Ontwikkeling van 100% recycling asfalt E.C. Molenberg Rasenberg Wegenbouw B.V., Kwaliteit & Techniek T. Eijkenboom Van Weezenbeek Specialties B.V. Samenvatting ML-TRAC (Multi Life Total Recycling Asphalt Concrete) staat voor de productie van asfalt dat voor 100% uit secundair asfalt en toevoegingen bestaat. De verouderingsmechanismen leiden tot partieel recyclen vanwege de bitumenkwaliteit. De spreiding in aangevoerd asfaltgranulaat leidt tot beperking van het recyclingpercentage vanwege de graderingsbeheersing. Een voorwaarde om te komen tot nagenoeg 100% hergebruik vraagt om een andere methodiek van omgaan met asfaltgranulaat. De beheersbaarheid is essentieel voor procesmatige graderingscontinuïteit. Een tweede voorwaarde is het veranderen van het bestaande bindmiddel uit asfaltgranulaat terug naar de specificaties van vers bitumen. De verandering van het bindmiddel door verouderingsprocessen moet worden hersteld. Alleen als aan beide voorwaarden wordt voldaan kan een asfaltproduct, dat vergelijkbaar is met traditionele asfaltproducten, worden gemaakt met alleen maar reststoffen, waarvan circa 95% asfaltgranulaat bedraagt. De zoektocht naar wat nu precies gebeurt in deze verouderingsmechanismen heeft geleid tot de wetenschap dat twee vormen van veroudering een rol spelen. De thermische veroudering is al tijden onderhevig aan onderzoek, maar verstijving, als gevolg van meer en meer kristallijne molecuulstructuren door de tijd, is een mechanisme wat zich praktisch moeilijk laat gieten in onderzoek. Toch worden deze twee vormen van veroudering onderkend. Bitumenherstel en het opheffen van veroudering vraagt inzicht in beide systemen. Onderzoek heeft geleid tot een oplossing om verouderde of verharde bitumen door middel van een additionele toevoeging van een natuurlijke hars terug te brengen naar een normale (verse) bitumenkwaliteit. Deze oplossing, samen met de opzet van een proces gestuurde asfaltgranulaatinname en bewerking, leidde tot de mogelijkheid daadwerkelijk 100% recycling mengsels te produceren. De afgelopen twee jaar is de opschaling van laboratorium tot praktijk gepasseerd. De resultaten zijn veelbelovend. Kernwoorden: Recycling Bitumengedrag Cradle to cradle Duurzaam asfalt
De reden De stand der techniek en de bijbehorende regelgeving is veelal gebaseerd op een maximaal toelaatbaar recyclingpercentage van 50% PR. De eerste schreden op weg naar een opschaling naar hogere PR percentages vonden in de jaren 90 van de vorige eeuw plaats. Deze zijn op basis van een onvoldoende beheersingsniveau gestrand. De techniek die overeind bleef was de werking van de systemen met paralleltrommels, waarbij de capaciteit van de trommels was afgestemd op het gebruik van circa 50% hergebruik. Toch was de roep om hogere PR technieken aanwezig. Vanuit de marktpartijen zat hier, los van duurzaamheidsbeleving, een economisch aspect achter. Uiteraard leidt een hoger recyclingpercentage tot reductie van de aankoopbehoefte van bindmiddel en mineralen maar dit was niet de hoofdreden. Tegenover deze reductie stond altijd een investering in het verbeteren van het recyclingproces dat het rendement op de productie met hogere PR percentages marginaal maakte. Vanuit de markt ontstond meer de behoefte aan een stabiel prijsniveau. De enorme prijsverschillen zorgden voor onrust aan de inkoopkant, met behoorlijke risico s. De vermindering van de aankoop van olie gerelateerd bindmiddel, welke voor het grootste deel de prijsschommelingen veroorzaakten (nu nog steeds) zou meer rust aan de inkoopkant geven. Bij de opdrachtgeverszijde kreeg men meer aandacht voor de duurzaamheidsbeleving. De maatschappelijke taak die openbare opdrachtgevers dragen ten aanzien van een gedegen afweging tussen bewezen techniek en nieuwe oplossingen met een hoger milieurendement, bleek in de praktijk tot andere inzichten te kunnen komen. De verandering naar specificeren op functioneel niveau maakte de introductie van andersoortige mengsels mogelijk. Het niet meer vastzitten aan voorgeschreven mengsels biedt de marktpartijen in grotere mate de innovatieruimte om dergelijke duurzame technologieën uit te werken. De validatie en de ruimte bij opdrachtgevers is echter geborgd in allerlei risicoprofielen die de intrede van nieuwe technologieen zeer moeizaam maakt. De vraag om nieuwe produkten op het gebied van duurzaamheid te ontwikkelen wordt door de markt gehoord, verwoord en vervolgens in een hoog risicoprofiel weggezet omdat ze nieuw zijn. Dit werkt innovatieremmend. Desondanks zien er een flink aantal initiatieven op het gebied van duurzaamheid het licht. Ook ML TRAC heeft de stap van onderzoek naar pilot en monitoring inmiddels doorlopen.
Probleemstelling Vanuit het verleden was bekend dat de variatie in gradering van asfaltgranulaat een groot struikelblok vormde. De graderingsbeheersing werd geoptimaliseerd door te homogeniseren. Dit leidde uiteindelijk tot een beperkt aantal samenstellingen, dat de inzet van hogere percentages onmogelijk maakte. Door asfaltgranulaat niet op te bulken tot één homogene massa, maar juist uit elkaar te trekken naar het niveau van productiematen, kan er een grotere inzet worden gehaald. De veroudering van het bitumen zorgde voor de grootste uitdaging. Verjonging van bindmiddel vraagt om een uitgebreide studie naar wat het bindmiddel nu precies doet tijdens de gebruiksfase waarin deze veroudert. Hierbij lag de nadruk op het veranderen van de chemische samenstelling. Hier hangen de fysische eigenschappen namelijk mee samen. Richtinggevend in het onderzoekstraject is de overtuiging dat herstel van de verhouding van de in bitumen voorkomende hoofdgroepen (asfaltenen, harsen, aromaten en koolwaterstoffen) ook de fysische werking weer identiek aan nieuwe bitumen zou maken. Onderzoek Voor het onderzoek is eerst vastgesteld wat de uitgangspunten moesten zijn. 1. Het bindmiddel moest volledig uit recyclingproduct bestaan, met verjongingsadditief. 2. De gradering van de mengsels moet produceerbaar zijn volgens de huidige betrouwbaarheden. 3. Het gedrag van de mengsels moet vergelijkbaar zijn aan huidige RAW mengsels qua levensduur, functionele en verwerkingseigenschappen. Omdat de beheersbaarheid met asfaltgranulaat gelijk gesteld moest worden aan de betrouwbaarheid van een niet gerecycled product, was een andere kijk op recyclemateriaal noodzakelijk. Niet zoveel mogelijk homogeniseren was het credo, maar zoveel mogelijk scheiden en stroomlijnen van verschillende soorten. Zo is een innameprotocol ontstaan waarbij alle vrijkomende asfalt naar soort wordt gescheiden. Het resultaat is niet een homogene berg asfaltgranulaat maar vijf depots die naar soortsgewijs zijn gerangschikt. Voorts kunnen deze partijen nog verder worden bewerkt door hetzelfde te doen als bij een mineraalgroeve. Breken, zeven en sorteren, in principe volgens dezelfde protocollen als bij een steengroeve. Geen stuk geëxplodeerde berg maar een depot asfaltgranulaat dit keer. De bewerking kan exact volgens hetzelfde principe verlopen en leidt tot het ontstaan van productiematen van asfaltgranulaat. Doordat de soorten al gescheiden worden gehouden vertonen deze depots een specifiek verouderd bitumengedrag zonder al te veel spreiding. Nog verdere uitsortering op productiematen maakt het mogelijk materialen met een zeker voorspelbaar karakter te maken. Dit komt de beheersbaarheid uiteraard sterk ten goede. Samenstellen van mengsels uit deze productiematen van asfaltgranulaat is daardoor mogelijk. Leidraad is de nieuwe mengselsamenstelling zoveel mogelijk te laten lijken op bekende karakters uit het empirisch verleden.
Bindmiddel Bitumen verouderen in de tijd, dit is een waarneming die door iedereen onderschreven zal worden. Het mechanisme waardoor het bitumen verouderd is veel minder duidelijk. Veel van de verouderingsproeven testen alleen de thermische veroudering, dit is de veroudering die voornamelijk plaatsvindt tijdens productie en verwerking. We zien dan een sterk toenemende verharding. Gedurende de jaren daarna is de terugval aanzienlijk minder, maar uiteindelijk zorgt het gebrek aan flexibiliteit voor schade in vorm van scheuring en onthechting. Om een beter beeld te krijgen van dit verschijnsel heeft INTRON onderzoek gedaan naar de samenstelling van penetratie bitumen voor en na dit verouderen. Hiervoor zijn verschillende SARA analyses uitgevoerd. Bij SARA onderzoeken worden de volgende productgroepen onderscheiden. S=Saturates: Dit zijn verzadigde koolwaterstoffen zoals paraffinische oliën en wassen en micro kristallijne wassen. Deze licht componenten zijn vaak verantwoordelijk voor de hoge penetratie en een laag verwekingpunt. Deel van deze fractie vervluchtigt en zal dan ook bijdragen aan het brosser worden van het bitumen. In deze lichtere fracties worden vaak verjongingsmiddelen gezocht en toegepast. Met name de plantaardige en minerale oliën (al dan niet afgewerkt) ziet men terug als verjongingsadditief. Deze werken echter meer als weekmaker omdat het aandeel laag moleculair materiaal te hoog wordt in de bitumensamenstelling. A=Aromatische koolwaterstoffen: Hieronder vallen naphtenische minerale koolwaterstoffen en kent samen met de harsfractie een breed molair gewichtsgebied. Ze reageren over het algemeen apolair. Mutaties vinden in deze groep veel plaats. In de veroudering zit hier dan ook een forse verhoudingswijziging ten opzichte naar de rest. De koolwaterstoffen muteren nogal eens naar de harsfractie, die op hun beurt weer asfaltenen afleveren. In het chemisch verouderen zie je deze aromaten in aandeel sterk afnemen. Het aandeel asfaltenen neemt toe en de harsfractie blijft redelijk gelijk. R= Resin Harsen: Deze productgroep is zeer divers met een molair gewicht tussen 500 en 50.000. De harsen zijn in grote mate verantwoordelijk voor de hechtingseigenschappen aan mineralen. In bitumen gaat het dan uitsluitend over thermoplastische harsen vaak met aromatische structuren. Zij zijn met name accentuerend voor het amorfe gedrag van bitumen.
A= Asfaltenen: De zware componenten van bitumen zijn sterk polair van aard en hebben zeer complexe structuren met veel aromatische verbindingen. Bij verhitting blijven asfaltenen in vaste vorm aanwezig. De indruk bestaat dat deze componenten zich kunnen oriënteren in kristalachtige structuren, richting gel type (ringstructuur).de elastische eigenschappen worden daardoor dominerend. Het onderzoek van INTRON op verouderde bitumen gaf een verschuiving te zien in de samenstelling. Zo verdween een groot deel van de verzadigde koolwaterstoffen en was er een afname van de aromaten, een stabilisatie van de harsen en een toename van de asfaltenen te zien. Een van de aanbevelingen van dit onderzoek was het verjongen van bitumen met oliën of met harsen. Verder is gekeken naar de toepassing van geblazen (geoxideerde) dakbedekkingsbitumen als een mogelijke bitumendonor. Uit analyse naar de samenstelling van dit dakbitumen is gebleken dat het bindmiddel globaal bestaat uit geblazen bitumen met polymeren. Bij oudere dakbitumen in de Benelux markt gaat het vaak om SBS (Styreen Butadieen Styreen) rubber gemodificeerde bitumen. De laatste jaren echter worden hoofdzakelijk APP (Atactische Poly Propyleen) gemodificeerd bitumen ingezet. Het probleem van deze bitumensamenstelling is dat deze volledig ongeschikt is voor wegenbouw applicaties; de geblazen bitumen zijn te hard met een te hoog smeltpunt en de polymeren zitten als het waren opgesloten in een harde bitumen jas. Indien dit bitumen zou kunnen worden versoepeld zullen ook de polymeren vrijkomen en beschikbaar zijn voor het asfaltmengsel. Daarnaast kunnen de van oorsprong geblazen bitumen in de nieuwe vorm volwaardig deel nemen aan het asfaltmengsel. Selectie additieven Zoals eerder opgemerkt zijn bij de speurtocht naar verjongingsadditieven de oliën uitgesloten omdat oliën in zeer belangrijke mate het bitumen verweekt. Er vindt bij het afkoelen onvoldoende verglazing in de amorfe structuur plaats. Hierdoor zouden de mechanische eigenschappen op een onacceptabel niveau uitkomen. Naast oliën wordt de inzet van zeer zacht bitumen ook als alternatief gezien om bitumen te verjongen. Dit is heden ten dage een mogelijke oplossing maar leidt zeer zeker niet tot een hogere inzet van recycling en heeft dus geen meerwaarde, behalve het op specificatie houden van de huidige technieken. Effectief is een materiaal wat specifiek in de maltenenfase acteert. Dit leidt vrij snel in de richting van aromatische thermoplastische harsen. Er is gedurende de speurtocht gekeken naar de volgende parameters: 1. Verkrijgbaarheid: De grondstoffen dienen in hoeveelheden verkrijgbaar te zijn om minimaal de Benelux/Europese markt te kunnen voorzien van product. Ook de leverzekerheid is een belangrijke factor waarbij de grondstof verkrijgbaar moet zijn onafhankelijk van seizoenen of regionale problemen. De laatste tijd zijn veel petrochemische harsen minder goed verkrijgbaar door de grote mondiale vraag naar deze grondstoffen. Hierdoor zijn ook de verkrijgbaarheden ernstig verslechterd. 2. Schadelijkheid voor mens en/of milieu: Zwaarwegende eis dat het materiaal geen gezondheidsschade voor mens of milieu oplevert. Dit geldt in alle fases van het gebruik, bij de hete verwerkingsfase tot en met de afgekoelde uitlogingsomgeving.
3. Affiniteit/inmengbaarheid met bitumen: Het inmengen van additieven in een asfaltcentrale gedurende de productie van asfalt is vaak een probleem als gevolg van meng- en smelteigenschappen van de toevoegingen. Aangezien de mengtijd vrij kort moet blijven stelt dit extra eisen aan de fysische eisen van het additief. Gedurende het onderzoek naar geschikte additieven is de inmengbaarheid van harsen direct in warme bitumen dan ook een selectiecriterium. De hars diende koud toegevoegd te worden in een normale mengtemperatuur (180 graden) en binnen seconden met lage mengenergie volledig ingemengd te kunnen worden. 4. Thermische stabiliteit: De temperaturen die worden toegepast bij het produceren van asfalt liggen vaak beduidend hoger dan het temperatuurgebied waar de meeste thermoplastische harsen worden ingezet. Deze komen vaak niet boven de 120 C uit. Ook is de productiecyclus voor veel thermoplasten een probleem waarbij het niet geheel ongebruikelijk is dat het asfalt gedurende een periode van 6 uur op circa 170 C opgeslagen ligt. Geschikte verjongingsadditieven dienen stabiel te blijven gedurende deze productiefase. Het vlampunt moet dan ook de normale productietemperatuur en de opslagtemperatuur van bitumen overstijgen, dit houdt in >> 200 C. 5. Watergevoeligheid: Uit het verleden is gebleken dat additieven die watergevoelig zijn hebben geleid tot verlies van duurzaamheid van het asfalt. In de screening is dan ook een test uitgevoerd waarbij de harsen gedurende een week bij 70 C in water zijn opgeslagen. Eis was dat na deze periode de hars op geen enkele wijze was aangetast. 6. Economische haalbaarheid: Richtlijn was de grondstofprijs van asfalt met 50% recycling. Bij toepassing van additief en een recyclepercentage van 60% tot 100% dient de prijs niet hoger uit te vallen dan het gangbare 50% mengsel. Van de oorspronkelijke 51 geselecteerde harsen bleven er, na deze hierboven beschreven screening, 12 over. Van deze 12 harsen zijn door middel van DSR onderzoek inschattingen gemaakt over de effectiviteit van de hars in asfalt. Bij deze testen zijn percentages bekeken van 3% en 5% hars op 100% recycling bitumen. Bitumen 40/60 heeft bij het onderzoek als referentie gediend. Doel was om de visco-elastische eigenschappen van 40/60 bitumen te benaderen door het toevoegen van harsen aan totaal gerecycled bindmiddel. Na het rheologisch onderzoek bleven er slechts 4 geschikte kandidaten over die, op basis van hun rheologische eigenschappen en de invloed op de verouderde bitumen, voldoende effectief bleken. Er is, om effectieve viskeuze invloed te bepalen, gekozen voor de gietasfalt stempelproef op mastiekmengsels. Reden voor deze proef is dat de eventuele verstoring van polymeren of vaste bestanddelen (vezels) in de penetratieproef worden uitgeschakeld. De proef is uitgevoerd volgens DIN 1996 bij 60 C (zie afbeelding). Bij deze indringingsproef is wederom als referentie bindmiddel een verse 40/60 bitumen ingezet. Ook is de stempelproef gebruikt om de hoeveelheid additief in dakbitumen af te kaderen.
Duidelijk is dat bij het toepassen van dakbitumen (bitumen uit dakbedekkingsmateriaal) niet alleen de oxidatie van het bitumen moet worden gecompenseerd maar ook de aanwezige polymeren hun dominantie dienen te verliezen. Zo zien we dat normaal verouderde bitumen bij circa 5% toevoeging van de harsen voldoende is verjongd; voor het dakgranulaat ligt dit beduidend hoger. Hier dient men circa 20% hars toe te voegen voor het verkrijgen van een voor de wegenbouw toepasbaar bindmiddel. Opgemerkt dient te worden dat de polymeren actief blijven en er dus in meer of mindere mate een PmB ontstaat naar gelang het toegepaste niveau van het dakgranulaat als bitumendonor. Uiteindelijk is uit de 4 harsen, op basis van natuurlijke oorsprong en afwezigheid van fossiele herkomst, de keus gemaakt. In deze keus was het feit dat de hars een bijproduct is van een bestaand destillatieproces en door het gebruik in asfalt zelfs een hogere toepassing oplevert doorslaggevend. In deze kan worden gesproken van het upcyclen van restproducten, wat wereldwijd maar zelden kan worden toegepast. Toetsing op asfaltproducten Een aanpassing op de asfaltcentrale is uiteraard het gevolg geweest. Het doseren van zowel dakgranulaat en de hars hebben geleid tot uitbreiding. Met betrekking tot het dakgranulaat is een weegunit geplaatst welke een afgewogen hoeveelheid dakgranulaat via een worm de menger in brengt. Chargegericht kan een hoeveelheid tot circa 200 kg worden toegevoegd.
Separaat van het dakgranulaat is een doseerunit geplaatst voor de hars. Na weging via de massflowmeter kan de hars op twee manieren worden ingespoten. Enerzijds zijn injectiepunten aangebracht op de worm van het dakgranulaat. Anderzijds brengt de hars rechtstreeks in de menger. De laatste variant wordt gebruikt als er voldoende bindmiddel in de gekozen granulaatvarianten zit en dakgranulaat als bindmiddeldonor niet meer noodzakelijk blijkt. Op deze manier kunnen in principe alle soorten mengsels worden voorzien van het gewenste bindmiddelgehalte en het bijbehorende verjongingsadditief. In eerste instantie is gekeken of toevoegen van hars op molengemengde producten een zeker effect teweeg bracht. Verschillende percentages toevoeging van hars op een vaste hoeveelheid bindmiddel lieten duidelijk effect zien op stijfheid en vermoeiingseigenschappen. Ook zijn van allerlei varianten het bitumen teruggewonnen en bekeken op rheologische eigenschappen en samenstellende delen. Door afkadering op basis van vergelijkende eigenschappen is uiteindelijk een opzet verkregen voor drie mengsels: 1. AC 22 base/bind met 70% RC met dakgranulaat en additief, geen nieuwe bitumen 2. AC 22 base/bind met 95% RC met 5% thermisch gereinigd zand en additief, geen nieuwe bitumen 3. AC 22 base/bind met 50% RC met 70/100 nieuwe bitumen als aanvulling. Dit mengsel komt uit de RAW en dient als referentie voor de andere twee onder/tussenlaagmengsels. Alledrie de mengsels zijn door de asfaltcentrale geproduceerd in verband met de high shear menging van de centrale. Op de drie mengsels zijn volledige type testen uitgevoerd, conform de huidige inzichten. Vermoeiingsweerstand, watergevoeligheid, stijfheid en weerstand tegen vervorming zijn met elkaar vergeleken. Tevens is de mengkwaliteit aan de hand van de amperages van de menger bekeken. Dit zegt namelijk iets over de verwerkbaarheid van het product.
M3 M29 M28 TT100 Eis RWS %PR 45 70 70 99,8 Max. 70 Rheofalt EM Nee Ja ja ja Nieuwe bitumen? ja ja nee nee Dakgranulaat ja ja ja nee δ Mengsel 2520 2494 2472 2450 δ Proefstuk 2390 2406 2370 2371 HR % 5,0 3,5 4,9 3,2 3-7 Vermoeiing ε6 120,3 113,9 139,3 101,2 > 100 Stijfheid S 10164 9733 10219 15647 5500-17000 Perm. Verv. fc 0,04 0,06 0,06 0,2 Max. 0,2 Watergev. ITSR 109 92 96 98 Min. 90 Ook hier zijn weer SARA analyses, viscositeits- en rheologiemetingen en de gebruikelijke penetratie en R&K proeven op de teruggewonnen bindmiddelen gedaan. In deze cyclus van onderzoeken kwam heel duidelijk naar voren dat de verhouding van asfaltenen/maltenen essentieel is voor een goed acterend bitumen en dat dit aanvulbaar is. Het begrip sterische hindering (aanwezigheid niet polaire maltenen tussen de asfaltenen, zorgen voor blijvende flexibiliteit) is duidelijk verantwoordelijk voor het (lange duur) tijdsgebonden verstijvingseffect. Pilots In eerste instantie is op toegangswegen van het Recycling en Overslag Bedrijf te Breda 100% recycling asfalt aangebracht. Deze exercitie leidde tot aanpassing in de procesbeheersing. Vervolgens is de verharding van het ketenpark van de N57 uitgevoerd in een verbeterde variant.
De eerste officiële pilot is uitgevoerd op het Steenen Hoofd (1 e officiële werk) in samenwerking met de gemeente Breda. Daarna is nog de infrastructuur van de biovergistingsinstallatie van suikerproducent CZAV met 100% recycling gemaakt. Milieutechnische prestaties Uiteraard is bij deze ontwikkeling gekeken naar het duurzaamheidsaspect. In het kader van de CO2 prestatieladder zijn de verbruiken van CO2 ten opzichte van normaal asfalt in kaart gebracht. Het zal geen verrassing zijn dat een enorme besparing wordt behaald door het niet hoeven aanspreken van primaire bouwstoffen! De energie die normaliter gebruikt wordt om primaire bouwstoffen te produceren en te vervoeren wordt bespaard en dan praten we nog niet over het voordeel dat de aardkorst niet wordt aangesproken om te delven. De ketenanalyse bespaart op 100.000 ton productie, het energieverbruik van 1000 huishoudens. Simpelweg kan gesteld worden dat bij iedere 100 ton asfalt de CO2 jaaruitstoot van een gemiddeld huishouden in Nederland wordt gereduceerd. Wat zeer opmerkelijk is dat deze besparing over meerdere levenscycli kan worden meegenomen. Conclusies De invloed van de geïnjecteerde hars laat duidelijk verbeterde resultaten zien. De resultaten zijn door de hoeveelheid hars stuurbaar. 100% recycling asfalt is qua eigenschappen minstens vergelijkbaar en inzetbaar als normaal asfalt. Met kleine aanpassingen in een veranderde zienswijze over asfaltgranulaat kan enorme duurzaamheidswinst worden behaald.