Öregedés

Az öregedés a bitumen és bitumenes köt anyagok h és leveg hatására bekövetkez oxidációja. Az öregített bitumenek jellegzetes vegyületei a kinolinok, de a nagy kéntartalmú vegyületek is könnyen oxidálhatóak, amikor jellemz en szulfoxid keletkezik.

Az öregedéssel szembeni ellenállóképesség fontos szerepet játszik az egyes technológiai megoldások gazdaságosságát megítél életciklus vizsgálatánál. A bitumen alapú köt anyagok öregedése már gyártásukkor megkezd dik, majd folytatódik felhasználásuk során, amikor h nek és a leveg oxidáló hatásának is ki vannak téve, végül a kész aszfaltban kell minél hosszabb ideig megfelel tulajdonságokat mutatniuk.

A bitumenek oxidációjának jelent s hatása van a bitument felépít molekulák irányított szerkezetére. Amint végbemegy az oxidáció, nagyobb polaritású új helyek jönnek létre és nagyobb számban, mint a lepárlási bitumenben eredetileg voltak. Ezért oxidáció hatására az önasszociációs készség er södik. Az assszociáció sebessége is függ a poláris helyek számától és a vonzóer k nagyságától. Minél er sebb a vonzóer és minél több er hatás lép fel, annál er sebb az asszociáció hajtóereje. A folyamatot azonban a bitumen nagy viszkozitása gátolja, ezért a bruttó folyamat lassú. Például egy kísérlet során a lepárlási bitumen viszkozitásának a megkétszerez dését néhány év alatt figyelték meg. A mintát védték az oxidáció ellen. A hosszú tárolási id után a mintát felmelegítették az aszfaltkeverés h mérsékletére, továbbra is védve oxidáció ellen. A minta viszkozitása visszaállt közel az eredeti értékére. Az aszfalt keményedésének sebességét és mértékét oxidáció hatására körültekint en tanulmányozták a SHRP program keretében k zet nélkül és k zet jelenlétében, különböz h mérsékleteken.

Az oxidációra való hajlamot a SHRP vizsgálatok egy másik módszerével is tanulmányozták. Nyomásálló edényben történ oxidációval szimulálták az aszfalt burkolatok hosszú távú öregedését. 400 órás, 60°C-on végzett nyomás alatti oxidáció után az 1.4. ábra jelöléseivel élve a G bitumen öregedési indexe 17 volt, míg a K bitumené 23 (Az öregedési index az öregített és nem öregített minta viszkozitásainak hányadosa.). Amikor a h mérsékletet felemelték 113°C-ra, és mindkét mintát atmoszférikus nyomáson oxidálták 72 órán keresztül, a G bitumen öregedési indexe (60°C-on mérve) csak 18 volt, ezzel szemben a K bitumen öregedési indexe 530-ra ugrott ugyanazon körülmények hatására. A magasabb h mérsékleten mindkét bitumen jobban disszociált és gyorsan oxidálódott. Ha leh tötték ket 60°C-ra, a G bitumen be

tudta fogadni az oxidációs termékeit, ezzel szemben a K bitumenben képz új poláris komponensek meghatározták K tulajdonságait. A K bitumenben lév poláris komponensek nagyon er sen asszociáltak, és igen jelent sen növelték a bitumen viszkozitását. Hasonló tendenciák voltak megfigyelhet k más bitumenek esetében is.

Az 1.14. ábrán láthatjuk, hogy hogyan n tt a viszkozitás az oxidációs h mérséklet függvényében. Az öregítést magasabb h mérsékleten végezve, nagyobb viszkozitású lett az öregített bitumen. Ez arra utalt, hogy a maximális úth mérsékleteket figyelembe kell venni, amikor a bitument kiválasztjuk az útépítéshez.

1.14. ábra Molekuláris irányítódásra érzékeny bitumen öregedése.

Az oxidatív öregedésnek van egy érdekes és eltér jellemz je. Míg néhány bitumen, pl. a már említett G bitumen, oxidálódott és a keletkez oxidációs termékeket könnyen beépítette magába a viszkozitás nagyobb változása nélkül, más bitumenek jelent s viszkozitás-növekedést mutattak oxidáció hatására. Ahogy az 1.14. ábrán már bemutattuk, lényegében mindegyik bitumen végül is befagyasztja saját oxidációját és eközben megszünteti az oxidációból ered viszkozitás-növekedését is. Ugyancsak az 1.14. ábra mutatta, hogy ez a jelenség változik az oxidáció legmagasabb mérsékletével. A bitumenek összetételében lév különbségek határozták meg, hogy különböz h mérsékleteken végbemen oxidációk esetében milyen viszkozitás-növekedés észlelhet . Bár az oxidáció befagyasztásának a kémiáját még nem értjük teljesen, a jelenség a bitumenek mérhet tulajdonsága és így a bitumen teljesítményének jellemzésére alkalmas tulajdonság.

A gumibitumenekkel készült aszfaltok hosszú id tartamú öregedését vizsgálva egyértelm en kimutatható ezek el nyös volta. Azt találták, hogy az útburkolatok élettartamát a koromtartalmú gumi rlemények jelent sen megnövelik, mert lassítják az öregedést, kiküszöbölik a bitumen fáradásához, romlásához kapcsolódó problémákat [Merklinger 1997, Memon 1997].

A Belga Útkísérleti Központ vizsgálatai szerint megfelel min ség gumi rlemény szükséges a gumibitumenek jó öregedés-ellenállásához. Ennek a következ tulajdonságokkal kell rendelkeznie [Heystaeten 2000]:

a természetes kaucsuktartalom legalább 50 %, a részecskeméret max. 1mm legyen,

a kéntartalom min. 1 %,

a gumi rlemény környezeti h mérsékleten készüljön.

Mindezek mellett mégis feltételezik, hogy a porózus aszfaltelegyekben az öregedés-ellenállást inkább meghatározza az aggregátumokat burkoló köt anyagok vastagsága és csak kevésbé magának a köt anyagnak az öregedéssel szembeni ellenállása. Ha ez valóban így van, akkor az elasztomerekkel módosított bitumen, amelynek adott esetben még nagyobb a viszkozitása, illet leg a kifolyásgátló szálak alkalmazása a közönséges bitumenek esetében komoly versenytársat jelentenek a gumibitumennek. A 10-20 éves utak felülvizsgálata azt mutatta, hogy a gumibitumennel készült utak sokkal kevésbé öregedtek, mint a polimerrel módosított, de különösen a nem módosított 80/100-as bitumennel készült porózus utak. Ennek nyilván oka lehet magának a köt anyagnak a jobb öregedési tulajdonsága, de az is, hogy ezek az aszfaltok kisebb szabad térfogatúak voltak, illetve az öregedés hatására azzá váltak [Heystaeten 2000].

A felhasználás, illetve igénybevétel során jelentkez öregedést forgófilmes öregít berendezéssel (RTFOT - MSZ EN 12607-1, ASTM D2872), vékonyfilmes öregítéssel (TFOT MSZ EN 126072) és nyomás alatti öregítéses eljárással (PAV -SHRP) lehet szimulálni. Mindezek közül az RTFOT-ot alkalmazzák leggyakrabban, ami az aszfalt-keverés és bedolgozás során fellép behatások modellezésére szolgál. Az RTFOT öregítés vizsgálat során forró leveg vel (163±1°C) oxidálják a szabványos edény falán lév vékony bitumen filmet. Az öregítés után (75±1 perc) szabvány szerint meghatározzák a bitumenes köt anyag tömeg- és penetrációváltozását. A vizsgálat során különböz id pontokban kivett és vizsgált minták segítségével nyomon követhet az egyes tulajdonságok id beni változása(1.15. a-d ábra) [Vonk 1993].

Jelmagyarázat: Bitumen Bitumen + 7 m/m% SBS

1.15. a-d ábraRTFOT módszerrel való öregítés hatására bekövetkez tulajdonságváltozás

A SHRP által létrehozott Superpave követelményrendszer írja el , hogy az RTFOT-vel kezelt bitumen egy részét nagynyomású (2,1 MPa) öregít berendezésben (PAV) tovább öregítsék. Ez az aszfaltban lév bitumen terepi öregedését szimulálja. Gumibitumenek esetén a módszer kivitelezése nehézségekbe ütközhet az öregített köt anyag igen nagy viszkozitása miatt.

Az öregedés során a bitumenek egyes jellemz i bizonyos mértékben változnak és ennek a változásnak mértéke függ a bitumen kompozitok összetételét l, illetve el állítási módjától. Alapbitumenek tulajdonság-változásainak leírására alkalmas Benson öregedési modellje, melynek el zményeként a szerz öregedésgátló adalékokkal, illetve vegyi hatású (aktinikus) fénykezeléssel végzett jelent s számú kísérletet. Ezek a kísérletek nem jártak ugyan érdemleges eredménnyel, ellenben lehet vé tették, az1.1. egyenlet kidolgozását [Benson 1976, Bell 1989]:

2

1

t

b

ahol, a dinamikai viszkozitás,b1 ésb2 dimenziómentes koefficiensek, t pedig az eltelt id . Ugyancsak öregedésre dolgozták ki Brown és mtsai az 1.2.-es hiperbolikus egyenletet, mely kiválóan mutatta a laboratóriumi és terepi adatok közötti korrelációt [Brown 1957]. Kés bb más kutatók is azt találták, hogy az öregedés hiperbolikusan játszódik le [Bell 1989].

t b b Y t

4 3

(1.2.)

ahol, Y a tulajdonság változása t id vel, b3 konstans, a tulajdonság értéke zéró id ben, b4 a tulajdonságváltozás sebessége.

A vizsgált klasszikus bitumen-tulajdonságok esetében nagy korrelációs együtthatókat találtak a Brown modellel számolt görbék és a laboratóriumban megfigyelt vagy terepi vizsgálatok eredményei között. Csak az öregítés hatására bekövetkez duktilitás-változás leírásának esetében mutatkozott a modell alkalmatlannak.