1.1 Råvarer til produksjon av asfalt

Destillasjon av råolje

Asfalt

Asfalt består av to hovedkomponenter: bindemiddel og steinmaterialer. Bindemiddelet er vanligvis bitumen som utvinnes fra råolje, og steinmaterialet er vanligvis knust fjell av en hard bergart. En asfaltmasse består normalt av 94–95 vektprosent steinmaterialer og 5–6 vektprosent bindemiddel. På grunn av at bindemiddelet har lavere densitet (massetetthet, egenvekt) enn steinmaterialet, utgjør bindemiddelet en volumandel på rundt 15 prosent.

Bindemiddelet gir asfalten mange av dens egenskaper, som motstand mot deformasjoner, motstand mot oppsprekking og evnen til å føye seg etter underlaget. Asfalt er et fleksibelt materiale på grunn av bindemiddelet. Dette i motsetning til et betongdekke, som til sammenlikning er et stivt materiale. Et asfaltdekke blir mykt ved høye temperaturer og stivt ved lave temperaturer.

Betong kan benyttes som dekke, men krever helt fast grunn uten bevegelser. De fleste veier vil ha bevegelser, spesielt i teleløsningsperioder om våren. Det tar lengre tid å støpe et betongdekke og la det herde før bruk enn å legge et asfaltdekke og la det avkjøle. Tid spiller ofte en stor rolle når trafikkerte areal skal få nytt dekke. På noen plasser med høy statisk belastning vil betong være mer egnet enn asfalt fordi styrken er god ved alle temperaturer.

Steinmaterialet, også kalt tilslag, er skjelettet i asfaltdekket. Hardheten på steinmaterialet har betydning for slitasjemotstand, spesielt motstand mot piggdekkslitasje.

Råolje Gass

Bensin

Petroleum

Oljer

Bitumenprodukter A vtagende kokepunkt

De råvarene vi benytter, er for det meste ikke-fornybare ressurser, og derfor er det et ønske å benytte asfalten flere ganger gjennom gjenbruk av returasfalt.

Gammel, brukt asfalt er en råvare for produksjon av ny asfalt. Asfaltflak blir knust og siktet til et asfaltgranulat, som så tilsettes i produksjon av ny asfaltmasse. Foto: Roar Telle

Pukkverk i en fjellforekomst. Fjellet sprenges, knuses og siktes til ulike sorteringer, som blant annet benyttes som tilslag i asfalt. Foto: Nordic Bulk AS

Bindemiddelet er limet i asfaltmassen. Hvor godt bindemiddelet fester seg til steinmaterialet, har stor betydning for asfaltens levetid, blant annet for hvor god motstand asfalten har overfor nedbrytning fra vann og frost. God vedheft mellom bindemiddel og steinmateriale er av stor betydning for holdbarheten av et asfaltdekke. Fordi både bitumen og tilslag varierer i sammensetning, vil ikke vedheften mellom dem være konstant over tid. Det er vanlig å tilsette hjelpestoffer som bedrer vedheften mellom bindemiddel og steinmateriale – gjerne kalt vedheftsmidler. Normalt benyttes amin som vedheftsmiddel i Norge.

Et annet hjelpestoff som kan tilsettes i asfalt, er fiber. Fiber tilsettes for å holde bedre på bindemiddelet i massetyper med mye grov stein, slik at bindemiddelet ikke renner av og gir inhomogen masse. Det er ønskelig med like tykk bindemiddelfilm på alle steiner. Det vanligste i Norge er å benytte fiber av cellulose.

Gamle asfaltdekker kan benyttes som råvare i ny asfaltmasse. Gammel asfalt som er frest eller knust og siktet, kan benyttes som råvare i ny asfalt og kalles da resirkulert asfalt.

Det finnes andre materialer som kan benyttes i asfalt, som erstatning enten for bitumen eller for steinmaterialer. Hvis disse materialene er gjenbruk av andre materialer enn asfalt, er det viktig at de ikke har negative effekter på arbeidsmiljø eller det ytre miljø (forurensning). Bruken av slike materialer må ikke være til hinder for at asfalten senere kan gjenbrukes som resirkulert asfalt i produksjon av ny asfalt. Eksempler på materialer som er brukt som råvarer i asfaltproduksjon i andre land, er slagg fra produksjon av metaller, oppmalt takbelegg, glass og oppmalte bildekk. I Norge har vi til nå vært restriktive med tilsetting av disse typer materialer.

Steinmaterialer

Steinmaterialets kornform (kubisk, flisig, stenglig). I asfalt bør ikke materialet være så flisig eller stenglig at steinkornene knuses ved belastning i asfaltdekket.

4,0

lengde tykkelse

lStenglighet t 3,0

2,5

2,0

1,0 Steinmaterialer til asfalt er for det meste knust fjell, men kan også være naturgrus. Naturgrus er materialer som naturen selv har knust ned og samlet ved hjelp av vann eller is. Naturgrus har slitte og avrundete steinkorn; det gjør asfalt med naturgrus mindre stabil enn om det bare benyttes knuste korn (knust fjell). En liten mengde naturgrus i asfaltmassen kan gjøre asfaltmassen mer bearbeidbar, slik at den er lettere å legge ut for hånd med et pent resultat. Knust grus er en blanding av naturlige korn og større stein som er knust ned. Knust fjell er materialer som er sprengt ut, knust ned og sortert i et knuseverk, ofte kalt pukkverk. Hvilken bergart som er knust, bestemmer mange av egenskapene til steinmaterialet, blant annet hvor hard steinen er. Framstillingsprosessen kan påvirke hvordan kornformen blir. I asfalt er det ønskelig med steinmaterialer som ikke blir ytterligere knust ned etter at asfalten er produsert. Dette for at det ikke skal oppstå bruddflater uten bindemiddel hvor vann kan trenge inn. Materialet bør derfor være ganske kubisk (terningformet) for å motstå videre nedknusing, men ikke så kubisk at massen blir ustabil. Etter at steinmaterialet er Meget stenglig Flisig knust, blir det siktet og sorog tert. En sortering betegnes d/D meget stenglig hvor d er minste steinstørrelse og D er største steinstørrelse. For eksempel er sortering 4/8 et steinmateriale mellom 4 og 8 mm. En sortering er en handelsbetegnelse, og noe underog overstørrelse er tillatt. Det følger gjerne med noe overstørrelse, det vil si materiale som er litt større enn 8 mm (normalt tillatt 15 %) og understørrelse, det vil si materiale som er mindre enn 4 mm (normalt tillatt 20 %). For en produsent av asfalt er det viktig at andelen over og understørrelse ikke varierer for mye.

Meget stenglig og meget flisig Stenglig Flisig og Stenglig og meget flisig stenglig Kubisk Flisig Meget flisig 1,45 1,60 3,0

Flisighet b = bredde t tykkelse

Til analyser av steinmaterialer benyttes en helt rensiktet fraksjon, for eksempel 4,0 til 8,0 mm, som kun inneholder materiale mellom 4,0 og 8,0 mm.

FNs bærekraftsmål

STOPPE KLIMAENDRINGENE

Frakt av steinmaterialer gir stort utslipp av klimagasser. Det er derfor ønskelig at det benyttes en lokal steinmaterialprodusent der det er mulig.

Steinmaterialet skal være hardt for å motstå slagpåkjenning, og seigt for å motstå slitasje, og steinoverflaten skal ikke bli for glatt (polering) slik at det blir dårlig friksjon mellom asfalt og kjøretøy. I noen tilfeller betyr det også noe hvilken farge eller lyshet bergarten har. I Norge har vi bergarter av ulik kvalitet, og noen ganger må tilslag til asfalt fraktes langt for at vi skal kunne få lagt asfalt med de ønskede egenskaper.

Krav til steinmaterialer

Krav til steinmaterialer finner vi i for eksempel Statens vegvesens håndbok N200 Vegbygging, som benyttes i de fleste kontrakter for asfaltering på offentlig vei. Kravene er basert på den europeiske standarden NSEN 13043. Norge er gjennom avtale med EU forpliktet til å følge europeiske standarder.

EUs byggevareforordning stiller krav om at tilslag til byggeformål skal CEmerkes. Produsenten skal utføre en «typeprøving» av tilslaget, som danner grunnlaget for en «ytelseserklæring» som forteller hvilke egenskaper tilslaget har. I Norge har Direktoratet for byggkvalitet bestemt at produksjon av tilslag til asfalt og betong skal sertifiseres av tredjepart. Alle steinmaterialeprodusenter som skal levere tilslag til asfalt, må være sertifisert.

Øvrige steinmaterialer, som benyttes i ubunden form til oppbygging av veier og plasser, trenger ikke en sertifisering, men skal CEmerkes.

Analysene som benyttes til testing og kontroll av steinmaterialer, er europeiske standarder.

I Norge er det ulike krav til mekanisk styrke på steinmaterialet, avhengig av trafikkmengden på den veien hvor asfalten skal benyttes.

For å teste om et steinmateriale kan anvendes i en asfalttype, må følgende analyser gjennomføres: → bestemmelse av korngradering (siktekurve) → bestemmelse av densitet → testing av kornform (flisighetsindeks, FI) → testing av mekanisk styrke – Los Angelesverdi, LA (slagmotstand) – Kulemølleverdi, AN (motstand mot piggdekkslitasje) – MicroDeval, MDE (slitasjemotstand) – Andel knuste korn (stabilitet)

Sikting av steinmateriale, sortering 0/16. Materialet helles i en siktesats som består av sikter med mindre og mindre åpninger nedover i satsen. Slik deles et steinmateriale opp i forskjellige fraksjoner med ulik størrelse.

16,0

11,2

8,0

4,0

2,0

1,0

0,5

0,250

0,125

0,075

Filler 110 g

140 g

170 g

180 g

120 g

70 g

50 g

30 g

30 g

20 g

80 g

Korngradering

Korngraderingen i en asfaltmasse er som regel sammensatt av flere sorteringer. Den øvre steinstørrelsen i asfaltmasser er som regel 8 mm, 11 mm eller 16 mm. Også 4 mm og 22 mm er av og til benyttet.

Det fineste steinmaterialet som benyttes, kalles filler. Det er et materiale hvor det meste er mindre enn 0,063 mm (63 μm).

Korngradering

Testet i henhold til Identifikasjon av prøven Dato mottatt/uttatt Lab pr. nr. Produktliste Prosjekt Merknad Prøveuttak

Metode (angi) Materialet tilregnes bruk etter standard: NS-EN 13043

NS-EN 933-1 0/16 mm GTC20 30.06.2021 Forekomst Grustaket Operatør Ola Normann Dato utført 30.06.2021 Lastrada pr. nr. 67 Uttak i Kunde

X Vasking og sikting Tørsikting

Overstørrelse: 11,0 Understørrelse:

Sikteåpning (mm)

63 31,5 22,4 16 11,2 8 4 2 1 0,5 0,25 0,125 0,063 <0,063 På sikt, akumulert (g)

110,0 250,0 420,0 600,0 720,0 790,0 840,0 870,0 900,0 920,0 80,0 Prosentandel (%)

11,0 14,0 17,0 18,0 12,0 7,0 5,0 3,0 3,0 2,0 8,0

Akumulert Prosentandel (%)

100,0 89,0 75,0 58,0 40,0 28,0 21,0 16,0 13,0 10,0 8,0 Min (%)

100,0 98,0 85,0 Max (%)

100,0 99,0

Samfengt tilslag 0/16

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0,063 99 100 98 100

85

0

31,6 63

Sikting av en materialprøve og en typisk kornfordeling for Ab 16. Her veies materialet fra siktene, fra det minste til største, ved å begynne med det fineste materialet og legge til neste sikt. Det kalles summasjonsveiing, og vi får en kornfordelingskurve for materialet.

Prøve

Sikt

Stein Andel som går igjennom sikt Ab16

Summasjonsveiing gjennomgang

Grus

Sand

Skål

Silt og leire

<0,63 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4

Sikteåpning (mm)

8 11,2 16 100

90

80

70

60 gjennomgang %

50

40

30

20

10

0

g/cm3 er enheten for densitet. Det er et mål for hvor mye en terning som er 1 cm på hver side (kubus), veier i gram. Alternativt kan enheten være kg/dm3 (kg/liter) eller tonn/m3 . 2,65 g/cm3 = 2,65 kg/dm3 = 2,65 tonn/m3 . Filler kan komme fra de andre sorteringene som benyttes i asfaltproduksjonen, spesielt 0sortering, som for eksempel 0/4 mm. Da kalles materialet egenfiller. Hvis filleren kjøpes inn som et eget produkt, kalles den fremmedfiller. Ofte er fremmedfilleren knust kalkstein.

Det er satt krav til hvordan kornfordelingen (kornkurven) i en asfaltmasse skal være. De ulike sorteringene settes da sammen slik at kornkurven ligger innenfor gitte grenser. Steinmaterialet i en Ab 16 (asfaltbetong med øvre steinstørrelse 16 mm) kan for eksempel bestå av en sammensetning av steinsorteringene 11/16 mm, 8/11 mm, 4/8 mm, 0/4 mm og kalksteinsfiller.

Densitet

Densitet, også kalt massetetthet eller egenvekt, er et mål for hvor tungt materialet er per volumenhet. Et materiale med høy densitet har mindre volum enn et materiale med lav densitet med samme vekt. De steinmaterialer som normalt benyttes til asfalt i Norge, har densitet fra 2,65 til 3,15 g/cm3 .

Hvis vi legger 100 kg asfalt per kvadratmeter, blir asfaltens tykkelse mindre hvis steinmaterialet har høy densitet, enn hvis det har lav densitet. Tilsvarende hvis vi blir bedt om å legge et asfaltdekke med tykkelse 5 cm, trenger vi mere asfaltmasse hvis densiteten på steinmaterialet er høy, enn hvis den er lav.

1 kg steinmateriale, sortering 8–11, til venstre materiale med densitet 3,12 g/cm3, og til høyre materiale med densitet 2,65 g/cm3. Det er størst volum av materialet med lavest densitet. Foto: Roar Telle

Kvadratisk sikt til venstre og stavsikt til høyre. Foto: Mona Teigen, Veiteknisk institutt

Los Angelestrommel for bestemmelse av steinmaterialers slagmotstand.

Fordi et steinmateriale med lav densitet har større volum enn et materiale med høy densitet, har det også en større samlet overflate som må dekkes med bindemiddel. Spesielt gjelder det for de finere sorteringene som har stor overflate. Volumet eller størrelsen på overflaten av steinmaterialet har derfor stor betydning for asfaltens behov for bindemiddel.

Et steinmateriales bulkdensitet (romvekt) er densiteten til løst lagret/pakket materiale. Begrepet brukes ofte ved utlegging av ubundne lag av steinmaterialer i en veikonstruksjon. Bulkdensitet er alltid lavere enn steinmaterialets densitet, fordi det er luft mellom steinkornene i et lagret materiale.

Kornform

Det er krav til flisighetsindeks, som er et mål for hvor mye steinkornene avviker fra en kubisk (terning) form. Flisighetsindeksen bestemmes ved en standard prosedyre (NSEN 9333). Denne prosedyren består av to sikteoperasjoner hvor materialet først siktes på sikt med kvadratisk åpning og deretter på sikt med spalteåpning kun i én retning (stavsikt). Flisighetsindeks for en fraksjon er prosent gjennomgang på fraksjonens korresponderende stavsikt.

Los Angeles-verdi, LA (slagmotstand)

Vurdering av materialets motstand mot slagpåkjenninger gjøres med Los Angelestesten (NSEN 10972). Fem kilogram tørt steinmateriale av fraksjonen 10,0–14,0 mm testes i en roterende trommel med en løftebom sammen med stålkuler. Etter 500 runder i trommelen våtsiktes og veies materialet for å se hvor mye som har blitt knust ned. LAverdien er den andelen av materialet som passerer en sikt med kvadratisk åpning på 1,6 mm. En lav verdi viser god motstand mot nedknusning.

Kulemølletest.

Ribbe

Stein, 11,2–16,0 mm

Stålkule, 15 mm

FNs bærekraftsmål

STOPPE KLIMAENDRINGENE

For å redusere klimagassutslipp har bindemidler av biologisk materiale blitt mer aktuelt, for eksempel fra skogindustri eller dyrking av raps. Det brukes ofte en blanding av fossilt og biologisk (biogent) bindemiddel. Dette er foreløpig (2021) på forsøksstadiet.

Kulemølleverdi, AN

Vurdering av materialets motstand mot piggdekkslitasje gjøres med kulemøllemetoden (NSEN 10979), også kalt nordisk abrasjonstest. Omkring ett kilogram steinmateriale i fraksjon 11,2–16,0 mm tromles sammen med stålkuler og vann i en trommel med ribber. Etter 5400 omdreininger i trommelen våtsiktes og tørkes prøven. Kulemølleverdien er andelen materiale som passerer 2 mm kvadratsikt. En lav verdi viser god motstand mot piggdekkslitasje. En våt veibane slites raskere enn en tørr veibane, derfor benyttes vann i denne testen.

Micro-Deval, MDE Slitasjeegenskapene til tilslag som ikke benyttes i slitelaget, hvor steinmaterialet derfor ikke blir utsatt for piggdekkslitasje, testes med MicroDevalmetoden (NSEN 10971). 500 g steinmateriale i fraksjon 10,0–14,0 mm tromles 12 000 omdreininger med stålkuler og vann i en trommel som er glatt innvendig. MicroDevalverdien er andelen materiale som passerer 1,6 mm kvadratsikt.

Bindemidler

Bindemiddelet er limet i asfaltmassen, som holder steinkornene sammen til et fast dekke. Bindemiddelet er normalt bitumen, som framstilles av råolje. Ønskes det et bindemiddel med andre kvaliteter enn det som oppnås med rent bitumen, for eksempel bedre motstand mot deformasjon, kan bitumen modifiseres med ulike plaststoffer. Produksjon av bindemiddel av fossil olje gir relativt stort utslipp av klimagasser. Plaststoffer er normalt også fremstilt av fossil olje.

60 °C

1 time

Bitumen er en seigtflytende væske ved brukstemperatur for asfaltdekker. Bitumen flyter lettere ved høyere temperatur. Både temperatur og tid har betydning når et asfaltdekke belastes.

25 °C 1 time 10 timer

Når asfalten blir svært gammel, blir bitumen så hardt at det slutter å fungere som «lim», og asfaltdekket sprekker opp. Foto: Roar Telle

Deformasjoner i asfaltdekke ved busstopp. Det skyldes tung, statisk belastning på asfaltdekket i perioder med høy lufttemperatur. Foto: Roar Telle

Bitumen

Vanlig bitumen kalles ofte for penetrasjonsbitumen fordi penetrasjonstallet er med å navngi bitumengraden (klassifisere bitumen), for eksempel 70/100 hvor penetrasjonsverdien ved 25 °C skal ligge mellom 70 og 100.

Bitumen er den tyngste delen av råoljen. Tunge råoljer med stor andel lange molekyler (mange karbonatomer) benyttes til framstilling av bitumen. Oljen fra Nordsjøen inneholder få tunge molekyler og benyttes ikke til framstilling av bitumen. Vi får vanligvis bitumen fra råoljer (crude) i Venezuela, Midtøsten eller Russland.

Bitumen er en væske. Den er tyntflytende ved høye temperaturer og tyktflytende ved lave temperaturer. Ved svært lave temperaturer blir bitumen hard og sprø – som glass. Vi varmer opp asfaltmassen for at den skal være lett å legge ut og valse. Når den er avkjølt til omgivelsestemperatur, blir den fast, og vi kan belaste den med tunge kjøretøy. I varme sommerperioder kan vi få deformasjoner i form av setninger og hjulspor på grunn av at asfalten blir myk. I kalde vinterperioder kan vi få kuldesprekker fordi asfalten blir hard og sprø. Bitumen blir stivere med tiden. Vi kaller det aldring. Det skjer blant annet fordi noen myke komponenter fordamper, og andre reagerer med oksygen i lufta og danner lengre molekylkjeder. Asfalt er derfor mest utsatt for deformasjoner de første årene. Etter mange år ute hvor asfaltdekket utsettes for luft og sollys, blir «limeffekten» etter hvert borte og asfalten sprekker opp.

Når vi belaster et asfaltdekke, er det ikke bare temperaturen som avgjør om vi får deformasjoner, men også belastningstiden. Et asfaltdekke vil tåle rullende trafikk godt selv i varme perioder, men tunge, stillestående eller saktegående kjøretøy vil kunne gi deformasjoner. Det ser vi godt i busslommer eller foran lysregulerte kryss.

Vi velger normalt et mykere bindemiddel på lavtrafikkerte veier der undergrunnen kan være telefarlig, samt i områder med lave temperaturer på vinteren. Vi velger hardere bitumen på høytrafikkerte veier med frostsikkert underlag og i områder hvor temperaturen ikke blir svært lav om vinteren. Der trafikken er spesielt stor, kan vi velge et polymermodifisert bitumen for å få økt motstand mot deformasjonsspor i asfaltdekket.

En leverandør av bitumen har ofte det hardeste produktet som leveres, og et mykt produkt, som så blandes til de mellomliggende produkter.

100 g Penetrasjonsverdi (enhet 0,1 mm)

100 g

Start Etter 5 sek.

Penetrasjonsmetoden for bestemmelse av hardhet til bitumen ved 25° C.

Krav til bindemiddel

Kravene er basert på den europeiske standarden NSEN 12591: Bitumen og bituminøse bindemidler – Spesifi kasjoner for vei bitumen. Kravene er knyttet til relativt enkle og billige testmetoder som lett kan benyttes til kontroll. I forsknings og utvik lingsarbeid benyttes ofte mer avansert utstyr som er kostbart og krever mer opplæring.

De fl este av kravene gjelder bestemmelse av hvor fl ytende bindemiddelet er ved forskjellige temperaturer.

Penetrasjon

Penetrasjon er en gammel og enkel analysemetode for bestemmelse av hardhet for bitumen. Penetrere betyr å trenge inn i. Prinsippet er at en nål med et lodd, som veier 100 gram, settes mot bitumenets overfl ate og slippes i 5 sekunder. Normalt måles penetrasjon ved 25 °C. Penetrasjonsverdien oppgis i 1/10 mm (trenger nålen 7 mm ned i bitumenet, så blir penetrasjonsverdien 70). Mykere bitumen gir høyere verdi fordi nålen trenger lenger ned i bitumenet.

I alle typer analyse av bitumen er temperaturen det måles ved, viktig. Små endringer i temperatur gir forskjeller i verdien som måles, fordi bitumenets hardhet endres mye ved endring i temperatur.

Penetrasjon benyttes til å bestemme hvilken klasse bitumenet har. I Norge er de mest brukte bitumenklasser 70/100 og 160/220.

Penetrasjon gir et mål for bitumenets hardhet ved asfaltdekkets brukstemperatur om sommeren.

Penetrasjon ved 25 °C kan ikke benyttes for myke bindemidler, fordi nåla har en begrenset lengde. Mykbitumen klassi fi seres derfor ved hjelp av viskositet (kinematisk viskositet ved 60 °C).

Viskositet

Viskositet er et mål for hvor seigtfl ytende en væske er. Flyter væsken lett, som vann, er viskositeten lav, og fl yter den langsomt, som sirup, er viskositeten høy. Viskositet kan måles ved hjelp av ulike typer instrumenter. Våre krav er satt til viskositet målt ved 60 °C, som omtrent tilsvarer høyeste dekketemperatur i en varm sommerperiode, og 135 °C som er omtrent temperaturen hvor asfaltmassen bearbeides ved utlegging og valsing.

Måling av dynamisk viskositet med rotasjonsviskosimeter. Foto: Thomas Fiske, Statens vegvesen

Måling av mykningspunkt. Kilde: Statens vegvesen

Tidligere ble viskositet målt i glassrør med et kammer (en boble) som ble fylt med bindemiddel. Tiden det tar å fylle kammeret, er et mål for viskositeten. Tar det lang tid, er viskositeten høy. Nå benyttes ofte mer avanserte rotasjonsviskosimeter, som måler hvordan væsken motsetter seg bevegelse når den påføres en kraft. Større motstand gir høyere viskositet.

Legg merke til at et høyt viskositetstall betyr hardere bindemiddel, mens et høyt penetrasjonstall betyr mykere bindemiddel.

Det er to begreper som benyttes ved måling av viskositet: dynamisk og kinematisk. Den prinsipielle forskjellen mellom måling av henholdsvis dynamisk og kinematisk viskositet ligger i at ved måling av dynamisk viskositet påføres en kraft som fører til strømning, mens ved måling av kinematisk viskositet er det tyngdekraften som fører til strømning. Kinematisk viskositet kan regnes om til dynamisk viskositet ved å multiplisere med væskens densitet ved måletemperaturen.

Mykningspunkt

En annen gammel metode, som det er satt krav til, er mykningspunkt, også kalt «kule & ring». En ring fylles med bitumen og settes i et bad med en kule oppå bitumenet i ringen. Temperaturen i badet økes med 5 °C per minutt til bitumenet blir så mykt at kula siger gjennom ringen. Den temperaturen hvor det skjer, kalles mykningspunktet. Mykningspunktet er et mål på asfaltens deformasjonsmotstand ved høy dekketemperatur om sommeren. En bitumen 70/100 skal ha et mykningspunkt mellom 43 og 51 °C. Høyere mykningspunkt betyr bedre motstand mot deformasjoner i asfaltdekket.

Stålplate med bindemiddelsjikt

Apparatur for bestemmelse av bindemiddelets evne til å motstå kuldesprekker. Kilde: Statens vegvesen

Fraass bruddpunkt

For å bestemme bindemiddelets kuldeegenskaper brukes en test som heter Fraass bruddpunkt. En bøyelig metallplate påføres en bindemiddelfilm og bøyes flere ganger mens temperaturen gradvis senkes. Når bindemiddelfilmen blir så stiv at den sprekker, noteres temperaturen som Fraass bruddpunkt. Det er et krav at bitumen 70/100 skal ha et Fraass bruddpunkt lavere (kaldere) enn minus 10 °C.

Et mykere bitumen vil ha bedre motstand mot oppsprekking ved lave temperaturer, men samtidig ha dårligere motstand mot deformasjoner ved høy brukstemperatur på varme sommerdager. Vil man ha et bindemiddel som har bedre egenskaper både ved lav temperatur og ved høy temperatur, må bitumenet modifiseres. Da velger vi et polymermodifisert bitumen (PMB).

Alle metodene som er omtalt hittil, er ulike former for å måle hvor stivt bindemiddelet er ved ulike temperaturer. I tillegg til metodene som tester bindemiddelets konsistens (hardhet), har vi en metode som går på sikkerhet – flammepunkt. Det er en test som bestemmer når gassen som bindemiddelet avgir, antennes. Det er satt krav til flammepunkt for å unngå at flyktige stoffer, som lett kan antenne, blandes inn i bindemiddelet. Vi ønsker ikke at bindemiddel skal kunne antennes ved lagringstemperatur. Et 70/100 bitumen har krav om minimum flammepunkt på 230 °C.

Aldring av bitumen

Når bindemiddelet blandes med varmt steinmateriale, skjer det en fordamping av flyktige komponenter i bindemiddelet, samt at andre komponenter reagerer med oksygen i lufta. Disse prosessene gjør bindemiddelet stivere. Den endringen i bindemiddelets stivhet som skjer under produksjon og utlegging fram til asfaltdekket har blitt avkjølt, kaller vi korttidsaldring.

En tilsvarende aldring kan vi gjenskape i laboratoriet ved hjelp av en test som heter Rolling Thin Film Oven Test, RTFOT. Det er satt krav til hvor mye bindemiddelets egenskaper får lov til å endre seg under herding i denne testen. Et bitumen 70/100 skal fortsatt ha penetrasjon over 46, og mykningspunktet skal ikke øke med mer enn 9 °C.

Når et asfaltdekke er lagt ut, fortsetter bindemiddelet å endre seg – det blir hardere. Denne prosessen skyldes sollys og tilgang på oksygen. Den kalles langtidsaldring og skjer mye

Kortidsaldring (under produksjon og utlegging) og langtidsaldring (i bruksfasen på veien). langsommere enn korttidsaldringen. Etter mange år vil bindemiddelet i asfalten bli så stivt at det slutter å fungere som «lim», og asfalten smuldrer opp. Da har vi en penetrasjonsverdi i bindemiddelet rundt 1. Denne prosessen kan vi også gjenskape i laboratoriet ved hjelp av et trykkaldringskammer – PAV (Pressureagingvessel).

Hvis asfalten inneholder mer bindemiddel slik at bindemiddelfilmen på steinoverflatene blir tykkere, vil det gå lengre tid før asfalten smuldrer opp. Et asfaltdekke som ikke er trafikkert, vil kunne vare i opptil 40–50 år før bindemiddelet blir for hardt.

Vi må ta hensyn til at bindemiddelet er aldret når vi benytter gammel asfalt som resirkulert asfalt i produksjon av ny asfalt. Ellers vil vi få et stivere bitumen enn det vi ønsker, i den nye asfalten. Er det frest asfalt fra en høytrafikkert vei, som bare har ligget ute noen år, har bindemiddelet herdet en del. Men er det gammel, oppgravd asfalt som har ligget ute i mange år, kan bindemiddelet ha herdet svært mye. Når vi produserer asfalt tilsatt større mengder resirkulert asfalt, må vi ta hensyn til at bindemiddelet er aldret, og justere hardheten ved å benytte et mykere bitumen, eller tilsette en mykner (foryngelsesmiddel/ rejuvenator).

Polymermodifisert bitumen (PMB)

Noen ganger er det behov for et bindemiddel som har egenskaper som ordinært penetrasjonsbitumen ikke oppfyller. Da kan vi forbedre disse egenskapene ved å tilsette et plaststoff (en polymer) til bitumenet. De plaststoffene vi benytter, er også produsert med utgangspunkt i råolje. Den vanligste polymeren som er brukt i bindemiddel i Norge, er SBS (styrenbutadienstyren), som er elastisk.

Bindemiddelstivhet

Original bitumen Korttidsaldret bitumen Tid Langtidsaldret bitumen

FNs bærekraftsmål

STOPPE KLIMAENDRINGENE

Et polymermodifisert bitumen vil forårsake større utslipp av klimagasser enn vanlig bitumen ved produksjon. På grunn av at asfaltdekket får lengre levetid, kan likevel klimagassutslippet bli lavere når vi regner utslipp per leveår for asfaltdekket.

Et polymermodifisert bitumen består av et bitumen som er tilsatt 3–7 vektprosent plaststoff i en blandeprosess. Plaststoffet sveller ved å ta opp i seg komponenter fra bitumenet slik at det dannes et polymernettverk i bindemiddelet. Er plaststoffet elastisk, får bindemiddelet elastiske egenskaper. Et polymermodifisert bitumen har ofte begrenset lagringsstabilitet og må lagres med omrøring eller sirkulasjon.

Polymeren gir som oftest en asfalt med bedre stabilitet ved høy temperatur. Benyttes et mykt bitumen som utgangspunkt for blanding med en polymer, vil også asfaltegenskapene ved lav temperatur bli forbedret. Noen polymermodifiserte bindemidler har ekstra god motstand mot kjemikalier, som diesel, oljesøl og avisningsvæske for fly. PMB har også bedre motstand mot aldring enn vanlig bitumen.

Valg av PMB er vanlig på høytrafikkerte veier og områder med mange tunge kjøretøy. På veier hvor spordannelse på grunn av deformasjon er det som bestemmer når veien må asfalteres på nytt, vil bruk av PMB gi lengre levetid. PMB benyttes som bindemiddel på mange flyplasser, spesielt de som ligger i områder med lave temperaturer om vinteren. Her vil bruk av vanlig bitumen kunne gi lavtemperatursprekker. PMB gir også asfaltdekker økt motstand mot avisningsvæsker som benyttes på rullebanen og på flyvinger for å unngå isdannelse om vinteren.

En PMB betegnes med penetrasjonsverdi og mykningspunkt, for eksempel 75/130–80, hvor penetrasjon ved 25 °C skal ligge mellom 75 og 130, og mykningspunktet minimum skal være 80 °C.

Noen polymermodifiserte bindemidler er elastiske. Hvis en prøve med elastisk bindemiddel påføres en kraft, vil materialet strekkes, og når kraften opphører, vil materialet trekke seg sammen igjen. Apparatet på bildet til høyre kalles et duktilometer og brukes til å måle både strekkbarhet og elastisk tilbakegang for et bindemiddel. Foto: Statens vegvesen

Dårlig vedheft mellom bindemiddel og tilslag gir mørtelslipp. Foto: Roar Telle

Vedheft mellom steinmaterialet og bindemiddelet

Hvor godt bindemiddelet fester seg til steinmaterialets overflate, avhenger både av bindemiddelet og av bergarten i tilslaget. Noen kombinasjoner har god vedheft, mens andre har dårlig vedheft. Fordi dette kan endre seg med leveransene av råvarer til asfaltfabrikken, er det i Norge vanlig å tilsette et vedheftsmiddel, normalt amin, i alle asfaltmasser – for å være på den sikre siden. Hydratkalk og sement kan også benyttes som vedheftsmiddel. Sement vil gjøre asfalten stivere, noe som ikke er ønskelig på veier med telehiv, hvor vi gjerne ønsker et fleksibelt dekke.

Vann vil kunne fortrenge bindemiddelet i asfaltdekket og gi skader i form av steinslipp. Vann i asfaltdekket vil også kunne gi frostskader. Det er derfor ønskelig og viktig at hulrommet i asfaltdekket ikke er for høyt, og at vedheften mellom bitumenet og steinmaterialet er god.

Klimaet er i endring. Det forventes stedvis mer og kraftigere regn framover. Det vil også påvirke asfaltdekkene. God vedheft mellom steinmaterialet og bindemiddelet i asfaltmassen blir da enda viktigere for asfaltdekkenes levetid.

Vi kan teste vedheft mellom stein og bitumen i ulike laboratorietester. To av disse er omtalt her.

Rulleflasketesten

En metode som benyttes til å teste vedheft mellom stein og bindemiddel, er rulleflasketesten – NSEN 1269711. Stein i fraksjon 8,0–11,2 mm blandes med bindemiddel, som oftest tilsatt amin, og puttes i flasker med vann. Flaskene rulles i opptil 72 timer på et rullebord, og bindemiddeldekningen på steinene vurderes visuelt etter 6, 24, 48 og 72 timer. Dekningsgraden bør være minimum 25 % etter 48 timer.

Rulleflasketesten, vurdering av bindemiddeldekning på steinmateriale. Foto: Mona Teigen, Veiteknisk institutt

Vannfølsomhet ved indirekte strekkstyrke (ITSR). Når prøven er delt, vil bruddflaten enten være svart av bitumen hvis massen ikke påvirkes av vann, eller med synlige steinflater hvis massen påvirkes av vann. Metoden er egnet til å vurdere effekten av vedheftsmidler. Ulempen med denne metoden er at den kun tester vedheft mellom én bestemt fraksjon av tilslaget, og ikke alt steinmaterialet i asfaltmassen.

Vannfølsomhet ved indirekte strekkstyrke (ITSR)

Bestemmelse av vannfølsomhet av bituminøse prøvelegemer er beskrevet i europeisk standard NSEN 1269712. I denne testen måler vi på prøver av hele asfaltmassen. Det lages prøver av asfaltmassen i en Marshallstamper, eller det kan bores ut kjerner fra et utlagt asfaltdekke. Halvparten av prøvene lagres tørt, mens den andre halvparten lagres i vann i noen dager. Etter lagring testes prøvene ved å presse dem mellom to bommer i et testapparat (se figur). Styrkemålet fra dette forsøket betegnes gjerne som indirekte strekkstyrke (ITS – Indirect tensile strength). Forskjell i styrke mellom prøvene som er lagret i vann og prøvene som er lagret tørt (ITSR – Indirect tensile strength ratio), er et mål for asfaltmassens evne til å motstå nedbrytning på grunn

av vann (vannfølsomhet). Hvis prøver lagret i vann har mer enn 80 % av styrken til prøver lagret tørt, anses normalt resultatet å være tilfredsstillende. Indirekte strekkstyrke omtales også som spaltestrekk.

Bitumenemulsjon

Bitumenemulsjon er bitumendråper som er fordelt i vann. Vannet gjør at bitumenemulsjon er pumpbar og mulig å sprøyte ut ved normal omgivelsestemperatur. Vannet har kun denne funksjonen og skal fordampe når bindemiddelet er sprøytet ut. Ulempen er at vannet må transporteres til stedet hvor emulsjonen skal benyttes.

Bitumen og vann er ikke blandbare. For at bitumendråpene ikke skal slå seg sammen umiddelbart, må vi ha hjelpestoffer som holder dråpene fra hverandre. Vi kaller hjelpestoffet for en emulgator. Det gir bitumendråpene en positiv ladning (kationisk emulsjon), som gjør at bitumendråpene frastøter hverandre slik at emulsjonen ikke bryter. Vi sier at emulsjonen bryter når bitumen og vann skiller lag. De bitumenemulsjoner vi benytter i Norge, er kationiske. Andre typer emulsjoner kan ha negativ ladning og kalles anionisk emulsjon.

Bitumenemulsjon har flere bruksområder: som bindemiddel i kaldprodusert asfalt, som bindemiddel ved overflatebehandling, og som lim mellom to asfaltlag eller mellom asfalt og betong. Brukt som lim mellom asfaltlag kalles bitumenemulsjon for klebeemulsjon. Det er forskjell på sammensetning og egenskaper for de ulike bruksområdene.

Bitumenemulsjon er ustabil og kan skille seg i bitumen og vann. Det er ikke ønskelig at dette skjer under lagring og transport, men det er ønskelig at det skal skje ved bruk. Under produksjon tilsettes kjemikaler som gir bitumendråpene elektrisk ladning, vanligvis positiv ladning (kationisk emulsjon). Ladningen gir en frastøtende effekt mellom bitumendråpene og gjør at emulsjonen ikke skiller seg (bryter) umiddelbart.

Bitumenemulsjon er beskrevet i europeisk standard NSEN 13808, og kravene til bitumenemulsjon kan finnes i Statens vegvesens håndbok N200 Vegbygging. Bitumenemulsjoner har benevnelse, som for eksempel C60 B3–70/100. C står for kationisk, 60 angir hvor mange prosent bitumen det er i emulsjonen (resten er vann, det vil si 40 %), B står for bitumen, tallet 3 betegner hvor stabil emulsjonen er (brytningsklasse), og 70/100 står for hvilken type bitumen som er emulgert, det vil her si bitumen med penetrasjon 70/100.