Advanced characterization of bitumen using chromatography and FTIR spectroscopy

Abstract

Bitumen ist ein wichtiges industrielles Produkt, das bei der Erdölaufarbeitung gewonnen wird. Hauptanwendungsgebiete sind der Einsatz als Bindemittel im Straßenbau aber auch als abdichtendes und wasserabweisendes Material beim Dach- und Dichtungsbahnbau. Wegen der unterschiedlichen Herkunft des Rohöls können Bitumensorten, die mechanisch gleichklassifiziert werden, im chemischen Aufbau, der Langzeitperformance und in der Alterungsanfälligkeit stark voneinander abweichen. Ziel dieser Arbeit ist es, die physikalisch-chemischen Unterschiede von 3 mechanisch gleichklassifizierten Bitumensorten durch die Kombination von chromatographischen und spektroskopischen Methoden zu untersuchen. Dazu wurde jede Bitumensorte bei unterschiedlichen Alterungszuständen untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung der Auswirkung von Präparation und Lagerung auf die Messergebnisse. Das involvierte die Studie an Bitumen, welches bei Raumtemperatur und bei unterschiedlichen Lichteinflüssen gelagert wurde. Um die Zeitabhängigkeit der Veränderung an der Oberfläche aber auch im Bulkmaterial analytisch zu verfolgen wurde Fourier‐Transformation Infrarotspektroskopie (FTIR) und ein Dynamisches Scherrheometer (DSR) eingesetzt. Ein wichtiges Ergebnis dieser Studien ist der große Einfluss der gewählten Lichtbedingungen auf die Infrarotspektren, welcher in den DSR-Daten wesentlich kleiner ausfiel.Der Hauptteil dieser Arbeit war die Kombination einer neuartigen Trenntechnik, die als Fast SARA [1] bezeichnet wird, und FTIR-Spektroskopie. Dabei ist es mit Fast SARA möglich Bitumen in einzelne Fraktionen mit unterschiedlichen Polaritäten aufzutrennen. Diese werden als Saturates, Aromatics, Resine und Asphaltene bezeichnet. Die anschließende spektroskopische Untersuchung mit FTIR bringt dann charakteristische Schwingungen von unterschiedlichsten funktionellen Gruppen, die in den einzelnen Fraktionen vorhanden sind, zum Vorschein. Somit kann durch die Auftrennung von unterschiedlich gealterten Bitumensorten und der anschließenden spektroskopischen Untersuchung wertvolle Information, wie z.B. Alterungsprozesse, Oxidationsverläufe und Änderungen der Mengenanteil der einzelnen Fraktionen erhalten und analysiert werden. Ein wichtiges Ergebnis der gravimetrischen Untersuchungen war ein genereller Anstieg der Polarität mit der Alterung der in allen untersuchten Bitumensorten bestimmt werden konnte. Dabei nahm der Gehalt an Aromatics und Saturates stark bzw. leicht ab, wohingegen der Resin- und Asphaltengehalt mit der Alterung zunahm. Beim Vergleich der resultierenden FTIR-Spektren der unterschiedlich gealterten Fraktionen kann Informationstiefe gewonnen werden, durch die Separation mittels Chromatographie. Dies ist an neuen Banden in den FTIR-Spektren der Fraktionen zu erkennen, die in den Bitumenspektren durch die Überlappungen mehrerer Banden nicht einzeln auftauchen. Besonders der spektroskopisch verfolgte Alterungsprozess der SARA Fraktionen kann somit das Verständnis der Bitumenalterung erweitern. Mögliche Alterungsprozesse werden daher gründlich untersucht und unter Einbezug aller experimentellen Befunde und geeigneter literarischer Quellen Bandenzuordnungen und somit die Bestimmung vorhandener funktioneller Gruppen im Bitumen durchgeführt.

Bitumen is a product derived from the crude oil refinement process. It is commonly used as a binder material in asphalt pavement or as a sealing and waterproofing material in roofing. Due to different origins of the crude oil source, the characteristics of bitumen with the same mechanical classification can vary in terms of chemical composition, long-term performance and ageing susceptibility. The goal of this thesis was a thorough physical-chemical investigation of three different bitumen binders with the same mechanical classification by combining chromatographic separation and spectroscopic analysis. Each of those binders was investigated at various ageing states. Furthermore, a set of selected samples were studied using different preparation and storage parameters. This involved a comprehensive time dependent study of bitumen at room temperature and varying exposure to light. These bitumen samples were than measured with the two analytical tools used in this work: Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and Dynamic Shear Rheometry (DSR). As a result, one can claim that storage conditions have great influence on resulting infrared spectra as the samples stored in light show significant changes compared to the samples stored in the dark.The main task of this thesis involved the combination of a novel separation technique, namely the Fast SARA technique [1], and FTIR spectroscopy. While the Fast SARA chromatography separates bitumen into four different polarity-based fractions; the saturates, aromatics, resins and asphaltenes, FTIR spectroscopy captures the characteristic vibrations of different functional groups present in bitumen. By separating binders of different ageing states and subsequent measurement with FTIR spectroscopy, one can obtain valuable information on the ageing processes that occur during the different ageing procedures, such as oxidation processes, polarity shifts etc. The main findings obtained for all binders in the gravimetric analysis show a general increase in polarity towards the more polar fractions. This results in a polarity decrease in the aromatic fraction and an increase in the more polar fractions, the resins and asphaltenes. By comparing the FTIR spectra of the fractions in its different ageing states, an overall extension of information depth can be obtained by separating them via chromatography. This is observable by various new IR bands that are found in the fractions that generally cannot be deconvoluted in the base binder spectra. Especially the monitoring of ageing with FTIR spectroscopy in the generic fractions are of great interest to help to fully understand and track the ageing processes in bitumen. Therefore, they are going to be discussed thoroughly, which finally leads to band assignments in the fractions considering all the knowledge and information gained in the various experiments implemented in this work.