Novel approaches in vibrational spectroscopy and microscopic techniques for bitumen surface structures at the micro- and nanoscale

Abstract

Aging behaviour of asphalt binder is not well understood yet and encouraged the study of surface and bulk character of bitumen on a molecular level. Rheological and mechanical characterization of bitumen has long been applied, however, strong discrepancies have occurred and the need for chemical characterization has been recognized of the road pavement, roofing and sealing.This work focuses on the high-resolution characterization of surface microstructures by fluorescence microscopy, AFM-IR, AFM correlated ToF-SIMS and cryo-ESEM. Furthermore, introduction of photooxidation into laboratory simulation ageing methods is targeted. In the first part of the results section the characterization of surface microstructures via spectroscopic and microscopic techniques is described. The typical catana and peri phases of the so-called ́bee ́ structure contain the majority of aromatic and resin compounds. The surrounding para phase consists mainly of asphaltene structures. The material is highly chemically and topographically heterogenous, which makes is particularly susceptible to preferential oxidation.Furthermore, the simulation of photochemical oxidation is generated by incorporation of UV light in the presence of atmospheric compounds including humidity. The impact of UV radiation on the surface chemistry and morphology as well as the bulk chemistry show a gradual increase of agglomeration and is demonstrated by photoluminescence as well as AFM and fluorescence microscopy. Field aged bitumen samples were extracted into various layers to investigate the penetration depth of reactive oxygen species. Additionally, bulk chemistry and surface chemistry demonstrate an increase in sulfoxide and carbonyl compounds as well as surface roughness parameters.Finally, the obtained information about surface microstructure chemistry on a high-resolution level and the evolution of microstructures due to oxidation provide a deeper understanding of how ageing initiates and propagates and allow additional clues concerning phase segregation phenomena on the sub micro-scale.

Das Alterungsverhalten von Asphaltbindemitteln bedarf an Untersuchung der Bitumenoberfläche sowie der Bindemitteleigenschaften im Volumen auf molekularer Ebene. Die rheologische und mechanische Charakterisierung von Bitumen wird seit langem angewendet, jedoch sind diese Methoden mit starken Abweichungen behaftet. Starke Abweichungen von Laboruntersuchungen und Feldalterung stellt die Notwendigkeit einer umfassenden physikalisch-chemischen Untersuchung dar, um bessere Aussagen über die Qualität und das Alterungsverhalten des Bitumens für Straßenbeläge, Überdachungen und Abdichtungen zu treffen. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die hochauflösende Charakterisierung von Oberflächenmikrostrukturen durch Fluoreszenzmikroskopie, AFM-IR, AFM-korreliertes ToF-SIMS und Kryo-ESEM. Darüber hinaus wird die Anwendung der UV Alterung in Laboralterungsmethoden angestrebt. Im ersten Teil des Ergebnisabschnitts wird die Charakterisierung von Oberflächenmikrostrukturen mittels spektroskopischer und mikroskopischer Techniken beschrieben. Die typischen Catana und Peri Phasen, der sogenannten Bienenstruktur, enthalten den größten Teil der Aromaten und Resine. Die umgebende Para Phase besteht hauptsächlich aus Asphaltenmolekülen. Das Material ist chemisch und morphologisch stark heterogen, was es besonders anfällig für bevorzugte Oxidation macht.Darüber hinaus wird die Simulation der photochemischen Oxidation durch Einbau von UV-Licht in Gegenwart von atmosphärischen Verbindungen inklusive Feuchtigkeit realisiert. Der Einfluss von UV-Strahlung auf die Oberflächenchemie und -morphologie sowie die Bindemitteleigenschaften im Volumen zeigt einen allmählichen Anstieg an Agglomeration und wird durch Fluoreszenzspektroskopie, Fluoreszenzmikroskopie sowie AFM nachgewiesen.19 Jahre feldgealterte Bitumenproben wurden in verschiedene Schichten zerlegt und extrahiert, um die Eindringstiefe reaktiver Sauerstoffspezies zu untersuchen. Zusätzlich zeigen Bulkmessungen und Oberflächenchemie einen Anstieg an Sulfoxid- und Carbonylverbindungen sowie der Oberflächenrauheitsparameter.Schließlich wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit die Chemie der Oberflächenmikrostrukturen mittels hochauflösender spektroskopischer und spektrometrischer Techniken bis zu < 20nm lateral aufgelöst. Zusätzlich wurde die Veränderung der Mikrostrukturen durch die UV-Strahlung mitverfolgt. Die Untersuchung unterschiedlicher standardisierte Laboralterungsmethoden (PAV, RTFOT) im Vergleich zu Feldalterung zeigt, dass unterschiedliche Alterungsmechanismen vorliegen. Aus diesem Anlass wurde UV-Strahlung eingeführt um eine realitätsnahe Alterung zu erzielen.