Transcript Morfologie en het effect op eigenschappen van

Morfologie en het effect op eigenschappen van
microstructuur van bitumen en respons op
mechanische deformatie
Steven D. Mookhoek
TNO Technical Sciences
Kennispositie - kennis bitumen/asfalt
Er is veel praktische kennis aanwezig via empirische studies en
ervaringen die het mogelijk maken een hoge standaard van
wegen(bouw) te handhaven
Desalniettemin,… er is/zijn:
Beperkte dieptekennis van faalmechanismen (in de tijd)
Beperkte wetenschappelijke onderbouwing voor het doen van
voorspellingen
Onduidelijkheden hoe de risico‘s van innovaties in te schatten
Van empirie naar inzicht
Hypothese
Een materiaalmodel van asfalt dat is gebaseerd op werkelijk
fysisch/chemischl/mechanisch materiaalgedrag en -eigenschappen, zal
in staat zijn materiaalprestaties beter te voorspellen.
Het zal in staat zijn beter:
(Mechanische) prestaties te voorspellen van innovatieve materialen
en materiaalcombinaties
Asfaltsystemen en -constructies te optimaliseren
De eigenschappen van materialen vast te stellen in relatie tot
functionele eisen
Fysisch/chemisch asfaltmodel
Om inzicht te verkrijgen en een model te construeren dat in staat is de
eigenschappen van asfalt materialen te voorspellen, zo’n model
behoort te omvatten:
Faal mechanismen
Fysische eigenschappen (interacties)
Chemische interacties
Een hoog heterogeen materiaal, zoals asfalt, behoeft een complex
model dat rekening houdt met:
Probabalistiek van materiaalvariatie
Verbinden van materiaaleigenschappen over verschillende
lengteschalen
Asfalt over verschillende lengteschalen
Continuum-scale
Macroscopisch
gedrag
Asphalt-scale
Mortar-scale
Bitumen-steenslag
oppervlak interactie
Mastic-scale
Bitumen-scale
Bitumen
gedrag
AFM:
Microstructurele kenmerken in bitumen – verrassend rijk!
AFM techniek
De ‘binnenkant’ van bitumen d.m.v AFM
Optische Microscopie:
Microstructurele kenmerken in bitumen
Verschillende typen bitumen en
origines – vergelijkbare kenmerken
Midden
Oosten
REB
Q8
Noordzee
Q8, Venezuela
Tempering en afkoeling kan observatie
structurele kenmerken sterk beinvloeden
Tempering leidt tot toename in grootte van perifases aan de opp.
Snelle afkoeling leidt tot kristallisatie van paraffinische componenten.
Round-robin test voor Atomic Force Microscopy (AFM)
• Monstergrootte (gewicht): 15 - 30 mg, Bitumen film op (warmte) geleidende
monsterhouders
• Temperatuur historie: bereiding bij 110 - 130°C om het bindmiddel te ontdoen
van geschiedenis voor 15 minuten, vervolgens conditionering bij KT voor 24
hrs. alvorens te testen
• Testtemperatuur: 25°C (gecontroleerd)
• Scan snelheid: 1Hz
• Cantilever veer constante: ~ 40N/m, resonantie frequentie: ~ 300 kHz
• Beeld type: topografie en fase, grootte: 50 µm × 50 µm en 15µm × 15 µm
Temperatuursafhankelijke experimenten
45 ºC
RT
40 ºC
160 - 220
60 ºC
50 ºC
Temperatuursafhankelijke experimenten
RT
40 ºC
40 ºC
50 - 70
55 ºC
60 ºC
Verbinden van structurele veranderingen aan thermische
effecten in temperatuursafhankelijke experimenten
Fischer, H.R., Dillingh, E.C., Hermse, C.G.M. On the microstructure of
bituminous binders (2014) Road Materials and Pavement Design, 15, 1-15.
Kwantificatie van de bevochtiging op verschillende
steenoppervlakken
Verrassend resultaat:
Catana/peri-fase bevochtigt alle
oppervlakken: limestone, clay,
quartz
Kwantificatie van de bevochtiging op verschillende
steenoppervlakken
Preferentiële bevochtiging van Catana/peri-fase.
Waarschijnlijk gelinkt aan
neerslag van asfaltenen
Eerdere resultaten van
neerslag van asfaltenen op
steenoppervlakken
Aanwezigheid van asfaltenen
in Catana/peri phase
Fischer, H.R., Dillingh, E.C., Hermse, C.G.M.
(2013) Appl. Surface Sci., 265, 495-499.
Verder bewijs voor preferentiële bevochtiging van
asfaltenen op steenoppervlakken
Interactie met steenoppervlak; de
enthalpie neemt toe met het
toenemend aantal asfaltenen.
Létoffé, J.M. et al. Caractérisation de l'interaction bitume-agrégat
par microcalorimétrie isotherme (1992) Thermochimica Acta,
210, 27-40.
Microstructuur in de bulk?
AFM fase contrast opname verkregen
van de breukvlakken na breuk bij zeer
lage temperaturen van Q8 70 - 100
bitumen
Fischer, H.R., Dillingh, E.C. On the investigation of the bulk
microstructure of bitumen - Introducing two new techniques
(2014) Fuel, 118, 365-368
Acoustische Z-scan (in de diepte) toont
spherische microstructuren in de diepte met
een grootte van ca. 1 micrometer –
hoogstwaarschijnlijk kristallijne peri fase
Modellering
• Implementatie van de bitumen microstructuur in het CORE-model
Kwantificatie van de microsctructuur mechanica d.m.v.
PFT QNM - temperatuursafhankelijkheid
Catana/peri fase is harder, perpetua fase is
viskeuzer en kleverig. Hysterese in
mechanisch gedrag als functie van
temperatuur.
Fischer, H.R., Stadler, H. Erina, N. (2013)
J. Microscopy
Modelleer resultaten
Het optuigen van een
micromechanisch model door gebruik
te maken van AFM/QNM metingen en
effecten van temperatuursverandering
op de verschillende fasen.
Histogram van de bitumen’s DMT gemeten fasen moduli
20°C
CORE
20°C
FEM
Respons op deformatie
Schaalvergroting & homogenisatie van bestaande micromechanische
modellen om van bitumen naar mortelfase te gaan; door vulstoffen en cruciale
oppervlakken tussen de materialen mee te nemen.
20°C
FEM
20°C
Stijve elastische deeltjes:
anorganische vulstof/zand
Niet-lineaire
elastische
raakvlakken
Zacht visco-elastisch
organisch bindmiddel
Vertaling van deformaties over de verschillende
asfaltschalen
Ɛmacro = 1%
FEM deformatie model van asfalt mortel
Ɛmastiek = 3.8%
Ɛmortel = 7.0%
Modellering van het effect van vulstof/zand
deeltjesgrootte, concentratie, vorm op de (mechanische)
eigenschappen van mortels.
Ɛbitumen = 11.5%
Dank aan:
Bert Dillingh, Erica Coenen, Dave van Vliet, Greet Leegwater
en
voor materialen,
Patrick Markus, Hartmut Stadler en Natalia Erina voor ondersteuning
en PFT QNM,
RILEM technical committee (TC) t.b.v. nano-bitumineuze
materialen NBM 231 en voor discussies,
Voor financiele ondersteuning.