B I D O C (bibliotheek en documentatie) Onderzoek van bitumen terugwinmethoden W-DWW (IL-R-98018)

Transcriptie

1 6.2 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde Onderzoek van bitumen terugwinmethoden uit asfalt W-DWW (IL-R-98018) B I D O C (bibliotheek en documentatie) Dienst Weg- en Waterbouwkunde Postbus GA DELFT Tel /364 Afdeling Infrastructuur Laboratorium Materialen Juni e '

2 Ministerie van Venteer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde Titel van het rapport: Onderzoek van bitumen-terugwinmethoden uit asfalt Datum van uitgifte: Juni 1998 Rapportnummer: W-DWW (IL-R-98018) Naam en adres van de opdrachtgever: Naam en adres van de opdrachtnemer: E.A.M. Kuppens Naam van de schrijver en mede-uitvoerenden: E.A.M. Kuppens L. Nardelli J.H. Wakkary H.J. Cuper Naam en paraaf van de projectleider: E.A.M. Kuppens Naam en paraaf afdelingshoofd: C.A.M. Siskens Dossiernummer: B S D O C (bibliotheek en documentatie) «S-S- Dienst Weg-en Waterbouwkunde SÊ& Postbus 5044, 2600 GA DELFT W Tel /364 - l De Dienst Weg en Waterbouwkunde van Rijkswaterstaat heeft de in deze publicatie opgenomen gegevens zorgvuldig verzameld naar de laatste stand van wetenschap en techniek. Desondanks kunnen er onjuistheden in deze publicatie voorkomen. Het Rijk sluit iedere aansprakelijkheid uit voor schade die uit het gebruik van de hierin opgenomen gegevens mocht voortvloeien. 2 5 JAN. 1999

3 Rapportnummer W-DWW Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde Inhoudsopgave bladzijde: 1) Inleiding 2) Probleemstelling 3) Materialen en monsters 4) Uitvoering 5) Resultaten 6) Conclusies en aanbevelingen 7) Literatuur Bijlagen.

4 Rapportnummer IL-R Inleiding Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg-en Waterbouwkunde Dit rapport beschrijft het vooronderzoek naar de invloed van verschillende terugwinmethoden op de chemisch fysische eigenschappen van bitumen. Dit vooronderzoek is een onderdeel van een groter project OUDERASFALT. Het eindresultaat van dit project is een methode om de kwaliteit van het bitumen, verouderingsweerstand, te beoordelen wanneer het in een zeer open asfalt beton wordt toegepast. De testen voor de kwaliteitsbeoordeling die tot nu toe gebruikelijk zijn, zijn slechts voor korte duur performance, terwijl juist voor zeer open asfalt de lange duur eigenschap zoals de verouderingsweerstand van het bindmiddel belangrijk is. Juist nu is behoefte aan lange duur eigenschappen voor bitumen, omdat de open structuur bij zoab een snelle veroudering van het bitumen veroorzaakt terwijl dit bij de dichte asfalt mengsels nooit een rol heeft gespeeld. Naar aanleiding van een onderzoeksprogramma (SHRP) in de Verenigde Staten zijn er testen ontwikkeld om de verouderingsweerstand van bitumen te bepalen. In Europa is in navolging van SHRP ook een behoefte ontstaan om de verouderingsweerstand te testen. Zo wordt er momenteel (mei 1998) in het kader van RILEM een Round Robin test opgezet. Dit geeft aan dat ook in Europa behoefte is om de lange duur eigenschappen van bitumen te kunnen testen. In dit onderzoek is gekozen voor een praktische aanpak. Het bitumen dat in de praktijk verouderd is (zoab-wegdek) wordt teruggewonnen en zal getest worden op chemische en fysische veranderingen. In een volgende stap van het onderzoek zal gekeken worden hoe een vers bitumen zodanig in een versnelde laboratorium verouderingstest kan worden veranderd dat de fysische en chemische eigenschappen met de praktijk verouderde bitumen overeen komen. Om het bitumen uit de weg chemisch-fysisch te onderzoeken zal het van het aggregaat, zand en vulstof moeten worden gescheiden. Het is gebruikelijk om het bitumen met behulp van oplosmiddelen terug te winnen. Problemen die zich hierbij voordoen zijn dat door het terugwinnen het bitumen kan veranderen bijvoorbeeld door het oplosmiddel. Een ander probleem is dat niet alle componenten van het bitumen even goed oplossen waardoor een deel van het bitumen aan het aggregaat geadsorbeerd blijft. Voordat er een geschikte terugwinmethode kan worden gekozen om bitumen uit praktijk verouderde wegvakken te halen werd een klein vooronderzoek uitgevoerd om de invloed op de eigenschappen van bitumen van een aantal verschillende terugwinmethoden te kunnen bepalen. Dit rapport beschrijft dit onderzoek. Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 1 van 9

5 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde 2. Doel Een methode voor het terugwinnen van bitumen uit asfalt vinden die de fysisch-chemische eigenschappen van het bitumen niet of minimaal aantast. De invloed van terugwinmethoden op de fysisch-chemische verandering van bitumen meten. Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 2 van 9

6 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde 3. Materialen en methoden 3.1 Materialen Het onderzoek is uitgevoerd met een Midden-Oosten 80/100 bitumen (Q8). Met dit bitumen zijn twee zoab-mengsels gemaakt, namelijk één met Nederlandse Steenslag en één met Porfier. Onderstaande tabel geeft de samenstellingen. Nederlandse Steenslag % gewicht (gram) Cumulatief gewicht (gram) Vulstof (rhecal 60) Nederlands brekerzand Steen<2mm C 5.6-2mm C22.4-C C 16-C C11.2-C C 8 - C Bitumen (80/100) Porfier % gewicht (gram) Cumulatief gewicht (gram) Vulstof (rhecal 60) Nederlands - brekerzand Steen<2mm C mm C22.4-C C16-C C11.2-C C 8 - C Bitumen (80/100) Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 3 van 9

7 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg-en Waterbouwkunde 3.2 Terugwinmethoden Voor het terugwinnen van het bitumen uit de mengsels zijn twee verschillende terugwinmethoden toegepast. De koude terugwinmethode 1 (SHRP-methode) met behulp van een filtering, centrifugeren en roterend verdampen ( enigszins te vergelijken met de centrifugemethode van RAW Proef 65.2) en de warme terugwinmethode (de Soxhiet-extractie en roterend verdampen, RAW Proef 65.1). Naast de variatie in terugwinmethoden zijn als oplosmiddelen gebruikt; 1) methyleenchloride, 2) tolueen (90%) en ethanol (10%), 3) trichloorethyleen (90%) en ethanol (10%). Uit onderzoek 1 is gebleken dat de in dit onderzoek gebruikte koude terugwinmethode goed presteert voor; 1) de volledige terugwinning van oplosmiddel, 2) beperkte veroudering door het oplosmiddel, 3) maximale extractie van geadsorbeerd bitumen aan aggregaat. Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 4 van 9

8 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde 4. Uitvoering Als van het oorspronkelijke bitumen twee soorten zoab-mengsels zijn gemaakt en de terugwinningen op drie verschillende manieren zijn uitgevoerd dan zijn er 7 bitumenmonsters die fysisch-chemisch geanalyseerd kunnen worden namelijk: Blanco) het oorspronkelijke 80/100 bitumen, 1) teruggewonnen uit mengsel met Nederlandse steenslag met de warme terugwinning en methyleenchloride, 2) teruggewonnen uit zoab met Porfier met de warme terugwinning en methyleenchloride, 3) teruggewonnen uit zoab met Nederlandse steenslag met de koude terugwinning en tolueen (90%) en ethanol (10%), 4) teruggewonnen uit zoab met Porfier met de koude terugwinning en tolueen (90%) en ethanol (10%), 5) teruggewonnen uit zoab met Nederlandse steenslag met de koude terugwinning en trichloorethyleen (90%) en ethanol (10%), 6) teruggewonnen uit zoab met Porfier met de koude terugwinning en trichloorethyleen (90%) en ethanol(10%). (De hier gebruikte nummering wordt in het gehele rapport aangehouden als monsternummering.) Om de veranderingen van het behandelde bitumen te kunnen bepalen worden de volgende chemisch-fysische analyses uitgevoerd: Penetratie en temperatuur ring en kogel (RAW-standaard proefuitvoering, NEN 3949, NEN 3950) Dynamische reologie met behulp van de Rheometrics Asphalt Analyser; temperatuurbereik -10 C tot 60 C, frequentiebereik van 0,01 rad/s tot 400 rad/s. Gel-Permeatie-Chromatografie 2. Infrarood-analyse 2. SARA-analyse (saturates, aromatics, resins, asphaltenes) met behulp van HPLC-analyse. B I D O C (bibliotheek en documentatie) Dienst Weg- en Waterbouwkunde Postbus GA DELFT Tel /364 Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 5 van 9

9 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg-en Waterbouwkunde 5. Resultaten 5.1 Penetratie en temperatuur ring en kogel Penetratie en temperatuur ring&kogel zijn uitgevoerd volgens de Standaard RAW Bepalingen. Monster Blanco Penetratie(0,1mm) > Temperatuur R&K ( C) 44,5 44,5 45,0 31,5 44,5 41,5 45,0 Monster 3 en 5 geven hoge penetratie-waarden. Vermoedelijk is er oplosmiddel in het bitumen achter gebleven. 5.2 HPLC-SARA-analyses MonsterVerzadigden 1 -ring 2-ring 3-ring 4-ring polaire groepen Blanco 11,2 7,9 11, ,3 27,7 1 11,4 8,1 11, ,5 28,5 2 11,4 8 11,9 13,7 26,5 28,4 3 11,1 7,7 11,4 13,2 29, ,3 8,1 11,6 13, ,3 5 11,4 7,9 11,7 13,6 27,8 27,6 6 11, ,7 27,7 27,2 Uit deze analyses zijn geen significante verschillen tussen de verschillende monsters te zien. 5.3 GPC-analyses De hieronder weergegeven molecuulgewichten zijn gemiddelen van een analyse. Het volledige beeld van de molecuulgewichtsverdelingen van de bitumen zijn in de bijlagen weergegeven. Monster Blanco M n M w M Ten opzichte van het blanco is de verwachting dat de gemiddelde molecuulgewichten toenemen door een veroudering veroorzaakt door terugwinning. Uit de gemiddelde molecuulgewichtsverdeling (M w ) blijkt inderdaad een toename echter de verschillen ten opzichte van het blanco monster zijn klein. Monster 3 lijkt de kleinste toename in molecuulgrootte te hebben (later blijkt doordat oplosmiddel in het monster is achtergebleven). 5.4 Infra-rood analyse Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 6 van 9

10 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg-en Waterbouwkunde Het gehalte aan de verbindingen die geoxideerd zijn, zoals de Carbonyl- en de Sulfoxide-groepen zijn in ondestaand overzicht voor de verschillende bitumina weergegeven. De volledige spectra zijn in de bijlagen weergegeven. Zoals door Jongmans 2 is beschreven worden de Carbonyl (C=O, golfgetal: 1693 nm) en de Sulfoxide (S=O, golfgetal: 1018 nm) groepen gevormd door oxidatie. Door het gehalte aan deze molecuulgroepen te bepalen met behulp van de Infra-rood analyse geeft dit een beeld van de mate van veroudering door terugwinning. Monster Blanco C=O S=O De terugwinmethoden blijken hier van weinig invloed op de carbonylgroepen. De waarden onder 0 bij deze verbinding wordt verkregen doordat de basislijn arbitrair gekozen wordt 2. Aannemelijk is dat het carbonylgehalte in deze bitumina 0 is. De terugwinningen blijken wel een sulfoxide-toename te veroorzaken. Bij een vergelijking tussen de invloed van de verschillende terugwinmethoden blijkt dat de terugwinning met methyleenchloride de kleinste toename in sulfoxide laat zien. Verder blijkt uit het spectrum van de koude terugwinning met ethanol/tolueen en Nederlandse Steenslag dat er kleine moleculen (<1400 nm) zijn bijgekomen ten opzichte van het blanco monster. Dit betekent dat er oplosmiddel is achtergebleven door de terugwinning. 5.5 Dynamisch reologische analyse Van alle monsters zijn master-curves 3 en Black-curves bepaald en in de bijlagen weergeven. Ook hier blijkt dat de koude terugwinning met Nederlandse Steenslag en ethanol/tolueen als oplosmiddel het grootste verschil met de overige monsters vertoont. Zoals ook al uit de andere analyses wordt dat veroorzaakt door het achtergebleven oplosmiddel. Er is weinig verschil tussen de verschillende teruggewonnen bitumina te zien. Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 7 van 9

11 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde 6. Conclusies en aanbevelingen Uit alle chemische en fysische analyses blijkt dat er nauwelijks verschillen zijn tussen de bitumina die op verschillende manieren zijn teruggewonnen. Op zich is dat een bijzonder resultaat, omdat van de gechloreerde oplosmiddelen (methyleenchloride) wordt beweerd dat deze de bitumen snel doen verouderen. Echter uit dit onderzoek blijkt dat zelfs de warme terugwinmethode met methyleenchloride niet een grotere verandering aan het bitumen geeft dan de koude terugwinmethode met een oplosmiddel dat geen chloride (tolueen) bevat. Bij de koude terugwinmethode met tolueen/ethanol blijkt dat er gemakkelijk oplosmiddel achterblijft. Kennelijk is dit een probleem bij het gebruik van tolueen. Een oorzaak zou kunnen zijn het hogere kookpunt in vergelijking met dat van methyleenchloride. Dit is in tegespraak met ref.1. waarin gezegd wordt dat het oplosmiddel volledig wordt teruggewonnen. In dit onderzoek zijn we uitgegaan van vers bitumen en van het terugwinnen van bitumen uit vers vervaardigde zoab-mengsels. Bij het terugwinnen van bitumen uit de weg is het bitumen verouderd (geoxideerd). De groep asfaltenen in dit bitumen zal door die veroudering zijn toegenomen. Het is bekend dat juist deze groep het meest reaktief met zuurstof is. Daarom is het aan te bevelen om het terugwinnen van de bitumen onder een stikstof atmosfeer uit te voeren. Verder is aan te bevelen om de warme terugwinning met methyleenchloride toe te passen, omdat het bitumen niet onaanvaardbaar verouderd door het oplosmiddel, en er minder gemakkelijk dan bij de tolueen terugwinning, oplosmiddel in het bitumen achter zal blijven. Datum: 7 juli 1998 Bladnummer: 8 van 9

12 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde 7. Literatuur [1] Burr B.L., C.J. Glover, R.R. Davison, J.A. Bullin, New Apparatus and Procedure forthe Extraction and Recovery of Asphalt Binder from Pavement Mixtures, Transportation Research Record [2] Jongmans E.C., Sanches F., Onderzoek naar de verandering van bitumeneigenschappen ten gevolge van (kunstmatige) veroudering, W-DWW , mei [3] Nardelli L, "RHEOMETRICS ASPHALT ANALYZER RAA voor de bepaling van de dynamische viscositeit van het bindmiddel en de bitumineuze mortel mengsels", IL-R-96075, maart Datum : 7 juli 1998 Bladnummer: 9 van 9

13 Rapportnummer IL-R Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Dienst Weg-en Waterbouwkunde bijlagen 1.1 t/m 3.2 Bijlage 1.1 t/m 1.7 GPC analyse-resultaten Bijlage 2.1 t/m 2.7 InfraRood Spectra analyse-resultaten Bijlage 3.1 Master Curve, Dynamisch Reologische analyse Bijlage 3.2 Black curve, Dynamisch Reologische analyse

14 Rij kswaterstaat D.W.W. afd. IL G.P.C, rapport Projecttitel: OUDER ASFALT Bijlage 1.1 IL96006OUD Opdrachtgever: Els Kuppens afd. IL PDA detector UV 254 nm Geprint op: November 25, 1997 Analist : H.J. Cuper Analyse resultaten. # 1 2 Monster 1 soxh NS 1 soxh NS Mn Mw Mz Analyse resultaten. Suramary Mn Average: Mw Average: Mz Average: 810 +/ / / Analyse resultaten. # 1 2 Monster 2 soxh porf 2 soxh porf Mn Mw Mz Analyse resultaten. Summary Mn Average: 808 +/- 1.4 Mw Average: /- 7.8 Mz Average: / Analyse resultaten. # 1 2 Monster 3 tol/eth NL 3 tol/eth NL Mn Mw Mz Analyse resultaten. Summary -- Mn Average: 800 +/- 3.5 Mw Average: /- 7.1 Mz Average: / Analyse resultaten. # 1 2 Monster 4 tol/eth pf 4 tol/eth pf Mn Mw Mz Analyse resultaten. Summary Mn Average: Mw Average: Mz Average: 798 +/ / /

15 Bijlage 1.2 Analyse resultaten. # Monster tricleth tricleth nl nl Mn Mw Mz Analyse resultaten. Summary Mn Average: Mw Average: Mz Average: 806 +/ / / Analyse resultaten. # 1 2 Monster 6 tricleth pf 6 tricleth pf Mn Mw Mz Analyse resultaten. Summary -- Mn Average: Mw Average: Mz Average: 816 +/ / / Analvse resultaten. # 1 2 Monster Q8 (bl) Q8 (bl) Mn Mw Mz Analyse resultaten. Summary Mn Average: 802 +/- 4.2 Mw Average: / Mz Average: / SanplëName: 1 soxh NS Date Acquired: 11/13/97 12:44:32 IM ^ 0.10^ 0.08-^ 0.06^ 0.04-^ 0.02-^ Minutes

16 Bijlage 1.3 Sang>leName: 1 soxh NS Date Aequired: 11/13/97 01:15:02 PM SampleName: 2 aoxh porf Date Acquired: 11/13/97 01:46:03 BM Sang>leName: 2 soxh porf Date Aequired: 11/13/97 02:16:34 EM

17 Bijlage 1.4 Sang>leName: 3 tol/eth KL Date Acquired: 11/13/97 02:47:04 PM jJ 0.06-^ 0.04^ I I i i \ t Miziutes 0.12 SanpleName: 3 tol/eth NL Date Acquired: 11/13/97 03:17:35EM SanpleName: 4 tol/eth pf Date Acquired: 11/14/97 11:39:57 AM 0.00

18 Bijlage SanpleName: 4 tol/eth pf Date Acqviired: 11/14/97 12:11:07 PM 0.12-^ ] ^ Minutes \ i i i r SanglëName: 5 tricleth nl Date Acquired: 11/14/97 12:41:39 PM SanpleName: 5 tricleth nl Minutes Date Acquired: 11/14/97 01:12:09 PM Minutes

19 Bijlage 1.6 SampleName: 6 tricleth pf Date Acquired: 11/14/97 01:44:42 gm SanyleName: 6 tricleth pf Date Acqaired: 11/14/97 02:15:14 IM SanpleName: Q8 (bl) Date Acquired: 11/13/97 11:41:16 AM Minutes B S D O C (bibliotheek en documentatie) Dienst Weg- en Waterbouwkunde Postbus CA DELFT Tel /364

20 B 'jlage ^ 0.04-^ SanpleName: Q8 (bl) Date Acquxred: 11/13/97 12:11:48 PM A / \ / \ / \ / \ / \ 0.02-^ 0.00 i i / \^ i i 1 i i i i i i i 1 i Minutes

21 Bijlage 2.1 u ODWCJTOWCr 53 I Si u! DO O _ J o 00 w il J n o 00 n I O o n IC I m 91 o -I o i

22 Bijlage 2.2 O > U LI U u I I p- I Ui I LU I IJ o lo 00 n i o X 3 13 rt 1

23 Bijlage 2.3

24 Q Bijlage 2.4

25 Bijlage 2.5 n> o 3 u er >

26 Bijlage 2.6 u en jscno»i;> o

27 Bijlage 2.7 o ü I UU I o I 1 I UI ül n o 00 o u i S "D 3 rt J 2 J o n u O O o o

28 10 10 OUDASFALT TTS Masten Cunve Tref.= 2G C O QB (c noen) 1O 7 1O 6 a 10 5 A Koude terugwinning tolueen/ethanol Nederlandse Steenslag F 1O 2 1O 1 10 f F 1Q -6 10"5 10" 4 10" 3 10" 2 10" n LU (JL)

29 Bijlage 3.2 CP O 'S» a - O rn O CM CP CO o O in O m rvj a [o] ( )2

30 B 1 D O C (bibliotheek en documentatie) Dienst Weg- en Waterbouwkunde Postbus GA DELFT Tel /364