Adhesion between mineral aggregate and bitumen

Abstract

Adhesion between mineral aggregate and bitumen is a significant mechanism that affects the stiffness, water resistance, and service life of asphalt pavement. The quality of the asphalt mixture used in asphalt pavement can weaken considerably due to insufficient adhesion. Poor adhesion degrades the long-term durability of asphalt pavement and leads to premature wear. To ensure the stability of the asphalt pavement, there must be a sufficient attractive force between the binder and aggregate grains. In this thesis project, the formation of adhesion between bitumen and mineral aggregate was explored, and the most essential factors that influence adhesion properties were reported. The study is based on both Finnish and foreign sources. In addition to the literature review, a laboratory test series was performed to analyse the water resistance of different bituminised aggregates using the rolling bottle experiment and bitumen coverage using the Fiji image processing program. Based on the literature review, it can be noticed that the mineral composition of aggregate, surface properties, additives, and bitumen affect the adhesion properties of materials. Granitic and siliceous rocks, as well as aggregates containing albite, anorthite, quartz, and feldspar minerals, have a negative influence on adhesion. Additionally, adhesion weakens as the amount of silica and potassium oxide increases, whereas aggregates largely containing aluminium, magnesium, calcium oxides, and iron improve adhesive properties. The roughness of aggregate, surface texture, and surface energy also influence the adhesion mechanism. Clean and rougher grains adhere to the bitumen effectively when their surface does not have large pores where adhesion can be lacking. If the surface of the mineral aggregate is smooth and clean, sufficient adhesion may be achieved; however, the bitumen can also easily detach due to the smooth surface. Adhesion between bitumen and aggregate can be improved by various additives. Additives such as amines, polyamines, amidoamines, and organosilanes enhanced the adhesive properties of silica aggregate surfaces. Naphthenates and SBS polymer promote better adhesion by increasing water and moisture resistance. Two additives are more commonly used in Finland: diamines, which displace water, and cellulose fibres, which improve the stiffness of the asphalt mixture. The penetration grade of bitumen does not have a significant influence on adhesion properties; the difference between lower and higher penetration is slight. In the case of high viscosity, bitumen can contribute to better adhesion through good coverage of aggregate grains and water resistance. The chemical composition of bitumen can also affect adhesion, so the origin of the binder should be determined. Adhesiveness can be better when the compositions of mineral aggregate and bitumen have largely oppositely charged chemical elements and compounds. For example, a binder containing positively charged elements adheres more strongly to the surface of the aggregate, which has a lot of negatively charged compounds. The laboratory test series was an important part of the adhesion study and observation of bitumen coverage degrees. Two different bituminised aggregates were tested. The water resistance of both granitic samples, which contained high amounts of quartz and potassium feldspar, was poor when assessed based on the determination of bitumen coverage performed after 24 hours of the rolling bottle test using the image processing program. The degrees of bitumen coverage were also compared visually. As a conclusion of the analysis, it can be noted that the rolling bottle test may be better suited for assessing adhesive properties if image processing analysis is used in addition to visual evaluation.

Kiviaineksen ja bitumin välinen tartunta on merkittävä mekanismi, joka vaikuttaa asfalttipäällysteen jäykkyyteen, vedenkestävyyteen ja käyttöikään. Asfalttipäällysteessä käytettävän asfalttimassan laatu voi heikentyä huomattavasti riittämättömän tartunnan vuoksi. Huono tartunta heikentää asfalttipäällysteen pitkäaikaiskestävyyttä ja aiheuttaa ennenaikaista kulumista. Sideaineen ja kiviainesrakeiden välillä tulee olla riittävä vetovoima, jotta voidaan varmistaa asfalttipäällysteen pysyvyys. Diplomityössä perehdyttiin bitumin ja kiviaineksen välillä muodostuvaan tartuntaan ja selvitettiin tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat tarttuvuusominaisuuksiin. Tutkimus perustuu sekä suomalaisten että ulkomaalaisten lähteiden hyödyntämiseen. Kirjallisuusselvityksen lisäksi suoritettiin laboratoriokoesarja, jossa analysoitiin erilaisten bitumilla pinnoitettujen kiviainesrakeiden vedenkestävyyttä rullapullokokeella ja bitumin peittoastetta Fiji-kuvankäsittelyohjelmalla. Kirjallisuusselvityksen perusteella havaittiin, että kiviaineksen mineraalikoostumuksella, pintaominaisuuksilla, lisäaineilla ja bitumilla on vaikutusta materiaalien tarttuvuusominaisuuksiin. Graniittiset, piipitoiset kivet, ja kiviainekset, jotka sisältävät albiitti-, anortiitti-, kvartsi- ja maasälpämineraaleja, vaikuttavat negatiivisesti tartuntaan. Lisäksi tartunta heikentyy piidioksidin ja kaliumoksidin määrän kasvaessa, kun taas runsaasti rautaa, alumiini-, magnesium- ja kalsiumoksidia sisältävä kiviaines parantaa tarttuvuusominaisuuksia. Myös kiviaineksen karkeus, pinnan rakenne ja pintaenergia vaikuttavat tarttuvuusmekanismiin. Puhtaat ja karkeammat rakeet tarttuvat bitumiin tehokkaasti siinä tapauksessa, että niiden pinnassa ei ole suuria huokosia, joissa adheesio voi olla puutteellinen. Jos kiviaineksen pinta on puhdas ja sileä, voidaan saavuttaa riittävä tartunta, mutta bitumi voi myös irrota helposti sileän pinnan vuoksi. Eri lisäaineilla voidaan parantaa bitumin ja kiviaineksen välistä tartuntaa. Lisäaineet kuten amiinit, polyamiinit, amidoamiinit ja organosilaanit paransivat piidioksidia sisältävän kiviainespinnan tarttuvuusominaisuuksia. Naftenaatit ja SBS-polymeeri voivat edistää parempaa tartuntaa tehostamalla veden- ja kosteudenkestävyyttä. Suomessa käytetään useammin kahta lisäanetta: vettä syrjäyttäviä diamiineja ja asfalttimassan jäykkyyttä parantavia selluloosakuituja. Bitumin tunkeumaluokalla ei ole merkittävää vaikutusta tarttuvuusominaisuuksiin; ero pienemmän ja suuremman tunkeuman välillä on vähäinen. Korkean viskositeetin tapauksessa bitumi voi edistää parempaa tartuntaa hyvän kiviainesrakeiden peittävyyden ja vedenkestävyyden ansiosta. Bitumin kemiallinen koostumus voi myös vaikuttaa tartuntaan, joten sideaineen alkuperä on selvitettävä. Tarttuvuus voi olla parempi, kun kiviaineksen ja bitumin koostumuksissa on runsaasti vastakkaisesti varautuneita alkuaineita ja yhdisteitä. Esimerkiksi positiivisesti varautuneita alkuaineita sisältävä sideaine tarttuu vahvemmin kiviaineksen pintaan, jossa on paljon negatiivisesti varautuneita yhdisteitä. Laboratoriokoesarja oli tärkeä osa tartunnan tutkimusta ja bitumin peittoasteen tarkkailua. Testattavana oli kaksi bitumilla pinnoitettua kiviainesta. Molempien graniittisten, runsaasti kvartsia ja kalimaasälpää sisältäneiden näytteiden vedenkestävyys oli huono, kun sitä arvioitiin 24 tunnin rullapullokoenäytteille kuvankäsittelyohjelmalla tehdyn bitumipeittävyysmäärityksen perusteella. Bitumin peittoasteita vertailtiin myös visuaalisesti. Analyysin päätelmänä voidaan todeta, että rullapullokoe voisi soveltua paremmin tartuntaominaisuuksien arviointiin, jos visuaalisen arvioinnin lisäksi käytetään kuvankäsittelyanalyysiä.