Asfaltcement

Achtergrond

Asfalt is een zware, donkerbruine tot zwarte minerale substantie, een van de verschillende mengsels van koolwaterstoffen die bitumen worden genoemd. Asfalt is een sterk, veelzijdig weer- en chemicaliënbestendig bindmateriaal dat zich aanpast aan een verscheidenheid aan toepassingen. Asfalt bindt steenslag en grind (algemeen bekend als aggregaat) tot stevige, taaie oppervlakken voor wegen, straten en landingsbanen van luchthavens. Asfalt, ook wel minerale pek genoemd, wordt gewonnen uit natuurlijke afzettingen zoals natuurlijk asfalt of brea of ​​als bijproduct van de aardolie-industrie (aardolieasfalt). Prehistorische dierlijke skeletten zijn volledig intact bewaard gebleven in natuurlijke asfaltafzettingen, een van de meest bekende zijn de La Brea-teerputten in Los Angeles, Californië.

Asfalt is een van 's werelds oudste technische materialen en wordt al sinds het begin van de beschaving gebruikt. Rond 6000 v. Chr. de Sumeriërs hadden een bloeiende scheepsbouwindustrie die asfalt produceerde en gebruikte voor breeuwen en waterdicht maken. Al in 2600 v. Chr. de Egyptenaren gebruikten asfalt als waterdichtingsmateriaal en ook om de omhulsels van mummies te impregneren als conserveermiddel. Oude beschavingen gebruikten veel asfalt als mortel voor het bouwen en plaveien van blokken die werden gebruikt in tempels, irrigatiesystemen, reservoirs en snelwegen. Het asfalt dat door vroege beschavingen werd gebruikt, kwam van nature voor en werd in geologische lagen gevonden als zachte, verwerkbare mortels of als harde, broze zwarte aderen van rotsformaties (ook bekend als asfaltkool). Natuurlijk asfalt werd gevormd toen ruwe aardolie zich een weg baande door scheuren en kloven naar het aardoppervlak. De werking van de zon en de wind verdreven de lichtere oliën en gassen en lieten een zwart residu achter. Natuurlijk asfalt werd tot het begin van de 20e eeuw op grote schaal gebruikt. De ontdekking van het raffineren van asfalt uit ruwe aardolie en de toenemende populariteit van de auto zorgden voor een enorme uitbreiding van de asfaltindustrie. Modern petroleumasfalt heeft dezelfde duurzame eigenschappen als natuurlijk voorkomend asfalt, met als bijkomend voordeel dat het wordt geraffineerd tot een uniforme toestand die vrij is van organische en minerale onzuiverheden.

Het grootste deel van het tegenwoordig geproduceerde petroleumasfalt wordt gebruikt voor wegdek. Asfaltbestratingsmateriaal is een dof zwart mengsel van asfaltcement, zand en steenslag. Na te zijn verwarmd, wordt het stomend heet op het wegdek gestort, vlak geharkt en vervolgens verdicht door een zware stoomwals. Asfalt wordt ook gebruikt voor dilatatievoegen en plekken op betonwegen. Start- en landingsbanen van luchthavens, tennisbanen, speeltuinen en vloeren in gebouwen maken allemaal ook gebruik van asfalt. Lichte vormen van petroleumasfalt, wegenoliën genaamd, worden op wegen gespoten om stof te laten neerslaan en grind te binden. Een ander belangrijk gebruik van asfalt is in asfaltshingles en roldakbedekking, die meestal bestaat uit vilt dat verzadigd is met asfalt. Het asfalt helpt het dakbedekkingsmateriaal te conserveren en waterdicht te maken. Andere toepassingen voor asfalt zijn onder meer:​​het waterdicht maken van tunnels, bruggen, dammen en reservoirs; roestwerende en geluiddempende metalen buizen en carrosserieën van auto's; en geluidsisolatie van wanden en plafonds.

Grondstoffen

De grondstof die bij de moderne asfaltproductie wordt gebruikt, is aardolie, wat van nature een voorkomend vloeibaar bitumen. Asfalt is een natuurlijk bestanddeel van aardolie en er zijn ruwe oliën die bijna volledig uit asfalt bestaan. Oliebronnen leveren de ruwe aardolie aan de olieraffinaderijen, waar het wordt gescheiden in zijn verschillende componenten of fracties.

Het fabricageproces

Ruwe aardolie wordt in de verschillende fracties gescheiden door een destillatieproces in de olieraffinaderij. Na scheiding worden deze fracties verder geraffineerd tot andere producten, waaronder asfalt, paraffine, benzine, nafta, smeerolie, kerosine en dieselolie. Aangezien asfalt de basis of het zware bestanddeel van aardolie is, verdampt of verdampt het niet tijdens het destillatieproces. Asfalt is in wezen het zware residu van het olieraffinageproces.

Destilleren van de ruwe olie

• 1 Het raffinageproces begint door de ruwe aardolie van een opslagtank naar een warmtewisselaar of buisverwarmer te leiden waar de temperatuur snel wordt verhoogd voor de eerste destillatie. Vervolgens gaat het een atmosferische destillatietoren binnen waar de lichtere en meer vluchtige componenten, of fracties, verdampen en worden afgevoerd via een reeks condensors en koelers. Het wordt vervolgens gescheiden voor verdere raffinage in benzine (beschouwd als een "licht" destillaat), kerosine (beschouwd als een "gemiddeld" destillaat), dieselolie (beschouwd als een "zwaar" destillaat) en vele andere nuttige aardolieproducten.

  Het zware residu van dit atmosferische destillatieproces wordt gewoonlijk getopte ruwe olie genoemd. Deze getopte ruwe olie kan worden gebruikt voor stookolie of verder worden verwerkt tot andere producten zoals asfalt. Vacuümdestillatie kan voldoende hoogkokende fracties verwijderen om wat een "straight run" asfalt wordt genoemd op te leveren. Als de getopte ruwe olie echter voldoende laagvluchtige componenten bevat die niet economisch kunnen worden verwijderd door middel van destillatie, kan oplosmiddelextractie - ook wel oplosmiddelontasfaltering genoemd - nodig zijn om asfaltcement met de gewenste consistentie te produceren.

Bezuinigen

• 2 Asfalt kan vervolgens worden gemengd of "afgesneden" met een vluchtige stof, wat resulteert in een product dat zacht en verwerkbaar is bij een lagere temperatuur dan puur asfaltcement. Wanneer het versnipperde asfalt wordt gebruikt voor bestrating of constructie, verdampt het vluchtige element wanneer het wordt blootgesteld aan lucht of hitte, waardoor het harde asfaltcement overblijft. De relatieve verdampingssnelheid of vluchtigheid van het snijmiddel bepaalt of een versnipperd asfalt wordt geclassificeerd als langzaam, gemiddeld of snel uithardend. Verwarmd asfaltcement wordt gemengd met resterende asfaltolie uit het eerdere destillatieproces voor een langzaam uithardend asfalt, met kerosine voor middelmatige uitharding en met benzine of nafta voor het snel uithardende asfalt.

Emulgeren

• 3 Het asfaltcement kan ook worden geëmulgeerd om een ​​vloeistof te produceren die gemakkelijk door pijpen kan worden gepompt, met toeslagmateriaal kan worden gemengd of door sproeiers kan worden gespoten. Om te emulgeren wordt het asfaltcement vermalen tot bolletjes van 5 tot 10 micron en kleiner (een micron is gelijk aan een miljoenste meter). Dit wordt gemengd met water. Er wordt een emulgator toegevoegd, die de neiging van asfalt en water om te scheiden vermindert. Het emulgeermiddel kan colloïdale klei, oplosbare of onoplosbare silicaten, zeep of gesulfoneerde plantaardige oliën zijn.

Verpulveren

• 4 Asfalt kan ook worden verpulverd om een ​​poedervormig asfalt te produceren. Het asfalt wordt vermalen en door een reeks fijnmazige zeven geleid om een ​​uniforme grootte van de korrels te garanderen. Aangedreven asfalt kan worden gemengd met wegenolie en aggregaat voor de aanleg van bestrating. De hitte en druk in de weg vermengt langzaam het poeder met het aggregaat en de bindolie, en de stof hardt uit tot een consistentie die vergelijkbaar is met gewoon asfaltcement.

Lucht blaast

• 5 Als het asfalt wordt gebruikt voor een ander doel dan bestrating, zoals dakbedekking, pijpcoating, of als onderafdichtings- of waterdichtingsmateriaal, kan het asfalt worden geoxideerd of met lucht worden geblazen. Dit proces levert een materiaal op dat zachter wordt bij een hogere temperatuur dan bestratingsasfalt. Het kan met lucht worden geblazen in de raffinaderij, in een asfaltverwerkingsfabriek of in een dakbedekkingsfabriek. Het asfalt wordt verwarmd tot 500 ° F (260 ° C). Vervolgens wordt er gedurende één tot 4,5 uur lucht doorheen geborreld. Bij afkoeling blijft het asfalt vloeibaar.

Asfaltbestratingsmengsels

Aangezien asfaltcement een belangrijk bestanddeel is dat wordt gebruikt in wegverharding, volgt het volgende: Er zijn twee soorten asfaltmengsels:hot-mix en cold-mix. Heet asfalt (HMA) wordt vaak gebruikt voor zwaardere verkeersgebieden, terwijl koud asfalt wordt gebruikt voor secundaire wegen. beschrijving van hoe asfaltverhardingsmengsels worden geproduceerd. Asfaltmengsels gemaakt met asfaltcement worden meestal bereid in een asfaltmenginstallatie. Er zijn twee soorten asfaltmengsels:hot-mix en cold-mix. Heet asfalt (HMA) wordt vaker gebruikt, terwijl koud asfalt (meestal mengsels gemaakt met geëmulgeerd of versneden asfalt) meestal wordt gebruikt voor secundaire wegen met licht tot middelzwaar verkeer, of voor afgelegen locaties of onderhoudsgebruik. Heet gemengd asfalt is een mengsel van geschikt toeslagmateriaal dat is bedekt met asfaltcement. De term "hot-mix" komt van het proces waarbij het aggregaat en asfalt worden verwarmd voordat het wordt gemengd om vocht uit het aggregaat te verwijderen en om voldoende vloeibaarheid van het asfaltcement te verkrijgen voor een juiste menging en verwerkbaarheid.

• 6 Asfaltcement en toeslagmateriaal worden gecombineerd in een menginstallatie waar ze worden verwarmd, geproportioneerd en gemengd om het gewenste bestratingsmengsel te produceren. Hotmix-faciliteiten kunnen permanent zijn geplaatst (ook wel "stationaire" faciliteiten genoemd), of ze kunnen draagbaar zijn en van baan naar baan worden verplaatst. Hot-mix-faciliteiten kunnen worden geclassificeerd als een batch-faciliteit of een drum-mix-faciliteit, beide kunnen stationair of draagbaar zijn. Warmtemenginstallaties van het batchtype gebruiken fracties van heet aggregaat van verschillende grootte die in evenredige hoeveelheden uit opslagbakken worden gehaald om één batch voor het mengen te vormen. De combinatie van aggregaten wordt gedumpt in een mengkamer die een pugmill wordt genoemd. Het asfalt, dat ook is gewogen, wordt vervolgens grondig gemengd met het aggregaat in de pugmill. Na het mengen wordt het materiaal vervolgens uit de pugmill geleegd in vrachtwagens, opslagsilo's of bufferbakken. Het trommelmengproces verwarmt en mengt het aggregaat met asfalt allemaal tegelijkertijd in de trommelmixer.
• 7 Wanneer het mengen is voltooid, wordt de hot-mix vervolgens naar de verhardingsplaats getransporteerd en in een gedeeltelijk verdichte laag uitgespreid tot een uniform, egaal oppervlak met een bestratingsmachine. Terwijl het nog heet is, wordt het bestratingsmengsel verder verdicht door zware walsmachines om een ​​glad wegdekoppervlak te produceren.

Kwaliteitscontrole

De kwaliteit van asfaltcement wordt beïnvloed door de inherente eigenschappen van de ruwe aardolie waaruit het is geproduceerd. Verschillende olievelden en -gebieden produceren ruwe oliën met zeer verschillende kenmerken. De raffinagemethode heeft ook invloed op de kwaliteit van het asfaltcement. Voor engineering- en constructiedoeleinden zijn er drie belangrijke factoren waarmee rekening moet worden gehouden:consistentie, ook wel de viscositeit of de mate van vloeibaarheid van asfalt bij een bepaalde temperatuur, zuiverheid en veiligheid genoemd.

De consistentie of viscositeit van asfaltcement varieert met de temperatuur en asfalt wordt beoordeeld op basis van consistentiebereiken bij een standaardtemperatuur. Een onzorgvuldige temperatuur- en mengregeling kan meer schade aan asfaltcement veroorzaken door uitharding dan vele jaren dienst op een rijbaan. Een gestandaardiseerde viscositeits- of penetratietest wordt gewoonlijk gespecificeerd om de consistentie van bestratingsasfalt te meten. Luchtgeblazen asfalt maakt doorgaans gebruik van een verwekingspunttest.

De zuiverheid van asfaltcement kan gemakkelijk worden getest, aangezien het bijna volledig bestaat uit bitumen, dat oplosbaar is in koolstofdisulfide. Geraffineerde asfaltsoorten zijn gewoonlijk voor meer dan 99,5% oplosbaar in koolstofdisulfide en eventuele onzuiverheden die achterblijven zijn inert. Vanwege de gevaarlijke ontvlambare aard van koolstofdisulfide wordt trichloorethyleen (TCE), dat ook een uitstekend oplosmiddel is voor asfaltcement, gebruikt in de zuiverheidstests voor oplosbaarheid.

Asfaltcement moet bij het verlaten van de raffinaderij vrij zijn van water of vocht. Bij transporten die het asfalt beladen, kan er echter vocht in de tanks aanwezig zijn. Dit kan ertoe leiden dat het asfalt gaat schuimen wanneer het wordt verwarmd tot boven 100 °C (212 °F), wat een veiligheidsrisico is. Specificaties vereisen meestal dat asfalt niet schuimt bij temperaturen tot 347 ° F (175 ° C). Asfaltcement zal, indien verwarmd tot een temperatuur die hoog genoeg is, dampen afgeven die zullen opvlammen in de aanwezigheid van een vonk of open vlam. De temperatuur waarbij dit gebeurt, wordt het vlampunt genoemd en ligt ruim boven de temperaturen die normaal bij bestratingswerkzaamheden worden gebruikt. Vanwege de mogelijkheid van asfaltschuimvorming en om een ​​voldoende veiligheidsmarge te waarborgen, wordt het vlampunt van het asfalt gemeten en gecontroleerd.

Een andere belangrijke technische eigenschap van asfaltcement is de taaiheid, die een maat is voor het vermogen van een materiaal om te worden getrokken, getrokken of vervormd. Bij asfaltcementen is de aan- of afwezigheid van ductiliteit meestal belangrijker dan de werkelijke mate van ductiliteit, omdat sommige asfaltcementen met een hoge mate van ductiliteit ook temperatuurgevoeliger zijn. Ductiliteit wordt gemeten door een "extensie"-test, waarbij een standaard asfaltcementbriket gevormd onder standaardomstandigheden en afmetingen wordt getrokken bij een standaardtemperatuur (normaal 25 °C) totdat deze onder spanning breekt. De rek waarbij het asfaltcementmonster breekt, is een maat voor de taaiheid van het monster.

Bijproducten/afval

Milieubeschermingswetten hebben strenge codes ontwikkeld die de waterstromen en de uitstoot van deeltjes en rook van olieraffinaderijen en asfaltverwerkingsfabrieken beperken. Niet alleen stof, maar ook zwaveldioxide, rook en vele andere emissies moeten streng worden gecontroleerd. Elektrostatische stofvangers, primaire stofafscheiders die enkelvoudige of meervoudige kegelcyclonen gebruiken, en secundaire opvangeenheden bestaande uit stoffiltercollectoren die gewoonlijk "zakhuizen" worden genoemd, zijn allemaal vereiste apparatuur om emissies te beheersen. Koolwaterstoffen die bij de productie van asfalt worden gevormd, veroorzaken, indien niet gecontroleerd, geurige dampen en verontreinigende stoffen die de lucht zullen verkleuren en donkerder maken. Verontreinigende stoffen die vrijkomen bij de asfaltproductie worden gecontroleerd door omkastingen die de uitlaatgassen opvangen en deze vervolgens door het verwarmingsproces recirculeren. Dit elimineert niet alleen de vervuiling, maar verhoogt ook de verwarmingsefficiëntie van het proces.

Hogere kosten van asfaltcement, steen en zand hebben de industrie gedwongen de efficiëntie te verhogen en oude asfaltverhardingen te recyclen. Bij recycling van asfaltverhardingen worden materialen die zijn teruggewonnen uit oude verhardingen samen met nieuwe materialen opnieuw verwerkt. De drie belangrijkste categorieën van asfaltrecycling zijn 1) hot-mix recycling, waarbij teruggewonnen materialen worden gecombineerd met nieuwe materialen in een centrale fabriek om hot-mix bestratingsmengsels te produceren, 2) koude-mix recycling, waarbij teruggewonnen materialen worden gecombineerd met nieuwe materialen ofwel ter plaatse of in een centrale fabriek om koudgemengde basismaterialen te produceren, en 3) oppervlakterecycling, een proces waarbij de oude asfaltverharding op zijn plaats wordt verwarmd, afgeschraapt of "verhard", opnieuw gemengd, opnieuw gelegd en gerold. Er kunnen ook organische asfaltrecyclagemiddelen worden toegevoegd om het verouderde asfalt te helpen herstellen naar de gewenste specificaties.

Vanwege de verdamping van oplosmiddelen en de vluchtigheid wordt het gebruik van verkleinde asfaltsoorten, met name snel uithardende asfaltsoorten die benzine of nafta gebruiken, steeds meer beperkt of verboden, terwijl geëmulgeerde asfaltsoorten (waarin alleen het water verdampt) populairder worden vanwege kosten- en milieuregelgeving.

De Toekomst

Toenemende economische en ecologische behoeften zullen veel nieuwe technische verbeteringen opleveren voor het recyclen van oude asfaltverhardingen, zoals het gebruik van microgolven om het wegdek volledig af te breken. Microgolven verwarmen de steenslag in asfaltverharding sneller dan het omringende cement, dat vervolgens wordt opgewarmd door de stralingswarmte van de steen. Deze methode voorkomt dat het asfaltcement verbrandt.

Er wordt onderzoek gedaan naar alternatieve bronnen van grondstof, zoals de productie van synthetisch asfalt uit het vloeibaar maken van zuiveringsslib. Om een ​​constante productkwaliteit te garanderen, worden nieuwe methoden ontwikkeld voor de productie van gemodificeerde asfaltsoorten en emulsies. Er worden veel nieuwe tests ontwikkeld om asfalt te karakteriseren, zoals high-performance gelpermeatiechromatografie (HP-GPC), waarmee veel eigenschappen kunnen worden bestudeerd en de resultaten in slechts enkele minuten kunnen worden verzameld. Nieuwe processen, efficiëntere meng- en maaleenheden, in-line vloeistofmassastroommeters, online monitoringsystemen en nieuwe veiligheidsapparatuur zijn enkele andere gebieden die worden onderzocht voor verbetering.

Met polymeer gemodificeerde scheurafdichtingsmiddelen voor asfalt winnen aan populariteit en er worden veel andere asfaltmodificatoren ontwikkeld. Modifiers worden toegevoegd om spoorvorming, scheuren, asfaltoxidatie en waterschade te beheersen. Sommige in de handel verkrijgbare asfaltmodificatoren zijn polymeren, waaronder elastomeren, metaalcomplexen, elementaire zwavel, vezels, gehydrateerde kalk, portlandcement, siliconen, verschillende vulstoffen en organische anti-stripmiddelen. Veel van deze modifiers zijn niet op grote schaal gebruikt en worden onderzocht voor verdere ontwikkeling. Het zou op een dag zelfs mogelijk kunnen zijn om "slimme asfaltcementen" te hebben door bepaalde asfaltwrijvingsmodificatoren te mengen, waardoor het de eigenschappen zou kunnen veranderen afhankelijk van of er vocht aanwezig was. In combinatie met antiblokkeerremmen, automatische tractiecontroles en airbags, dit zou kunnen dienen om vele levens te redden op de snelwegen van ons land.