Hechting tussen bitumen en mineraal aggregaat

Het bitumen bestaat uit een conglomeraat van moleculen die voor een wezenlijk deel polair zijn. Ook het aggregaat heeft aan het oppervlak verschillende ladingen. Ondanks het feit dat, chemisch gezien, zowel het bitumen als het (momenteel meest toegepaste) mineraal aggregaat normaliter licht zuur is, kan er toch een chemisch-fysische binding ontstaan (zie Figuur 48).

In de Verenigde Staten is, vooral in het Strategic Highway Research Program en in Superpave, veel onderzoek gedaan naar de goede combinatie van bitumen en steenslag. Sommige combinaties leveren een sterke hechting op, andere een zwakke.

Bitumen kan fysisch gezien als vloeistof worden beschouwd. Wanneer een druppel vloeistof op een vast oppervlak wordt gebracht, heeft de druppel de neiging zich over dat oppervlak uit te spreiden. De mate waarin dat gebeurt, hangt af van de mate waarin de vaste stof zich door de desbetreffende vloeistof laat bevochtigen, of anders gezegd, van het moment waarop een evenwicht ontstaat tussen de oppervlaktespanningen in de vloeistof en de grensvlakspanningen tussen vloeistof en vaste stof (zie Figuur 49).

Bij aanwezigheid van voldoende bitumen zal een korrel mineraal aggregaat altijd volledig worden omhuld. De hechting van bitumen aan het mineraal aggregaat komt in principe altijd wel tot stand, mits de oppervlaktespanning van het bitumen niet te groot is en het oppervlak van het mineraal aggregaat niet vervuild is (bijvoorbeeld met klei). Er kan echter een probleem ontstaan bij toetreding van water.

Onder inwerking van water kan het bitumen worden verdrongen van de steen, waardoor de samenhang in het asfalt verloren gaat. Oorzaak van deze verdringing is het verschil in oppervlaktespanning tussen water en bitumen. Als water terechtkomt in het contactvlak bitumen/aggregaat, wordt het krachtenevenwicht tussen de daar heersende spanningen verstoord. Omdat water een veel hogere oppervlaktespanning heeft dan bitumen, ontstaat een verdringingskracht tegen het bitumen; na verloop van tijd wrikt deze het bitumen los van het mineraal aggregaat (zie Figuur 50). Er is dan sprake van stripping.

Stripping kan op de volgende manieren worden tegengegaan:

De genoemde ingrepen kunnen grotendeels ook in combinatie met elkaar worden ingezet.

Gezien het strippingsgedrag van de in Nederland gebruikelijke asfaltmengsels en mineralen is toepassing van hechtverbeteraars niet nodig, behalve bij ZOAB. Het is gebruikelijk in dit mengsel calciumhydroxide Ca(OH)₂ toe te passen. Toevoeging vindt plaats via de vulstof. Als gevolg hiervan zal een deel van het calciumhydroxide niet optimaal effectief zijn. Hoewel vastgesteld is dat de toepassing van calciumhydroxide in ZOAB effectief is, is stripping een van de factoren die rafeling in ZOAB veroorzaakt. Rafeling in ZOAB wordt mede veroorzaakt doordat de mastiek in de loop der tijd verhardt waardoor het ZOAB te bros wordt. Dit leidt in de wintermaanden tot falen van de hechting tussen bitumen en steen met steenverlies uit het wegoppervlak tot gevolg. Via de Lifetime Optimisation Tool (LOT) worden verbeteringsmogelijkheden onderzocht om het rafelingsgedrag van ZOAB beter te kunnen begrijpen (zie 4.7).

De hechting tussen bitumen en mineraal aggregaat kan worden bepaald door het meten van de treksterkte. Uit onderzoek [37] is gebleken dat de treksterkte van asfalt vooral wordt bepaald door de weerstand tegen breuk van het bitumen. Figuur 52 toont de relatie tussen de stijfheidsmodulus van bitumen en de genormaliseerde treksterkte van asfalt. Met genormaliseerd wordt bedoeld de verhouding van treksterkte en maximumtreksterkte voor het bewuste mengsel. Uit de praktijk blijkt dat vrijwel alle asfaltmengsels hun grootste treksterkte hebben bij een bitumenstijfheid tussen 40 en 50 MPa. De vorm van de curve is eveneens van toepassing op veel mengsels.