Evaluation of polymer modified asphalt binder aging

Abstract

Asphalt binders used in road pavements basically age in two phases, the short-term aging and the long-term aging. Short-term aging occurs in binders due to mixing, transporting, placing, and compaction of asphalt mixtures, while long-term aging occurs in situ during the lifetime of the pavement. The effect of short-term and long-term aging on the binder reveals in its chemical structure, mainly by increasing the rate of oxidation, and in its physical or rheological properties by hardening. The main aim of this work was the study of the short-term aging, especially addressing the assessment of polymer modified asphalt binders. In fact, these binders are being increasingly used, but the evolution of their properties during aging is still not well known. A 35/50 penetration grade unmodified bitumen (B1), a 70/100 penetration grade Ethylene Vinyl Acetate (EVA)-modified bitumen (PmB1), and a 70/100 penetration grade High-Density Polyethylene (HDPE)-modified bitumen (PmB2) were aged applying two different methods. In one method, the binders were exposed to 75-min in RTFOT testing (binder aging). In the other method, the binders were used to produce asphalt mixture samples, and the aged binders were recovered (short-term aging of the mixture and binder recovery) after mechanical testing of samples. The rheological properties of all binders were assessed for each one of their states, namely unaged, after-RTFOT aging, and after-recovery aging. These rheological measurements after RTFOT aging obviously indicated an increase in the binders’ stiffness. However, the rheological results after-recovery appeared to be unreasonable. Hence, the binders PmB1 and PmB2 were also subjected to DSC testing trying to explain these unexpected results. DSC analysis indicated that the polymers were absent from PmBs after recovery process. Yet, the FTIR analysis had demonstrated that the recovered bituminous parts of PmBs were indeed aged chemically when the mixtures were produced and compacted.

Os ligantes betuminosos utilizados na pavimentação de estradas envelhecem basicamente de duas formas, a curto prazo e a longo prazo. O envelhecimento de curto prazo ocorre nos ligantes devido à produção, transporte, colocação e compactação das misturas betuminosas, enquanto o envelhecimento a longo prazo ocorre in situ durante o período de vida do pavimento. O efeito do envelhecimento do ligante a curto e a longo prazo revela-se na sua estrutura química, principalmente através do aumento da taxa de oxidação, e nas suas propriedades físicas ou reológicas pelo aumento da rigidez. O objetivo deste trabalho foi o estudo do envelhecimento a curto prazo, e será especialmente orientado para a avaliação de ligantes betuminosos modificados com polímeros. De facto, estes ligantes têm vindo a ser cada vez mais utilizados, mas ainda não se conhece bem a evolução das suas propriedades durante o envelhecimento. Um betume não modificado de penetração 35/50 (B1), um betume de penetração 70/100 modificado com EVA (PmB1), e um betume de penetração 70/100 modificado com PEAD (PmB2) foram envelhecidos aplicando dois procedimentos diferentes. Num dos procedimentos os ligantes foram expostos a 75-min no ensaio de RTFOT (envelhecimento do ligante). No outro método, os ligantes foram usados para a produzir amostras de mistura betuminosa, recuperando-se os ligantes envelhecidos (envelhecimento a curto prazo da mistura e recuperação do ligante) depois de realizados ensaios mecânicos. Para todos os ligantes, foram determinadas as propriedades reológicas de cada um dos seus estados: não envelhecido, envelhecido por RTFOT e recuperado após envelhecimento. Estes ensaios reológicos indicam obviamente um aumento na rigidez devido ao envelhecimento por RTFOT. No entanto, os resultados reológicos após recuperação apresentaram-se pouco coerentes. Daí, os ligantes PmB1 e PmB2 foram também sujeitas a ensaios de DSC de modo a tentar esclarecer estes resultados inesperados. A análise dos resultados de DSC indicou a ausência dos polímeros nos ligantes betuminosos modificados com polímero após o processo de recuperação. No entanto, a análise dos resultados FTIR demonstraram que as frações betuminosas recuperadas dos ligantes modificados foram efetivamente envelhecidas quimicamente quando as misturas foram produzidas e compactadas.