Low-temperature rheology of bitumen and its relationship with chemical and thermal properties

Abstract

The thermal cracking performance of asphalt pavements is largely governed by the properties of the bituminous binder, and thus the low-temperature rheological characterization of bitumen is of great importance. Recently, a novel testing technique has been developed for the measurement of the low-temperature rheological properties of bituminous materials. This testing technique, commonly referred to as the 4-mm DSR, uses a 4-mm parallel plate geometry on a dynamic shear rheometer (DSR) with radial instrument compliance corrections. However, very little data produced by using the 4-mm DSR technique is currently available in the literature.

The primary objective of this study was to examine the low-temperature rheological characteristics of various unmodified bitumens by using the 4-mm DSR technique. In addition, the correlations of the chemical and thermal properties with the low-temperature rheology of bitumen were investigated. The secondary purpose of this thesis was to study physical aging in bitumen.

The 4-mm DSR technique was used to test twenty-seven bitumen samples originating from various crude oil sources and refineries. The chemical properties of the bitumens were described in terms of their molecular weight properties, as measured by gel permeation chromatography (GPC), and aromatic properties, as measured by ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis), infrared spectroscopy (FT-IR) and refractive index (RI) techniques. The thermal properties of the studied bitumens, including the glass transition temperatures (Tg), were determined by differential scanning calorimetry (DSC).

Both horizontal and vertical shifts were needed to produce smooth master curves in the vicinity of Tg. The temperature dependence of horizontal shift factors was shown to accurately follow the Kaelble-WLF equation in the temperature range of Tg-30 K to Tg+115 K. The calculated relaxation time spectra H(tau) evidenced a transition from small-scale molecular to large-scale cooperative relaxation processes when bitumen was cooled below its Tg. It was shown that the low-temperature rheological properties of bitumen can be fairly accurately predicted from the molecular weight and aromatic properties. Physical aging in bitumen was successfully analyzed by means of time-aging time superposition, and, based on the limited data available, equilibrium is attained in approximately 2-3 days at Tg. However, additional studies are needed to properly assess the effect of physical aging on the low-temperature rheological properties of various bitumens.

Asfalttipäällysteen pakkashalkeilu on suuressa määrin riippuvaista bitumisen sideaineen ominaisuuksista, ja siksi bitumin reologinen karakterisointi alhaisissa lämpötiloissa on erittäin tärkeää. Äskettäin bitumin reologisten kylmälämpötilaominaisuuksien mittaamiseen on kehitetty uudenlainen mittaustekniikka. Tässä niin kutsutussa 4-mm DSR -mittaustekniikassa dynaaminen leikkausreometri (DSR) on varustettu 4 mm:n levy-levy-geometrialla, ja mittaustulokset korjataan säteittäisen laitekomplianssin suhteen. Tähän mennessä on julkaistu kuitenkin vain hyvin rajallinen määrä 4-mm DSR -tekniikalla tuotettua dataa.

Tämän työn ensisijainen tavoite oli tutkia modifioimattomien bitumien reologisia kylmälämpötilaominaisuuksia 4-mm DSR -tekniikalla. Lisäksi tutkittiin kylmälämpötilaominaisuuksien yhteyttä bitumin kemiallisiin ja termisiin ominaisuuksiin. Työn toissijainen tavoite oli tutkia bitumin fysikaalista vanhenemista.

Tutkimusta varten kerättiin 27 bituminäytettä, jotka olivat peräisin useista raakaöljylähteistä ja öljynjalostamoista, ja näiden näytteiden ominaisuuksia tutkittiin 4-mm DSR -tekniikalla. Bitumien kemiallisia ominaisuuksia kuvattiin geelisuodatuskromatografialla (GPC) mitattujen molekyylipaino-ominaisuuksien avulla, sekä ultravioletti-näkyvän valon spektroskopialla (UV-vis), infrapunaspektroskopialla (FT-IR) ja taitekerroinmittauksilla (RI) määritettyjen aromaattisten ominaisuuksien avulla. Bitumien termisiä ominaisuuksia, mukaan lukien niiden lasisiirtymälämpötiloja (Tg), tutkittiin differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian (DSC) avulla.

Sekä vaaka- että pystysuuntaisten siirtojen käyttö oli tarpeen kunnollisten master-käyrien aikaansaamiseksi Tg:n läheisyydessä. Vaakasiirtokertoimien lämpötilariippuvuuden huomattiin noudattavan tarkasti Kaelble-WLF-yhtälöä lämpötila-alueella Tg-30 K … Tg+115 K. Lasketut relaksaatioaikaspektrit H(tau) osoittivat siirtymän pienen mittakaavan molekulaarisista relaksaatioprosesseista suuremman mittakaavan relaksaatioprosesseihin tapahtuvan jäähdytettäessä bitumi sen Tg:n alapuolelle. Bitumin reologiset kylmälämpötilaominaisuudet pystyttiin ennustamaan melko tarkasti molekyylipaino- ja aromaattisten ominaisuuksien perusteella. Bitumin fysikaalista vanhenemista analysoitiin onnistuneesti aika-vanhenemisaika-superposition avulla, ja tämän tutkimuksen rajallisten mittaustulosten perusteella kestää noin 2-3 päivää ennen kuin tasapainotila fysikaalisen vanhenemisen suhteen saavutetaan Tg:ssa. Lisätutkimukset ovat kuitenkin tarpeen, jotta fysikaalisen vanhenemisen vaikutusta eri bitumien reologisiin kylmälämpötilaominaisuuksiin voitaisiin kunnolla arvioida.