11 Aanvulling hoofdstuk 11 Bitumen en bitumineuze producten 11.1 11.2
Bitumen Asfalt en ZOAB
11.1 Bitumen Bij paragraaf 11.1 in het boek. Figuur A11.1 geeft de benamingen van bindmiddelen en mengsels. bindmiddelen en mengsels
bindmiddelen
bitumen
mengsels
teer
teerbitumen
mengsels met teer
bitumen met steenkorrels = asfalt
pek bitumen uit aardolie natuurlijke bitumen vloeibitumen emulsie
natuurasfalt
kunstmatig mengsel
meerasfalt asfaltkalksteen
Figuur A11.1 Benamingen van bindmiddelen en mengsels Gezien de kankerverwekkende eigenschappen van teer en pek, wil men deze niet meer toepassen. De elementaire samenstelling van bitumen is weer te geven met de algemene formule: CnH2n+bXd waarbij X een aantal verschillende elementen representeert zoals stikstof, zuurstof, zwavel en spoorelementen (deze laatste zijn slechts in zeer kleine hoeveelheden te vinden in bitumen, te denken valt bijvoorbeeld aan vanadium en nikkel). De waarde van d is slechts gering en de waarde van b kan kleiner dan nul zijn. De grootte van n ligt ongeveer tussen 25 en 150. Tabel A11.1 geeft een overzicht van de chemische samenstelling. Tabel A11.1 De elementaire samenstelling van bitumen Koolstof (C) 80 – 87% Stikstof (N) Waterstof (H) 9 – 11% Zwavel (S) Zuurstof (O) 2 – 8% Spoorelementen*
0 – 1% 0,5 – 7% 0 – 0,5%
* ijzer, nikkel, vanadium, calcium
Aanvulling Hoofdstuk 11 Bitumen en bitumineuze producten
1
De bitumentechnoloog onderscheidt een aantal typen van moleculen: - alifatische of paraffinische moleculen, waarbij de koolstofatomen verbonden zijn in rechte onvertakte dan wel vertakte ketens; - naftenische moleculen, waarbij de koolstofatomen gebonden zijn in simpele of meer complexe verzadigde (zie hierna) ringen; - aromatische moleculen waarbij de koolstofatomen gebonden zijn in stabiele benzeenringen. Verzadigde koolstofverbindingen zijn schematisch weergegeven als: C
C
Ieder streepje staat voor twee elektronen die een covalente binding veroorzaken. De alifatische ketens bestaan uit dergelijke aaneenrijgingen van koolstofatomen. Hun molaire massa bedraagt 300 – 1500. Ze hebben een vetachtige consistentie en zijn nagenoeg kleurloos. Ook de naftenische structuren met aan elkaar gekoppelde 'ringen' bevatten verzadigde bindingen. Het gaat dan om ringen met zes koolstofatomen gekoppeld aan ringen met vijf koolstofatomen waarbij twee koolstofatomen tot beide ringen behoren. Aromatische moleculen bestaan uit ringen met zes koolstofatomen waarbinnen een aantal verbindingen uit een dubbele binding bestaan zoals: C=C Dit soort ringen noemt men benzeenringen en aan de ringen zijn aromatische of naftenische koolstofketens gekoppeld. De molaire massa van dergelijke verbindingen bedraagt 300 tot 2000. Het gaat om niet-polaire vloeistofachtige massa's met een donkerbruine kleur. De bitumentechnoloog onderscheidt in bitumen de harsen, de asfaltenen en de maltenen. De harsen hebben een molaire massa van 500 tot 50000. Hierbij gaat het om polaire aromatische verbindingen van een niet-reflecterende zwarte vaste substantie. Ze smelten bij verwarming. In benzeen en tetrachloorkoolstof vormen ze bolletjes en zijn ze colloïdaal verspreid in het oplosmiddel. Ze hebben door hun polariteit een sterk hechtvermogen. De asfaltenen bestaan uit aan elkaar gekoppelde benzeenringen waaraan aromatische en/of naftenische koolstofketens zijn gekoppeld. Het gaat om deeltjes met groottes van 5 tot 30 nanometers en een molaire massa van 1000 tot 100 000. Ze zijn meer polair dan harsen en vormen een glimmende zwarte vaste substantie die niet smelt bij verhitting, en ze ontleden bij hogere temperatuur. Ze zijn niet goed oplosbaar in organische oplosmiddelen. Deze groepen van verzadigenden, aromaten en harsen vormen de maltenen. De scheiding tussen maltenen en asfaltenen werd verkregen door het toepassen van verschillende oplosmiddelen zoals ether, n-pentaan, n-heptaan enzovoort. Als ze oplossen noemen we ze maltenen, als ze niet oplossen noemen we ze asfaltenen. De verzadigenden en aromaten vormen als het ware het 'oplosmiddel' van de hoger moleculaire harsen en asfaltenen. Zie figuur A11.2. Het sol-type bitumen is in essentie een viskeus (Newtonse) vloeistof met weinig of geen elasticiteit. Het gel-type bitumen vertoont een gedrag dat ten dele elastisch en inelastisch is. Het is een niet-Newtonse vloeistof die bij belasting een permanente deformatie vertoont. Het bitumen dat geschikt is om er asfaltwegen mee te maken, zal een beetje tussen het gedrag van sol-type en het gel-type in moeten zitten. Dit wordt het sol-geltype genoemd. Bij een belasting vertoont het in eerste instantie een elastisch gedrag, gevolgd door een viskeus gedrag en daardoor is het visco-elastisch van nature. Aanvulling Hoofdstuk 11 Bitumen en bitumineuze producten
2
In het boek is in paragraaf 11.2.2 aangegeven hoe de fysische eigenschappen van bitumen bepaald worden in de praktijk. De penetratieproef, de ring- en kogelproef en de penetratie-index zijn nog steeds belangrijke parameters om de eigenschappen vast te leggen.
asfaltenen
aromatische/naftenische koolwaterstoffen
hoogmoleculaire aromaten
naftenische/alifatische koolwaterstoffen
laagmolecuaire aromaten
verzadigde koolwaterstoffen
sol-type bitumen
gel-type bitumen
Figuur A11.2 De structuur van bitumen Bron: Shell Bitumen Handbook, 1990 Figuur A11.3 geeft aan hoe de penetratie-index bepaald wordt door de verschillende bitumen-componenten. De figuur geeft tevens aan wat er gebeurt bij het 'blazen' van bitumen: het gehalte aan verzadigden blijft nagenoeg gelijk, evenals het gehalte aan harsen. Het gehalte aan aromaten daalt en het gehalte asfaltenen stijgt. Het bitumen wordt stijver. Bij het blazen van bitumen vinden chemische omzettingen plaats waarbij waterstof uit de moleculen wordt afgesplitst. Dit waterstof wordt door zuurstof uit de lucht gebonden tot water dat bij de hoge temperaturen van 250 tot 300 oC verdwijnt in de vorm van waterdamp. Aanvulling Hoofdstuk 11 Bitumen en bitumineuze producten
3
penetratie-index harsen
9
geblazen bitumina
5
asfaltenen 0 verzadigden -2
0
aromaten
50
cumulatief percentage van de diverse componenten
Figuur A11.3 De relatie tussen de chemische componenten en de penetratieindex PI
Aanvulling Hoofdstuk 11 Bitumen en bitumineuze producten
4
11.2 Asfalt en ZOAB Bij paragraaf 11.1 in het boek. Een wegconstructie bestaat uit diverse lagen; eerst de fundering, dan de tussenlaag en daar bovenop de deklagen. De fundering kan een flexibele zijn (ongebonden steenmengsels, bitumineus gebonden materialen) of een stijve (schraal beton, zandcement). De tussenlaag bestaat uit asfaltbeton. De deklaag kan een dicht asfaltbeton zijn dan wel een steenmastiek asfaltbeton, of een zeer open asfaltbeton (ZOAB). ZOAB wordt met een dikte van ongeveer 5 cm als deklaag aangebracht. Dit ZOAB is in staat om regenwater in de toplaag op te nemen en af te voeren naar de rand van de weg. Hierdoor heeft de automobilist geen last meer van 'splash and spray', waardoor tijdens en na een regenbui het zicht niet zo belemmerd wordt als bij een dichte deklaag. Er ontstaan geen plassen op de weg, en daarmee is het gevaar van aquaplaning geweken. Een andere zeer belangrijke eigenschap van ZOAB is de geluidsreductie waardoor omwonenden minder last van het verkeerslawaai hebben. ZOAB wordt gemaakt door een bepaalde zandfractie in het steenslagmengsel weg te laten waardoor een doorgaand poriesysteem wordt verkregen. Nieuw ZOAB is wat gladder dan een toplaag van dicht asfaltbeton (dit laatste is beter af te strooien met scherp grid) waardoor het verkeer vooral in de eerste weken altijd rekening moet houden met een langere remweg. Een tweede nadeel is dat 's winters, indien men niet op tijd dooizouten aanbrengt, de weg moeilijker ijsvrij is te krijgen. Een derde nadeel is de geringere levensduur ten opzichte van een deklaag van dicht asfaltbeton. Een vierde nadeel is dat, wil men de gunstige eigenschappen behouden, men de toplaag regelmatig moet reinigen bijvoorbeeld met een hogedruk-waterreinigingsysteem. Deze nadelen wegen echter niet op tegen de ontegenzeglijk zeer belangrijke voordelen ten aanzien van de geluidsbelasting en de verkeersveiligheid bij regenbuien. ZOAB is in Nederland en andere Europese landen dan ook erg populair geworden. In woestijngebieden is het echter niet handig om het materiaal toe te passen vanwege zandstormen die het poriënsysteem onmiddellijk zouden opvullen. Wat overblijft zijn dan alleen de nadelen.
Aanvulling Hoofdstuk 11 Bitumen en bitumineuze producten
5
11.3 Bitumenemulsies en emulgatoren Bij paragraaf 11.3.2 in het boek. Aan de bitumendeeltjes in een bitumenemulsie wordt een lading gegeven door toevoeging van emulgatoren. De kationische emulgator is meestal gebaseerd op ammonium (NH3). Dit ammonium moet oliofiel worden gemaakt. Daarvoor is een koolwaterstof nodig, omdat bitumen immers ook een koolwaterstofverzameling is. Er wordt tall-olie (een afvalproduct van de papierfabricage uit hout) gebruikt. Het oliezuur en linolzuur daaruit maken samen met het genoemde ammonium de emulgator. Een anionische emulgator is bijvoorbeeld een zeep, bijvoorbeeld kaliumstearaat. Dit is direct een bruikbare koolwaterstof (= oliofiel).
Aanvulling Hoofdstuk 11 Bitumen en bitumineuze producten
6
