Rheological Benchmarking of GTR-Modified Asphalt Binder as a Sustainable Alternative to SBS Modification

Technische Samenvatting: Rheologische Benchmarking van GTR-gemodificeerd Asfaltbindmiddel

Probleemstelling
Styreen-butadieen-styreen (SBS) is een veelgebruikt op aardolie gebaseerd thermoplastisch elastomeer voor het modificeren van bitumen om de rheologische eigenschappen te verbeteren, specifiek door de weerstand tegen scheurvorming en spoorvorming onder zwaar verkeer en uitdagende omgevingsomstandigheden te verhogen. SBS is echter een gepatenteerd product met hoge kosten die constructieprojecten aanzienlijk kunnen verhogen. Daartegenover staat Grondstof van Gebruikte Banden (GTR), afkomstig van afgedankte banden, dat een duurzaam en kosteneffectief alternatief biedt dat de prestaties van asfalt verbetert en de levenscyclus-broeikasemissies vermindert. Ondanks deze potentiële voordelen hebben GTR-gemodificeerde bindmiddelen in bepaalde regio's nog geen brede toepassing gevonden, deels door een beperkt empirisch begrip van hoe hun prestatiekenmerken zich verhouden tot gevestigde SBS-gemodificeerde bindmiddelen. Er is een gebrek aan vergelijkend onderzoek dat GTR benchmarkt tegenover SBS om te bepalen of GTR een levensvatbaar substituut kan zijn in hoogwaardige wegverhardingen.

Methodologie
De studie had als doel een optimaal GTR-dosering voor een AC-20 gradatie asfaltbindmiddel te identificeren dat rheologische kenmerken oplevert die vergelijkbaar zijn met commerciële SBS-gemodificeerde bindmiddelen.

• Materialen: De onderzoekers gebruikten een AC-20 basisbitumen. GTR werd geproduceerd uit een zes jaar oude schroot Yokohama-band, verwerkt in deeltjes variërend van 75 µm tot 300 µm. Commerciële SBS-gemodificeerde bindmiddelen met 1%, 2% en 3% SBS (overeenkomend met Superpave-gradaties PG 70-22, PG 76-22 en PG 82-22) dienden als controles.
• Bereiding: GTR werd gemengd met de AC-20 bitumen bij doseringen van 2% tot 12% (in stappen van 2%) met behulp van een hogesnelheidsschakelsmixer (5000 rpm gedurende 45 minuten), gevolgd door een digestieperiode bij 165°C gedurende 2 uur.
• Conditionering: Monsters ondergingen Superpave verouderingsconditionering, inclusief Rolling Thin Film Oven (RTFO) voor kortetermijnveroudering en Pressure Aging Vessel (PAV) voor langetermijnveroudering.
• Testen: Rheologische karakterisering werd uitgevoerd volgens AASHTO- en ASTM-standaarden:
  • Weerstand tegen spoorvorming: Geëvalueerd met de Dynamic Shear Rheometer (DSR) voor de complexe afschuifmodulus ($|G^*|/\sin\delta$) op onverouderde en RTFO-verouderde monsters, en de Multiple Stress Creep Recovery (MSCR)-test (AASHTO M332) om de niet-reproduceerbare kruipcompliantie ($J_{nr}$) en stressgevoeligheid te bepalen.
  • Vermoeidheidscheuren: Beoordeeld via DSR op PAV-verouderde monsters met de vermoeidheidsparameter ($|G^*|\cdot\sin\delta$).
  • Thermische scheurvorming: Geëvalueerd met de Bending Beam Rheometer (BBR) om stijfheid ($S$) en de snelheid van stijfheidsverandering ($m$-waarde) te meten.
  • Chemische Analyse: Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopie werd uitgevoerd om moleculaire structurele veranderingen of chemische interacties te detecten.

Belangrijkste Resultaten

• Weerstand tegen spoorvorming: Een toenemend GTR-dosering verbeterde de weerstand tegen spoorvorming. Bij 70°C voldeden de 10% (G10) en 12% (G12) GTR-gemodificeerde bindmiddelen aan de Superpave-spoorvormingseis voor onverouderde bindmiddelen, waarbij ze vergelijkbaar presteerden met de SBS-gemodificeerde bindmiddelen. In MSCR-tests op RTFO-verouderde monsters bereikten G10 en G12 de "Extreme" (E) verkeersbelastingsgraden, vergelijkbaar met alle SBS-controles. Echter, G12 vertoonde een $J_{nr}$-verschil van 99,57%, wat de drempel van 75% voor stressgevoeligheid overschreed, wat duidt op potentiële instabiliteit. G10 behield een acceptabel $J_{nr}$-verschil (50,60%) terwijl het aan de Extreme verkeiseisen voldeed.
• Vermoeidheidsscheuren: GTR-modificatie verminderde consistent de vermoeidheidsparameter ($|G^*|\cdot\sin\delta$), wat wijst op een verbeterde vermoeidheidsweerstand. Bij 31°C vertoonde het G10-bindmiddel een reductie van 124,9% in de vermoeidheidsparameter vergeleken met het 1% SBS-bindmiddel (PG 70-22). G10 voldeed succesvol aan de Superpave-scheurcriteria bij 22°C, terwijl de 1% en 2% SBS-bindmiddelen faalden.
• Thermische scheurvorming: Het G10-bindmiddel vertoonde een lagere stijfheid (98 MPa) en een gunstige $m$-waarde (0,36) vergeleken met het 1% SBS-bindmiddel (156 MPa stijfheid, 0,34 $m$-waarde). Deze combinatie suggereert verbeterde flexibiliteit en spanningsrelaxatie, wat leidt tot een betere weerstand tegen thermische scheurvorming dan de SBS-controles.
• Chemische Interactie: FTIR-analyse toonde geen detecteerbare chemische veranderingen of nieuwe functionele groepen in de GTR-gemodificeerde bindmiddelen vergeleken met het basisbindmiddel. De prestatieverbeteringen werden toegeschreven aan fysieke interacties, zoals deeltjesdispersie en zwelling, in plaats van chemische modificatie.

Conclusies en Betekenis
De studie concludeert dat een GTR-dosering van 10% (G10) de optimale inhoud vormt voor het modificeren van AC-20 bindmiddel. Deze dosering biedt een evenwichtige verbetering in weerstand tegen spoorvorming, vermoeidheidscheuren en thermische scheurvorming, waarbij het effectief wordt afgezet tegen een 1% SBS-gemodificeerd bindmiddel (PG 70-22). Hoewel 12% GTR een vergelijkbare weerstand tegen spoorvorming bood, maakt de hoge stressgevoeligheid 10% de praktische bovengrens.

De betekenis van dit onderzoek ligt in het aantonen van de haalbaarheid van het gebruik van GTR als een duurzaam alternatief voor SBS. De bevindingen suggeren dat GTR-modificatie rheologische kenmerken kan bereiken die vergelijkbaar zijn met of beter zijn dan laag-gedoseerde SBS-modificatie zonder chemische alteratie van het bindmiddel. Dit biedt een pad om constructiekosten te verlagen en afgedankte banden uit stortplaatsen te weren, terwijl hoge prestatiestandaarden voor wegverhardingen worden gehandhaafd. De auteurs merken op dat hoewel 10% in deze specifieke studie als optimaal werd bepaald, praktische toepassingen experimentele bepaling kunnen vereisen op basis van lokale materiaalingangen.