Asfalt. door Lilian Vermeer, wetenschapsjournalist

Transcriptie

1 188 1 Asfalt door Lilian Vermeer, wetenschapsjournalist Deze Chemische Feitelijkheid is geschreven in samenwerking met de heer Willem Vonk, Department Manager Road and Roofing/Bitumod, Kraton Polymers Research B.V., Postbus 37666, 1030 BH Amsterdam. tel. (020) , Willem.Vonk@KRATON.com 1. Inleiding Wat is asfalt Bitumen Samenstelling bitumen Eigenschappen bitumen veranderen Testmethoden bitumen Dwardoorsnede asfaltweg Soorten asfalt Mastiek asfalt Dicht beton asfalt Poreus asfalt Steen mastiek asfalt Thermoplastische isomeren Wet- en regelgeving Milieu en gezondheid Literatuur en referenties

2 Inleiding Asfalt is niet iets dat pas uit de vorige eeuw stamt. Al in de oudheid kende men asfalt. Het werd gewonnen op die plaatsen waar in de natuur de ruwe aardolie aan het aardoppervlak tevoorschijn kwam en zich mengde met stenen en zand. Nadat de vluchtige delen uit de olie verdwenen (verdampten) bleef een soort asfaltmengsel over dat duizenden jaren geleden al werd gebruikt voor het afdichten van waterbouwkundige constructies en het aanleggen van wegverhardingen. En met succes: sommige van deze bouwwerken -zoals kademuren en andere waterbouwkundige werken van meer dan 5000 jaar oud- zijn ook nu nog intact. Begin 1900 zorgde de opkomst van auto en fiets voor een snelle toename van het verkeer. Omdat het gemotoriseerde verkeer een sterk, dicht wegdek nodig had, betekende dit, na eerdere toepassingen in vorige eeuwen, de doorbraak van asfalt. De opkomst van raffinage van olie maakte het mogelijk de belangrijkste grondstof, bitumen, te maken voor asfalt. In 1914 werden in Nederland de eerste bitumineuze wegconstructies aangelegd en in 1923 de eerste gewalste asfaltwegen. In tegenstelling tot wat veel mensen altijd denken, waren de betonwegen er niet eerder dan de asfaltwegen. De eerste betonwegen werden in Nederland in dezelfde tijd aangelegd als de eerste asfaltwegen (1923). 2. Wat is asfalt Asfalt bestaat uit stenen, zand, vulstof en bitumen. De stenen/steentjes en zanddeeltjes kunnen verschillende grootte en vorm hebben en een verschillende herkomst hebben (bijv. basalt, kalksteen en kwartsiet). De vulstof kan bestaan uit kalksteen, cement en zelfs vliegas (uit verbrandingsprocessen) of mengsels daarvan. Bitumen wordt uit aardolie gemaakt en kan in hardheid variëren. Het is een thermoplastisch materiaal, maar de temperatuurgevoeligheid kan voor verschillende bitumensoorten variëren. Door het kiezen van een bepaalde verhouding tussen de verschillende componenten en door te variëren in de korrelvorm en de gra-

3 188 4 Asfalt dering van de minerale aggregaten kunnen alle mogelijke mengseleigenschappen aan het asfalt worden gegeven. Afhankelijk van de toepassing kan bijvoorbeeld gekozen worden voor een vloeistofdicht asfaltmengsel of voor waterdoorlatend en geluidsreducerend zeer open asfaltbeton, voor flexibele mengsels of voor mengsels die bestand zijn tegen hoge geconcentreerde belastingen. De keuze van het juiste asfaltmengsel is in toenemende mate van belang door de intensiteit van het verkeer. De intensiteit is de laatste decennia drastisch toegenomen en het asfalt moet daarop berekend zijn om een flink aantal jaren mee te kunnen. Daarnaast zijn de klimatologische omstandigheden van belang. Bij lagere temperaturen kan asfalt scheuren vertonen door het gebruik van een te harde bitumensoort. Bij hogere temperaturen kunnen er makkelijk sporen komen in het asfalt door zwaar verkeer. In Scandinavië zal dus over het algemeen gekozen worden voor een zachtere asfaltsoort (eigenlijk bitumensoort) en in Spanje meer voor een hardere asfaltsoort. In landen met een continentaal klimaat (met grote temperatuurverschillen) moet een asfaltsoort gekozen worden die zowel tegen zeer lage als zeer hoge temperaturen kan. Tegenwoordig wordt steeds meer gebruik gemaakt van polymeergemodificeerd bitumen. Dit zijn bitumensoorten waar een bepaalde hoeveelheid kunststoffen door is gemengd. Deze kunststoffen zorgen ervoor dat de gevoeligheid van het asfalt voor zomerse temperaturen en voor zware belasting sterk wordt verminderd. 3. Bitumen Bitumen wordt uit aardolie gemaakt door middel van destillatie. Ruwe aardolie bestaat uit een mengsel van een groot aantal koolwaterstoffen, zoals pentaan, hexaan, octaan, benzeen etc. De zuivere koolwaterstoffen hebben allemaal een eigen kookpunt en kunnen op grond van de verschillende kookpunten gescheiden worden door middel van destillatie. In de praktijk vindt scheiding plaats op grond van verschillende kooktrajecten waarmee een aantal fracties wordt verkregen. Elke fractie heeft zijn eigen kooktraject en bestaat uit een mengsel van koolwaterstoffen.

4 188 5 Om de destillatie uit te voeren worden in de industrie reusachtige destillatiekolommen gebruikt die in verschillende compartimenten zijn verdeeld. De temperatuur verschilt per compartiment; onder in de destillatiekolom is de temperatuur het laagst en bovenin het hoogst Figuur 1. Schematische voorstelling van destillatie van aardolie. Bitumen is het restproduct (short residue) na destillatie van velerlei fracties uit olie. De olie wordt verhit tot 380 C en dan in de kolom gevoerd. De meest vluchtige stoffen, zoals gas, benzine en kerosine zullen als eerste verdampen. De dampen kunnen via de schotels op de bodem van de compartimenten tot bovenin in de kolom komen. De dampen condenseren en kunnen dan de kolom verlaten. Op deze manier krijg je verschillende fracties met verschillende kooktrajecten. De fractie met de hoogste kookpunten welke onder in de kolom komt na een eerste destillatie ( long residue ) wordt gebruikt om bitumen van te maken. Het long residue wordt in een tweede destillatiekolom geleid waarin onder lage druk en een temperatuur van 360 C wordt gedestilleerd. Onder de lage druk zullen de kookpunten van de overgebleven stoffen eerder bereikt worden. Deze tweede destillatie levert producten op als smeeroliën en dieselolie. Onder in de kolom bevindt zich de short residue, in feite het ruwe bitumen.

5 188 6 Asfalt Bitumen kan uit alle typen aardolie gemaakt worden, maar het ene type aardolie levert meer bitumen op dan de andere. Gebleken is dat ruwe aardolie uit Mexico en Venezuela meer bitumen opleveren dan oliën uit het Midden-Oosten. Op sommige plaatsen op de aarde komt bitumen aan het aardoppervlak zoals in de natuurlijke bitumenmeren Pitch lake in Trinidad en Cold lake in Noord Oost Alberta in Canada. Bitumen wordt voornamelijk toegepast in asfalt en dakbedekkingen. 3.1 Samenstelling van bitumen Bitumen bestaat hoofdzakelijk uit organische koolwaterstoffen. Na het destillatieproces van aardolie zijn de lichtere koolwaterstoffen verdwenen en blijft er een grote verscheidenheid aan stoffen over, waaronder paraffinen, oleofinen, naftenen en aromaatverbindingen. Deze koolwaterstoffen zijn in te delen in twee groepen: de asfaltenen en de maltenen. Een onderscheid tussen deze twee groepen kan gemaakt worden met behulp van n-heptaan. De maltenen lossen hierin op en de asfaltenen niet. Op deze manier kan ook het percentage aan asfaltenen bepaald worden. De hoeveelheid en de aard van de asfaltenen en maltenen bepalen het reologisch gedrag, dat is de elastische en plastische vervorming van het bitumen. Concreet betekent dit bijvoorbeeld dat de temperatuurgevoeligheid van bitumen hoger is naarmate het gehalte aan asfaltenen lager is. 3.2 Veranderen van eigenschappen van bitumen Bitumen is dus het restproduct na destillatie van velerlei fracties uit olie. Ook al is het een restproduct, het blijft een belangrijk en goed product om mee te werken. Het moet aan allerlei kwaliteitseisen voldoen om geschikt te zijn voor de toepassing in asfalt en andere toepassingen zoals dakbedekkingen. Als bitumen niet de gewenste functionele eigenschappen heeft, kunnen deze veranderd worden. Functionele eigenschappen die van belang zijn, zijn onder andere hardheid, temperatuurgevoeligheid, duurzaamheid, verouderingsgedrag.

6 Figuur 2. Algemene structuurformules van koolwaterstoffen die in bitumen voorkomen. De asfaltenen zijn zeer grote moleculen hebben een aromatisch karakter. De maltenen zijn te verdelen in drie soorten: De verzadigden: vertakte alkanen (paraffinen), cycloalkanen (naftenen). Het zijn vrijwel kleurloze verbindingen en vormen een wasachtige substantie. De aromaten: moleculen met een structuur afgeleid van benzeen met daaraan gekoppeld niet-polaire groepen. Het zijn vloeibare stoffen en hebben een donkerbruine kleur. De harsen: stoffen met een structuurformule ook afgeleid van benzeen maar dan met polaire groepen. Als de bitumensoort te zacht is kan het wegdek te gauw zacht worden bij hogere temperaturen. Ook kan een ribbelig wegdek ontstaan door zwaar en veel optrekkend en stoppend verkeer. Dit zie je bij sommige stoplichten. Een te zachte bitumensoort betekent in feite dat de bitumen naar verhouding te veel koolwaterstoffen met rela-

7 188 8 Asfalt tief kleine moleculen bevat. Er is een aantal methoden om de hardheid van het bitumen te veranderen. De bitumensoort kan bijvoorbeeld gemengd worden met een bitumensoort van een andere hardheid. Een bepaald type olie kan een bitumen opleveren dat relatief veel kleine moleculen bevat. Door het te mengen met een bitumensoort die meer grotere moleculen bevat kan de gewenste hardheid verkregen worden. Ook kan te zachte bitumen worden doorblazen met lucht (zuurstof). Daarbij worden moleculen onderling aan elkaar gekoppeld (polycondensatie). Er ontstaan grotere moleculen en de bitumen wordt harder. Verder kunnen een bepaald soort polymeren toegevoegd worden aan het bitumen die temperatuurgevoeligheid en gevoeligheid voor zware belasting sterk verminderen. Deze bitumensoort wordt polymeer-gemodificeerd bitumen genoemd. Zie hiervoor de paragraaf 6 over thermoplastische elastomeren. 3.3 Testmethoden voor bitumen Bitumen bestaat uit een mengsel van duizenden verschillende moleculen en is eigenlijk geen vloeistof maar ook geen vaste stof. Bij hoge temperaturen gedraagt het zich als een vloeistof en bij lagere temperaturen als een vaste stof en is het elastisch; het vertoont visco-elastisch gedrag. Om bitumen op z n visco-elastische gedrag ( hardheid ) te testen is een aantal methoden beschikbaar. Deze methoden zijn vastgelegd in Europese normen (EN). De twee meest gebruikte methoden worden hieronder beschreven. Deze methoden zijn overigens niet geschikt voor polymeer-gemodificeerd bitumen. Een van de methoden is het meten van de penetratiewaarde (volgens EN 1426). Bitumen wordt hiervoor op een bepaalde temperatuur gebracht (bijvoorbeeld 25 C). Een naald van 100 gram wordt gedurende 5 seconden in het bitumen geduwd en dan wordt gekeken naar hoever de naald in het bitumen is doorgedrongen. Deze waarde geeft een idee van de viscositeit van het bitumen. De waarde wordt uitgedrukt in 1/10 mm. Een penetratiewaarde van 250 betekent dat de naald 25 mm in het bitumen is doorgedrongen. De meest ge-

8 188 9 bruikte bitumensoorten hebben waarden die kunnen liggen tussen 30 (hard) en 300 (zacht). Een andere methode is het meten van het verwekingspunt. Hierbij wordt gekeken naar de temperatuur waarbij vloeistofeigenschappen een belangrijke rol gaan spelen. Bij de methode Verwekingspunt Ring en Kogel (VReK) wordt een kogel (van voorgeschreven afmetingen en gewicht volgens EN 1427) op een stukje bitumen (in een ring) gelegd dat wordt verwarmd door een onderliggend water- of glycerinebad. Bij een bepaalde temperatuur zal het bitumen zo zacht worden dat de kogel door het bitumen heen zakt. De temperatuur waarbij dit gebeurt, is het verwekingspunt. Een zachtere bitumensoort zal een lager verwekingspunt hebben dan een hardere. Bitumina voor gebruik in wegen hebben waarden die liggen tussen 25 en 160 C. 4. Dwarsdoorsnee asfaltweg Figuur 3. Voorbeeld van een dwarsdoorsnede van een asfaltweg. Asfalt kan niet zomaar op de ondergrond aangebracht worden, zoals die in Nederland en in veel andere landen voorkomt. Onze bodem bestaat vaak uit zachte kleigrond waarover heen eerst een laag

9 Asfalt zand wordt aangebracht. Daaroverheen een ongebonden (= niet aan elkaar verkleefde) laag met zand en stenen. Dan volgt een eerste laag basisasfalt (base course) met daarin grof aggregaat. Een tweede laag asfalt (binder course) en een top-/slijtlaag (wearing course) completeren het geheel aan lagen. Bij het vernieuwen van een weg wordt meestal alleen de toplaag eraf geschraapt en vervangen door een nieuwe laag. Het weggehaalde asfalt wordt tegenwoordig volledig hergebruikt. Het wordt verwarmd en vermengd met bitumen van de juiste hardheid om weer nieuw asfalt te maken. 5. Soorten asfalt De keuze van de steentjesgrootteverdeling bepaalt de asfaltsoort. Hieronder worden vier soorten asfalt beschreven Figuur 4. Schematische weergave van vier verschillende soorten asfalt.

10 Mastiek asfalt Mastiek asfalt is een mengsel van zand, vulstof en een overmaat aan bitumen. Door de overmaat aan bitumen is het mengsel van nature (water)dicht en hoeft het niet verdicht te worden. Het wordt vooral toegepast bij bruggen en in dakgarages. De stabiliteit in het mengsel komt vooral van het bitumen dat dus voornamelijk de krachten opvangt. 5.2 Dicht asfalt beton In dicht asfalt beton (DAB) is het aandeel bitumen is kleiner dan in mastiek asfalt en de steentjes hebben een continue grootteverloop (van grotere stenen tot en met heel fijn zand). Het asfalt is dicht doordat de steentjesgrootteverdeling ervoor zorgt dat alles goed in elkaar past en de spanningen erop worden opgevangen door de verschillende steentjesgrootte, het bitumen, zand en vulstof. Dit is toch nog toe de meest toegepaste asfaltsoort in Nederland. 5.3 Poreus asfalt Tot poreus asfalt behoren onder meer zeer-open-asfalt-beton (ZOAB) en zeer-stil-asfalt (ZSA). De steentjes in het asfalt hebben alle ongeveer dezelfde grootte en passen daarom niet goed in elkaar. Er blijven nogal ruimtes over tussen de steentjes en het bitumen. Deze ruimtes vormen kanaaltjes met elkaar door het hele asfalt waardoor regenwater makkelijk afgevoerd kan worden. Het zorgt ook voor geluidsreductie van het contact tussen band en weg (op rijkswegen bij hogere snelheden wordt het geluid met de helft gereduceerd). Binnen de bebouwde kom, waar het verkeer een stuk langzamer rijdt, is het effect van ZOAB echter veel kleiner: niet 3 maar 1 decibel. ZSA heeft naast de holle ruimtes ook een fijnkorreliger structuur waardoor het wegdek egaler is. De holle ruimtes en het egale wegdek samen maken dat de banden ook bij lagere snelheden veel minder geluid voortbrengen.

11 Asfalt 5.4 Steen mastiek asfalt Steen mastiek asfalt is een apart en relatief nieuw type asfalt. Deze asfaltsoort kan worden beschouwd als een poreus asfalt, waarvan alle holle ruimten vol zitten met een soort mastiek. Het steenskelet vangt alle spanningen op en er worden daarom speciale eisen gesteld aan de kwaliteit van de stenen die gebruikt worden. Tussen de stenen bevindt zich bitumen en zand. Steen mastiek asfalt wordt vooral beschouwd als een heel stabiel asfaltmengsel en wordt daarom ook bij zware belastingen ingezet. 6. Thermoplastische elastomeren Zoals al eerder genoemd, worden er polymeren toegevoegd aan bitumen (en dus het asfalt), om de eigenschappen van asfalt te verbeteren. Het gaat om een bijzonder type polymeren die ervoor zorgen dat het asfalt weer in z n oorspronkelijke vorm terugkeert na zware belasting, hoge en lage temperaturen. De thermoplastische polymeren worden (3 tot 6%) alleen aan de top/slijtlaag van asfalt toegevoegd die zo n 4 à 5 cm dik is. Het meest gebruikte polymeer in asfalt is poly(styreen-butadieenstyreen) of SBS. Dit is een thermoplastische elastomeer. Dit zijn materialen die zich gedragen als gevulkaniseerde rubbers bij kamertemperatuur en wanneer ze verhit worden, kunnen ze verwerkt worden als plastics. Gevulkaniseerde rubbers zijn moeilijk te processen omdat ze covalente verbindingen (crosslinks) tussen de ketens bevatten. Maar SBS en andere thermoplastische elastomeren zijn rubberachtig zonder de covalente crosslinks. Het SBS-polymeer bestaat uit drie gedeelten. Het eerste gedeelte is een lange keten van polystyreen (polystyreenblok), het middengedeelte is een lange keten van polybutadieen (polybutadieenblok) en het laatste gedeelte is weer een lange keten polystyreen. Polystyreen is een duurzaam, hard plastic dat zorgt voor de stevigheid in SBS. Polybutadieen is een rubberachtig materiaal dat zorgt voor de flexibele en elastische eigenschappen van SBS. De polystyreenblokken van verschillende ketens hebben de neiging om bij elkaar te cluste-

12 ren. De clusters gevormd door de polystyreenblokken zorgen ervoor dat de polybutadieenblokken aan elkaar gebonden worden Figuur 5. Ruimtelijke weergave van polystyreenclusters en tussenliggende polybutadieen rubbermatrix in SBS. De aantrekkingskrachten tussen de ketens berusten op Van der Waals-krachten. De relatief zwakke Van der Waals krachten tussen de SBS-ketens zorgen ervoor dat de crosslinks reversibel zijn. Deze eigenschap houdt in dat een geschikt oplosmiddel in staat is het product op te lossen, waarna, als het oplosmiddel weer verdwenen is, het netwerk weer hersteld wordt. Ook na verhitten zullen de crosslinks verbreken maar deze worden opnieuw gevormd als het materiaal weer wordt afgekoeld. Materialen met covalente crosslinks zoals bijvoorbeeld gevulkaniseerd rubber kunnen niet opgelost, noch gesmolten worden. Zo n 75% van de polymeren die in deze markt toegepast worden is SBS: de prijs/kwaliteit verhouding is het beste gebleken. De andere polymeren hebben in deze toepassing een minder goede prijs/kwaliteit verhouding of schieten soms tekort in het verbeteren van een van de eigenschappen. In de overige 25% van de markt worden materialen gebruikt als styreen-isopreen-styreen (SIS), ethyleenvinylacetaat (EVA), styreen-butadieen rubber, afval polymeren zoals polyethyleen (PE) of bandenrubber.

13 Asfalt Er worden lang niet altijd polymeren toegevoegd aan asfalt. Het is duur, dus het is altijd een afweging of het lonend is om het toe te voegen. In landen waar extreme temperatuurverschillen voorkomen zullen de asfaltwegen vaak vervangen moeten worden om ze goed te houden. Ook op plaatsen waar de intensiteit van het verkeer zeer hoog is of waar veel zwaar verkeer langskomt zal het asfalt eerder slijten en/of vervormen. Het toevoegen van polymeren zal de levensduur van de wegen verlengen, waardoor ze minder vaak vernieuwd hoeven te worden en zullen de kosten aanzienlijk dalen. In het gematigde klimaat van West-Europa bestaat zo n4à5%van de huidige wegen uit polymeer-gemodificeerd asfalt. Op basis van de intensiteit van het verkeer zou het marktaandeel van gemodificeerd asfalt zo n 15 % kunnen zijn. In Nederland is het aandeel wegen met polymeer-gemodificeerd asfalt minder dan die 4 à 5%.Dit is een keuze van Rijkswaterstaat die zich soms afvraagt of het polymeer gemodificeerde asfalt wel zo verbeterend is. Overigens is de recent vernieuwde ringweg A10-west bij Amsterdam wel aangelegd met gemodificeerd asfalt. Verder zijn bijvoorbeeld landingsbanen van Schiphol gemaakt van gemodificeerd asfalt. De grootste groei in het gebruik van gemodificeerd asfalt doet zich momenteel voor in landen als China en de Verenigde Staten. 7. Wet- en regelgeving Tot nog toe heeft in Europa ieder land z n eigen regels wat betreft asfaltsamenstellingen en milieuregels bij de productie en het aanbrengen van asfalt. Er wordt hard gewerkt aan het opstellen van Europese normen op dit gebied, maar het zal nog geruime tijd duren voordat er echt Europese overeenstemming is bereikt over deze normen. Wat betreft milieu valt het aanbrengen en het gebruik van asfalt in Nederland onder het Bouwstoffenbesluit. Het Bouwstoffenbesluit beschrijft regels voor een verantwoorde toepassing voor het milieu van bouwstoffen in de grond-, weg- en waterbouw. Naast de bescherming van bodem en oppervlaktewater stimuleert het Bouwstoffenbesluit ook het hergebruik van materialen. Wat betreft voorschriften voor de samenstelling van asfalt in Nederland bestaat er een dik boekwerk (RAW standaardbepalingen

14 , uitgegeven door CROW). Hierin worden alle in Nederland gebruikte asfaltmengsels beschreven (waaruit ze bestaan, hoe ze gemaakt en aangebracht moeten worden). 8. Milieu en gezondheid In het verleden zijn op grote delen van het wegennet teerhoudend asfalt toegepast. Teer wordt verkregen bij de destructieve destillatie van steenkool of hout en bevat zeer hoge concentraties PAK -Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen die kankerverwekkend kunnen zijn. Sinds 1991 mag geen nieuw teer meer worden verwerkt en hergebruik van teerhoudend asfalt is per 1 januari 2001 verboden (Bouwstoffenbesluit). In bitumen zijn PAK-verbindingen slechts in zeer geringe concentraties aanwezig. De concentraties in bitumen zijn een factor 1000 tot lager dan in teer. Dit betekent dat de concentraties op de werkplek bij het produceren en verwerken van asfalt beneden de geldende grenswaarden blijven en er geen gezondheidsrisico s bestaan. Uit een recent internationaal onderzoek uitgevoerd (door het IARC) onder werknemers die veel met asfalt en bitumen werken (aanleggen van asfaltwegen, constructie van bitumineuze daken, mengen van asfalt etc) bleek dat deze mensen niet minder gezond zijn dan werknemers die niet met asfalt/bitumen werken. Alle grondstoffen van asfalt zijn in principe van natuurlijke oorsprong en bevatten geen stoffen die schadelijk zijn voor mens en milieu. Asfalt wordt zelfs gebruikt voor spaarbekkens voor de drinkwatervoorziening (Rotterdam). Het drinkwater staat aan de binnenkant gewoon tegen het asfalttalud aan; regelmatige controlemetingen tonen aan dat er geen sprake is van uitloging van schadelijke stoffen. 9. Literatuur en referenties Lesbrief De zwarte magie van bitumen (op te vragen bij KNCV: , kncv@kncv.nl)

15 Asfalt Internet over Thermoplastische elastomeren Duitse scriptie over bitumen International Agency on Research on Cancer (IARC), Epidemiological study of cancer mortality among European asphalt workers, P. Boffetta et al. IARC, Lyon October 2001 (ftp://ftp.iarc.fr/ece/asphalt) Belangrijke adressen European Asphalt Pavement Association (EAPA): European Bitumen Association: (Nederlandse)Vereniging tot Bevordering van Werken in asfalt: CROW, kenniscentrum voor verkeer, vervoer en infrastructuur: