De verschillen tussen laboratorium veroudering van bitumen 70/100 en asfalt toepassing in ZOAB

Transcriptie

1 De verschillen tussen laboratorium veroudering van bitumen 7/1 en asfalt toepassing in ZOAB Jeroen Besamusca Kuwait Petroleum Research & Technology Andre Volkers Kuwait Petroleum Research & Technology Jan van de Water Ballast Nedam Bert Gaarkeuken Ballast Nedam Samenvatting Het maatgevende schadebeeld bij ZOAB is steenverlies of rafeling. De verbrossing/ veroudering van bindmiddel door oxidatie wordt gezien als één van de belangrijkste oorzaken van het ontstaan van deze schade. Voor het testen van bitumen oxidatie tijdens productie en in gebruik zijn voor het laboratorium verschillende proefmethoden opgesteld. Van de Europese geharmoniseerde standaarden wordt de EN , Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) het meest gebruikt als laboratorium simulatie voor het asfalt productie proces. Daarnaast zijn er twee standaarden (EN14769, Pressure Ageing Vessel en EN 15323, Rolling Cylinder Ageing Test) die de conditionering van bindmiddel voorschrijven ter vergelijk van asfalt toepassing in de weg. Invoering en bewijsvoering voor het toepassen van deze standaarden is vele jaren geleden geconcludeerd uit onderzoek op bindmiddelen en asfalt uit die tijd. Deze publicatie laat zien dat eigenschappen gemeten aan 7/1 bitumen na RTFOT conditionering redelijk overeenkomt met eigenschappen van 7/1 bitumen geëxtraheerd direct uit een asfalt monster na het asfalt productie proces. De lange termijn laboratorium simulatie komt overeen met ca. 6 weken veroudering die plaatsvindt bij een ZOAB in de weg. Een ZOAB van ca. 1 jaar wordt niet gesimuleerd met de huidige standaarden. De asfalt constructie en de asfalt componenten hebben een grote invloed op de veroudering karakteristiek van de toegepaste bitumen.

2 1. Inleiding Tijdens de onderzoeken in Amerika voor het Strategic Highway Research Project (SHRP) zijn enkele interessante rapporten geschreven over de veroudering van bitumen. De SHRP A-367, en -37, [1-4] rapporten beschrijven de chemie van bitumen zoals destijds bekend. Eén van de belangrijkste conclusies in SHRP A-368 is het gegeven dat de veroudering van bitumen beïnvloed wordt door de fysische staat van het bitumen en daarmee de temperatuur. Een simulatie van de veroudering wordt kritisch als de temperatuur niet juist gekozen is. Hoe groter de afwijking van de gekozen conditionering temperatuur ten opzichte van de gebruikers temperatuur hoe slechter de simulatie zal zijn. Ondanks dit essentiële gegeven zijn de simulaties in laboratorium conditionering gestandaardiseerd op één temperatuur voor alle types bitumen. Waarschijnlijk is de invoering van deze standaard temperatuur gebaseerd op een publicatie uit 1962 [5]. In Europa zijn verschillende conditionering apparatuur gestandaardiseerd. Een uitgebreid overzicht van toegepaste conditionering wordt gegeven in SHRP A-384 [6] en in BitVal [7]. Om de verschillen in de huidige simulaties voor laboratorium veroudering inzichtelijk te maken heeft het bitumen laboratorium van Kuwait Petroleum Research & Technology de lange termijn veroudering onderzocht. Het bitumen laboratorium van KPR&T is in het bezit van apparatuur voor de conditionering volgens EN ; Rolling Thin Film Oven Test, EN14769; Pressure Ageing Vessel en EN 15323, Rolling Cylinder Ageing Test. Apparatuur voor EN ; Rolling Film Test en EN ; Thin Film Oven Test zijn ook aanwezig maar deze technieken zijn in dit onderzoek niet meegenomen. Behalve laboratorium veroudering is ook gekeken naar de praktijkverhouding in ZOAB op teruggewonnen bitumen van verschillende leeftijd om de laboratorium testmethoden met de praktijk te schalen. 2. Werkwijze. Van één en dezelfde batch 7/1 Kuwait Export Crude (KEC) bitumen zijn verouderingsproeven uitgevoerd. Daarbij zijn de combinaties RTFOT/PAV en RCAT/RCAT toegepast met verschillende temperaturen en tijden. In tabel 1 zijn alle combinaties weergegeven. Om de onderlinge variatie vast te stellen zijn verschillende duplo metingen uitgevoerd. Daarbij is ook een andere batch 7/1 gebruikt om eventuele verschillen in batches inzichtelijk te maken. In dit onderzoek zijn ZOAB monsters onderzocht die geproduceerd zijn met KEC 7/1 bitumen. Deze staan vermeld in tabel 2. Ondanks de grote zorg waarmee deze asfalt monsters behandeld zijn bleek alle teruggewonnen bitumen een hoeveelheid vulstof te bevatten van 2 m% tot 5 m%. Vulstof kan invloed hebben op de eigenschappen van bitumen. Om een indicatie te krijgen over de verandering van eigenschappen door vulstof is een onverouderd monster gemengd met 5 m% vulstof Wirgro 6K. De eigenschappen van dit bindmiddel zijn vergeleken met de eigenschappen van het onverouderde bitumen (zonder vulstof) om te bepalen hoe groot deze invloed is. Uit deze vergelijking bleek dat de invloed van 5 m% vulstof verwaarloosbaar is. Daaruit hebben wij geconcludeerd dat de verandering van de empirische en reologische eigenschappen gemeten aan de teruggewonnen asfalt monsters veroorzaakt zijn door de veroudering in de toepassing en niet door de in het bindmiddel aanwezige vulstof.

3 Tabel 1. Gebruikte veroudering condities Temp Time Standard Abbreviation [ºC] [h] (d = duplicate) Onverouderd Onver / _d Onverouderd + 5% w/w Wigro 6K Onver_W5 RTFOT or RCAT EN CalcST RTFOT / PAV 163 / / 2 EN /14769 PAV9 RCAT / RCAT 163 / 9 4 / 14 EN RCAT9 / CalcLT RTFOT / PAV 163 / / 2 EN /14769 PAV1 RCAT / RCAT 163 / 1 4 / 14 EN RCAT1 / _d RTFOT-EVT / PAV 151 / / 2 EN 1267 /14769 E_PAV1 RCAT-EVT / RCAT 151 / 1 4 / 14 EN E_RCAT1 /_d RCAT / 1.5xRCAT 163 / 1 4 / 21 EN RCAT1_1.5 RCAT / 2xRCAT 163 / 1 4 / 28 EN RCAT1_2 De kwaliteitscontrole van de raffinaderij op Europoort wordt uitgevoerd door het bitumen laboratorium van KPR&T. Eén van de aspecten van de kwaliteitscontrole is een half jaarlijkse volledige type test van de geproduceerde bitumen volgens de Europese product specificaties, EN en EN [8, 9]. De resultaten van deze analyses zijn vanaf de introductie van de eerste EN in 1999 in een database opgenomen. Deze database kan met een goede nauwkeurigheid voorspellen welke waarden een eigenschap van de geproduceerde KEC bitumen zal hebben, gebaseerd op de penetratie. In de grafieken is deze berekende waarde meegenomen als CalcST voor de berekende waarde na korte termijn veroudering en CalcLT voor de berekende waarde na lange termijn veroudering. Tabel 2. Gebruikte asfalt monsters. Asfalt monster Productie monster, direct na asfalt productie Kernen van ZOAB asfalt met 7/1 KEC bitumen na 6 weken in gebruik Kernen van ZOAB met 7/1 KEC bitumen na ongeveer 1 jaar in gebruik Ouderdom Prod 6 wk 1 jaar 3. Resultaten De standaard empirische analyses zoals penetratie, verwekingspunt, dynamische viscositeit en kinematische viscositeit zijn uitgevoerd volgens de Europese normen. Met name de metingen van het verwekingspunt wijken af van de Amerikaanse norm en geeft, voor hetzelfde product, een andere waarde. Een eventuele berekende Pen Index (PI) zal ook een verschil geven in waarde voor de eigenschap tussen de Amerikaanse en Europese meetmethode [1]. Reologische eigenschappen zijn gemeten met behulp van Dynamic Shear

4 Rheometer (DSR) in het visco-elastische gebied met een variatie in temperatuur van 1ºC tot 9ºC en een frequentie bereik van,1 Hz tot 2 Hz. De koude eigenschappen zijn bepaald met behulp van de Bending Beam Rheometer (BBR). Het temperatuur gebied is daarbij variabel gekozen afhankelijk van de hardheid van het monster. Minimaal 5 verschillende temperaturen zijn gekozen voor elk monster om een betrouwbare lijn te kunnen maken. Rapportage van de reologische eigenschappen is analoog aan de bekende SHRP resultaten, zoals de temperatuur waarbij de modulus G* = 5 MPa en de temperaturen waarbij de modulus S = 3 MPa en de helling m =,3. De mate van veroudering wordt zichtbaar gemaakt door de variaties in eigenschappen van de bitumen na conditionering weer te geven, ten opzicht van de onverouderde eigenschappen. Om deze variaties voor de diverse eigenschappen altijd positief in een grafiek te kunnen tonen zijn de absolute waarden gebruikt in de berekening. Absolute waarde [verouderd bindmiddel onverouderd bindmiddel] % eigenschap verschil = X 1 % onverouderd bindmiddel Door deze methode van rapporteren kunnen alle conditioneringen in één grafiek per eigenschap worden getoond. Niet alle eigenschappen zijn bepaald bij elk bitumen monster. Bijvoorbeeld de veroudering RCAT_1.5 (21 uur) is bepaald aan een kleine hoeveelheid bitumen door middel van penetratie, verwekingspunt en DSR. Deze kleine hoeveelheid is afkomstig van bitumen die gedurende de RCAT_2 (28 uur) uitvoering genomen is. Door deze kleine hoeveelheid konden niet alle eigenschappen bepaald worden. 4. Grafieken Om inzichtelijk te maken wat de variatie in werkelijke waarden zijn is één grafiek, figuur 1, afgebeeld in absolute penetratie waarden. Ook is een trendlijn toegevoegd. Alle andere grafieken zijn volgens de formule berekend en weergegeven Verandering van Penetratie [.1 mm] Figuur 1. Penetratie waarden 7/1 bitumen na verschillende conditionering omstandigheden.

5 1 8 Verandering van Penetratie [%] Figuur 2. Penetratie verandering 7/1 bitumen na verschillende conditionering omstandigheden. De penetratie van bitumen wordt lager na veroudering. Zoals besproken in het hoofdstuk Resultaten, wordt de relatieve waarde gebruikt om de verandering in de eigenschappen weer te geven zodat alle grafieken een zelfde beeld geven. De diverse laboratorium verouderingstechnieken blijken in groepen verdeeld te kunnen worden wanneer gekeken wordt naar de mate van veroudering, zijnde de verandering van eigenschappen. Dat is grafisch duidelijker gemaakt in de verschillende grafieken door te groeperen. De verschillen in eigenschappen tussen onverouderd materiaal en verouderd materiaal is voor alle uitgevoerde testen significant. De berekende eigenschappen van korte termijn veroudering, CalcST, komt redelijk goed overeen met de gemeten eigenschappen van het productie verouderde monster. In de grafieken lijkt er een trend te zijn waarbij PAV minder zwaar verouderd dan RCAT. De bitumen teruggewonnen uit 1 jaar oude ZOAB asfalt wordt zelfs niet gesimuleerd door de RCAT veroudering waarbij de tijd 2 maal zo lang is als de norm voorschrijft (14 uur volgens de norm en 28 uur zijn de waarden voor RCAT_2). Hoewel de diverse technieken en condities leiden tot verschillen in eigenschappen, is de veroudering in ZOAB asfalt vele malen groter. De grafieken laten allemaal hetzelfde beeld zien: Onverouderd Calc ST Prod Calc LT RCAT9 PAV1 EVT-PAV1 RCAT1 < < PAV9 < < EVT-RCAT1 < RCAT1-1.5 < RCAT1-2 < 6 wk 1 jaar 75 6 Verandering van Verwekingspunt [%] Figuur 3. Verandering verwekingspunt 7/1 bitumen na verschillende conditionering.

6 8 7 Verandering van Kinematische Viscositeit bij 135ºC [%] Figuur 4. Verandering kinematische viscositeit 7/1 bitumen na verschillende conditionering. 125 Verandering van Dynamishec Viscositeit bij 6ºC [%] Figuur 5. Verandering dynamische viscositeit 7/1 bitumen na verschillende conditionering. De resultaten van de viscositeit zijn berekend door de logaritme van de waarden te bepalen alvorens de formule voor de verandering wordt toegepast. De afwijking van de viscositeit tussen onverouderd en lange termijn verouderd materiaal is zo groot dat bij gebruik van de formule met de gemeten waarden bijna geen verschil waarneembaar is tussen de conditioneringen. Opmerkelijk bij de grafieken is dat het afwijkt van het algemene beeld wat door het Shell Bitumen Handbook [11] wordt weergegeven. Het Shell Handbook geeft een weergave van de veroudering van bitumen tijdens toepassing in asfalt, gebaseerd op viscositeit index. Hierbij is de verandering van eigenschappen van bitumen veroorzaakt door asfalt productie even groot als de verandering die plaats vindt in gebruik op de weg, zie figuur 6. Dus volgens het SHELL Bitumen Handbook is de bijdrage van asfalt productie ca. 5% voor de totale verandering van het bindmiddel bij een asfalt toepassing.

7 Figuur 6. Verandering viscositeit bitumen in wegenbouw toepassing, uit Shell Bitumen Handbook[1]. Figuur 6 geeft aan dat de verandering door asfalt productie ongeveer 5% is, berekend op de totale verandering na 8 jaar. In ons onderzoek blijkt de invloed van de productie veroudering aanzienlijk lager. Figuur 2, 3 en 5, respectievelijk de penetratie, verwekingspunt en dynamische viscositeit, geven aan dat de asfalt productie voor ongeveer 2% verandering verantwoordelijk is ten opzicht van een ZOAB asfalt mengsel van 1 jaar oud. Figuur 4, de kinematische viscositeit, laat zien dat de productie ca. 5% bijdraagt aan de totale verandering. Gebaseerd op onze resultaten zou de conclusie kunnen zijn dat het onderzoek in het Shell Bitumen Handbook gebaseerd is op alleen de kinematisch viscositeit bij 135ºC. Een andere factor voor de gemeten verschillen in de bijdrage van productie veroudering, kan zijn dat ten tijde van de publicatie van het eerste SHELL Bitumen Handbook er geen open asfalt onderzocht is maar alleen dicht asfalt. Ook dit kan een oorzaak zijn van het afwijkende beeld. Algemeenheden over bitumen gedrag en asfalt gedrag kunnen een verkeerd beeld geven. Niet alle bitumen is hetzelfde en niet alle asfalt constructies gedragen zich hetzelfde. Choquet [12] heeft in zijn onderzoek laten zien dat in een asfalt constructie verschillen optreden in veroudering. De bovenste cm van dicht asfalt is veel zwaarder verouderd dan de rest van dicht asfalt. Door een boorkern te nemen en daaruit alle bitumen terug te winnen zal men een gemiddelde bitumen veroudering meten waarbij de zwaar verouderde bovenste centimeter weg valt in het grote gemiddelde. Naar verwachting zal, door de porositeit van ZOAB, de gemiddelde veroudering in ZOAB niet vergelijkbaar zijn met dicht asfalt. Door de grotere invloed van weersomstandigheden en omgeving zal veroudering in ZOAB sneller optreden De grafieken met de reologische eigenschappen geven hetzelfde beeld van de indeling in verschillende groepen voor conditionering. 7 Verandering van Temperatuur bij 6 s en m =.3 [% ] Figuur 7. Verandering temperatuur m-waarde=,3 7/1 bitumen na verschillende conditionering.

8 2 Verandering van temperatuur bij 1.59 Hz and G* = 5 MPa [% ] Figuur 8. Verandering temperatuur G*=5 MPA 7/1 bitumen na verschillende conditionering. In het literatuur overzicht door Petersen over veroudering van bitumen[13] wordt ook aandacht besteed aan de chemische verandering door veroudering. Oxidatie is een bekend verouderingsverschijnsel wat meetbaar is in bitumen. In bitumen vindt vooral oxidatie van de koolstof (C) en zwavel (S) atomen plaats. Hierbij worden de C=O en de S=O groepen vermeerderd. De C=O en S=O hebben een specifieke absorptie, respectievelijk 17 cm -1 en 13 cm -1, in het Infrarood spectrum. Dit effect is met behulp van FTIR-spectroscopie zichtbaar te maken. De hoogte van de absorptie piek is een maat voor de concentratie van de groepen. De verandering van de waarde ten opzicht van de onverouderde waarde is uitgezet in de volgende grafiek, figuur Verandering van piek hoogte FTIR C=O [ % ] Figuur 9. Verandering C=O absorptie 17 cm -1 7/1 bitumen na verschillende conditionering. De trend en groepvorming die in de empirische eigenschappen en reologische eigenschappen waarneembaar was, is ook hier zichtbaar. Er is een duidelijk verschil tussen onverouderd en verouderd bitumen. De conditionering volgens PAV en RCAT laten gelijkwaardige trends zien als bij de empirische en reologische eigenschappen is waargenomen. De 1 jaar oude teruggewonnen bitumen uit ZOAB is duidelijk verder geoxideerd t.o.v. van alle laboratorium technieken. De berekende korte termijn veroudering, CalcST, wijkt af van het productie monster en lijkt meer bij de onverouderde monsters te horen dan bij het productie monster. Het is niet helemaal verklaarbaar waarom deze waarde gevonden wordt. Waarschijnlijk is de

9 invloed van vulstof en aggregaat verantwoordelijk voor deze afwijking. Het is niet uitgesloten dat de oorzaak voor de grote afwijking van het 1 jaar oude teruggewonnen bitumen deels dezelfde verklaring betreft. 5 Verandering van piek hoogte FTIR S=O [ % ] Figuur 1. Verandering S=O absorptie 13 cm -1 7/1 bitumen na verschillende conditionering. Figuur 1 geeft een volledig ander beeld van de trends tot nu toe. Hier valt op dat alle teruggewonnen bitumen uit het ZOAB duidelijk een grotere verandering hebben in zwavel oxidatie dan de laboratorium gesimuleerd bitumen monsters. Zelfs het, relatief licht verouderde, productie monster heeft een waarde die vergelijkbaar is met de zwaarste laboratorium test uitgevoerd in dit onderzoek, RCAT_2. Dit resultaat bevestigd de bevindingen in de literatuur [3,4,12,13,14,15] waarbij aangegeven wordt dat de aanwezigheid van vulstof en aggregaat het oxidatie proces katalyseert. Met name de zwavel oxidatie is hiervoor gevoelig. Waarden van zwavel oxidatie gemeten aan teruggewonnen bitumen kunnen niet één op één vergeleken worden met laboratorium verouderd bitumen. Daarvoor zal mastiek onderzoek verricht moeten worden. Opmerkelijk is dat de afwijkende trend in zwaveloxidatie niet meetbaar lijkt in de empirische en reologische eigenschappen. 5. Conclusie In ons onderzoek is aangetoond dat de verandering in eigenschappen van een 7/1 KEC bitumen in ZOAB toepassing te simuleren zijn in het laboratorium voor asfalt productie veroudering en 6 weken oude asfalt wegconstructie. Daarbij kunnen verschillende simulatie methodes gebruikt worden: PAV en RCAT. De verandering door 1 jaar ZOAB toepassing is met de huidige Europese gestandaardiseerde conditioneringen niet te simuleren op laboratorium schaal. De afhankelijkheid van de asfalt constructie op de verandering van de eigenschappen van bitumen is niet te verwaarlozen. Vergelijking van laboratorium simulatie met de toepassing geeft een trendmatige vergelijking maar zeker geen absolute relatie. De invloed van vulstof, en waarschijnlijk ook aggregaat, heeft een effect op de kinetiek van de oxidatiereacties. De conditionering van 7/1 KEC bitumen in laboratorium omstandigheden lijkt zwaarder bij het toepassen van RCAT techniek dan bij PAV techniek. Onverouderd ST veroudering Prod RCAT9 RCAT1 < < PAV9 < PAV1 < EVT-RCAT1 < RCAT1-1.5 < RCAT1-2 < 1 year EVT-PAV1 6 wks

10 Literatuur 1. SHRP A-367, J. C. Petersen, e.a., Binder Characterisation and Evaluation, Volume 1, SBN , May SHRP A-368, J. F. Brandthaver, e.a., Binder Characterisation and Evaluation, Volume 2, ISBN , November SHRP A-369, D. A. Andersen, e.a., Binder Characterisation and Evaluation, Volume 3, ISBN , April SHRP A-37, J. C. Petersen, e.a., Binder Characterisation and Evaluation, Volume 4, ISBN , May F.N. Hveem, E. Zube and J. Skog, Proposed new tests and specifications for paving grade asphalts, AAPT, vol. 32, p. 271, SHRP A-384, C. A. Bell, Ageing: Binder Validation, ISBN , May Forum of European National Highway Research Laboratories (FEHRL), BitVal - Analysis of Available Data for Validation of Bitumen Tests, Report on Phase 1 of the BiTVal Project, EN , Bitumen and bituminous binders - Specifications for paving grade bitumens. 9. EN , Bitumen and bituminous binders - Specifications for hard paving grade bitumens. 1. Besamusca, Willemsen en van der Ven, De vrijheid van keuze in de bitumen specificatie EN Een zegen of een zwakte bod?, CROW Infradagen, Juni SHELL Bitumen Handbook, ISBN , Choquet, F., and Verhasselt, A., Ageing of bitumen: from the road to the laboratory and vice versa, Proceedings of the Conference on the SHRP and Traffic Safety on two continents, The Hague, Netherlands, Sep 22-24, Petersen, a review of the Fundamentals of Asphalt Oxidation, TRB EC14, Cooley, L.A., et.all., Characterisation of asphalt-filler mortars with Superpave binder tests, AAPt, vol. 67, P42, Harnsberge, P.M. et.all, Comparative field performance using asphalts from multiple crude oil sources, TRB Annual meeting, , 211