Linking chemical and physical characteristics with mechanical performance of bitumen

Abstract

Ziel dieser Dissertation ist die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung sowie der damit verbundenen rheologischen Eigenschaften, um auf Grundlage daraus abgeleiteter Kennwerte das Gebrauchsverhalten von Bitumen zu prognostizieren. Weiters sollen die Auswirkungen verschiedener Einflüsse, wie Rohölquelle, Verarbeitung, Alterung und Poly-mermodifikation auf die Bitumeneigenschaften ermittelt werden.<br />Um der Zielsetzung gerecht zu werden, wurde ein umfassendes Versuchsprogramm mit Bi-tumenproben durchgeführt, welche aus verschiedenen Rohölquellen unter Anwendung un-terschiedlichen Prozessbedingungen hergestellt wurden. Zusätzlich umfasst das Versuchs-programm ein Straßenbaubitumen sowie ein daraus hergestelltes polymermodifiziertes Bi-tumen (PmB). Alle Bindemittel wurden einer Kurzzeit- sowie auch Langzeitalterung unterzo-gen welche 42 Bitumen für das Versuchsprogramm ergeben.<br />Das Versuchsprogramm beinhaltet konventionelle, rheologische, chemisch-physikalische sowie Mikrostruktur-Analysen. Um die komplexe chemische Zusammensetzung von Bitumen zu bestimmen, werden folgende Analysen angewandt: Elementaranalyse, Metallgehaltsbe-stimmung, Gelpermeationschromatographie sowie die Iatroscan-Methode. Weiters wird die Bitumendichte ermittelt. Die modulierte Differenzkalori-metrie wird herangezogen um Glasübergangsbereiche zu detektieren, während mittels Elektronenmikroskopie die Bitumenstruktur bestimmt wird. Um Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung und rheologischen Eigenschaften aufzuzeigen, werden mit-tels Dynamischem Scherrheometer (DSR), Biegebalkenrheometer (BBR) sowie Rotations-viskosimeter (RV) Materialeigenschaften im Temperaturbereich zwischen -24 °C und 180 °C ermittelt.<br />Um die Vielzahl an experimentellen Ergebnissen auszuwerten, werden Faktorenanalysen mittels einer Statistiksoftware durchgeführt. Die Faktorenanalyse betreffend konventioneller, chemischer, physikalischer sowie rheologischer Parameter weist das Vorhandensein zweier Faktoren nach. Ein Faktor beinhaltet sämtliche Performance-Parameter sowie die untere Glastemperatur Tg,low, während dem zweiten Faktor die restlichen chemisch-physikalischen Kennwerte zugeordnet werden können. Des Weiteren besitzen die Performance-Parameter für den Hochtemperaturbereich auch eine gewisse Ladung auf diesen zweiten Faktor, was auf Korrelationen zwischen Hochtemperatureigenschaften und chemisch-physikalischen Kennwerte wie z.B. Bitumendichte oder Gewichtsmittel der Molmasse Mw hindeutet.<br />Der Einfluss von Rohölquelle und Verarbeitungsbedingungen auf Bitumeneigenschaften wird ermittelt, um daraus die Performance von Straßenbaubitumen im ungealterten Zustand ab-zuschätzen. Zu diesem Zweck werden Regressionsanalysen für den Hoch- wie auch Tief-temperaturbereich durchgeführt. Im Hochtemperaturbereich wird der komplexe Schermodul G*@64°C aus den DSR-Versuchen mit der Molmasse Mw und der Dichte korreliert und er-gibt ein Bestimmtheitsmaß zwischen 0.80 und 0.96. Im Tieftemperaturbereich werden die Steifigkeit S@-18°C aus den BBR-Versuchen und der komplexe Schermodul G*@-20°C aus den DSR-Versuchen mit der Glasübergangstemperatur Tg,low korreliert und weisen ein Be-stimmtheitsmaß zwischen 0.86 und 0.93 auf.<br />Zusätzlich werden Regressionsanalysen zwischen Hoch- und Tieftemperaturkennwerten durchgeführt. Und zwar werden die Tieftemperaturparameter komplexer Schermodul G*@-20°C aus den DSR-Versuchen sowie die Steifigkeit S@-18°C und der m-Wert@-18°C aus den BBR-Versuchen mit dem komplexen Schermodul G*@64°C korre-liert. Diese weisen ein Bestimmtheitsmaß zwischen 0.80 und 0.95 auf.<br />Der Einfluss der Alterung auf Bitumeneigenschaften wird ermittelt, um die Performance von Straßenbaubitumen nach Langzeit-Alterung abzuschätzen. Zu diesem Zweck werden Reg-ressionsanalysen zwischen so genannten "Aging Ratios" der Hochtemperaturparameter komplexen Schermodul G*@64°C aus den DSR-Versuchen und Viskosität @135°C aus den RV-Versuchen sowie weiteren Bitumenkennwerten in ungealtertem Zustand durchge-führt. Hier kann ein Bestimmtheitsmaß zwischen 0.92 und 0.99 erzielt werden.<br />Weitere Regressionsanalysen werden durchgeführt, um die Bitumen-Performance infolge Alterung direkt mittels ungealterter Bitumenkennwerte abzuschätzen. Zu diesem Zweck wer-den Regressionsanalysen zwischen den komplexen Schermodulen G*@64°C und G*@-20°C, beide in C-gealtertem Zustand, und chemisch-physikalischen Kennwerten präsentiert, um die Bitumen-Performance infolge Langzeit-Alterung für sowohl den Hoch- als auch den Tieftemperaturbereich abzuschätzen. Diese weisen ein Bestimmtheitsmaß zwischen 0.93 und 0.97 auf.<br />Zusätzlich wird der Effekt von SBS-Modifikation auf die Bitumeneigenschaften bestimmt. Demzufolge führt die Zugabe von SBS zu verändertem rheologischem Verhalten über den gesamten Temperaturbereich.<br />Das spiegelt sich ebenfalls in den Ergebnissen der Elemen-taranalyse sowie der Gelpermeationschromatographie wieder. Des Weiteren bewirkt das Po-lymer eine Veränderung der molekularen Zusammensetzung. Das Elektronenmikroskop identifiziert die Mikrostruktur von Bitumen als ein Zwei-Phasen-System. Mittels modulierter Differenzkalorimetrie wird eine Reduktion der unteren Glastemperatur infolge SBS-Modifikation festgestellt, welche mit einer Reduktion der Performance-Parameter im selben Temperaturbereich einhergeht.<br />Anhand der abgeleiteten Regressionsgleichungen für Bitumen aus unterschiedlichen Rohöl-quellen ist es nun möglich, die Performance von Straßenbaubitumen sowohl für den Hoch- als auch für den Tieftemperaturbereich mittels einfacher und schneller Experimente wie Gel-permeationschromatographie, Elementaranalyse oder Dichte abzuschätzen. Darüber hinaus ist es mit den abgeleiteten Regressionsgleichungen möglich, das Gebrauchsverhalten von Straßenbaubitumen infolge Langzeitalterung abzuschätzen.<br />

The objective of this dissertation is to investigate bitumen chemical composition to identify potential key parameters of bitumen composition that affect its rheological properties in order to predict bitumen performance. In addition, the influence of different crude oil sources, processing conditions via i.e. cut points, aging regimes and polymer modification is deter-mined.<br />These research objectives are addressed by means of an extensive experimental program comprising bitumen derived from different crude oil sources, distilled with different cut points. Furthermore, one paving grade bitumen and one polymer modified bitumen (PmB) obtained by the addition of styrene-butadiene-styrene (SBS) block copolymer contribute to the ex-perimental program. All bitumen are considered in unaged, RTFOT (rolling thin film oven test)-aged and RTFOT + PAV (pressure aging vessel)-aged condition, giving a total of 42 different bitumen samples for the experimental program.<br />The experimental program involves conventional, rheological, chemical, physical and micro-structural analyses. In order to assess the complex chemical composition of bitumen, ele-mental analysis, metal content determination, gel permeation chromatography, and the Iatroscan method are employed. In addition, bitumen density is determined. Modulated dif-ferential scanning calorimetry (MDSC) is used to detect phase-change temperatures like glass transitions, while environmental scanning electron microscopy (ESEM) is used to in-vestigate bitumen microstructure. To link the obtained chemical composition of bitumen to rheological properties, dynamic shear rheometer (DSR), bending beam rheometer (BBR) and rotational viscometer (RV) are carried out in the experimental program, providing mate-rial properties within a temperature range of -24 °C to 180 °C.<br />To evaluate the large number of experimental data factor analyses are carried out by means of a statistical software. The factor analysis including conventional, chemical, physical, and rheological bitumen parameters identifies two relevant factors. All performance parameters and the low temperature glass transition Tg,low contribute to one factor, whereas the remain-ing chemical and physical bitumen characteristics are assigned to another factor. In addition, the high temperature performance parameters have a considerable impact on this second factor, indicating correlations of high temperature properties with chemical and physical characteristics such as density and weight average molecular weight Mw.<br />The influence of the crude oil source and processing on bitumen characteristics is deter-mined to predict the performance characteristics of paving grade bitumen in unaged condi-tion. For this purpose, regression analyses are conducted for both the high and the low tem-perature regime. In the high temperature range, the performance parameter complex shear modulus G*@64°C obtained from DSR experiments is correlated to molecular weight Mw and density, offering a coefficient of determination ranging from 0.80 to 0.96. For the low tem-perature regime, the performance parameters stiffness S@-18°C from BBR measurements and the complex shear modulus G*@-20°C from DSR experiments are correlated to the glass transition temperature Tg,low providing a coefficient of determination ranging from 0.86 to 0.93.<br />Furthermore, regression analyses are carried out between high and low temperature per-formance parameters in order to estimate bitumen low temperature performance from its high temperature properties. The low temperature parameters complex shear modulus G*@-20°C from DSR experiments and both stiffness S@-18°C and m-value@-18°C from BBR measurements are correlated with the high temperature parame-ter complex shear modulus G*@64°C, with the coefficient of determination ranging from 0.80 to 0.95.<br />The influence of aging on bitumen characteristics is addressed in order to estimate the per-formance of paving grade bitumen after long term aging. For this purpose regression analy-ses are conducted between the aging ratios of the high temperature parameters complex shear modulus G*@64°C from DSR experiments and viscosity @135°C from RV meas-urements and bitumen characteristics in unaged stage A, giving a coefficient of determina-tion ranging from 0.92 to 0.99. Furthermore, regression analyses are carried out in order to estimate bitumen performance after aging directly from bitumen characteristics in unaged stage A. For this reason regression analyses were provided between complex shear mod-ules G*@64°C and G*@-20°C in aging stage C on the one hand and chemical/physical characteristics on the other hand, in order to estimate bitumen performance after long-term aging in both the high and the low temperature regime showing a coefficient of determination ranging from 0.93 to 0.97.<br />Furthermore, the effect of SBS modification on bitumen characteristics is addressed. The addition of SBS leads to different rheological behavior over the whole service temperature range, which is reflected in elemental composition and the results from gel permeation chromatography. Moreover, the polymer leads to a shift in molecular fractions. Electron mi-croscopy reveals two distinct phases building up the bitumen microstructure, whereas modu-lated differential scanning calorimetry detects a decrease in the low temperature glass tran-sition due to SBS modification corresponding to decreasing performance parameters in the same temperature regime indicating improved low temperature performance.<br />With the provided regression equations it is possible to estimate the performance of paving grade bitumen of different crude oil sources for both the high temperature regime and the low temperature regime by means of fast and straightforward experiments like gel permea-tion chromatography, elemental analysis or bitumen density. Moreover, the deduced regres-sion equations allow for the estimation of rheological performance after long-term aging of paving grade bitumen.