Consistentie-eigenschappen van bitumen
De consistentiekarakteristieken van bitumen zijn de karakteristieken waarmee de viscositeit wordt omschreven. Bitumen is een bijzondere stof, omdat het over een tamelijk beperkt temperatuurgebied van circa –25°C tot circa +180°C een geweldige viscositeitsverandering vertoont, namelijk van ruwweg 0,1 Pa.s tot 1010 Pa.s. Bij –10°C tot –25°C is bitumen een glasachtig materiaal. Dat wil zeggen dat het dan een vaste, amorfe stof is, zonder kristalstructuur. Bitumen is dan niet alleen zo hard als glas, maar ook even bros. Dat heeft tot gevolg dat het bij lage temperatuur een geringe weerstand tegen scheurvorming heeft. Bij 160°C tot 180°C is de vloeibaarheid vergelijkbaar met die van water. Het enorme viscositeitsbereik in het genoemde temperatuurgebied maakt bitumen bijzonder geschikt voor toepassing als bouwstof voor asfalt. Het is bij een temperatuur van 140 à 180°C uitstekend mengbaar en verwerkbaar. Het levert bij gebruikstemperaturen tussen circa –25°C en circa +70°C goede constructieve eigenschappen.
De in Figuur 32 weergegeven relatie beschrijft de consistentie bij gebruikstemperaturen voor vier verschillende penetratiebitumina. Voor de verwerking van bitumen is de consistentie bij verwerkingstemperaturen van belang. Voor de beschrijving hiervan gebruikt men de viscositeit- temperatuurrelatie.
[ link ]
Figuur 32 Penetratie en viscositeit van bitumen als functie van de temperatuur (Heukelom-nomogram)
Vanwege de sterke temperatuursinvloed is het viscositeitsgedrag van bitumen tamelijk complex. Dit heeft, in combinatie met de zeer complexe chemische samenstelling van bitumen, tot gevolg dat het niet mogelijk is een relatie te leggen tussen die samenstelling en de viscositeitseigenschappen. Voor de asfaltproductie en -verwerking is in feite alleen van belang dat de ‘vloeibaarheid’ binnen redelijke grenzen bekend is. Deze wordt daarom normaliter op empirische wijze gemeten.
Penetratie en verwekingspunt Equiviscositeitstemperatuur EVT170 mm²/s
Vanwege het thermoplastische karakter van bitumen is het noodzakelijk de consistentie door meting vast te leggen. Daarvoor zijn twee empirische meetmethoden in gebruik, namelijk de bepaling van de penetratie (zie bijlage I-2.1) en de bepaling van het verwekingspunt of Temperatuur Ring & Kogel (TR&K) (zie 14.1.1 en 14.1.2). Een lage penetratie respectievelijk een hoog verwekingspunt duidt op een hard bitumen. De penetratiebitumina worden in Nederland geklasseerd naar de penetratie uitgedrukt in 0,1 mm bij 25°C. Bitumen 40/60 wil zeggen dat de penetratie ligt tussen 40 x 0,1 mm en 60 x 0,1 mm.
De temperatuurgevoeligheid van bitumen kan door de penetratie-index PI in één getal worden uitgedrukt (zie NEN-EN 12591). De temperatuurgevoeligheid kan worden gemeten door de penetratie bij verschillende temperaturen te bepalen. Als de logaritmen van de penetraties worden uitgezet tegen de bijbehorende temperaturen, blijkt veelal een rechtlijnig verband te bestaan (zie Figuur 32). Hoe steiler de lijnen lopen, des te groter is de temperatuurgevoeligheid. Bij een zelfde verschil in temperatuur (T) stijgt de penetratie (pen) bij een steilere lijn immers meer ofwel de temperatuurgevoeligheid neemt af bij stijging van de PI. De hoek α kan daarom worden gebruikt als een aanduiding van de temperatuurgevoeligheid.
Tussen tg α en de penetratie-index PI is het volgende verband gekozen:
De PI is op deze wijze arbitrair vastgelegd met als basis een waarde PI = 0 voor een bepaald bitumen, bereid uit een indertijd veel gebruikte Mexicaanse aardolie.
Onder de voor de meeste bitumina gerechtvaardigde aanname dat de penetratie 800 (0,1 mm) bedraagt bij de temperatuur TR&K, kan PI als volgt uit een enkele meting van penetratie en temperatuur TR&K worden berekend:
De PI wordt vervolgens afgerond op 0,1.
De PI van bitumen van het normale type, het penetratiebitumen, ligt tussen –2 en +2. Bitumina met een PI kleiner dan –2 zijn zeer temperatuurgevoelig; zij behoren tot het zogenoemde pektype. Bitumina met een PI groter dan +2 (geblazen bitumina) zijn weinig temperatuurgevoelig. De geblazen bitumina en die van het pektype zijn voor de wegenbouw niet geschikt.
De penetratie, het verwekingspunt en de penetratie-index kunnen op eenvoudige wijze worden bepaald. Deze eigenschappen zijn van belang voor het bepalen van de stabiliteit en de flexibiliteit van het bitumen. De penetratie geeft de consistentie van het bitumen weer in het vaste gebied en het verwekingspunt (TR&K) in het gebied waarin het bitumen duidelijk begint te verweken. De penetratie wordt bepaald bij 25°C; het verwekingspunt ligt rond de 50°C. De consistentie van het bitumen in de vloeibare fase bij hoge temperaturen is hiermee nog niet gedekt. Via uitgebreid onderzoek heeft Heukelom [37] vastgesteld dat er bij een juist gekozen schaal (log/lineair) en bij gebruik van de kinematische viscositeit in mm²/s als maat voor de consistentie van bitumen in de vloeibare fase, voor penetratiebitumen een lineaire relatie bestaat tussen temperatuur en bitumenconsistentie (zie Figuur 32). De lineariteit gaat verloren voor bijvoorbeeld gemodificeerde bitumina of als het paraffinegehalte van het bitumen hoog is.
StijfheidBij een elastisch materiaal, zoals staal, is de vervorming onder belasting recht evenredig met de spanning. Als de spanning twee keer zo groot wordt, neemt ook de vervorming met een factor twee toe. Bij een viskeus materiaal is de vervorming niet alleen afhankelijk van de spanning, maar ook van de tijdsduur van de belasting. De mate waarin bitumen elastisch, viskeus of visco-elastisch reageert, is afhankelijk van de materiaaleigenschappen, de belastingduur en de temperatuur. Bij korte belastingtijden en/of lage temperatuur overheerst het elastische gedrag; bij lange belastingtijden en/of hoge temperaturen het viskeuze gedrag. Met het nomogram van Van der Poel [38] kan de stijfheidsmodulus van bitumen onder zeer uiteenlopende belastingomstandigheden worden afgeleid uit:
- de belastingduur (tijd of frequentie van cyclische puls);
- de temperatuur;
- de penetratie-index PI.
Allereerst moet de belastingtijd of -frequentie worden gekozen (zie Figuur 33). Daarna moet het verschil tussen de temperatuur bij belasting en het verwekingspunt TR&K worden berekend. Vanuit de belastingtijd of -frequentie wordt via het berekende temperatuurverschil een rechte lijn getrokken tot het niveau van de penetratie-index van het gekozen bitumen. Op de gekromde lijnen kan vervolgens de stijfheidsmodulus van het bitumen worden afgelezen.
[ link ]
Figuur 33 Nomogram voor de bepaling van de stijfheidsmodulus van bitumen (Van der Poel nomogram)
De consistentie is ook belangrijk voor de verwerking van het bitumen. Bij bepaalde viscositeiten verlopen de verschillende fasen in de verwerking van het bindmiddel met het beste resultaat. Deze verschillende viscositeitsniveaus zijn:
- voor oppervlakbehandeling (sproeien op de weg): ongeveer 50 mm²/s;
- voor mengen met mineraal aggregaat: ongeveer 170 mm²/s;
- voor verwerken en verdichten van het asfaltmengsel op de weg, afhankelijk van het soort mengsel: 300 tot 2000 mm²/s.
De equiviscositeitstemperatuur (EVT) is de temperatuur waartoe de verschillende bitumensoorten moeten worden verhit om een gelijke viscositeit te bereiken. Een EVT van 170 mm²/s stelt bijvoorbeeld de temperatuur voor waarbij de viscositeit van het bitumen 170 mm²/s bedraagt. De EVT170 mm²/s is hoger naarmate de penetratie lager is. Voor een bitumen 40/60 is deze temperatuur 155 à 170°C, voor een bitumen 70/100 145 à 155°C. In Nederland wordt de EVT170 mm²/s door de bitumenproducent opgegeven. In andere landen wordt een indicatie van deze EVT verkregen door vastlegging van de viscositeit bij 135°C.
Brosheid en taaiheidHet Breekpunt Fraass is een empirische test (zie 14.1.3) om de gevoeligheid van bitumen voor scheurvorming bij lage temperatuur te karakteriseren. De uitkomst geeft een indicatie van de ligging van het glaspunt van bitumen. In werkelijkheid kent bitumen niet een duidelijk glaspunt, maar is er sprake van een glasovergangstraject. Het temperatuurinterval tussen het glaspunt en het verwekingspunt wordt het plasticiteitsinterval genoemd. De toepassingsmogelijkheden van bitumen zijn groter naarmate het plasticiteitsinterval groter is. Deze toepassingsmogelijkheden kunnen dus worden verruimd door het glaspunt te verlagen of het verwekingspunt te verhogen. Bitumen dat paraffine bevat, heeft een relatief hoog glaspunt. Omdat scheurvorming ten gevolge van lage temperaturen in Nederland geen maatgevend schadecriterium is en omdat in Nederland geen paraffinehoudend bitumen wordt verwerkt, is het Breekpunt Fraass niet in de gangbare specificaties opgenomen.
Een andere belangrijke eigenschap van bitumen is de rek die het bitumen kan ondergaan totdat breuk optreedt. Inzicht in deze parameter wordt verkregen met de ductiliteitsproef, waarbij een proefstuk langzaam wordt uitgerekt (zie 14.1.4). Ook deze proef is in verband met zijn beperkte zeggingskracht niet in de Nederlandse specificaties opgenomen. De rekeigenschappen worden op een andere manier afgedekt.