Infrarood metingen op bitumen Voorbeeld van mogelijkheden


1 Infrarood metingen op bitumen Voorbeeld van mogelijkheden. M.F.C. van de Ven 1, Jian Qiu 1, Yuan zhang 1 1 Delft University of Technology, Faculty o...
Author:  Nina Vedder

0 downloads 0 Views 611KB Size

Recommend Documents


Kasklimaatregeling op basis van fotosynthese-metingen: wat zijn de mogelijkheden?
1 Kasklimaatregeling op basis van fotosynthese-metingen: wat zijn de mogelijkheden? Verslag van het eerste werkpakket van het project Energie besparen...

Verkenning mogelijkheden 3D-haze metingen
1 Verkenning mogelijkheden 3D-haze metingen J.P.M. van Ruijven 1, V. Mohammadkhani 1, G.L.A.M. Swinkels 1 1 Wageningen UR Glastuinbouw Rapport GTB-119...

MIJLPALEN IN HET ONDERZOEK NAAR WARMTESTRALING De bank van Melloni en infrarood metingen van zwarte stralerspectra
1 FACULTEIT WETENSCHAPPEN Fysica en Sterrenkunde MIJLPALEN IN HET ONDERZOEK NAAR WARMTESTRALING De bank van Melloni en infrarood metingen van zwarte s...

Richtlijn Baggervolumebepalingen op basis van handmatige metingen
1 Richtlijn Baggervolumebepalingen op basis van handmatige metingen SIKB-richtlijn pagina 1 van 222 Inhoudsopgave Hoofdstuk 1 Doel, uitgangspunten en ...

Infrarood verwarming van ThermIQ
1 Infrarood verwarming van ThermIQ Innovatieve en comfortabele verwarming2 Met panelen van ThermIQ haalt u een prettige en veilige zon in huis ThermIQ...

Infrarood verwarming van ThermIQ
1 De panelen zijn getest en 100% veilig Technische gegevens Bij ThermIQ gaat elk paneel door onze handen, zo blijven we kwaliteit leveren Artikelnumme...

ZWAVEL EN BITUMEN ORIËNTEREND ONDERZOEK NAAR DE MOGELIJKHEDEN OM ZWAVEL OF ZWAVELRIJKE MATERIALEN IN BITUMEN TE VERWERKEN PROEFSCHRIFT
1 ZWAVEL EN BTUMEN ORËNTEREND ONDERZOEK NAAR DE MOGELJKHEDEN OM ZWAVEL OF ZWAVELRJKE MATERALEN N BTUMEN TE VERWERKEN PROEFSCHRFT TER VERKRJGNG VA...

Infrarood verwarming van ThermIQ
1 De panelen zijn getest en 100% veilig Technische gegevens Bij ThermIQ gaat elk paneel door onze handen, zo blijven we kwaliteit leveren Artikelnumme...

Laboratoriumbeproevingen bitumen
1 Laboratoriumbeproevingen bitumen Chemische analyse Dunne laag chromatografie De exacte chemische samenstelling van een bitumen is moeilijk te bepale...

Infrarood Stralingsverwarming
1 AR/SL serie Gas gestookte buis stralers Installatie en Service voorschriften G:\002 Leverancier\030 Producten\001 Gebruiks- en Installatievoorschr\A...



Infrarood metingen op bitumen Voorbeeld van mogelijkheden. M.F.C. van de Ven 1, Jian Qiu1, Yuan zhang 1 1

Delft University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Geosciences, Stevinweg 1, 2628 CN Delft, The Netherlands [email protected]

Abstract Infrarood analyse geeft een goede indikatie van de samenstelling van bitumen. Deze methode wordt steeds vaker gebruikt voor het karaktersiseren van bitumen, niet alleen door bitumen producenten, maar ook steeds meer door onderzoekers. TU Delft gebruikt infrarood metingen sinds ongeveer 5 jaar min of meer standaard in projecten waar bitumen wordt onderzocht. In deze paper wordt na een introductie over infrarood meten een voorbeeld gegeven van een recent onderzoek waarbij infrarood analyse van het (teruggewonnen) bindmiddel een belangrijke rol speelt. Specifiek onderwerp in deze paper is het gebruik van infrarood bij het volgen van de veroudering van bitumen in de tijd. In deze paper is voor een zoab laag onderzocht of de veroudering over de hoogte van de zoab laag verschilt. Speciaal aandacht is hierbij gegeven aan het terugwinnen van bitumen en de invloed hiervan op de infrarood analyse, met name de invloed van de vulstof en het oplosmiddel. Key-words: FTIR, bitumen, chemische samenstelling, veroudering, terugwinning

1

1. Introductie Fourier Transformatie Infrarood (FTIR) spectroscopie is een techniekvoor het identificeren van functionele groepen op moleculair niveau in organische materialen. Infrarood (IR) spectra kunnen de aanwezigheid van chemische functionele groepen aantonen. Dit is natuurlijk zeer waardevol en zal in deze paper vooral worden gekoppeld aan het karakteriseren van mogelijke verouderingsproducten in bitumen. IR analyse is snel en gemakkelijk uit te voeren op kleine hoeveelheden materiaal. IR spectra kunnen ook worden gebruikt voor het onderzoeken of rejuvenators zijn toegevoegd aan asfaltgranulaat of aan het oppervlak van deklagen. In deze paper wordt getoond hoe de techniek kan worden gebruikt voor het onderzoeken van de veroudering van zoab.

2. Infrarood Theorie IR spectroscopie refereert naar het deel van het electromagnetisch spectrum tussen zichtbare en microgolf gebied. Het infrarood deel van het electromagnetisch spectrum wordt meestal ingedeeld in drie gebieden: het nabije-, midden- en verre- infrarood, genoemd naar de relatie met het zichtbare spectrum. Het midden-infrarood gebied is het belangrijkste voor de organische chemie. Dit is het gebied tussen de golflengtes van 3×10-4 en 3×10-3 cm (ongeveer van 4000-400 cm-1 wavenumbers).Infrarood straling wordt geabsorbeerd door organische moleculen en omgezet in energie van de moleculaire trilling. In IR spectroscopie worden organische moleculen blootgesteld aan infrarood straling. Als de stralingsenergie gelijk is aan de energie van een specifieke moleculare trilling, dan zal absorptie van de infrarood straling optreden. Een typisch infrarood spectrum is gegeven in Figuur 1. Het wavenumber (op de xaxis) is proportioneel aan de energie. Een toename in wavenumber correspondeert met een toename in energie. De absorptie (op de y-axis) is de logaritme van de reciproke waarde van de transmittance. Absorptie van stralingsenergie energie wordt door deze werkwijze weergegeven als een piek in de grafiek. Twee types moleculaire trillingen zijn belangrijk: strekking en buiging. Een molecule dat n atomen heft, heeft 3n vrijheidsgraden. In een niet lineair molecuul zijn 3 van deze vrijkheidsgraden are roterend en 3 zijn verplaatsing georienteerd. Daarom is het aantal fundamentele trillingen van niet-lineaire moleculen 3n - 6. De fundamentele trillingen voor water zijn gegeven in Figuur 2. Het niet-lineaire water molecuul heeft drie fundamentele trillings toestanden.

2

Figuur 1. Het infrarood spectrum van pure bitumen 70/100.

Figure 2: Trillingsmodellen voor strekking en buiging van H2O De strekking frequentie van twee atomen die chemisch gebonden zijn kan worden benaderd via een eenvoudige harmonische oscilator. De energie curve voor een eenvoudige harmonische oscillator is gegeven in het linker deel van Figuur 3. Volgens de wet van Hooke is de frequentie van de trilling van de binding gerelateerd aan de massa en de kracht constante van de binding volgens de formule:

(1)

= = =

de kracht constante de massa, de frequentie van de trilling

Volgens de principes van de kwantum mechanica zijn alleen transities toegestaan die voldoen aan: (2)

3

=

de trillings energie

=

het kwantum getal (0, 1, 2, 3, …),

=

de constante van Planck

In de harmonische oscillatie mode, is het laagste energieniveau

. Volgens de

selectie regels zijn alleen overgangen naar het volgende energie niveau toegestaan. Daarom zullen moleculen een vaste hoeveelheid energie absorberen met waarde

. Een molecule is

in werkelijkheid geen harmonische oscillator. Met toenemende interatomaire afstand bereikt de energie een maximum zoals aangegeven in de rechter grafiek van Figuur 3. De energie niveaus komen steeds dichter bij elkaar te liggen bij toenemende interatomaire afstand in de niet-harmonische oscillator. De overgangen (

) hebben een steeds lagere energie waarde.

Figuure 3. Energie curve voor een harmonisce oscillator (links) en voor een niet-harmonische oscillator (rechts) (Universiteit van Colorado 2001-2002) Het gebied in een IR spectrum waar de strekking trillingen van de binding worden waargenomen hangt primair af van het feit of de binding met waterstof enkelvoudig, dubbel of driedubbel zijn. Wanneer de kracht constante toeneemt, dan neemt de trillings frequentie (wavenummer) ook toe. De kracht constante is 5×105, 10×105, and 15×105 dyne/cm voor respectievelijk enkel, dubbel en driedubbele binding. De gebieden van het infrarood spectrum waar verschillende trillingsbanden worden waargenomen zijn gegeven in Figuur 4. De complexiteit van infrarood spectra tussen 1450 en 600 cm-1 maakt het moeilijk om alle absorptie banden afzonderlijk aan te duiden en het unieke patroon dat hier wordt gevonden, heeft de bijnaam “fingerprint” gebied gekregen. Absorptie banden tussen 4000 en 1450 cm-1 hebben meestal te maken met strekkings trillingen van twee-atomaire eenheden. Dit gebied wordt ook wel het “groep frequentie” gebied genoemd.

4

Figuur 4. Moleculen en hun trillings mode in het midden infrarood gebied (Universiteit van Colorado 2001-2002) Voor een complex molekuul is het niet mogelijk om iedere binding in een IR spectrum te linken aan een specifieke trilling. Om die reden worden IR spectra geinterpreteerd door extrapolatie van studies op eenvoudige moleculen en te vergelijken met spectra van bekende compounds. De meeste functionele groepen veroorzaken stijging in specieke gebieden van het spectrum. Het gebied tussen 4000 en 1300 cm-1 is bijzonder geschikt voor het identificeren van specifieke functionele groepen. Enkele functionele groepen zoals C-H, C=O, en -H vertonen enge pieken in of the IR spectrum. Het gebied tussen 1300 en 900 cm-1 wordt het “fingerprint” gebied genoemd. In dit gebied zijn de bindingen afkomstig van interactieve trillings modes die een complex absorptie patroon veroorzaken. Dit gebied is uitermate bruikbaar bij het vergelijken van spectra van onbekende en bekende materialen. De kwalitatieve en kwantitatieve analyse van een IR spectrum van bitumen kan worden uitgevoerd op basis van een relatieve vergelijking van de absorptie pieken die de vorming van verouderingsproducten karakteriseren. Zoals aangegeven in Figuur 5, vertegenwoordigen de absorptie pieken bij 3000-2850 cm-1 en 1470-1350 cm-1 functionele groepen van het aromatische (C-H strek) en alkaan (C-H buiging) type. De pieken van deze functionele groepen veranderen nauwelijks in het IR spectrum voor maagdelijke en verouderde bitumen. Voor verouderd bitumen zijn de absorptie pieken bij 1710-1685 cm-1 (ketonen C=O) en 1082980 cm-1 (sulfoxide S=O) echter twee karakteristieke gebieden ten gevolge van de veroudering. De piek hoogtes en de oppervlakken onder de pieken kunnen worden gebruikt voor het bepalen van de mate van veroudering. In Tabel 1 zijn karakteristieke IR absorptie gebieden samengevat.

5

Figuur 5. Typical IR spectra of pure bitumen and aged bitumen Tabel 1. Karakteristieke IR absorpties (Universiteit van Colorado 2001-2002)

6

3. Onderzoeksplan In deze paper zijn de IR spectra van bitumen monsters weergegeven, die op verschillende hoogtes in een zoab deklaag zijn genomen. De verandering in veroudering tussen de verschillende bitumen monsters kan een indruk geven van de mate van veroudering over de hoogte van een zoab deklaag. Een kwantitatieve analysis van het IR spectrum was gedaan om de mate van veroudering te kunnen vergelijken. Uit kernen zijn balkjes gezaagd, die onder andere voor buigproeven zijn gebruikt. De gebroken stukken van de balk zijn gebruikt om bindmiddel voor FTIR analyse uit te halen. Om verschil in veroudering over de hoogte van een zoab laag te onderzoeken zijn de stukken balk opgezaagd in drie delen: top, middel en bodem. Voor de kleine hoeveelheden kon niet de standaard bitumen terugwin methode worden gebruikt. Een simpele terugwin methode is ontwikkeld voor dit doel. zaag

Top: 0~10mm middel: zaag 15~25mm Bottom: Verdamping

FTIR test

Filtratie

30~40mm

Binder

Binder

&

o

[email protected] C +

Mortar Solvent Filter papier + vacuum

Figuur 6. Schema van het terugwinnen van bitumen Ten eerste werden de gebroken balken gezaagd in drie blokjes, top blokje ( 0-10 mm), middel blokje (15-25 mm) en bodem blokje (30-40 mm). De blokjes werden gebroken om een kleine hoeveelheid mortel te krijgen. De mortel werd koud opgelost in methyleenchloride, CH2Cl2). Een filter apparaat werd gebruikt om de mineralen te scheiden van het opgeloste bitumen onder vacuum condities. Hierbij werden filter papieren met zeefopeningen van 5×10-6 m respectievelijk 1.6×10-6 m uitgeprobeerd. Na de verdamping van het oplosmiddel na 12 uur aan de lucht en in de oven bij 60 oC voor een extra uur, werd aangenomen dat het bindmiddel overbleef. De voorbereiding van het binmiddel monster is samengevat in figuur 7.

7

De Attenuated Total Reflectance (ATR) FT-IR methode werd gebruikt voor het bepalen van de IR spectra. Het materiaal kan in vaste of vloeibare toestand worden gemeten. De PerkinElmer 100 Series FT-IR spectrometer met ATR FT-IR spectroscopie werd voor dit doel toegepast. Figuur 8 toont de spectrometer met een resolutie van 4 cm-1. (a)

(d)

(e)

(b) (f)

(c)

Figuur 7. Samenvatting bindmiddel terugwin proces: (a) zoab blokjes; (b) mortel van het blok; (c) oplossing; (d) filtratie met vacuum; (e) verdamping in oven; (f) bindmiddel op papier

Figuur 8. De PerkinElmer 100 Series FT-IR spectrometer Het principe van ATR FT-IR spectroscopie is als volgt: een verdund totaal reflectie accessoir werkt via het meten van veranderingen die ontstaan in een totaal inwendig gereflecteerde infrarood straal wanneer de straal in contact komt met het bitumen. Een infrarood straal wordt gericht op een optisch dichte kristal met een hoge refractie index onder een bepaalde hoek. Deze interne reflectie creeert een voorbijgaande golf die zich voortplant door het oppervlak 8

van het kristal in het monster dat in contact is gebracht met het kristal. De voorbijgaande golf dringt slechts enkele microns (0.5×10-3 – 5×10-3 mm) in het monster. Uiteraard moet er goed contact zijn tussen het monster en het kristal oppervlak. In gebieden van het infrarood spectrum waar het monster energie absorbeert, zal de voorbijgaande golf wordenverminderd of veranderd. De verminderde energie van iedere voorbijgaande golf wordt doorgegeven aan de IR straal, die vervolgens aan de andere kant van het kristal verdwijnt en vervolgens de detector in de IR spectrometer passeert. Het systeen stelt dan een infrarood spectrum samen.

Figure 9. een multiple reflectie ATR systeem (PerkinElmer 2005)

4. Resultaten Voordat het bindmiddel werd beproefd zijn enkele proeven gedaan om de invloed en het effect van de terugwin methode na te gaan. Nagegaan is: • • •

Wat is de invloed van het oplosmiddel (methyleenchloride, CH2Cl2) op het bitumen Welke invloed heeft het filter papier Kan alle vulstof met het filter papier worden verwijderd?

Nagegaan is of het oplosmiddel CH2Cl2) na extractie nog aanwezig was in het bitumen. Een maagdelijk bitumen werd hiertoe opgelost in methyleenchloride. Vervolgens werd het 12 uur lang bij kamertemperatuur aan de lucht blootgesteld en in een oven gedurende een uur op een temperatuur van 60 oC gehouden om het oplosmiddel te laten verdampen. Vergelijking van de IR spectra van de teruggewonnen bitumen en de maagdelijke bitumen, toont geen verschil behalve een zwakke absorptie piek bij 1260 cm-1 in het spectrum van de teruggewonnen bitumen, zie figuur 10. De absorptie piek is waarschijnlijk afkomstig van het oplosmiddel, namelijk de functionele groep van de alkyl halides (-CH2X). De invloed van het filter papier was onderzocht door een oplossing van de maagdelijke bitumen in methyleenchloride te filteren met het filter papier. Niets bleef achter op het filter. 9

De IR spectra van bitumen met en zonder filter zijn weergegeven in Figuur 10. Het blijkt dat het filter papier geen invloed heeft op het IR spectrum.

Figure 10. IR spectra van een maagdelijk bitumen en teruggewonnen bitumen zonder en met filtering.

Figure 11. IR spectra van een maagdelijk bitumen en teruggewonnen bitumen van een mortel. Het is ook belangrijk om na te gaan of het filter papier de oplossing voldoende kan scheiden van de minerale fractie, met name de fijne vulstof deeltjes. Hiertoe werd een maagdelijk bitumen gemengd met een minerale vulstof. Vervolgens werd de vulstof gescheiden van de oplossing met de filter papieren met zeefdoorlaten van 5×10-3 mm and 1.6×10-3 mm. De IR spectra zijn gegeven in Figuur 12. Het blijkt dat de minerale vulstof een sterke absorptie piek rond 1000 cm-1 heeft en een zwakke rond 3650 cm-1. De piek rond 1000 cm-1 overwoekert 10

duidelijk de piekbij 1082-980 cm-1 (sulfoxides) in het spectrum. Na de filtering werd geen specifieke absorptie piek voor de minerale vulstof gevonden in het teruggewonnen bitumen. Er was ook geen verschil waar te nemen voor de twee filterpapieren met zeefdoorlaten 1.6×10-3 mm en 5×10-3 mm. Filter papier met zeefdoorlaat 5×10-3 mm werd verder gebruikt.

Figuur 12. IR spectra van maagdelijk bitumen en teruggewonnen bitumen van de weg met de standaard methode en filter methode. De resultaten van de filter methode die hier is beschreven zijn vergeleken met de standaard terugwin methode. Figure 12 laat zien dat de absorptie pieken bij 1260 cm-1 (-CH2X) voorkomen in het spectrum van de teruggewonnen bitumen zowel bij de standaard methode als de filter methode voor hele kleine hoeveelheden. De absorptie piek bij 1030 cm-1 (S=O) is een beetje hoger in het spectrum van de teruggewonnen bitumen met de filter methode dan met de standaard methode. Dit kan ook te maken hebben met een verschil in veroudering van de bitumen. De resultaten van teruggewonnen bindmiddelen van een zoab deklaag op de A50 zijn gegeven voor de IR spectra en de daarop uitrgevoerde data analyse. Een voorbeeld van een IR spectrum met absorptie pieken tussen 1800 en 800 cm-1 is gegeven in Figuur 13. De data analyse geeft de resultaten voor de mate van vermoeiing van bindmiddelen. De mate van veroudering is gekarakteriseerd met de verouderingsindex voor de absorptie piek bij 17101685 cm-1 (ketones C=O), zoals getoond in tabel 2.

11

Figuur 13. IR spectra van bitumen teruggewonnen uit de top, midden en onderste helft van een zoab kern. Figuur 13 toont het IR spectrum van de bitumen die is teruggewonnen uit het bovenste, midden en onderste gedeelte van een balkje uit een kern. De absorptie pieken rond 1710-1685 cm-1 (ketonen C=O) en 1082-980 cm-1 (sulfoxides S=O) geven een maat voor de veroudering van de teruggewonnen bitumen. De absorptie pieken zijn lager voor het midden en onderste gedeelte ten opzichte van bovenin. Het geeft aan dat de veroudering van het bindmiddel in de top hoger is dan van het bindmiddel lager in de zoab. De zwakke absorptie piek bij 1260 cm-1 geeft aan dat er enige alkyl halides (-CH2X) van het oplosmiddel in het bitumen zijn gebleven. Voor het zoab vak van de A50 is een kwantitatieve analyse van de absorptie piek uitgevoerd bij 1710-1685 cm-1 (ketonen C=O) om de mate van veroudering van het teruggewonnen bindmiddel bovenin, midden en onderin de zoab laag te bepalen. De gebruikte verouderingsindex is de verhouding tussen het piek oppervlak rond 1710-1685 cm-1 (ketonen C=O) en het piek oppervlak tussen 3000-2850 cm-1 (aromatics C-H). De gemiddelde resultarten zijn gegeven in Tabel3. Tabel 3. Gemiddelde waardes en standard afwijking van een verouderingsindex voor een zoab deklaag op de A50

Top Midden Onder

Gemiddelde waarde l 0.006223 0.005070 0.003952

Standaard afwijking

Relatieve stand afwijking

0.000478 0.001029 0.001369

7.7% 20.3% 34.6%

12

5. Conclusies Een snelle methode is ontwikkeld om met IR analyse de veroudering over de hoogte van een zoab lag te bepalen. Belangrijk hierbij is de terugwin methode van het bitumen. Een speciale terugwin methode voor kleine hoeveelheden bitumen is ontwikkeld. Voor een aantal bitumen monsters kon de minerale vulstof niet helemaal worden verwijderd. Om die reden is de absorptie piek rond 1082-980 cm-1 (sulfoxides S=O) niet gebruikt voor het bepalen van de veroudering. Voor de absorptie pieken bij 1710-1685 cm-1 (ketones C=O), geven zowel de piek hoogte als de gebruikte veroudering index aan dat de de zoab het sterkst veroudert aan het oppervlak en minder veroudert in de diepte van de zoab laag. Dit kan zowel aan de temperatuur liggen als aan het feit dat de UV straling van de zon voornamelijk het oppervlak beinvloedt. De standard afwijking van de verouderingsindex is vrij hoog voor het midden en onerste gedeelte van de zoab laag. IR analyse lijkt een krachtig middel om veranderingen in de chemische samenstelling van bitumineuze bindmiddelen te bepalen.

Referenties De la Roche, C., van de Ven, M., van den Bergh, W, Gabet, T, Dubois, V., Grenfell, J, Porot, L. Development of a laboratory bituminous mixtures ageing protocol. Proceedings of the RILEM conference, Rhodos, Greece. (2009)

University of Colorado (2002). Handbook for Organic chemistry lab: Infrared spectroscopy

Van den Bergh, W. The effect of ageing on the fatigue and healing properties of bituminous mortars. Dissertation Delft University of Technology (2011).

13

Life Enjoy

" Life is not a problem to be solved but a reality to be experienced! "

Get in touch

Social

© Copyright 2013 - 2019 TIXPDF.COM - All rights reserved.