Evaluating the ageing behavior of bio-binders and bitumen via chemical and mechanical analysis

Abstract

Bitumen ist ein wasserabweisendes, viskoelastisches, ölbasierendes Material, das aufgrund seiner einzigartigen mechanischen und chemischen Eigenschaften in zahlreichen Industrien vielseitig einsetzbar ist. Hauptsächlich wird es im Bereich des Straßenbaus, für die Dachabdichtung und der Wasserabdichtung verwendet. Der größte Teil (95 %) wird für die Herstellung von Asphaltbelägen genutzt, was einer jährlichen Produktionsmenge von 100 Millionen Tonnen entspricht. In einem Asphaltbelag fungiert Bitumen als Bindemittel für mineralische Zuschlagstoffe, die dann ein Asphaltmischgut bilden [1].Bitumen wird wegen seiner hervorragenden adhäsiven Eigenschaften verwendet, die helfen, die Zuschlagstoffe zusammenzuhalten. Da Bitumen jedoch aus fossilen Ressourcen gewonnen, ist die Verfügbarkeit der Ressource limitiert.Aus diesem Grund sucht die Wissenschaft nach erneuerbaren „Bio“-Alternativen, die diese fossilen Ressourcen ersetzen können. Dies stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da die komplexe chemische Zusammensetzung von Bitumen für das einzigartige Materialverhalten verantwortlich ist. Daher ist bislang nur ein teilweiser Ersatz von bis zu 50 % eine geeignete Option. Darüber hinaus bringt die Zugabe von Bio-Alternativen eine völlig neue Dimension der Materialcharakterisierung und der Bewertung des Alterungsverhaltens mit sich, das sich erheblich von herkömmlichem Bitumen unterscheiden könnte.Zudem stehen die Öffentlichkeit vor neuen Umweltstandards und Vorschriften, die darauf abzielen, Emissionen zu reduzieren und fossile Ressourcen entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Rohstoffgewinnung über den Transport und die Produktion bis hin zur Nutzung und Entsorgung des Produkts – zu schonen [2]. Daraus ergibt sich die Frage, ob wir Nachhaltigkeit auf Kosten einer verringerten Haltbarkeit erreichen, oder ob es eine Möglichkeit gibt, Haltbarkeit und Nachhaltigkeit zu vereinen.Diese Diplomarbeit untersucht und charakterisiert daher das Alterungsverhalten biobasierter Bindemittel durch Laboralterung sowie anschließende chemische und mechanische Analysen. Drei verschiedenen Biobindemittel wurden mit ihrem unmodifizierten Grundbindemittel und einem Referenzbitumen verglichen. Der Anteil an Bio-Additiven lag zwischen 10% und 50 %. Dafür wurden Kurzzeitalterungen und Langzeitalterungen durchgeführt, die unterschiedliche Alterungsfaktoren wie Temperatur, Licht und Reaktivgase (ROS) induzieren. Zur Bewertung der Bindemittel wurden die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) für die chemische Analyse und das dynamische Scherrheometer (DSR) für die mechanische Analyse eingesetzt.Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der thermischen Alterung sehr begrenzt ist und ein einziger PAV-Zyklus das Alterungsniveau anderer LTA-Methoden wie VBA oder LA nicht erreicht. Die VBA zeigte eine signifikante Alterung bei Bio-binder 1 und Bio-binder 2, während Bio-binder 3 eine gewisse Widerstandsfähigkeit gegenüber der ROS zeigte. Im Hinblick auf die Lichtalterung zeigt diese Diplomarbeit, dass lichtinduzierte Alterung stark von der Lichtquelle (LA1 – LA3) abhängt. Alle Biobindemittel weisen eine höhere Alterungsanfälligkeit im Vergleich zum Referenzbitumen 70/100 auf.Bio-binder 1 weist ein interessantes rheologisches Verhalten bei mittleren und hohen Temperaturen auf und das Bindemittel verhält sich besser bei niedrigen Temperaturen. Bio-binder 2 zeigt Eigenschaften, die sehr nahe an die rheologischen Eigenschaften von Bindemittel 2 herankommen. Bio-binder 3 ist stärker anfällig gegenüber der Lichtalterung. Dafür zeigt der Bio-binder 3 eine Resilienz gegenüber den in der VBA induzierten ROS.

Bitumen is a waterproof, viscoelastic, oil-based material that offers a great variety of applications amongst industries due to its one-of-a-kind mechanical and chemical properties. The material is mainly utilized in the field of paving, roofing and waterproofing. The majority (95%) is used in the production of asphalt pavements, which accounts for 100 Mt of yearly production. In an asphalt pavement the bitumen acts as a binders for mineral aggregates, which then forms the asphalt mixture, asphalt concrete or bituminous concrete [1].It is used because of its great adhesive qualities that help to keep the aggregates connected. However, since bitumen originates from fossil resources, its availability becomes limited. Thus, the research community is looking for renewable “bio” alternatives that can replace these fossil resources. This is a challenging task, since the complex chemical composition of bitumen is the reason for such unique material behavior. Thus, merely partial replacement of up to 50% is a suitable option until now. Furthermore, the addition of bio alternatives brings up a completely new level of material characterization and evaluation of its ageing behavior, which might be different compared to conventional bitumen. Furthermore, the public are facing new environmental standards and regulations that ensure less emissions and save fossil resources from extraction of the resource to, transportation of the material, to production, to consumption until end of use and the disposal of the product [2]. Thus, the question is whether we are gaining sustainability for the price of decreasing durability. Or is there a mix of possible uniting both durability and sustainability.Therefore, this diploma thesis investigates and characterizes the ageing behavior of bio-based binders via artificial laboratory ageing and subsequent chemical and mechanical analysis. Three different bio-binders were compared to an unmodified base and a reference bitumen. The percentage of bio additive ranges from 10 – 50%. Various laboratory short-term ageing (STA) and long-term ageing (LTA) procedures involving different ageing inducing factors like temperature, light and reactive oxygen species (ROS) were applied on the five binders. Chemical analysis using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and mechanical analysis using the dynamic shear rheometer (DSR) were applied to evaluate the binders.Results revealed that the impact of thermal ageing is limited and only one cycle of Pressure Ageing Vessel test (PAV) ageing does not meet the level of other LTA ageing methods like Viennese Binder Ageing (VBA) or light ageing (LA). VBA shows significant ageing for bio-binder 1 and bio-binder 2, while bio-binder 3 is showing sort of resilience to ROS. In terms of light ageing, this study revealed that across several binders light induced ageing depends a lot on the light source (LA1 – LA3). All bio-binder exhibit a lower ageing susceptibility compared to the reference 70/100 binder. Bio-binder 1 shows an interesting rheological behaviour between intermediate and high temperature and performs better at lower temperatures. Bio-binder 2 indicates characteristics that almost end up at the rheological levels of the binder 2. Bio-binder 3 shows a high susceptibility towards light ageing (compared to ROS).