Hard maar vloeibaar. Die bijzondere eigenschap maakt bitumen tot het ideale lijmmiddel van ’s werelds wegen. De karakterisering van de stof kan echter beter. Reologie biedt uitkomst.

“Bitumen houdt de Nederlandse wegen letterlijk bij elkaar”, zegt Jeroen Besamusca van de Bitumen & Specialty Department van Q8 Research in Rozenburg. In Nederland wordt op jaarbasis zo’n 250.000 ton van dit materiaal verbruikt, vult zijn collega Johan Villerius aan. Hij toont een bak met een kilo steenslag en een klein bekertje bitumen, om de verhoudingen aan te geven. “Asfalt bestaat voor 95 procent uit harde materialen, en voor maar 5 procent uit bitumen. Maar het vormt wel de lijm die alles bepaalt.”

Het bindmiddel heeft een aantal opmerkelijke eigenschappen. Op het eerste gezicht lijkt bitumen een keihard, onvervormbaar materiaal. Maar de stof vertoont ook bij kamertemperatuur vloeigedrag, zij het zeer traag. Het eenvoudige experiment dat Thomas Parnell in 1927 startte – pek in een glazen trechter – laat met een doorstroomsnelheid van een druppel per decennium zien wat taaivloeibaar betekent.

80.000 vaten ruwe olie

De visco-elastische eigenschappen van bitumen zijn onder veel omstandigheden voordelig omdat een asfaltlaag krachten kan opvangen zonder te breken of te scheuren. Maar hinderlijk geribbeld asfalt in de buurt van stoplichten en spoorvorming op de snelweg zijn de keerzijde van die eigenschappen. Besamusca’s bitumenlab doet met moderne reologische methoden onderzoek naar die eigenschappen – en de vraag hoe ze te verbeteren zijn.

Het lab heeft uitzicht op de destillatietorens een paar honderd meter verderop. Daar staan ook de verwarmde bitumenopslagtanks met een binnentemperatuur van ruim 150 °C – zo blijft het zwarte materiaal makkelijk hanteerbaar.

De raffinaderij van Q8 is volgens Besamusca de enige in Nederland die nog bitumen produceert. De andere raffinaderijen kraken de bitumen tot lichtere brandstoffracties. Besamusca: “De raffinaderij verwerkt dagelijks zo’n 80.000 vaten ruwe olie uit Koeweit tot brandstoffen, smeermiddelen en bitumen. Het bijzondere van olie uit Koeweit is dat het een constante blend is van tientallen oliebronnen. Dat betekent dat de productie door de raffinaderij ook constant van samenstelling blijft.”

Hardheid

Bij Q8 ondergaat de ruwe olie atmosferische destillatie bij circa 350 °C waarbij alle brandstoffen worden opgevangen. Het bitumenresidu dat daarvan overblijft wordt onder vacuüm gedestilleerd – omgerekend naar atmosferische druk is dat bij een temperatuur van 530 °C. Daarmee worden smeermiddelen geproduceerd. Een deel van die stroom ondergaat een propaanextractie waarbij een hoog viskeus smeermiddel wordt verkregen. Wat dan resteert is een zeer harde bitumen. Besamusca: “Op basis van die drie stromen kunnen we alle bitumenmengsels maken, afhankelijk van de wensen van de gebruiker.”

De hoofdafnemers zijn nog altijd wegenbouwers, die 80 procent van de bitumen verbruiken. Wegenbouwers formuleren hun wensen – zoals de hardheid aan de hand van getallen – bijvoorbeeld 70-100. Die hardheidsmaat verwijst naar een standaardmeting bij 25 °C waarbij men meet hoe ver een naald met daarop 100 g in 5 seconden in bitumen zakt. In een 70-100 bitumen kan de naald 7 tot 10 mm doordringen. Een andere standaardbepaling meet het verwekingspunt: daarbij wordt gekeken bij welke temperatuur een stalen kogeltje door een laagje bitumen zakt.

Het klinkt niet erg geavanceerd – de naaldtest is sinds de invoering in 1884 niet meer veranderd. “Vandaar dat bitumen- en asfaltproducenten samenwerken om met nieuwe meettechnieken bitumen nauwkeuriger te karakteriseren. Uiteindelijk moet dat leiden tot een harmonisatie van de productterminologie op Europees niveau”, aldus Besamusca.

Polymeren

Reologie is een van die karakteriseringsmethoden om de eigenschappen van bitumen te onderzoeken. Daarbij wordt gekeken hoe de bitumen reageert op een bepaalde afschuifspanning. Besamusca: “Vergelijk het maar met een rubber elastiek. Als je dat heel geleidelijk uittrekt, kun je het verder oprekken dan als je er plotseling een grote kracht op uitoefent. Zo werkt het ook met bitumen: als een bus stilstaat bij een halte, ondervindt het bitumen een hoge afschuifspanning. Daardoor gaat het asfalt geleidelijk vervormen.”

Villerius: “Je ziet het ook bij spoorvorming in snelwegen waar vaak files staan of veel vrachtwagens voorbijrijden. Vooral vrachtverkeer veroorzaakt problemen. De schade veroorzaakt door een vrachtwagen is vergelijkbaar met de schade veroorzaakt door 25.000 auto’s.”

Met een dynamic shear-reometer kan in het lab van Q8 worden gesimuleerd wat er met bitumen gebeurt bij auto’s die snel langsrijden, of juist langzaam in de file rijden, en bij elke gewenste temperatuur. Besamusca: “Je kunt namelijk het voorbijrijden van auto’s vertalen naar de frequentie waarmee op een punt op de weg een kracht wordt uitgeoefend: afhankelijk van de snelheid neemt de frequentie toe.”

In het lab bootst de reometer dit na door een laagje bitumen tussen twee metalen plaatjes aan frequente afschuifspanningen bloot te stellen. Besamusca: “De temperatuur kunnen we daarbij instellen. Als bijvoorbeeld bij een weg spoorvorming optreedt bij 60 °C, kunnen we verschillende oplossingen bij die temperatuur uitproberen, door het effect in de reometer te bepalen.”

Een van die oplossingen is bitumen met de toevoeging van een paar procent polymeren, zoals SBS (styreen-butadieen-styreen) en EVA (ethyl-vinyl-acetaat). Dit polymeer gemodificeerde bitumen is bijvoorbeeld beter bestand tegen vervorming bij hoge temperaturen.

Besamusca: “Vroeger ging je naar een aannemer met een nieuw bitumenproduct met verbeterde eigenschappen. Dan zei de aannemer: dat is mooi, maar ik wil toch eerst een proef doen met een stuk weg. Dat ging vervolgens jaren duren. Nu kunnen we in veel kortere tijd in het lab de effecten van een nieuw additief onderzoeken met de reometer. Bovendien neemt de verkeersintensiteit met sprongen toe en daarmee de slijtage van het wegennet. Daar moeten we meer onderzoek aan doen.”

Bitumen en asfaltveroudering

Het antwoord op de vraag wat bitumen eigenlijk is, valt niet exact te beantwoorden. Een grove onderverdeling in vier fracties geeft aan dat het mengsel vooral erg complex is. De meest gebruikelijke chemische karakterisering van bitumen wordt weergegeven met de Engelse afkorting SARA: Saturates, Aromatics, Resins en Asphaltene. De eerste staat voor de groep van verzadigde koolwaterstoffen met een moleculaire massa van 300 tot 2.000, die ongeveer 6 procent van het totaal uitmaken. De tweede groep (circa 38 procent) zijn de aromaten, nafteenachtige structuren met een molecuulmassa 300-2.000. De in verhouding belangrijkste groep (48 procent) zijn de resins, polair aromatische structuren met een massa variërend van 500 tot 5.000. De laatste groep (circa 10 procent) is asfalteen, de fractie uit bitumen die niet oplosbaar is in n-heptaan. Die sterk vertakte moleculen met aromatische structuren zijn groot: de moleculaire massa ligt rond de 10.000.

Het gebrek aan gedetailleerd chemisch inzicht ontneemt voor een deel ook het zicht op de moleculaire veranderingen tijdens de veroudering van wegen. Bij veroudering van bitumen lijkt vooral het aantal asfaltenen te veranderen en dat leidt tot brosser asfalt. Wegenbouwers worden daar sinds de opkomst van zeer open asfalt beton (ZOAB) vaker mee geconfronteerd. In de sponsachtige structuur van het ZOAB wordt veel meer bitumen aan de lucht blootgesteld, waardoor de veroudering sneller optreedt.

Bron: C2W19, 11 oktober 2008