Investigating the ageing process of polymer modified bitumen using a modified Thin-Film Oven Test in the aspect of recycling purpose

• Autorzy: Farid Miftah , Król Jan

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.023.020

Warianty tytułu

PL

Badanie procesu starzenia asfaltu modyfikowanego polimerami przy zastosowaniu zmodyfikowanej metody cienkiej warstwy w aspekcie recyklingu

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Polymer Modified Bitumen (PMB) is a widely used material for road construction. Commonly, PMBs are produced by mixing bitumen with various types of Styrene- Butadiene–Styrene (SBS) copolymers and, if necessary, with another additive such as a cross-linking agent to improve the material’s performance. The ageing process of PMBs is more complex than unmodified bitumen due to molecular interactions between the bitumen and the polymer. Previous studies suggest that the polymer modifier dominates the chemical degradation of PMBs during short-term ageing, while long-term ageing is dominated by bitumen oxidation. As a result, RAP containing PMB as its binder still contains polymer in its chemical composition, emphasizing the need for a comprehensive understanding of the ageing process of PMBs. In current practice, RAP is heated before being mixed with virgin materials to allow reactivation of its aged binder. This study proposes a modified Thin-Film Oven Test (TFOT) as an ageing simulation method, with variations in time and temperature to simulate ageing during the RAP mixing process. The bitumen oxidation phenomenon mostly dominates the ageing process. From quantitative indices analysis, under short duration and lower temperature conditions, the polymer degradation helps to resist ageing shortly. Moreover, the DSR test shows that ageing caused the PMB to increase in complex modulus while decreasing in phase angle, indicating hardening and shifting toward more elastic behaviour. The most prominent effect of ageing can be observed at lower test temperature for phase angle and higher test temperature for complex modulus. Generally, the ageing conditions’ temperature has a more significant role in dictating the ageing effect on PMB than the duration.

PL

Asfalt modyfikowany polimerami (PMB) to szeroko stosowany materiał do budowy dróg. Powszechnie asfalt modyfikowany polimerami wytwarzany jest poprzez mieszanie bitumu z różnymi rodzajami kopolimerów styrenowo-butadienowo-styrenowych (SBS) oraz, w razie potrzeby, z innym dodatkiem, takim jak środek sieciujący, w celu poprawy wydajności materiału. Proces starzenia asfaltów modyfikowanych polimerami jest bardziej złożony niż niemodyfikowanego asfaltu ze względu na interakcje molekularne między asfaltem a polimerem. Wcześniejsze badania sugerują, że modyfikator polimeru dominuje w degradacji chemicznej asfaltów modyfikowanych polimerami podczas starzenia krótkoterminowego, podczas gdy starzenie długoterminowe jest zdominowane przez utlenianie bitumu. W rezultacie destrukt asfaltowy zawierający asfalt modyfikowany polimerami jako spoiwo nadal zawiera polimer w swoim składzie chemicznym, co podkreśla potrzebę kompleksowego zrozumienia procesu starzenia asfaltów modyfikowanych polimerami. W obecnej praktyce destrukt asfaltowy jest podgrzewany przed zmieszaniem z materiałami pierwotnymi, aby umożliwić reaktywację jego starzejącego się spoiwa. W niniejszym badaniu zaproponowano metodę cienkiej warstwy (TFOT) jako metodę symulacji starzenia, ze zmianami czasu i temperatury w celu symulacji starzenia podczas procesu mieszania destruktu asfaltowego. Zjawisko utleniania bitumu przeważnie dominuje w procesie starzenia. Z analizy wskaźników ilościowych wynika, że w warunkach krótkiego czasu trwania i niższej temperatury degradacja polimeru pomaga w krótkim czasie ograniczyć proces starzenia. Co więcej, badanie DSR wykazało, że starzenie spowodowało wzrost złożonego modułu asfaltu modyfikowanego polimerami przy jednoczesnym zmniejszeniu kąta fazowego, co wskazuje na utwardzenie i przesunięcie w kierunku bardziej elastycznego zachowania. Najbardziej widoczny efekt starzenia można zaobserwować w niższej temperaturze testowej dla kąta fazowego i wyższej temperaturze testowej dla modułu zespolonego. Ogólnie rzecz biorąc, temperatura warunków starzenia odgrywa bardziej znaczącą rolę w dyktowaniu wpływu starzenia na asfalt modyfikowany polimerami niż czas jego trwania.

Słowa kluczowe

EN

polymer modified bitumen; recycling; RAP; ageing; FTIR

PL

asfalt modyfikowany polimerami; recykling; destrukt asfaltowy; starzenie; FTIR

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 22, no. 4
• Strony: 379--386
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Farid Miftah

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-5555-3073

autor

Król Jan

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-8728-3530

Bibliografia

• 1. Sabadra V.: Use of polymer modified bitumen in road construction. International Research Journal of Engineering and Technology, 4, 12, 2017, 799–801
• 2. Zhang J., Huang W., Zhang Y., Yan C., Lv Q., Guan W.: Evaluation of the terminal blend crumb rubber/SBS composite modified asphalt. Construction and Building Materials, 278, 2021, 122377, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122377
• 3. McNally T.: Introduction to polymer modified bitumen (PmB). In: McNally T. (ed.): Polymer Modified Bitumen, Woodhead Publishing, 2011, 1–21, DOI: 10.1533/9780857093721.1
• 4. Bíró S., Fazekas B.: Asphalt rubber versus other modified bitumens, 2012, api.semanticscholar.org/CorpusID:201858741
• 5. Ge D., Yan K., You L., Wang Z.: Modification mechanism of asphalt modified with Sasobit and Polyphosphoric acid (PPA). Construction and Building Materials, 143, 2017, 419–428, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.03.043
• 6. Honarmand M., Tanzadeh J., Beiranvand M.: Bitumen and Its Modifier for Use in Pavement Engineering. In: Hemeda S. (ed.): Sustainable Construction and Building Materials, IntechOpen, London, 2019, DOI: 10.5772/intechopen.82489
• 7. Wang S., Huang W.: Investigation of ageing behavior of terminal blend rubberized asphalt with SBS polymer. Construction and Building Materials, 267, 2021, 120870, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120870
• 8. Jew P., Shimizu J.A., Svazic M., Woodhams R.T.: Polyethlene-modified bitumen for paving applications. Journal of Applied Polymer Science, 31, 8, 1986, 2685–2704, DOI: 10.1002/app.1986.070310824
• 9. Liang Z.-Z., Woodhams R., Wang Z., Harbinson B.: Utilization of Recycled Polyethylene in the Preparation of Stabilized, High Performance Modified Asphalt Binders. In: Waller H. (ed.): Use of Waste Materials in Hot-Mix Asphalt, ASTM International, 1993, DOI: 10.1520/STP19851S
• 10. Yu J.-Y., Feng Z.-G., Zhang H.-L.: Ageing of polymer modified bitumen (PMB). In: McNally T. (ed.): Polymer Modified Bitumen, Woodhead Publishing, 2011, DOI: 10.1533/9780857093721.2.264
• 11. Xing C., Liu L., Sheng J.: A new progressed mastic ageing method and effect of fillers on SBS modified bitumen ageing. Construction and Building Materials, 238, 2020, 117732, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117732
• 12. Yan C., Huang W., Tang N.: Evaluation of the temperature effect on Rolling Thin Film Oven ageing for polymer modified asphalt. Construction and Building Materials, 137, 2017, 485–493, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.01.135
• 13. Tian Y., Li H., Zhang H., Yang B., Zuo X., Wang H.: Comparative investigation on three laboratory testing methods for short-term ageing of asphalt binder. Construction and Building Materials, 266, 2021, 121204, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121204
• 14. Mallick R.B., Brown E.R.: An evaluation of superpave binder ageing methods. International Journal of Pavement Engineering, 5, 1, 2004, 9–18, DOI: 10.1080/10298430410001720774
• 15. Airey G.D.: Factors affecting the rheology of polymer modified bitumen (PMB). In: McNally T. (ed.): Polymer Modified Bitumen, Woodhead Publishing, 2011, DOI: 10.1533/9780857093721.2.238
• 16. Xu S., Yu J., Zhang C., Sun Y.: Effect of ultraviolet ageing on rheological properties of organic intercalated layered double hydroxides modified asphalt. Construction and Building Materials, 75, 2015, 421–428, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.11.046
• 17. Subhy A., Pires G.M., Lo Presti D., Airey G.: The effects of laboratory ageing on rheological and fracture characteristics of different rubberized bitumens. Construction and Building Materials, 180, 2018, 188–198, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.273
• 18. Tarsi G., Varveri A., Lantieri C., Scarpas A., Sangiorgi C.: Effects of different ageing methods on chemical and rheological properties of bitumen. Journal of Materials in Civil Engineering, 30, 3, 2018, 04018009, DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002206
• 19. Petersen J.C.: Transportation Research Circular E-C140. A review of the fundamentals of asphalt oxidation: chemical, physicochemical, physical property, and durability relationships. Transportation Research Board, Washington, 2009, https://www.trb.org/Publications/Blurbs/162366.aspx
• 20. Singh B., Saboo N., Kumar P.: Use of Fourier transform infrared spectroscopy to study ageing characteristics of asphalt binders. Petroleum Science and Technology, 35, 16, 2017, 1648–1654, DOI: 10.1080/10916466.2017.1350710
• 21. Yan C., Huang W., Ma J., Xu J., Lv Q., Lin P.: Characterizing the SBS polymer degradation within high content polymer modified asphalt using ATR-FTIR. Construction and Building Materials, 233, 2020, 117708, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117708
• 22. Nivitha M.R., Prasad E., Krishnan J.M.: Ageing in modified bitumen using FTIR spectroscopy. International Journal of Pavement Engineering, 17, 7, 2016, 565–577, DOI: 10.1080/10298436.2015.1007230
• 23. Branthaver J.F., Petersen J.C., Robertson R.E., Duvall J.J., Kim S.S., Harnsberger P.M., Mill T., Ensley E.K., Barbour F.A., Schabron J.F.: Binder Characterization and Evaluation Vol. 2: Chemistry. Strategic Highway Research Program, National Academy of Sciences, Washington 1993
• 24. Polacco G., Berlincioni S., Biondi D., Stastna J., Zanzotto L.: Asphalt modification with different polyethylene-based polymers. European Polymer Journal, 41, 12, 2005, 2831–2844, DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2005.05.034
• 25. Wilson A., Fuchs G., Scramoncin C., Martin D., Planche J.P.: Localization of the polymer phase in bitumen/polymer blends by field emission cryo-scanning electron microscopy. Energy & Fuels, 14, 3, 2000, 575–584, DOI: 10.1021/ef9902303
• 26. Yousefi A.A.: Polyethylene dispersions in bitumen: The effects of the polymer structural parameters. Journal of Applied Polymer Science, 90, 12, 2003, 3183–3190, DOI: 10.1002/app.12942
• 27. Xiaohu L., Yohann T., Redelius P.: Ageing of bituminous binders – laboratory tests and field data. E&E Congress, Copenhagen, 2008, DOI: 10.13140/2.1.4101.2487
• 28. Liu M., Ferry M.A., Davison R.R., Glover C.J., Bullin J.A.: Oxygen uptake as correlated to carbonyl growth in aged asphalts and asphalt corbett fractions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 37, 12, 1998, 4669–4674, DOI: 10.1021/ie980450o
• 29. Lu X., Isacsson U.: Chemical and rheological evaluation of ageing properties of SBS polymer modified bitumens. Fuel, 77, 9–10, 1998 961–972, DOI: 10.1016/S0016-2361(97)00283-4
• 30. Yan C., Huang W., Lin P., Zhang Y., Lv Q.: Chemical and rheological evaluation of ageing properties of high content SBS polymer modified asphalt. Fuel, 252, 2019, 417–426, DOI: 10.1016/j.fuel.2019.04.022

Uwagi

An extended version of the article from the Conference ‟Modern Road Pavements – MRP’2023” – Recycling in road pavement structures co-edited by Martins Zaumanis and Marcin Gajewski, published in frame of the Ministry of Education and Science project No. RCN/SP/0569/2021/1.