Properties and utilization of biofluxed bitumens in stockpiled soft asphalt mixes

Öljysora kehitettiin 1950-luvulla vähäliikenteisten teiden edulliseksi päällystemateriaaliksi. Sen käyttö rajoitettiin Suomessa paikkaustarkoituksiin massan sideaineena käytetyn bitumiöljyn sisältämien haihtuvien hiilivetyjen takia. Nynas Oy alkoi vuonna 2008 tutkia bitumiöljyn liuottimien korvaamista biofluksilla. Biofluksi on Neste Oilin patentoiman kemiallisen prosessin (NExBTL) lopputuote, jonka raaka- aineita ovat kasviöljyt, eläinrasvat sekä vety. Biofluksin etuja suhteessa öljysoran sideaineen käytetyn bitumiliuoksen (kauppanimi BL2K) liuottimiin saattavat olla vähäisemmät haihtuvien hiilivetyjen päästöt sekä raaka-aineiden uusiutuvuus. Tässä diplomityössä tutkittiin, miten koostumukseltaan erilaiset biofluksatut bitumit soveltuvat varastoitavien pehmeiden asfalttibetonimassojen sideaineiksi. Varastoitavia massoja käytetään ympäri vuoden teiden ja katujen paikkaukseen sekä tilapäisiin päällysteisiin. Massojen työstettävyys on siten yksi keskeinen kriteeri soveltuvuutta arvioitaessa. Varastomassoilta vaadittavia ominaisuuksia selvitettiin kirjallisuuden perusteella ja koostumukseltaan erilaisten biofluksattujen bitumien ja niistä valmistettujen massojen ominaisuuksia tutkittiin laboratoriossa. Lisäksi biofluksattujen bitumien koostumuksen ja niistä valmistettujen asemasekoitteisten massojen stabiliteetin muutoksia seurattiin varastokasasta ja vuonna 2008 rakennetuilta koeteiltä otetuista näytteistä. Laboratorio-osuutta varten valmistettiin neljä eri biofluksattua bitumia eri bitumipohjista (V1500, V3000, V6000 sekä 160/220) siten, että kaikkien vaihtoehtojen alkuviskositeetin tavoite 60 °C:ssa oli 600 mm2/s. Valmistetuista biofluksatuista bitumeista määritettiin perusominaisuuksia (leimahduspiste, tiheys, viskositeetti ja liuottimen haihtuminen) sekä seurattiin vanhenemisen aiheuttamia muutoksia biofluksattujen bitumien koostumuksessa ja reologisissa ominaisuuksissa eri vanhentamiskäsittelyjen jälkeen. Biofluksatuista bitumeista valmistetuista massoista tutkittiin vedenkestävyys tuoreista näytteistä MYR-menetelmällä sekä eri-ikäisistä näytteistä työstettävyys levyvastuskokeella ja stabiliteetti halkaisuvetolujuuskokeella. Vertailusideaineina eri vaiheissa käytettiin BL2K:ta sekä levyvastuskokeessa lisäksi V1500-bitumia. Biofiuksatuista bitumeista valmistettujen massojen vedenkestävyys oli hyvä eikä se eronnut BL2K:sta valmistetuista massoista. Biofluksin hidas haihtuminen pitää biofluksatuista bitumeista valmistetut massat työstettävinä pitkään. Toisaalta, pehmeimmistä bitumipohjista (V1500 ja V3000) valmistetut massat voivat jäädä stabiliteetiltaan alhaisiksi. Tulosten perusteella arvioitiin biofluksattujen bitumien soveltuvan varastoitavien pehmeiden asfalttibetonimassojen sideaineiksi. Tutkimusten perusteella ei kuitenkaan voida arvioida biofluksattujen bitumien toimivuutta lopullisessa käyttökohteessa kuten reikäpaikkauksessa tai halpana vähäliikenteisten teiden päällysteenä. On suositeltavaa jatkaa kenttätutkimuksia sekä tutkia alkuviskositeeteiltaan erilaisia biofluksattuja bitumeita.In gravel was developed in the 1950s and It has been used an affordable pavement solution for low volume roads. However, the slow-curing cut-back bitumen in the mixture contains a considerable amount of volatile organic compounds; therefore in 1990s its use in Finland was restricted only to the patching purposes. To replace the volatile solvents used in cut-back bitumen, in 2008 Nynas AB introduced a new fluxing agent, bioflux. Bioflux is the product of a chemical process called NExBTL, which is patented by Neste Oil. The feed of NExBTL-process consists of vegetable oils, animal fats and hydrogen. The benefits of using bioflux instead of petroleum based fluxing agents may materialize in lower emissions of volatile organic compounds and in the use of renewable raw materials. The objective was to evaluate the use of biofluxed bitumen's in stockpiled soft asphalt mixes. Stockpiled mixes are used for pothole patching and as temporary pavement material for all year round, thus workability emerges as a primary requirement. A literature research was conducted to define other requirements for stockpiled mixes. The properties of different biofluxed bitumen's and asphalt mixes made of them were studied in laboratory. Additionally, a follow-up study of previously manufactured mixtures, both stockpiled and laid down to the test roads, was conducted to monitor the changes in the composition of biofluxed bitumen's and in the mix stability. Four different compositions of biofluxed bitumen's were selected for the laboratory study. The target viscosity for all biofluxed blends at 60 °C was 600 mm2/s. The viscosity graded bitumen's used had viscosities of 1500, 3000 and 6000 mm2/s (at 60 °C). Also one penetration graded bitumen was studied having penetration of 200 1/10 mm at 25 °C. Basic properties (flashpoint, density, viscosity, and evaporation rate of the solvent) were measured from the original biofluxed blends. The changes in the composition and rheological properties were studied after aging blends with different aging procedures. Water sensitivities with MYR-test (EN-12697-12 method C) and stabilities obtained from indirect tensile strength testing were evaluated from the mixes incorporating the four alternative biofluxed bitumens. A traditional cut-back bitumen (viscosity of 600 mm2/s at 60 °C) and soft asphalt (viscosity of 1500 mm2/s at 60 °C) were used as the reference binders. The water resistance of the studied mixtures was good, and the mixes made of biofluxed bitumen's did not differ from the ones made of the traditional cut-back bitumen. A slow evaporation of bioflux ensures a good workability for over a long period of time. On the other hand, bioflux with soft bitumen may cause the mixture to stay soft and unstable. Biofluxed bitumen's were found to perform well in the stockpiled asphalt mixes. However, the actual performance as an acceptable pothole patching material of low volume road pavement was not verified under traffic or environmental loading. It is recommended to continue field investigations and laboratory studies of biofluxed bitumen's with different blending viscosities