Asfalt bereid bij verlaagde temperatuur

Beschrijving

Asfaltmengsels die bij verlaagde temperaturen worden geproduceerd vallen onder de noemer ‘warm mix asphalt’ (WMA) of AVT (asfalt bereid bij verlaagde temperatuur).

De eerste proeven met WMA dateren van eind jaren ’90. In Duitsland werd geëxperimenteerd met additieven en in Noorwegen werd het WMA-foamproces ontwikkeld. Gemiddeld is er een daling van het energieverbruik van 20% - 40% t.o.v. het standaard proces voor de productie van warm asfalt (Hot Mix Asphalt of HMA).

WMA wordt ruwweg geproduceerd bij temperaturen tussen 100°C en 150°C, zoals geïllustreerd in Figuur 37:

Figuur 37: Classificatie in functie van temperatuurbereik (EAPA, 2014)

AVT-technologieën werken boven de 100°C, dus de hoeveelheid water die in het mengsel achterblijft is erg klein. Er worden verschillende technieken gebruikt om de effectieve viscositeit van het bindmiddel te verminderen, waardoor volledige coating en daaropvolgende verdichtbaarheid bij lagere temperatuur mogelijk wordt.

Er bestaan verschillende technieken om AVT te produceren, namelijk d.m.v.:

• organische additieven;
• chemische additieven;
• opschuimen van bitumen.

Hieronder worden de verschillende technieken kort toegelicht.

Organische additieven

Verschillende organische additieven kunnen worden gebruikt om de viscositeit van het bitumen te verlagen bij een temperatuur van ongeveer 90 °C. Het type additief moet zorgvuldig worden geselecteerd worden zodat het smeltpunt hoger ligt dan de verwachte temperatuur tijdens de gebruiksfase van de asfaltverharding, anders kan er permanente vervorming ontstaan en moet de asfaltverharding nog voldoende taaiheid bezitten bij lage temperaturen. Meestal worden er was of vette amides gebruikt die toegevoegd kunnen worden in de menger of aan het bitumen.

Een veelgebruikt voorbeeld hiervan is paraffine, dat geproduceerd wordt bij de conversie van aardgas.

Organische additieven zorgen typisch voor een verlaging van de temperatuur van 20 à 30 °C. Een bijkomend voordeel is dat ze de weerstand tegen vervorming verhogen.

Chemische additieven

Chemische additieven passen de viscositeit van het bitumen niet aan. Het zijn hechtingsverbeteraars die de verbinding tussen de minerale materialen en bitumen vergemakkelijken. Ze regelen en verminderen de wrijvingskrachten aan de contactvlakken binnen een bepaald temperatuursinterval, typisch tussen 85 en 140 °C. Daardoor is het mogelijk om de minerale materialen en het bitumen op een lagere temperatuur te mengen en te verdichten en dit met een vermindering van 20 á 30 °C.

Opschuimen of schuimtechnieken van het bitumen

Er bestaan een hele reeks schuimtechnieken die allen worden toegepast om de viscositeit van het bitumen te verlagen. Op verschillende manieren wordt er getracht om kleine hoeveelheden water in het bitumen te krijgen. Het water wordt stoom, verhoogt het volume van het bitumen en vermindert de viscositeit van het bitumen voor een korte tijdsperiode tot het materiaal is afgekoeld. Het schuim valt dan uiteen en het bitumen gedraagt zich weer als normaal bitumen.

Factoren zoals de hoeveelheid toegevoegd water en de temperatuur van het bindmiddel zullen het expansie volume beïnvloeden.

• Directe methode door injectie van water door gebruik van schuimnozzles:

De directe methode van opschuimen zorgt, door het injecteren van een minimale gecontroleerde hoeveelheid water via schuim nozzles, voor een grote tijdelijke stijging van het effectieve volume van het bindmiddel. Dit ondersteunt de binding van bitumen en minerale materialen en is voordelig tijdens het verdichten van de asfaltverharding. Bij afkoeling komt het bitumen terug in zijn oorspronkelijke staat aangezien het vochtgehalte verwaarloosbaar is.

• Indirecte methode door gebruik van hydrofiele mineralen (zeoliet):

Een indirecte methode van opschuimen van het bitumen is het gebruik van een mineraal als bron voor schuim. Hydrofiele mineralen van de zeoliet familie worden hier veelal voor gebruikt. Zeolieten zijn aluminiumsilicaten, die als bijzondere eigenschap hebben dat zij een grote hoeveelheid water kunnen opsluiten in hun kristalstructuur, dat boven 100 °C wordt vrijgegeven. Dit vrijkomen creëert een gecontroleerd schuim effect. Dit zorgt voor een verhoogde verwerkbaarheid voor een 6 tot 7 uur durende periode ofwel tot de temperatuur van het asfaltmengsel onder 100 °C zakt. De temperatuur van het mixen en verdichten wordt bijgevolg verlaagd met ongeveer 30 °C.

Een tweede indirecte schuimtechniek maakt gebruik van het vocht op het zand (of RAP) om natuurlijk gevormd schuim te genereren. Het is een sequentiële techniek. Het grove aggregaat, dat ongeveer 80% van het mengselontwerp vertegenwoordigt, wordt gedroogd/verwarmd tot 130-160°C, vervolgens bedekt met bitumen, waardoor een dikke bindmiddelfilm op de grove deeltjes ontstaat. De volgende stap omvat de toevoeging van de koude/natte fractie. Het vocht in contact met het hete bitumen veroorzaakt schuimvorming, wat een gemakkelijke coating van het koude en natte RAP of fijne toeslagmateriaal vergemakkelijkt.

Deze techniek maakt dezelfde temperatuurverlaging mogelijk als het direct opschuimen door middel van nozzles, ongeveer 20 tot 40°C.

Naast bovengenoemde technieken zijn er ook gecombineerde producten waarmee AVT kan worden gemaakt, zoals pellets met vezels en zeoliet of vezels met organische toevoegingen. (EAPA, 2014)

Toepasbaarheid

Levensduurtesten in Duitsland en Noorwegen tonen aan dat de prestatiekenmerken van sfaltmengsels bereid bij verlaagde temperatuur (AVT) gelijkwaardig of zelfs beter zijn dan die van standaard geproduceerde asfaltmengsels. Het EAPA publiceerde hierover een position paper, met literatuurverwijzingen en relevante studies, die aantonen dat de prestaties en de gebruikskenmerken van AVT-mengsels gelijkwaardig of zelfs beter zijn dan die van traditionele mengsels (EAPA, 2014).

Ook in Nederland en Vlaanderen zijn al pilootprojecten afgerond met een goed resultaat. Er zijn een aantal asfaltcentrales in Vlaanderen die deze methode actief inzetten in hun productie, en het mengsel kan COPRO-gecertificeerd worden en opgenomen in het standaardbestek. De projecten waarbij deze technieken worden ingezet zijn echter eerder beperkt en kleinschalig.

Voor het produceren van WMA kan de bestaande installatie van een asfaltcentrale gebruikt worden met een aantal toevoegingen. Voor de toevoer van additieven en hydrofiele mineralen is er een toevoerinstallatie nodig. Voor het opschuimen van bitumen zijn schuimnozzles nodig met toevoerleidingen en een regelsysteem voor de gecontroleerde toevoer van water. Tenslotte zijn er extra opslagtanks nodig voor de gebruikte stoffen.

Tenslotte kunnen er procestechnische problemen voorkomen, zoals condensatie die niet plaatsvindt bij afkoeling van de rookgassen na de stoffilter, maar ervoor. De gassen zullen kouder zijn en er kan condensatie optreden in de stoffilter, wat leidt tot verstopping van de filter met modder. Om dit probleem te verhelpen kunnen de rookgassen net voor de filter opgewarmd worden om condensatie te vermijden, maar dit lijkt contradictorisch met het initiële doel van de techniek om de temperatuur te verlagen.

Milieuaspecten

De grootste drijfveer om deze technieken te ontwikkelen en in te zetten is de vermindering van het energieverbruik. Door de lagere productietemperatuur van AVT is er minder brandstof nodig om het aggregaat te verwarmen. Dit resulteert in een globaal lagere uitstoot (vnl. VOS en afgas) van de asfaltcentrale. De daadwerkelijke verlagingen variëren op basis van een aantal factoren en dienen van geval tot geval bekeken te worden.

Afhankelijk van de situatie kan een inschatting worden gemaakt van de vermindering van emissie. Volgens meerdere bronnen kunnen de volgende reducties worden bekomen, en geldt dat hoe groter de temperatuurverlaging, hoe groter de vermindering van emissies:

• CO₂-reductie van 20 tot 40%;
• SO₂-reductie van 20 tot 35%;
• VOS-reductie tot 50%;
• CO-reductie van 10 tot 30%;
• NOx-reductie van 60 tot 70%;
• Stof-reductie van 20 tot 55%;
• Energiebesparingen van 25 tot 50%.

Tenslotte kan het waterverbruik licht stijgen en/of zal er extra materiaalverbruik zijn in de vorm van de gekozen additieven (zie ook paragraaf Beschrijving hierboven).

Naast voordelen op milieuvlak, zijn er ook significante voordelen voor (de gezondheid van) asfaltwerkers. De lagere meng- en verhardingstemperaturen minimaliseren de uitstoot van rook en geur en creëren koelere werkomstandigheden voor de asfaltwerkers. Als vuistregel geldt dat het vrijkomen van rook met ongeveer 50% wordt verminderd voor elke temperatuurverlaging van 12°C. Dus een temperatuurverlaging van bv. 25°C zal leiden tot een rookemissiereductie van ongeveer 75% (zie ook Figuur 38).

Financiële aspecten

Het mengen van asfalt bij lagere temperaturen heeft invloed op het hele productieproces. Enerzijds zijn er de procesveranderingen die direct verband houden met de toegepaste AVT-technologie (bijv. schuimgenerator), en anderzijds de overige gevolgen of aanvullende eisen waaraan een asfaltcentrale moet voldoen (bijv. werkbereik brander).

Als er additieven worden gebruikt, zal de werkingskost stijgen. En tenslotte kan er een kost zijn voor licenties om bepaalde technieken te mogen inzetten.

Anderzijds is er een vermindering van het brandstofgebruik en kan er een vermindering zijn van de onderhoudskosten.

Afhankelijk van de bovenstaande kosten en baten, kunnen AVT-mengsels met een gelijkaardige of lichtjes hogere kost worden geproduceerd.

Bronnen

(Leyssens, Verstappen, & Huybrechts, 2013)

(EAPA, 2014)