أو مُسترد.

مستحلب البيتومين CRS-2: CRS-2 عبارة عن أسفلت مستحلب ذو أساس مائي كاتيوني مصمم للاستخدام كمواد رابطة قارية لأختام الرقائق. يتم توفيره بكميات كبيرة. يجب تطبيق مستحلبات CRS-2 باستخدام موزعات تمت معايرتها جيدًا. ينبغي ضبط حجم فوهات الموزع وقضيب الرش وضبطهما لتوفير معدل اللقطة المطلوب. يجب أن يتم تحديد معدل الطلقات من خلال تصميم ختم رقاقة مختبري مع إجمالي المشروع وظروف الرصيف الحالي. لا ينبغي تطبيق CRS-2 عندما تكون درجة حرارة الهواء أقل من 60 درجة فهرنهايت وتهبط. لا ينبغي تعريض المستحلب المائي لدرجات حرارة متجمدة أو ارتفاع درجة الحرارة. المستحلب عبارة عن نظام مستقر كيميائيًا، لذا يجب الحرص على عدم الإخلال بالتوازن الكيميائي بالتلوث بالمواد الكيميائية، أو التعرض المفرط للهواء، أو الظروف الميكانيكية أو الحرارية المعاكسة.

تتم معالجة البيتومين الذي يتم تكريره بشكل أكبر عن طريق إدخال الهواء المعالج. وهذا سيعطينا البيتومين المؤكسد، المعروف أيضًا باسم البيتومين المنفوخ. في هذه العملية، من خلال الحفاظ على درجة حرارة يمكن التحكم فيها، يتم نفخ الهواء الساخن بدرجة حرارة تتراوح من 200 إلى 300 درجة مئوية من خلال أنبوب مثقوب إلى حجرة تحتوي على القار، ويتم إدخال الهواء تحت الضغط إلى القار الناعم. تمنح هذه العملية البيتومين خصائص مطاطية أكثر من تركيبته الأصلية، وهو ببساطة قار أكثر صلابة. إن نفخ الهواء من خلال خليط البيتومين يمنحه لزوجة أعلى ومقاومة أكبر للتليين (خاصة لتطبيقات الطرق)، والعمليات الثانوية التي تتضمن إضافات مطورة خصيصًا أو الاستحلاب بالماء. يستخدم كبار مصنعي الأسفلت في الوقت الحاضر هذه الإضافات في إنتاجهم لتحقيق أداء أفضل للنتيجة النهائية. هذا المزيج الأكثر صلابة لديه ليونة أقل وقابلية لدرجة الحرارة.
يتمتع البيتومين المؤكسد بدرجة أعلى من النعومة وحساسية أقل للتغيرات في درجات الحرارة. يستخدم هذا النوع من البيتومين في صناعة صفائح الأسقف وإطارات السيارات والبطانة. يستخدم الأسفلت المؤكسد عادة في عملية التسقيف، وطلاء الأنابيب، والختم السفلي للأرصفة الخرسانية الأسمنتية البورتلاندية، والتطبيق الهيدروليكي وتصنيع الدهانات. يتم استخدام البيتومين المنفوخ على نطاق واسع كمركب طبقة مضادة للانزلاق في صناعة الأساسات، لتصنيع لباد الأسقف، ولباد ترطيب الصوت ومانع التسرب تحت النقل في صناعة السيارات، وحماية وصلات الكابلات الكهربائية، ومركب تعبئة المفاصل، ومركب مانع التسرب و آخرين كثر.
يمكن تعبئة البيتومين المؤكسد في كيس بلاستيكي، أو في كيس حرفي، أو في أسطوانة أيضًا، ومن الممكن توصيله ساخنًا في ناقلة كبيرة الحجم. يجب تكسير البيتومين المؤكسد (البيتومين المنفوخ) إلى قطع صغيرة وتسخينه ببطء إلى درجة حرارة التطبيق من 220 درجة مئوية إلى 230 درجة مئوية.
البيتومين المؤكسد رمزه R. فمثلاً البيتومين R 80/25 يعني البيتومين المنفوخ بدرجة ليونة 80 درجة مئوية ودرجة اختراق 25. ويتم إنتاج البيتومين المؤكسد بدرجات مختلفة منها:

• البيتومين المؤكسد 150/5
• البيتومين المؤكسد 115/15
• البيتومين المؤكسد 105/35
• البيتومين المؤكسد 95/25
• البيتومين المؤكسد 90/40
• البيتومين المؤكسد 90/10
• البيتومين المؤكسد 90/15
• البيتومين المؤكسد 85/25
• البيتومين المؤكسد 85/40
• البيتومين المؤكسد 85/25
• البيتومين المؤكسد 75/25

عادة يتم تعبئة البيتومين وتصديره في براميل فولاذية جديدة. تتراوح سعة الطبل من البيتومين من 150 كجم إلى 200 كجم. تبلغ سعة تعبئة البراميل الأكثر استخدامًا من قبل جميع مستهلكي البيتومين تقريبًا في العالم 180 كجم.
يتم استخدام براميل 180 كجم على نطاق واسع من قبل مستهلكي البيتومين لأنها الأكثر فائدة لهم. يمكن لمستوردي البيتومين توفير التكاليف باستخدام براميل سعة 180 كجم. وترتبط مجالات التوفير، على سبيل المثال لا الحصر، بتكاليف إنتاج الطبول والمناولة والنفقات المتعلقة بالشحن.
يمكن أن تكون أكياس البيتوباج والأكياس الكبيرة بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لبراميل البيتومين. يمكن أن تكون أكياس البيتوباج في نوعين: 1000 كجم و300 كجم

تحتوي أكياس البيتوباج التي يبلغ وزنها 300 كجم على غطاء من طبقتين، الأولى تمزق والثانية تحترق وتذوب في الناقلة الوجهة (الخزان).

يتم استخدام الغالبية العظمى من البيتومين في صناعة البناء والتشييد، ويستخدم بشكل رئيسي في تطبيقات الرصف والأسقف. يتم استخدام 85% من جميع أنواع البيتومين كمواد رابطة في الأسفلت للطرق والممرات ومواقف السيارات ومسارات المشاة. يتم خلط الحصى والصخور المكسرة مع البيتومين السميك، ثم يتم تثبيته معًا ثم يتم تطبيقه على الطرق.

خصائص العزل المائي الممتازة وسلوك اللدائن الحرارية تجعلها مثالية لمجموعة واسعة من التطبيقات. عند درجات الحرارة المرتفعة (عادة بين 100 و2008 درجة مئوية) فإنه يعمل كسائل لزج ويمكن خلطه مع مكونات أخرى ومعالجته وتشكيله حسب الحاجة. وبمجرد تبريده، يصبح مادة صلبة خاملة ومتينة وكارهة للماء (تطرد الماء).

يتم استخدام 10% من البيتومين المستخدم في جميع أنحاء العالم في صناعة الأسقف حيث تساعد خصائصه المقاومة للماء على جعل الأسطح تعمل بشكل جيد. يتم استخدام 5% من البيتومين لأغراض الختم والعزل في مواد البناء المختلفة مثل دعامة بلاط السجاد والطلاء.

بالإضافة إلى هذه الاستخدامات الرئيسية، للقار أيضًا العديد من الاستخدامات البسيطة. ومن الأمثلة الأخرى عزل الصوت، والمتفجرات، والحماية من العفن الفطري، والمواد الرابطة في القوالب، ودعم المرايا، ونعال الأحذية، وطلاء أعمدة السياج، وتثبيت التربة.