Gemodificeerd bitumen

Het gebruik van een ‘chemische stof’ betekent niet automatisch dat de beoogde modificatie van het bitumen wordt bereikt door chemisch reageren van deze stof met het bitumen. Voorbeelden zijn bitumina waaraan polymeren zijn toegevoegd. Eenmaal in het bitumen gebracht, zwellen de polymeren en veroorzaken een verhoging van de bitumenviscositeit. Er kan dan ook onderscheid worden gemaakt in:

Modificatie van bitumen heeft tot doel een of meer eigenschappen te verbeteren, waaronder met name de hechtingseigenschappen, de reologische eigenschappen en/of het verouderingsgedrag. Het modificeren van bitumina komt voort uit de behoefte om de functionele eigenschappen van asfalt te verbeteren [39, 40].

Onder chemisch gemodificeerd bitumen wordt verstaan het zogenoemde multigrade-bitumen. Het belangrijkste verschil met conventioneel penetratiebitumen is aangegeven in het Heukelom-nomogram (zie Figuur 32). Voor een gelijke penetratie of viscositeit is voor multigrade-bitumen bij temperaturen beneden circa 20°C een lagere temperatuur nodig dan voor penetratiebitumen, en bij temperaturen boven circa 20°C een hogere temperatuur.

Multigrade-bitumen heeft een hoger verwekingspunt T_R&K bij een zelfde penetratie, en daardoor een hogere penetratie-index PI. De verhoogde PI toont de verminderde temperatuurgevoeligheid aan. Multigrade-bitumen heeft dus een verbeterd lagetemperatuurgedrag. Dat wil zeggen dat het minder gevoelig is voor scheurvorming bij lage temperatuur, wat volgt uit de lagere waarde voor het Breekpunt Fraass (zie 3.6.4). Ook is de gevoeligheid voor thermische vermoeiing ten gevolge van steeds wisselende temperaturen lager; deze gevoeligheid is met name van belang bij relatief lage temperatuur. Tegelijk heeft multigrade-bitumen een verbeterd hogetemperatuurgedrag. Dat wil zeggen dat het minder gevoelig is voor vervorming bij hoge temperatuur, wat volgt uit het hogere verwekingspunt T_R&K..

Een probleem bij multigrade-bitumen is, net als bij andere soorten gemodificeerd bitumen, dat de eigenschappen veranderen tijdens de terugwinning uit het asfalt. De eigenschappen van het teruggewonnen bitumen zijn daardoor niet representatief voor de eigenschappen van het bitumen in het asfalt. Bij hergebruik van asfalt moet de hardheid (penetratie) van het oude bitumen worden vastgesteld om te kunnen bepalen aan welke eisen het nieuw toe te voegen bitumen moet voldoen.

Bij toevoeging van polymeren wordt het bitumen niet chemisch veranderd; het effect van de modificatie berust op een fysische beïnvloeding van de bitumeneigenschappen. De gebruikte polymeren kunnen worden ingedeeld in elastomeren en thermoplasten. Een ingeburgerd synoniem voor thermoplast is het woord plastomeer. Elastomeren, ofwel synthetische rubbers, worden gekenmerkt door een rubberachtig gedrag, dat wil zeggen dat bij uitrekking het materiaal een sterke neiging heeft naar zijn oorspronkelijke vorm terug te veren. Dit gedrag gaat pas bij hoge temperatuur verloren. Daarom zijn de meng- en verwerkingstemperatuur in het algemeen hoger dan bij penetratiebitumen. Thermoplasten vertonen in het algemeen, in vergelijking met elastomeren, een veel minder elastisch gedrag. Maar er zijn uitzonderingen: sommige thermoplasten vertonen juist meer elastische terugvering dan sommige elastomeren. Thermoplasten onderscheiden zich van elastomeren door een smelttraject en een relatief laag moleculair gewicht. Tabel 20 toont enkele voorbeelden van elastomeren en plastomeren in bitumen.

Sommige elastomeren, zoals SBS en SIS, bezitten behalve elastische ook thermoplastische eigenschappen. Plastics zoals PE en PVC vertonen geen elastisch gedrag.

Chemisch bezien zijn polymeren opgebouwd uit één of meer typen monomeren. De monomeren kunnen in eerste instantie elk voor zich gepolymeriseerd zijn. Laat men twee verschillende polymeren met elkaar polymeriseren, dan is het resultaat een copolymeer. Er wordt onderscheid gemaakt naar randomcopolymeren - ofwel copolymeren waarin de monomeren willekeurig door elkaar voorkomen, zoals in SB - en blokcopolymeren - ofwel copolymeren waarin de gepolymeriseerde monomeren in ‘blokken’ voorkomen, zoals in SBS. Daarnaast wordt onderscheid gemaakt in lineaire en radiale (vertakte) polymeren. Lineaire polymeren hebben onvertakte molecuulketens; radiale polymeren hebben vertakte molecuulketens.

Polymeer gemodificeerd bitumen kan worden geleverd als kant-en-klaar product, als emulsie of als cutback. Polymere bitumenmodificatoren zijn vaak leverbaar in granulaat-, korrel- of poedervorm. De voorkeur gaat echter uit naar kant-en-klare gemodificeerde bitumina, die rechtstreeks door de bitumenleverancier worden aangeleverd; dit omdat het mengproces in een asfaltmenginstallatie ontoereikend is om de modificatie homogeen door het bitumen te verdelen. Voor specifieke toepassingen worden ook polymeer gemodificeerde producten geproduceerd zoals voegvullingsmaterialen en afwerklagen voor brugdekken.

Al sinds 1920 zijn pogingen ondernomen om oude rubberbanden in asfalt te hergebruiken om de prestaties van asfalt te verbeteren. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen het natte en droge modificatieproces. Bij het natte proces wordt aan bitumen van 200-220°C 18 tot 22% crumb rubber toegevoegd met een gradering van maximaal 0/2. Een ander modificatieproces voor asfaltrubber in bitumen is het droge proces. Hierbij worden de rubberkorrels pas bij het mengen van het asfalt aan het mengsel toegevoegd.

Van oudsher had de toepassing van rubber in asfalt tot doel om het bitumen te modificeren. Dus het oplossen van het rubber in het bitumen. Een voordeel van dit proces ten opzichte van het natte proces is dat het mengen eenvoudiger verloopt en dat zonder problemen grotere rubberkorrels kunnen worden gebruikt. Een groot nadeel is echter dat de eigenschappen van het asfalt sterk worden beïnvloed door de verwerkingstijd (verblijftijd in de asfaltvrachtauto) van het asfalt. Aanbevolen wordt om minimaal 50% vrachtautobanden in de crumb rubber te verwerken; dit vanwege een verschil in chemische samenstelling ten opzichte van personenautobanden. Door tegenvallende kwaliteit en arbo-problemen (stankoverlast bij productie en verwerking) is deze toepassing een stille dood gestorven.