Study of the interaction between bitumen and rubber

Abstract

Approximately 9 to 10 kg of rubber from tyres per inhabitant and year are currently discarded in the industrialized societies. It is a waste material with a highly valuable constituent: vulcanized natural and synthetic rubber. Thus, the introduction of crumb rubber in the production of asphalt rubber (AR) mixes for road pavements should be considered as a sustainable technology which transforms an unwanted residue into a new bituminous mixture highly resistant to fatigue and fracture. However, the increasing demands in relation to the quality and durability of pavements lead to the need of a profound knowledge in the physicochemical changes of the materials which constitute the AR binders. Thus, the main objective of this research project is to characterize the influence of bitumen and rubber properties and their interaction in the AR binder performance, namely by (i) evaluating the influence of the rubber morphology and physical properties of base bitumen in the physical and rheological properties of AR binder, (ii) assessing the changes that occur, at a molecular scale, in the base bitumen and in the rubber during their mutual interaction, and (iii) analyzing the aging effects during the pavement construction. In this work several base bitumens interacted with crumb rubber in order to produce AR binders, which were subsequently separated by using a modified “Basket drainage method” to recover the residual bitumen and rubber. The aging effect was studied by using the RTFOT method. Additionally, a new method, the “Sphere AR production simulator”, was developed to reproduce the AR production without the contribution of rubber. CEN standard tests and the dynamic shear rheometer were used to evaluate the changes in the properties of the binders during the production of AR. The rubber changes were studied through microscopic observation, swelling and depolymerization tests. The laboratory tests demonstrated that the aging of bitumen make it harder due to oxidation and restructuration. Likewise the AR production also contributes to its hardening because of the diffusion of light fractions of bitumen (mainly non volatile molecules) in the rubber particles. The rubber particles swelled 250 to 300% their weight, but the equivalent diameter only increased 2.5%. It was found that the 150/200 bitumen is an excellent alternative to produce AR binders. Minor changes in the loss of weight and in the rheological and physical properties of the AR binder can be observed after aging if compared with the aging effect in the other studied materials (base and residual bitumen). The physical and rheological properties of all tested materials can be related through known mathematical equations.

Nas sociedades industrializadas actuais são rejeitados aproximadamente 9 a 10 kg de pneus, por habitante por ano, sendo que os materiais desaproveitados do pneu têm um elevado valor intrínseco, nomeadamente o seu constituinte principal: borracha natural e sintética vulcanizada. Assim, a introdução de granulado de borracha na produção de misturas betuminosas com betume de borracha (BB) para pavimentos rodoviários deve ser considerada uma tecnologia sustentável, que transforma um resíduo indesejado numa nova mistura betuminosa com elevada resistência à fadiga e à fractura. No entanto, a crescente exigência de qualidade e durabilidade dos pavimentos obriga a um conhecimento profundo das alterações físico-químicas que ocorrem nos materiais constituintes do BB. Assim, o principal objectivo deste trabalho é determinar a influência das propriedades do betume e da borracha, e da sua interacção, no desempenho do BB, nomeadamente através da avaliação (i) da influência da morfologia da borracha e das propriedades físicas e reológicas do betume nas características do BB, (ii) das alterações no betume e na borracha, à escala molecular, durante a sua interacção mútua, e (iii) dos efeitos do envelhecimento durante a construção do pavimento. Neste trabalho, um conjunto de betumes interagiu com granulado de borracha para produzir BB, sendo subsequentemente utilizando um “método do cesto drenante” modificado para separar e recuperar o betume e a borracha residuais. O envelhecimento dos ligantes durante a construção do pavimento foi estudado através do método RTFOT. Foi desenvolvido um “simulador de produção do BB com esferas” para reproduzir o envelhecimento na produção do BB sem a contribuição da borracha. As alterações nas propriedades dos ligantes durante a produção de BB foram avaliadas através de normas CEN e do reómetro dinâmico de corte. As alterações na borracha foram estudadas através de observação microscópica e de ensaios para avaliação da densidade e do grau de inchamento e despolimerização. Os ensaios laboratoriais demonstraram que o envelhecimento e a produção de BB causam o endurecimento do betume, respectivamente devido à oxidação, crescimento e reestruturação molecular e devido à difusão das fracções leves do betume (principalmente moléculas não voláteis) através da borracha. As partículas de borracha incham cerca de 250 a 300% (em peso), mas o seu diâmetro equivalente aumenta apenas 2.5%. Concluiu-se que o betume 150/200 é uma boa alternativa para produção de BB. As alterações na perda de peso e nas propriedades físicas e reológicas do BB após envelhecimento são inferiores às observadas nos outros ligantes estudados. As propriedades físicas e reológicas dos materiais estudados relacionam-se através de equações matemáticas conhecidas.