Micromechanical properties of bitumen when using selected rejuvenators

Die Asphaltstraße ist die vorrangige Bauart für deutsche Straßen. Die Nachhaltigkeit dieser Bauweise ist direkt von den Eigenschaften der eingesetzten Materialien abhängig. Sowohl das Bitumen, als auch die Aggregate haben großen Einfluss auf die Lebensdauer einer Asphaltstraße. Vor allem das Bitumen, der Klebstoff, der die Aggregate zusammenhält, unterliegt Alterungsmechanismen, die die Qualität des Endproduktes Asphalt bestimmen. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das thermoviskose Verhalten des Bitumens während der Nutzungsdauer verschlechtert, d.h. es verhärtet. Aus diesem Grund sind für die Wiederverwendung (Recycling) des Bitumens spezielle Verjüngungsmittel (Rejuvenatoren) entwickelt worden. Sie sollen das rheologische Verhalten des gealterten Bindemittels wiederherstellen. Die Herstellung dieser Rejuvenatoren ist anspruchsvoll und es stellte sich die Frage, wie man die Wirkungsweise der Rejuvenatoren hinreichend qualifizieren und eventuell quantifizieren kann. In dieser Arbeit werden verschiedene Techniken eingesetzt, um die Wirkungsweise von drei Rejuvenatoren auf ein polymermodifiziertes Bitumen PmB 25/55-55 A zu bestimmen. Das dynamische Scherrheometer ermöglicht präzise Messungen der rheologischen Eigenschaften (Form- und Fließverhalten). Die typischen rheologischen Messungen wurden durch Messungen mit hoher Frequenz (Ultraschall) ergänzt. Die Rejuvenatoren beeinflussen das rheologische Verhalten des modifizierten Bitumens in unterschiedlichem Ausmaß. Um die Hintergründe der Wirkung des Rejuvenators auf das Bitumen zu ermitteln, wurden die chemischen Bindungspaare mit dem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer bestimmt. Ferner wurden Messungen mit Hilfe optischer Mikroskopie und eines Rasterkraftmikroskops durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Rejuvenatoren die bekannte Mikrostruktur auf der Bitumenoberfläche stark verändern. Rheologische Messungen auf der Nanoskala konnten den Einfluss der Rejuvenatoren an der Bitumenoberfläche zeigen. Die weitere Analyse der Mikrostruktur ergab, dass es sich bei diesem Phänomen eindeutig um einen Oberflächeneffekt handelt. Die Strukturen dringen nicht in die Tiefe des Bitumens ein und bestimmen demnach nicht die Viskosität des Bitumens. Sie können allerdings als „Fingerabdruck“ der chemischen Eigenschaften des Bitumens dienen und möglicherweise auf bestimmte Eigenschaften hinweisen. Die Verbindung von Rasterkraftmikroskopie und chemischer Analysemethoden auf der Nanoskala (AFM-IR) ermöglichte es, einen Zusammenhang zwischen den chemisch funktionellen Gruppen des Bitumens und der veränderten Mikrostruktur auf der Bitumenoberfläche festzustellen.
The asphalt based road topcoating is the primary surfacing for German roads. The sustainability of this construction directly depends on the properties of the materials used. Both, the bitumen, as well as the aggregates have a major impact on the longevity of an asphalt road. The binder bitumen is subject to various aging mechanisms that determine the quality of the asphalt. Studies have shown that the thermoviscosity of bitumen deteriorates with time and use, it typically hardens. For this reason, special rejuvenators have been developed for the recycling of bitumen. They are intended to restore the rheological behaviour of aged binder to be re-used in a next generation road-surfacing. Bitumen is a highly complex mixture of different hydrocarbons. The properties of these rejuvenators are therefore demanding. The question arises as how to adequately qualify and quantify the effect of the rejuvenators. In this work, several techniques are used to determine the aging and the functioning of these rejuvenators. For this purpose, the impact of four different rejuvenators on a polymer modified bitumen PmB 25/55-55 A was tested. The impact of the rejuvenators is tested using a dynamic shear rheometer (DSR). It allows for precise measurements of the rheological properties (flow behaviour). The rheological measurements were supplemented by measurements at high frequency including ultrasonic measurements. The investigated rejuvenators influence the rheological behaviour of the modified bitumen to different degrees. To obtain a better understanding of the action of the rejuvenator on the bitumen, Fourier-transform-spectroscopy was performed to test the chemical bond types and strength. Optical microscopy and atomic force microscope measurements were performed to observe the microstructure. It turned out that the rejuvenators change the microstructure on the bitumen surface. Clear changes in the nano-rheological properties are visible at the surface. Further analysis of the microstructure revealed that this phenomenon is clearly a surface effect only. The structures are not present in the interior of the bitumen and therefore do not determine the bulk viscosity of the bitumen. However, they can be seen as a “fingerprint” indicating certain bitumen properties and their changes. The combination of atomic force microscopy and chemical analysis on the nano-scale (Nano-IR) made it possible to determine a correlation between chemical functional groups of the bitumen and the microstructures.