Als het asfalt op wegen veroudert, komt dat door het bitumen. De kleverige zwarte substantie fungeert als bindmiddel. Er is een aantal factoren die het materiaal doen verouderen. Het gaat daarbij voornamelijk om temperatuurschommelingen en spanningen. Hoewel bitumen al in de derde eeuw voor Christus bekend was, is er nog maar weinig onderzoek naar gedaan. Oostenrijkse wetenschappers willen daar wat aan doen. Hun doel is het verouderingsproces van bitumen te vertragen en te bekijken hoe het gerecycled kan worden.
In het Laboratorium voor chemo-mechanische analyse van bitumineuze materialen werken professor Bernhard Hofko van het Instituut voor verkeerswetenschappen en professor Hinrich Grothe van het Instituut voor materiaalchemie aan een diepgaande studie naar de eigenschappen van dit materiaal.
Verlenging van de levensduur
De eerste stap is onderzoek naar de verouderingsmechanismen van bitumen. Behalve in de wegenbouw wordt bitumen ook gebruikt voor dakbedekkingen en afdichtingsmembranen, alsmede voor de bescherming en isolatie van gebouwen. Er worden hoge kwaliteitseisen gesteld aan bitumen voor met name asfaltwegen en dakbedekkingsmembranen, aangezien onderhoud gepaard gaat met hoge kosten.
Complexe verouderingsmechanismen
Bitumen is een mengsel van verschillende moleculen met een laag zwavelgehalte. Maar bitumen van verschillende geologische locaties hebben verschillende samenstellingen van organisch materiaal. Sommige van deze organische stoffen verouderen sneller. Dit resulteert in een complexe chemie en verouderingsmechanismen.
Om toch precieze resultaten over het verouderingsgedrag te verkrijgen, splitsen de onderzoekers het bitumen op in afzonderlijke moleculen. Dat wil zeggen, zij splitsen deze op in chemisch gelijksoortige groepen met behulp van verschillende oplosmiddelen op basis van de polariteit van de moleculen en verkrijgen zo de klassen van alifaten, aromaten, harsen en asfaltenen.
Wanneer bitumen veroudert, worden carbonylen en sulfoxiden gevormd. Carbonylen zijn koolstofatomen met een zuurstofatoom met dubbele binding – en sulfoxiden zijn organische zwavelverbindingen.
Oxideren
Beide beïnvloeden de fysische eigenschappen van asfalt en met name de viscositeit. Dit maakt het bitumen brozer. Als de harsen, aromaten en asfaltenen tijdens het verouderingsproces gemakkelijk worden aangetast door reactieve zuurstofmoleculen en UV-straling, is er sprake van een kortlevend bitumen. Deze kennis van de verouderingsmechanismen van bitumen stelt onderzoekers in staat het materiaal in het laboratorium zo realistisch mogelijk te verouderen. Zo kunnen ze nagaan welke soorten beter bestand zijn tegen veroudering en welke sneller oxideren.
Foto: verouderingsmechanismen op het bitumenoppervlak: UV-veroudering, reactieve zuurstofspecies – NOx, OH-radicaal en ozon – alsook het verlies van vluchtige moleculen waardoor het materiaal verbrokkelt.
Invloed van UV-straling
Voor realistische veroudering in het laboratorium gebruiken de onderzoekers zogenaamde verouderingscellen waarin invloeden zoals zonnestraling en stikstofoxiden in de lucht kunnen worden gesimuleerd. De Weense onderzoekers onderzoeken ook de invloed van UV-veroudering. Hoewel hiermee geen rekening wordt gehouden in gestandaardiseerde verouderingsmethoden voor bitumen.
In deze cellen kunnen verouderingsprocessen van tien tot vijftien jaar worden nagebootst in slechts enkele uren tot dagen tijds. Om veroudering in zo’n korte tijd te simuleren, moeten extreme omstandigheden worden gebruikt. Bijvoorbeeld een hoge druk en een hoge temperatuur, UV-straling en reactieve zuurstofsoorten in hoge concentraties. De laboratoriumexperimenten hebben aangetoond dat zonlicht in de eerste asfaltlagen een belangrijke rol speelt bij veroudering op lange termijn, legt Koyun uit.
Temperaturen
De grootste rol bij de veroudering van bitumen spelen echter de temperaturen bij de productie van het materiaal. Zowel in de raffinaderij, als bij de toepassing; de zogenaamde verharding. In de raffinaderij wordt het aardoliemengsel verhit tot 350 graden Celsius. Ook voor het aanbrengen van het asfaltmengsel op de weg zijn hoge temperaturen (~200°C) nodig.
Grafiek:
De omstandigheden in de raffinaderij en tijdens de installatie spelen de grootste rol bij de veroudering van het bitumen. De helling van de verouderingscurve is het hoogst in de raffinaderij en tijdens de bestrating en wordt pas vlakker na de bestrating.
Hergebruik
Microscheurtjes in bitumen kunnen weer worden hersteld door het materiaal te verhitten. In het laboratorium worden ook additieven ontwikkeld, die speciaal zijn bedoeld om verouderingsverschijnselen tegen te gaan en de levensduur van constructies te verlengen.
Een van de meest urgente doelstellingen is echter het hergebruik van asfalt op het hoogste niveau in de toekomst, afhankelijk van de kwaliteit ervan. Asfalt is honderd procent recyclebaar.
In de EU wordt hergebruikt asfalt onder bepaalde voorwaarden al gebruikt bij de aanleg van nieuwe wegen. In het algemene streven naar duurzaam bouwen en een circulaire economie zal het aandeel hergebruikt asfalt de komende jaren toenemen.
