Bitumenkarakterisering

Bitumenkarakterisering J.M.M. Molenaar, W.H.M. Klarenaar INTRON Samenvatting Door het empirisch karakter en de onvolledigheid van bitumenspecificaties (en bouwstoffenspecificaties in het algemeen) lopen aannemers een verhoogd risico dat garantielevensduren van asfaltverhardingen niet worden gehaald. Door een beter gebruik te maken van mogelijkheden die er zijn om functionele eigenschappen te bepalen, kan dit risico worden verlaagd. 1

1. Inleiding: faalrisico s Dit artikel heeft de ambitie om de lezer het inzicht te geven dat faalrisico s van asfaltverhardingen voor een deel verlaagd kunnen worden door een beter gebruik te maken van de mogelijkheden die er zijn om de eigenschappen van bitumina te karakteriseren. 1.1. Grondslag van risico s Als belangrijkste oorzaak voor de huidige faalrisico s zien de auteurs dat aannemers-wegenbouwers momenteel op empirie gebaseerde (niet-gedragsgerelateerde) materiaalspecificaties voor bitumineuze materialen aanvaarden. De huidige bouwstoffenspecificaties verschaffen de aannemer te weinig informatie over de ware functionele kwaliteit van door hen toegepaste bouwstoffen. De aannemer geeft echter wel garantie op de levensduur van een asfaltverharding en neemt daarmee een behoorlijk risico, dat op basis van de kwaliteiten van de bouwstoffen en de huidige specificaties, niet goed te verantwoorden is. De onderliggende oorzaak is: de specificaties zijn niet functioneel (gedragsgerelateerd). Daarnaast zijn specificaties vaak zeer ruim. Toch zijn er hulpmiddelen waarmee een beter inzicht in de ware functionele kwaliteit verkregen kan worden. Daarover gaat dit artikel. 1.2. Functies van bitumen De eerlijkheid gebiedt te zeggen dat voor de duurzaamheid van asfalt niet alleen de diverse kwaliteiten aan bitumen van belang zijn, maar ook de kwaliteiten van minerale aggregaten. In dit artikel wordt alleen ingegaan op de bitumeneigenschappen en blijven eigenschappen van de minerale aggregaten buiten beschouwing. Als bindmiddel van asfalt is het bitumen een duurzaamheidsbepalend bestanddeel. De belangrijkste functionele eigenschappen van bitumen zijn: hechtend vermogen aan mineraal aggregaat weerstand tegen veroudering rheologische eigenschappen Onderstaand geven we in het kort aan hoe op dit moment de genoemde eigenschappen in de markt worden gezien. Het hechtend vermogen wordt niet gespecificeerd. Bitumenleveranciers stellen: hechting is een grensvlakeigenschap waarbij altijd een stof A (mineraal aggregaat) en een stof B (bitumen) betrokken zijn. Men kan daarom niet spreken van de hechtingseigenschappen van stof B. Zo beschouwd hebben zij een punt. Echter, het is wel degelijk mogelijk het hechtend vermogen van een bitumen te definiëren, onafhankelijk van de stof waaraan het bitumen moet hechten. We komen hierop terug. De weerstand tegen veroudering is een lastige eigenschap. De wegenbouwsector worstelt met de definitie. Meestal worden één of enkele mechanische eigenschappen, bijvoorbeeld penetratie en verwekingspunt, vóór en na veroudering gemeten, waarbij het de vraag is welke verouderingstest gekozen moet worden, één die de veroudering tijdens de productie en verwerking van het asfalt zou moeten karakteriseren en één die de veroudering tijdens het gebruik van de asfaltverharding zou moeten karakteriseren. Zeer langdurig onderzoek, wereldwijd, is onbevredigend afgelopen met als voorlopige stand van zaken, dat de veroude- 2

ring van asfalt niet (goed) in het laboratorium gesimuleerd kan worden. Asfalttechnologen wisten dit eigenlijk wel, of konden het weten: het materiaal veroudert op een andere wijze in de diepte dan aan de oppervlakte. Ondanks alle onderzoeken heeft men nog niet kunnen kiezen 1 voor een eenvoudige, eenduidige definitie, waarmee dan wellicht niet de veroudering zoals deze in de praktijk plaatsvindt nauwkeurig wordt gesimuleerd, maar die zeker wel relevant is voor de mechanismen die in de praktijk de veroudering bepalen. Dan de rheologische eigenschappen de specificatie-intervallen zijn ruim. Aannemers hebben daardoor weinig zekerheid over de constantheid van de kwaliteit van het bitumenproduct. Dit is verduidelijkt in tabel 1 en figuur 1. Voor het gedrag van asfalt in de weg zijn vooral penetratie en verwekingspunt bepalend. De penetratie-index (PI) wordt hieruit berekend. Deze eigenschappen zijn niet functioneel voor polymeergemodificeerd bitumen, maar worden hiervoor toch gebruikt 2. Tabel 1. Variatie van penetratie en verwekingspunt voor een 70/100 bitumen. De penetratie-index (PI) mag variëren tussen -1,5 en +0,7 (NEN-EN 12591). grenswaarden pen: 70 PI: -1,5 pen: 70 PI: +0,7 pen: 100 PI: -1,5 pen: 100 PI: +0,7 toegestane variatie (eenheden) midden van het specificatieinterval toegestane variatie (%) penetratie: 70/100 30 85 35 verwekingspunt (R&K) => R&K: 46 C => R&K: 54,5 C => R&K: 43 C => R&K: 50 C 8,5 50,25 17 7 46,5 15 De toegestane variatie van rheologische eigenschappen biedt bitumenleveranciers de mogelijkheid om binnen ruime grenzen de samenstelling te variëren. Dit kan aan de hand van figuur 1 worden geïllustreerd. De te verwachten samenstelling kan op basis van de PI worden geschat. Bijvoorbeeld, de geschatte ofwel nominale samenstelling van een bitumen met een PI van -1,5 is: asfaltenen: 10% harsen: 20% aromaten: 44% verzadigden: 26% Overigens zij opgemerkt dat bitumensamenstellingen in de praktijk kunnen afwijken van die volgens figuur 1. Figuur 1. Samenstelling van bitumen als functie van de penetratie-index, PI. [Bron: Shell Bitumen Handbook]. 1 In de Europese norm, NEN-EN 12607 zijn drie verouderingsproeven opgenomen: RTFOT, TFOT en RFT. Daarnaast worden RCAT en PAV gebruikt voor de karakterisering van de veroudering tijdens het gebruik in de weg. Uit onderzoek (Sanches 2004, Van den Bos 2004) is gebleken dat met geen van deze methoden de veroudering in de praktijk is te simuleren. 2 Norm NEN-EN 14023 beschrijft een bitumengraderingssysteem en is alleen bedoeld om gemodificeerd bitumen te karakteriseren (zie: NEN-EN 13108-1, par. 4.2.2.1, NOTE 2). De specificaties voor polymeergemodificeerd bitumen zijn niet functioneel of gedragsgerelateerd. 3

1.3. Gevolgen voor aannemingsrisico De huidige bitumenspecificaties zeggen weinig tot niets over de ware functionele kwaliteit van bitumen: het hechtingsvermogen is niet gespecificeerd; de weerstand tegen veroudering is slecht gespecificeerd (in zoverre, dat in de norm 3 verouderingstesten zijn opgenomen, die de veroudering van bitumen tijdens de productie en verwerking van asfalt beogen te specificeren en die onderling niet-vergelijkbare resultaten geven en dat géén verouderingstesten voor de veroudering van het bitumen in de weg zijn opgenomen); de ruime variatie op rheologische eigenschappen laat een ruime variatie van samenstelling toe. Door de aanzienlijke variaties op samenstelling en eigenschappen en de feitelijk onvolledige specificatie van functionele eigenschappen, hebben aannemers weinig zekerheid over de hen geleverde bitumenkwaliteiten. Hoewel de levensduur van een asfaltverharding niet alléén door de materiaaleigenschappen van het asfalt wordt bepaald, draagt de onzekerheid over de bitumenkwaliteit zeker bij aan het risico dat de garantielevensduur niet wordt gehaald. Daarbij komt dat aannemers de levensduur van de wegconstructie moeten garanderen en hierop de risico s nemen die Rijkswaterstaat als opdrachtgever hen vraagt te nemen, maar de opdrachtgever bepaalt de materiaalkeuze In een ontwikkeling waarbij Rijkswaterstaat meer verantwoordelijkheid voor productkwaliteit bij de opdrachtnemer wenst neer te leggen en de opdrachtnemer vraagt de levensduurrisico s te nemen, past de overweging om dan ook de materiaalkeuze aan de opdrachtnemer te laten. Dit bevordert, dat de kwaliteit van de toegepaste bitumenproducten een aantoonbare bijdrage levert aan de duurzaamheid van de asfaltconstructie. 2. Achtergronden en voorbeelden 2.1. Samenstelling en hechtend vermogen van bitumen Bitumen bestaat, afgezien van een mogelijke polymeertoevoeging, uit koolwaterstoffen, die worden ingedeeld in vier generieke fracties: verzadigden, aromaten, harsen en asfaltenen. De verzadigden, aromaten en harsen worden gezamenlijk de maltenen genoemd. Het onderscheid tussen maltenen en asfaltenen wordt gemaakt op basis van de oplosbaarheid in n-pentaan en n-heptaan. Men spreekt van pentaan-asfaltenen, die niet oplossen in n-pentaan en van heptaan-asfaltenen, die niet oplossen in n-heptaan. De verzadigden en aromaten vormen het oplossend medium voor de harsen en de asfaltenen. De verzadigden en aromaten bestaan voor nagenoeg 100% uit koolstof en waterstof. Deze verbindingen zijn daarom apolair; ze dragen niet bij aan de hechting van bitumen aan mineraal aggregaat. Ze bevatten minimale hoeveelheden heteroatomen, stikstof (N), zuurstof (O) en zwavel (S). De harsen en asfaltenen zijn polaire verbindingen. De polariteit wordt veroorzaakt door de heteroatomen. De polariteit is van belang voor de kleefkracht. Het gehalte harsen en asfaltenen bepaalt daarom het hechtend vermogen van een bitumen. Een voorbeeld van uitkomsten verkregen voor een bitumen vóór en na veroudering is gegeven in tabel 1. Tabel 1. Samenstellingsanalyses van bitumen verkregen m.b.v. dunnelaagchromatografie. verzadigden (%) aromaten (%) harsen (%) bitumen verouderd 5,1 22,5 47,6 bitumen vers 6,4 27,2 46,7 asfaltenen (%) 24,8 19,7 4

Iatroscan Chromatogram, Sample: 080393-7 13000 Resins 11000 9000 Peak Intensity 7000 5000 Asphaltenes 3000 Aromatics Saturates 1000-1000 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Analysis Time (minutes) Figuur 2. Voorbeeld van een chromatogram, waaruit de samenstelling van bitumen in termen van de generieke fracties verzadigden, aromaten, harsen en asfaltenen kan worden verkregen. Dergelijke uitkomsten kunnen worden verkregen met behulp van dunnelaagchromatografie. Een voorbeeld van een chromatogram is gegeven in figuur 2. 2.2. Polymeergehalte Met behulp van het infraroodspectrum is het vaak mogelijk de aanwezigheid van polymeer in bitumen aan te tonen. Ook is het vaak mogelijk het polymeergehalte te bepalen. Karakteristieke pieken bij 699 cm -1 en 966 cm -1 worden veroorzaakt door styreen, die kunnen wijzen op modificatie met een SBS-polymeer. Karakteristieke pieken bij 1244 cm -1 door C O C bindingen en 1740 cm -1 door C=O bindingen kunnen wijzen op modificatie met EVApolymeer. Een voorbeeld is gegeven in figuur 3. 80 Transmissie 60 1742 40 1244 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Golfgetal [cm-1] Figuur 3. Voorbeeld van een infraroodspectrum van een 70/100-bitumen met een EVA-polymeer. Het doorlopende spectrum is voor het bitumen met 2% EVA. De karakteristieke pieken zijn tevens voor 4% en 6% EVA weergegeven. Met behulp van een infraroodspectrum is vast te stellen of het spectrum van een teruggewonnen bitumen overeenkomt met dat van een referentiebitumen. Dit kan van belang zijn in het kader van kwaliteitscontrole. 5

2.3. Weerstand tegen veroudering Veroudering van bitumen is bijna altijd equivalent met verdamping van laagmoleculaire bestanddelen en oxidatie. De verwachting is daarom dat de karakteristieke zuurstofpieken in het infraroodspectrum sterker worden. Dit zijn: sulfoxidepiek (S=O) bij 1032 cm -1 carbonylpiek (C=O) bij 1693 cm -1 De resultaten in tabel 1 laten zien, dat ten gevolge van veroudering het gehalte lichte bestanddelen (verzadigden en aromaten) afneemt en het gehalte zware bestanddelen (harsen en asfaltenen) toeneemt. 2.4. Rheologisch gedrag De term rheologie wordt gebruikt voor het spanningrekgedrag van zgn. continue media (homogene materialen) en voor het spanningrekgedrag van heterogene materialen zolang er een goede hechting is tussen de componenten en er dus geen holten of scheuren zijn. Het rheologisch gedrag van een elastoviscoplastisch materiaal kan worden gekarakteriseerd door: het dynamisch viscoëlastisch gedrag; het viscoplastisch gedrag. Het dynamisch viscoëlastisch gedrag karakteriseert het gedrag bij kleine spanningen en vervormingen en is daarom representatief voor het gedrag onder verkeer. Het viscoplastisch gedrag karakteriseert het gedrag bij grote spanningen en vervormingen, die leiden tot permanente vervormingen. Een voorbeeld: vervormingen ten gevolge van dilataties van kunstwerken. 2.4.1. Viscoëlastische eigenschappen Het gedrag van een viscoëlastisch materiaal heeft tegelijkertijd kenmerken van vastestofachtig gedrag en van vloeistofachtig gedrag. Het dynamisch viscoëlastisch gedrag is lineair en reversibel. De eigenschappen die dit gedrag karakteriseren zijn: opslagmodulus G ; verliesmodulus G ; fasehoek δ (delta). De opslagmodulus beschrijft het vastestofachtig (elastische of energie- retournerende ) gedrag. De verliesmodulus beschrijft het vloeistofachtig (dissipatieve of energie- absorberende ) gedrag. De (vector)som van deze componenten levert het viscoëlastisch gedrag. De verhouding van het vloeistofachtige ten opzichte van het vastestofachtige gedrag wordt gegeven door: G tan δ = G De lengte van vectorsom van G en G wordt gegeven door: G * = G 2 + G 2 Het viscoëlastisch gedrag van een bitumineus materiaal (asfalt) is karakteristiek voor het gedrag in de weg wanneer er geen spoorvorming (plastische ofwel irreversibele vervorming) is. De viscoëlastische eigenschappen hangen af van de temperatuur en de frequentie. Representatieve voorbeelden zijn gegeven in figuur 3. Uit figuur 3 valt af te lezen: Bij lage frequentie, corresponderend met hoge temperatuur in het domein van gebruikstemperaturen (T > 15 C), is G* voor de polymeerbitumina verhoogd in vergelijking met het 70/100 bitumen; dit betekent, dat de polymeerbitumina bij hoge wegdektemperatuur een verhoogde weerstand tegen vervorming hebben; 6

1,00E+09 1,00E+08 667 MPa G* (Pa) 1,00E+07 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 1200 Pa 1,00E+02 1,00E+01 1,00E+00 1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 shifted frequency (rad/s) Figuur 3. Mastercurven G T * ( ω ) voor een 70/100 bitumen, een bitumen met EVA-polymeer en een bitumen met een SBS-polymeer. Met pijlen is aangegeven hoe de equivalente Ring en Kogeltemperatuur wordt bepaald uit de hiermee equivalente G*-waarde van 1200 Pa. Analoog wordt de equivalente Fraasstemperatuur bepaald uit de hiermee equivalente G*-waarde van 667 MPa. De temperaturen worden berekend uit de shifted frequency. Bij hoge frequentie, corresponderend met lage temperatuur in het domein van gebruikstemperaturen, is G* voor de polymeerbitumina verlaagd; dit betekent, dat de bitumina bij lage wegdektemperatuur (T < 15 C) een verminderde brosheid en gevoeligheid tegen scheuren hebben. Uit het rheologisch onderzoek blijkt dus dat door polymeermodificatie het lage-temperatuurgedrag (voor T < 15 C) en het hoge-temperatuurgedrag (voor T > 15 C in het domein van gebruikstemperaturen) beide worden verbeterd. Op basis van uitgebreide praktijkervaring is bekend, dat deze interpretatie valide is. Voor gewone, niet-gemodificeerde wegenbouwbitumen wordt het lage-temperatuurgedrag gekarakteriseerd door het breekpunt Fraass; dit is de temperatuur waarbij de penetratie gelijk is aan 1 dmm. Het hoge-temperatuurgedrag wordt gekarakteriseerd door het verwekingspunt Ring en Kogel; dit is de temperatuur waarbij de penetratie gelijk is aan 800 dmm. De definities zijn weergegeven in de welbekende Bitumen Test Data Chart van Shell (hier niet afgebeeld, maar zie bijvoorbeeld: Shell Bitumen Handbook, 5 th ed. 2003, p. 130). De Fraassproef en de Ring en Kogelproef zijn niet te gebruiken voor polymeergemodificeerd bitumen, omdat ze valse waarden opleveren voor de Fraasstemperatuur en de Ring en Kogeltemperatuur. Door middel van slimme definities kunnen vergelijkbare temperaturen voor polymeerbitumina worden bepaald: Equivalente Fraasstemperatuur: als voor een bitumen bekend is welke G* correspondeert met een penetratie van 1 dmm, karakteriseert de temperatuur waarbij deze G* wordt bereikt het lage-temperatuurgedrag analoog aan het breekpunt Fraass. Equivalente Ring en Kogeltemperatuur: als voor een bitumen bekend is welke G* correspondeert met een penetratie van 800 dmm, karakteriseert de temperatuur waarbij deze G* wordt bereikt het hoge-temperatuurgedrag analoog aan het verwekingspunt Ring en Kogel. Het gaat hierbij om twee waarden van G*: een hoge waarde voor het lage-temperatuurgedrag en een lage waarde voor het hoge-temperatuurgedrag. Deze waarden hadden even goed arbitrair gekozen kunnen worden. Daarom kan de methode toegepast worden op gewone bitumen en polymeergemodificeerd bitumen, en in feite op iedere willekeurige vergelijkbare substantie. Om de equivalente Fraasstemperatuur van een (polymeer)gemodificeerd bitumen direct te kunnen vergelijken met de Fraasstemperatuur van een gewoon bitumen en de equivalente Ring en Kogeltemperatuur van een (polymeer)gemodificeerd bitumen direct te 70/100 EVA SBS 7

kunnen vergelijking met de Ring en Kogeltemperatuur van een gewoon bitumen, zijn de waarden van G* gekozen, die corresponderen met de penetraties van 1 dmm en 800 dmm. De betreffende G*-waarden zijn de volgende waarden: Equivalente Fraasstemperatuur, EFT: de temperatuur waarbij G * 1 rad / s = 667 MPa Equivalente Ring en Kogeltemperatuur, ERKT: de temperatuur waarbij * = 1200 Pa G1 rad / s Voor meer achtergrondinformatie hierover wordt de lezer verwezen naar DWW-1 (2005), bijlage 2 en Molenaar et al. (2004). Door deze definitiekeuze is voor een gewoon wegenbouwbitumen de equivalente Fraasstemperatuur gelijk aan de Fraasstemperatuur en is de equivalente Ring en Kogeltemperatuur gelijk aan de Ring en Kogeltemperatuur. Om praktische redenen wordt de frequentie gelijk aan 1 rad/s gesteld. Let op: de Fraassproef en de Ring en Kogelproef zijn niet geschikt om de Fraasstemperatuur resp. de Ring en Kogeltemperatuur van polymeergemodificeerd bitumen te meten. De equivalente Fraasstemperatuur en de equivalente Ring en Kogeltemperatuur moeten uitgaande van een G*-mastercurve worden bepaald. De bepaling van de EFT en de ERKT gaat eenvoudig, zoals in figuur 3 met pijlen is aangegeven. In de praktijk worden regressievergelijkingen aan de mastercurven gefit en worden met behulp daarvan de EFT en de ERKT teruggerekend. Voor de hier gebruikte voorbeeldbitumina zijn zo verkregen resultaten weergegeven in tabel 2. Tabel 2. Equivalente Fraasstemperatuur en equivalente Ring en Kogeltemperatuur van 3 bitumina. Bitumen equiv. Fraasstemperatuur ( C) equiv. Ring en Kogeltemperatuur ( C) 70/100-16,5 47,9 Bitumen met EVA -27,2 58,4 Bitumen met SBS -19,2 53,9 De resultaten betekenen: Bij lage temperaturen: De polymeergemodificeerde bitumina zijn bij lage temperaturen minder stijf dan 70/100-bitumen. Ze bereiken bij een lagere temperatuur dan 70/100- bitumen de hoge stijfheid van 667 MPa en zijn daarom bij lage temperaturen minder bros en scheurgevoelig; Bij hoge temperaturen: De polymeergemodificeerde bitumina zijn bij hoge temperaturen stijver dan 70/100-bitumen, verweken dus minder snel. Ze bereiken bij een hogere temperatuur dan 70/100-bitumen de lage stijfheid van 1200 Pa en hebben daarom bij hoge temperaturen meer weerstand tegen vervorming. 2.4.2. Viscoplastische eigenschappen Viscoplastische eigenschappen zijn van belang bij grote vervormingen. Deze kunnen bijvoorbeeld optreden in asfaltverhardingen op stalen bruggen en in bitumineuze voegovergangen ten gevolge van dilataties van kunstwerken. Eigenschappen die voor het ontwerp van een constructie(onderdeel) nodig zijn, kunnen vaak niet uit specificaties worden gehaald. Een voorbeeld: Op dit moment wordt geadviseerd (RWS-1) geen bitumineuze voegovergangen toe te passen op brugdelen langer dan 50 m en bitumineuze voegovergangen niet breder dan 500 mm toe te passen. De dilatatie van een brugdeel met een lengte van 50 m over een temperatuurbereik van 50 C is: ΔL = α L0 ΔT = 12 10-6 50.000 50 = 30 mm ofwel 6%. Als zich aan beide zijden van het brugdeel een voegovergang bevindt, bedraagt de rek per voegovergang maximaal de helft hiervan: 3%. Figuur 4 is een voorbeeld van een trekkromme, die laat zien, dat (bepaalde) bitumineuze voegvullingsmaterialen veel grotere rekken kunnen 8

Figuur 4. Trekkromme gemeten aan voegvullingsmateriaal. Treksterkte: 0,59 MPa, rek bij treksterkte: 12%, breukrek: 300%. opnemen. In het voorbeeld van figuur 4 wordt het materiaal plastisch instabiel bij 12% rek en is de breukrek vele malen groter. Dit betekent, dat dit voegovergangsmateriaal in principe zonder bezwaar op brugdelen langer dan 50 m toegepast kan worden zonder te scheuren. Vergelijkbare informatie die van belang is voor het ontwerp en de functionaliteit en de duurzaamheid van een bitumineuze voegovergang is op dit moment niet te verkrijgen uit bitumenspecificaties (en ook niet uit asfaltspecificaties). 3. Discussie De huidige bitumenspecificaties zijn niet functioneel en zeggen weinig tot niets over de ware functionele kwaliteit van geleverd bitumen. Door de aanzienlijke variaties op de samenstelling en de eigenschappen en de feitelijk onvolledige specificatie van de functionele eigenschappen hebben aannemers weinig zekerheid over de hen geleverde bitumenkwaliteiten. De onzekerheid van de bitumenkwaliteit draagt bij aan het risico dat de garantielevensduur niet wordt gehaald. Door een beter gebruik te maken van de mogelijkheden die er zijn om de eigenschappen van bitumina te karakteriseren, kan dit risico worden verlaagd. 3.1. Hechtend vermogen Er is een eenvoudige en eenduidige methode om het hechtend vermogen van een bitumen te bepalen: door de hoeveelheid hechtende bestanddelen, harsen en asfaltenen, te bepalen. Vanzelfsprekend hangt de hechting van bitumen aan mineraal aggregaat mede af van de soort mineraal aggregaat. Echter, zonder hechtende bestanddelen geen hechting, dus is het van belang het gehalte hechtende bestanddelen van bitumen te kennen. Dit kan op eenvoudige wijze worden bepaald. 3.2. Weerstand tegen veroudering Er is een eenvoudige en eenduidige methode om de gevoeligheid voor veroudering van bitumen te bepalen, door aan een dun laagje bitumen de afname van de hoeveelheid lichte/ vluchtige bestanddelen (verzadigen en aromaten) en de toename van de hoeveelheid zware bestanddelen (harsen en asfaltenen) te bepalen, ten gevolge van verhitting aan de lucht bij een bepaalde temperatuur gedurende een bepaalde tijd. Hiervoor volstaat een kleine hoeveelheid bitumen: enkele grammen. Van belang is, dat de dikte van het te verouderen laagje constant is, zodat deze geen invloed heeft op de afname van de hoeveelheid lichte 9

bestanddelen en de toename van de hoeveelheid zware bestanddelen. Dit kan gerealiseerd worden door een glasplaatje in bitumen te dompelen bij een temperatuur waarbij het bitumen een vaste lage viscositeit heeft, bijv. 1 mpas. Met voldoende vertrouwen kan gesteld worden, dat deze methode (kwalitatief) overeenkomt met de veroudering in de weg, omdat ook daar de veroudering wordt bepaald door de afname van de hoeveelheid lichte bestanddelen van het bitumen en de toename van de hoeveelheid zware bestanddelen. De oxidatie aan de lucht, die aromaten omzet in harsen en harsen in asfaltenen, is verdisconteerd in de hoeveelheid zware bestanddelen. Hierbij kan verder opgemerkt worden, dat bij controle van de veroudering in de weg, deze waarschijnlijk zal afwijken van de bepaling in het laboratorium. De oorzaken zijn: de veroudering gaat onder de oppervlakte veel langzamer. Bij terugwinning van verouderd bitumen uit de verharding wordt weinig of niet verouderd bitumen van onder de oppervlakte met verouderd bitumen van de oppervlakte in variabele en onbekende verhoudingen gemengd. Dit doet niets af aan de geldigheid van de methode. Zgn. thermal hardening en physical hardening. Deze eigenschappen dragen (mogelijk) bij aan een zekere verbrossing en daardoor toenemende scheurgevoeligheid. Echter, het betreft eigenschappen, die gerelateerd zijn aan het ontstaan van deeltjes -structuren of elektrische structuren in bitumen, die op hun beurt afhangen van de samenstel-ling (de morfologie van de moleculen en de polariteit: de hoeveelheid heteroatomen, die ook nodig zijn voor de hechting), maar die niet gezien moeten worden als een gevolg van veroudering van het bitumen. Deze eigenschappen hangen sterk af van de bitumenfilmdikte in de mastiek en van de samenstelling en de eigenschappen van de minerale aggregaten. Het is zinloos te trachten deze mechanismen in een laboratorium-bitumenverouderingsproef te simuleren met het doel de veroudering in de weg te voorspellen. 3.3. Mechanische (rheologische) eigenschappen Er is een eenduidige methode beschikbaar om het mechanisch (rheologisch) gedrag van een viscoëlastisch materiaal als bitumen te karakteriseren, namelijk door middel van Dynamic Shear Rheometry (DSR). Dit kan worden gemotiveerd op basis van praktijkervaring. Er zijn zeer open asfaltdeklagen, die tot 17 jaar mee gingen en gedurende die tijd nauwelijks spoorvorming vertoonden. Er zijn gietasfaltdeklagen op zeer intensief bereden bruggen in het autosnelwegennet, die tot 35 jaar mee gingen en gedurende die tijd geen spoorvorming vertoonden. Voorbeelden zijn de brug in de A27 bij Keizersveer en de Scharbergbrug in de A76 bij Elsloo. Als een asfaltverharding zo lang meegaat zonder plastisch te vervormen, betekent dit, dat het mechanisch gedrag bij benadering als lineair-viscoëlastisch-reversibel beschouwd mag worden. Dit gedrag, dat door middel van DSR wordt gekarakteriseerd, is daarom als representatief te beschouwen voor het gedrag dat de levensduur van een asfaltverharding bepaalt. We weten, dat asfalt ook niet-lineair-viscoplastisch-irreversibel gedrag kan vertonen. Dit gedrag treedt op bij grote vervormingen, zoals bijvoorbeeld ten gevolge van dilataties van kunstwerken. De weerstand tegen spoorvorming van een asfaltverharding wordt minder door de bitumeneigenschappen dan door het korrelskelet van het asfaltmengsel bepaald. Vanzelfsprekend is het nuttig ook de viscoplastische eigenschappen van een bitumen te kennen, echter de viscoëlastische eigenschappen zijn het meest representatief voor het gedrag van het materiaal in de weg onder verkeer. 10

4. Conclusies 1) De huidige bitumenspecificaties zijn niet functioneel en zeggen niets over de ware functionele kwaliteit van geleverd bitumen. 2) Het is mogelijk de functionele eigenschappen van bitumen, die van belang zijn voor de levensduur van een asfaltverharding, op een eenvoudige, eenduidige wijze gedragsgerelateerd te specificeren. 3) De wegenbouwsector kan financiële risico s verbonden aan risico s dat garantielevensduren van asfaltverhardingen niet gehaald worden beperken door beter gebruik te maken van de mogelijkheden die er zijn om de eigenschappen van de toegepaste bitumina te bepalen. Referenties DWW-1 (2005): Bitumenkeuze ter verbetering van de duurzaamheid van ZOAB, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Rijkswaterstaat, rapport DWW-2005-082, ISBN 90-369-5605-6. Molenaar J.M.M., Hagos E.T., Van de Ven M.F.C. (2004): An investigation into the specification of rheological properties of polymer modified bitumen, Proceedings of the Eurasphalt & Eurobitume Congress, May 12-14, Vienna, Austria, paper #203. RWS-1 (1994): Bitumineuze voegovergangen, richtlijnen voor ontwerp en uitvoering, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Rijkswaterstaat. Sanches F. (2004): Veroudering van polymeergemodificeerd bitumen voor ZOAB, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Rijkswaterstaat, rapport DWW-2004-018. Van den bos L. (2004): Onderzoek naar de ontwikkeling van een laboratoriumverouderingstechniek voor bitumen en ZOAB, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Rijkswaterstaat, rapport DWW-2004-007. The Shell Bitumen Handbook, 5 th ed. 2003, published for Shell Bitumen by Thomas Telford Publishing Ltd, www.thomastelford.com. 11