Plan van aanpak vergelijkend afm onderzoek aan bitumen iq v3

286 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
286
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
2
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Plan van aanpak vergelijkend afm onderzoek aan bitumen iq v3

  1. 1. Plan van Aanpak vergelijkende AFM-experimenten TU Delft –TNOVersie 3Alexander Schmets, Bert Dillingh, Dave van VlietDelft, 12 december 2011InhoudsopgaveSamenvatting .................................................................................................................................................................... 1Round Robin experimenteel programma [1] .................................................................................................................... 2Materialen......................................................................................................................................................................... 3Conditionering van de preparaten .................................................................................................................................... 4Afspraken AFM-instellingen .............................................................................................................................................. 5Meetprocedure Round Robin onderzoek (WP1) .............................................................................................................. 6Meetprocedure Temperatuursinvloed (WP2) .................................................................................................................. 9Aanpak bij tussentijdse calamiteiten en risicobeheersing .............................................................................................. 10Literatuur ........................................................................................................................................................................ 10SamenvattingEr wordt binnen InfraQuest, met name vanuit TNO en de TU Delft (Tom Scarpas en Alexander Schmets), een langeretermijn visie ontwikkeld omtrent het onderzoek naar ‘Healing’ in asfalt. Een belangrijk onderdeel van deze visie is deontwikkeling van karakteriseringstechnieken van de microstructuur van asfalt/bitumen. Eén van de voorzienekarakteriseringmethoden is de zogenaamde Atomic Force Microscopy (AFM). Binnen TNO is in het kader vanvoorafgaande onderzoeken m.b.t. Fysisch-Chemisch Asfalt Modellering (FCAM) op dit punt al goede resultaten.Bij de TU Delft is deze onderzoekslijn enkele jaren geleden geïnitieerd. De TU Delft heeft het reversibeltransformeren van microstructuren in het bitumen onderkend als één van de mechanismen welke leidt tot hetmacroscopisch waargenomen healing-gedrag van deze materialen. Dit project sluit aan op twee promotieprojectenbinnen de vakgroep Structural Mechanics, Mechanics of Infrastructure Materialen. Een van deze projecten, gestartin 2007, zal in het voorjaar tot een openbare verdediging van een proefschrift leiden. Eén van de tweekarakteristieke verschijningsvormen van deze structuur is zichtbaar te maken m.b.v. de AFM-techniek.Met de huidige stand van de AFM-karakteriseringstechniek zijn ten minste nog twee morfologische fasen in hetbindmiddel te onderscheiden. Tevens zijn veranderingen in de tijd en over een temperatuurbereik (5 tot ca. 70°)mogelijk. Met de huidige techniek is niet zondermeer toepasbaar is voor het zichtbaar van ‘Healing’-mechanismen.Enerzijds kan eventuele schade alweer verdwenen zijn door het healing-effect voordat überhaupt een AFM-scan kanworden gemaakt, anderzijds is het nog lang niet zeker dat er schade ontstaat in alléén het bitumen. Het kan mogelijkzijn dat schade met name op of nabij de interfaces met vulmiddel en/of granulaat plaatsvindt. Er zijn in eenflankerend InfraQuest project al pogingen gedaan om interfaces goed zichtbaar te maken. Dit blijkt zeergecompliceerd en wordt nog verder onderzocht in andere projecten binnen de programmalijn Wegen. 1
  2. 2. Toch wordt aangenomen (indicaties uit eigen onderzoek en in de literatuur) dat de microstructuur een significanterol speelt in healing-eigenschappen maar ook in alle andere mechanische aspecten van asfalt.Onderzoeksvragen: 1. Nu met de moderne AFM-technieken de microstructuur goed kan worden vastgelegd, is de vraag of de microstructuren van verschillende bitumen uit een voorgaand healing-onderzoek (‘Pragmatisch Healing Onderzoek’ binnen InfraQuest) mogelijk al aanwijzingen bevatten omtrent het waargenomen healing- gedrag? 2. De robuustheid en herhaalbaarheid testen van de AFM-techniek in zijn algemeen. 3. In hoeverre hebben terugwin-procedures een significante invloed op de microstructuur van bitumen?Ad.1 Hoewel visco-elastische schade naar alle waarschijnlijk niet direct zichtbaar zal zijn, zullen wellichtkenmerkende verschillen omtrent de microstructuur aan het licht komen. In hoeverre verschillen in microstructuureen verklaring kunnen geven voor de afwijkende (althans in verwachting afwijkende) resultaten van het voorgaandehealing-onderzoek blijft te bezien. In dit onderzoek zullen de verschillen zo goed mogelijk in kaart worden gebracht.Ad.2 Bekend is dat preparatie en omgevingsinvloeden direct invloed hebben op de ‘meta-stabiele’ microstructuurvan bitumen. Het is ten behoeve van de robuustheid en herhaalbaarheid van de AFM-techniek van belang dat erervaring en expertise wordt opgebouwd in de omgang en interpretatie van AFM-resultaten. Deel van het totaleonderzoeksvraag is derhalve het testen van robuustheid en herhaalbaarheid tussen verschillende laboratoria in een“Round Robin” experimenteel programma. Dit is van groot belang voor het verder ontwikkelen van kennis overbitumen met deze methode.Ad.3 Een belangrijke vraag die steeds vaker wordt gesteld is hoe terugwin-procedures effect hebben op demicrostructuur van de bitumen. In hoeverre is het recyclen van bitumen 100% reversibel. Waarschijnlijk is hetchemisch gezien praktisch 100% recyclebaar maar of dat voor de microstructuur ook zo is valt nog te bezien. Inhoeverre een potentieel andere microstructuur ook ander mechanische eigenschappen betekend is in eersteinstantie geen onderdeel van dit project. Het draait in dit project om de AFM-karakteriseringen of deze verschillen inmicrostructuur aantoonbaar kan maken in verschillende toestanden. Het onderzoek beperkt zich dus tot het in kaartbrengen van de microstructuur en de veranderingen daarin, van bitumen en herwonnen bitumen met behulp vanAFM.Round Robin experimenteel programma [1]In experimental methodology, a round robin test is an interlaboratory test (measurement, analysis, or experiment)performed independently several times. This can involve multiple independent scientists performing the test withthe use of the same method in different equipment, or a variety of methods and equipment. In reality it is often acombination of the two, for example if a sample is analysed, or one (or more) of its properties is measured bydifferent laboratories using different methods, or even just by different units of equipment of identical construction.A round robin program is a Measurement Systems Analysis technique which uses Analysis of Variance (ANOVA)random effects model to assess a measurement system. There are different reasons for performing a round robintest:  Determine the Reproducibility of a test method or process  Verification of a new method of analysis: If a new method of analysis has been developed, a round robin test involving proven methods would verify whether the new method produces results that agree with the established method. 2
  3. 3. MaterialenVoor het vergelijkende AFM-onderzoek zijn vier materialen beschikbaar. Het betreft bitumen welke ook gebruikt zijnin het zgn. ‘Pragmatisch Healing Onderzoek’. Voor dit onderzoek werden voor twee verschillende asfaltmastiekenvermoeiingsproeven uitgevoerd. Hierbij werd de E-modulus bij elke belastingsherhaling bepaald (400.000), waarnahet systeem 24 uur onbelast bleef. Daarna werd de belastingscyclus herhaald, met wederom een dag rust (geenbelasting). Deze procedure werd herhaald totdat de stijfheid van de beproefde mastieken tot onder 50% van deinitiële E-modulus was gedaald.De gebruikte bitumen zijn de ‘maagdelijke’ (dus nooit mechanisch/thermisch/chemisch belast) bitumen waarmee demastieken van het genoemde onderzoek zijn uitgevoerd, alsmede de na afloop van de vermoeiingsproeven (waar deE-modulus van de mastieken zoals gezegd de grens van 50% van de initiële stijfheid hadden gepasseerd) uit demastieken teruggewonnen bitumen.De in het vervolg van dit onderzoek gebruikte materialen staan opgesomd in de onderstaande Tabel 1.Tabel 1: Materialen gebruikt in TU Delft-TNO AFM onderzoekPreparaat PEN-grade Fabrikant Afkomst ‘Terugwin’datumSample 1 10/20 Q8 maagdelijkSample 2 10/20 Q8 teruggewonnen 25/11/2011Sample 3 70/100 Total maagdelijkSample 4 70/100 Total teruggewonnen 25/11/2011Van elk materiaal is het uitgangsmateriaal zowel aanwezig bij de TU Delft als bij TNO. Voorts maakt elke partij vanelk materiaal 2 identieke preparaten, waarvan een eerst gemeten wordt door de andere partij. Hiermee kan hetuitgangsmateriaal nu gecodeerd worden als: TUD1.1, TUD1.2, TUD2.1, etc., TNO1.1, TNO1.2, TNO2.1 etc. Degehanteerde coderingen van de preparaten is uitgewerkt in Tabel 2.Tabel 2: Bitumen preparaten voor TNO-TUD AFM onderzoekTNO Samples Preparaat Eerste meting TUD samples Preparaat Eerste meting (zie tabel 1) door … (zie tabel 1) door …TNO1.1 Sample 1 TNO TUD1.1 Sample 1 TUDTNO1.2 Sample 1 TUD TUD1.2 Sample 1 TNOTNO2.1 Sample 2 TNO TUD2.1 Sample 2 TUDTNO2.2 Sample 2 TUD TUD2.2 Sample 2 TNOTNO3.1 Sample 3 TNO TUD3.1 Sample 3 TUDTNO3.2 Sample 3 TUD TUD3.2 Sample 3 TNOTNO4.1 Sample 4 TNO TUD4.1 Sample 4 TUDTNO4.2 Sample 4 TUD TUD4.2 Sample 4 TNODe opzet is dat de organisaties de preparaten ORGX.1 (ORG=TNO,TUD) zelf houden voor WP2(temperatuursinvloeden), en dat preparaten ORGX.2 aan de zusterpartij wordt gegeven voor WP1. Een en ander zalduidelijk worden na bestudering van de tekst onder ‘meetprocedure’.TerugwinprocedureVoor het pragmatisch healing onderzoek zijn er twee asfaltmengsels onderzocht. Deze twee STAB - mengsels haddenalleen een variatie van de penetratie van het bitumen. De samenstellingsgegevens en bouwstoffen zijn hetzelfde. DeBAM heeft de mengsels geproduceerd en hier platen en vervolgens proefstukken (asfaltbalken) voor 3
  4. 4. vierpuntsbuigproeven onderzoek van gemaakt. Deze zijn vervaardigd begin mei 2010. De bitumen die gebruikt zijnbetreft een Modulotal 10/20 van Total en een straight run 70/100 van Q8.Van twee van de onderzochte asfaltbalken is het bitumen teruggewonnen, hierbij is er een deel van de asfaltbalk ertussen uitgezaagd, dit om vermenging van het plakmiddel van de beugels (die gehanteerd worden bij devierpuntsbuigproef) met het bitumen te voorkomen. Na het zagen zijn de verkregen asfaltdelen gedroogd. Daarna ishet bitumen uit deze asfaltdelen teruggewonnen volgens een koude extractie met methyleenchloride conform NEN3971. Na terugwinning is het bitumen ontdaan van het oplosmiddel door roteerverdampen conform NEN-EN 12697-3. De terugwindata zijn 25-11-2011 voor beide bitumen.Naast deze teruggewonnen bitumina zijn er ook bitumenmonsters aangeleverd door de BAM. De hierbij geleverdeModulotal 10/20 is afkomstig van de batch waarmee ook daadwerkelijk de asfaltplaten zijn gemaakt; het geleverdebitumen 70/100 van Q8 is niet van dezelfde batch waarmee de asfaltplaten zijn gemaakt. Deze mag wel vergelijkbaarworden geacht met de gebruikte 70/100 bitumen waarmee de asfaltplaten voor het pragmatisch healingonderzoekmee zijn gemaakt.Conditionering van de preparatenDe preparaten voor het AFM onderzoek worden bereid door een klein beetje van het bitumen met een scalpel-mesuit het voorraadblik te halen, en deze aan te brengen op een preparaat-substraat voor de AFM (voor dit onderzoekzijn dit ronde metalen schijfjes met een diameter van 12 mm). Dus, in de gekozen preparatie procedure wordt nietde volledige hoeveelheid van het bitumen opgewarmd in een oven en vervolgens met een pipet in vloeibaretoestand op het substraat aangebracht. Tevens zal de hoeveelheid monster natuurlijk onderling nogal gaanverschillen bij deze methode. Dat is geen probleem, zolang er voldoende bitumen wordt aangebracht op hetsubstraat (TU Delft zal aan TNO 8 substraten leveren), zodanig dat het na vervloeiing het hele substraat bedekt, ende gemiddelde dikte van de bitumenlaag dan minstens 0.1 mm is (dit is een zeer milde conditie, die altijd vervuld zalzijn; bij dunnere bitumen lagen zal het substraat ook niet meer zwart tonen, maar eerder een gradatie van zeer lichtbruin naar transparant).Substraatplaatjes worden voorafgaand aan de onderzijde gemarkeerd volgens de regel: ORGXX, waarbij ORG= “U”voor bij TUD geprepareerde samples, en “N” voor bij TNO geprepareerde samples. Een en ander leidt dan tot devolgende tabel.Tabel 3: Markeringscodes substraatTU samples Markering TNO-samples MarkeringTUD1.1 U11 TNO1.1 N11TUD1.2 U12 TNO1.2 N12TUD2.1 U21 TNO2.1 N21TUD2.2 U22 TNO2.2 N22Om toch een idee te hebben van de laagdikte van het bitumen bij het AFM-onderzoek zal de massa van hetsubstraatje voor en na het aanbrengen van de bitumen gewogen worden. Voorts zal er van elk preparaat een fotogenomen worden.Vervolgens zal het substraat met bitumen in een thermisch-geregelde AFM worden gemonteerd, en het preparaatwordt vervolgens een uur lang op 100 °C gehouden, onder normale lab-atmosfeer (dus geen stikstofomgeving o.i.d.).Vervolgens wordt de stroom die het verwarmingselement voedt uitgezet, en zal het preparaat ‘vrij’ afkoelen naarkamertemperatuur. De afkoelcurve dient zo nauwkeurig mogelijk vastgelegd te worden, dat wil zeggen, detemperatuur van het preparaat na 1, 2 .. etc. minuten. Na deze procedure doorlopen te hebben, bevinden we ons in 4
  5. 5. de uitgangssituatie van de AFM experimenten. Deze worden verderop in dit document toegelicht. De hierbeschreven procedure wordt grafisch uitgebeeld in Figuur 1.Preparaten worden opgeslagen bij kamertemperatuur, onder gesloten (stofvrije) condities. Figuur 1: Initiële preparaat conditioneringAfspraken AFM-instellingenZowel TU Delft als TNO gebruiken hun eigen AFM-systeem, met eigen controllers, stuursoftware enfeedbacksystemen. Dat is uiteindelijk ook de basis van dit Round Robin onderzoek. De instellingen welke onderlingtussen TNO en TU Delft zijn overeengekomen staan opgesomd in de onderstaande tabel.Tabel 4: Overeengekomen AFM-instellingen TU Delft - TNOInstellingsgrootheid Waarde Opmerkingen Er wordt afgebeeld middelsResonantie frequentie cantilever intermitterend contact tussen 300 kHz(E-modulus) AFM-tip en preparaat (tapping mode)Tip-diameter ?? ??Scanrate 1 Hz??? ?? Er wordt een afbeelding 30µm × 30µmScansize gemaakt van 1 representatieve 15µm × 15µm locatie op het preparaat. Topography (x,y,z)Vast te leggen gegevens Fasehoek φ in graden Phase informatie: (x,y,φ) Kamertemperatuur (20-23°C)Preparaat omgevingscondities Normale luchtvochtigheid Geen inert gasomgeving 5
  6. 6. Meetprocedure Round Robin onderzoek (WP1)Beide laboratoria, dat wil zeggen TNO en TU Delft, bereiden beiden preparaten volgens de methodologie zoalshiervoor besproken. De bereide preparaten zullen geschikt zijn voor montage in de AFM-opstellingen van beidelaboratoria.Voor het Round Robin onderzoek zullen alle preparaten in tweevoud worden bereid, waarvan 1 set kruiselingstussen TU Delft en TNO zal worden doorgegeven. De wijze van preparaat voorbereiding volgt de werkwijze alsvoorgesteld in Figuur 1. De AFM instellingen van de metingen zijn gegeven in Tabel 4, en de tijdvolgorde van deexperimenten is weergegeven in Tabel 5 en Tabel 6 (voor de experimenten die begin 2012 worden uitgevoerd).Verdere afspraken met betrekking tot de metingen:  Tijdspanne tussen preparatie van sample en meten, trust of opslagtijd, zal voor alle Round Robin experimenten hetzelfde zijn;  Metingen worden uitgevoerd bij 25 °C;  Preparaat wordt opgewarmd naar 25 °C en zal eerst t = 15 minuten op deze temperatuur gehouden worden, alvorens de meting kan worden ingezet;  Na de meting wordt de warmtetoevoer aan het preparaat stop gezet, en na 15 minuten rusttijd wordt het preparaat stofvrij opgeborgen.  De afkoelcurve wordt zo nauwkeurig mogelijk genoteerd, dat wil zeggen, de temperatuur van het preparaat na 1, 2 .. etc. minuten.De meetprocedure is grafisch samengevat in Figuur 2. Figuur 2: Meetprocedure Round Robin AFM-metingen 6
  7. 7. Tabel 5: Tijdvolgorde specimen preparatie en metingen voor WP1: Round Robin experiment. Dag Werkzaamheden TNO Werkzaamheden TUD Opmerkingen12-12 t/m 16-12 Testen sample bereiding Testen sample bereiding Dag1 Voorbereiden meet-sheets Voorbereiden meet-sheets … Afleveren substraten Afleveren substraten Dag 5 Markeren substraten Markeren substraten Werkzaamheden nader afstemmen Werkzaamheden nader afstemmenMa 19-12 Prepareren TNO1.2, TNO2.2 Prepareren TUD1.2, TUD2.2 Dag 6 Prepareren: zie Figuur 1 Prepareren TNO3.2, TNO4.2 Prepareren TUD3.2, TUD4.2Di 20-12 Kruiselings oversteken Dag7 Transport TNOx.2 samples naar TUD Transport TUDx.2 samples naar TNO van preparatenWo 21-12 Meten volgens protocol Dag 8 Meten TUD1.2, TUD2.2 Meten TNO1.2, TNO2.2 Figuur 2D0 22-12 Meten volgens protocol Dag 9 Meten TUD3.2, TUD4.2 Meten TNO3.2, TNO4.2 Figuur 2 Evt. Wo 21-12 geenVr 23-12 Bufferdag i.v.m. mogelijke Bufferdag i.v.m. mogelijke Dag 10 metingen, en geheel een verschuivingen in schema verschuivingen in schema dag doorschuiven27-12 t/m 29-12 Dag 11 Uitwisselen … Voorbereiden Rapportage WP1 Voorbereiden Rapportage WP1 meetresultaten en Dag 13 datasheetsVr 30-12 Dag14 Indienen Rapportage WP1 7
  8. 8. Tabel 6: Tijdvolgorde specimen preparatie en metingen vervolg WP1 (2012): Round Robin experiment. Voor deze serie experimenten iscoördinatie tussen TUD-TNO minder belangrijk, zolang maar de juiste intervallen tussen preparaat bereiding en AFM-metingen wordtaangehouden. TUD zal deze meetserie waarschijnlijk nog in 2011 kunnen afronden. Dag Werkzaamheden TNO Werkzaamheden TUD Opmerkingennieuwjaar Prepareren TNO1.1, TNO2.1 Prepareren TUD1.1, TUD2.1 Dag 15 Prepareren: zie Figuur 1 Prepareren TNO3.1, TNO4.1 Prepareren TUD3.1, TUD4.1nieuwjaar Rustdag i.v.m. vergelijkbare rust tijden Rustdag i.v.m. vergelijkbare rust Dag 16 trust tijden trustnieuwjaar Meten volgens protocol Dag 17 Meten TNO1.1, TNO2.1 Meten TUD1.1, TUD2.1 Figuur 2nieuwjaar Meten volgens protocol Dag 18 Meten TNO3.1, TNO4.1 Meten TUD3.1, TUD4.1 Figuur 2nieuwjaar Dag 19 Ageing - rust Ageing - rustnieuwjaar Dag 20 Ageing - rust Ageing - rustnieuwjaar Meten volgens protocol Dag 21 Meten TUD1.2, TUD2.2 Meten TNO1.2, TNO2.2 Figuur 2nieuwjaar Meten volgens protocol Dag 22 Meten TUD3.2, TUD4.2 Meten TNO3.2, TNO4.2 Figuur 2nieuwjaar Meten volgens protocol Dag 23 Meten TNO1.1, TNO2.1 (optioneel) Meten TUD1.1, TUD2.1 (optioneel) Figuur 2nieuwjaar Meten volgens protocol Dag 24 Meten TNO3.1, TNO4.1 (optioneel) Meten TUD3.1, TUD4.1 (optioneel) Figuur 2nieuwjaar Dag 25 … Overleg, discussie en eindrapportage Overleg, discussie en eindrapportage - Dag 40 8
  9. 9. Meetprocedure Temperatuursinvloed (WP2)Op basis van de in WP1 waargenomen microstructuren zal er een bitumen worden geselecteerd waarvoor detemperatuursinvloed op deze microstructuur zal worden bepaald middels de AFM-techniek. Een van de laboratoriabereidt twee preparaten, waarvan na een identieke opslagtijd wederom AFM-afbeeldingen worden geproduceerd(conform de afspraken in WP1). Verder:  Metingen worden uitgevoerd bij 25 °C, 35 °C, 40 °C, 50 °C en 60 °C;  Preparaat wordt opgewarmd naar meettemperatuur en zal eerst t = 15 minuten op deze temperatuur gehouden worden, alvorens de meting kan worden ingezet;  Na de meting wordt de warmtetoevoer aan het preparaat stop gezet, en na 30 minuten rusttijd kan het preparaat naar de volgende temperatuur worden gebracht;  15 minuten rusttijd, alvorens te meten, en wederom af te koelen naar kamertemperatuur.De tijdvolgorde van deze experimenten is weergegeven in Tabel 7 , en de te volgen meetprocedure in Figuur 3.Tabel 7: AFM-experimenten temperatuursinvloed op microstructuur (januari 2012).Tijd Werkzaamheden TNO Werkzaamheden TUD Opmerkingen Prepareren 2 identieke preparaten van vooraf gezamenlijk vastgesteldDag 1 Prepareren: zie Figuur 1 materiaal. Dient op een plek te geschieden, dus bij TUD of TNODag 2 Transport van 1 preparaat naar laboratorium partnerDag 3 Meetreeks bij diverse temperaturen Meetreeks bij diverse temperaturen Meten: zie Figuur 3Dag 4 Figuur 3: Meetprocedure bij onderzoek thermische invloed op bitumen microstructuur 9
  10. 10. Aanpak bij tussentijdse calamiteiten en risicobeheersing  Tussentijds (telefonisch) overleg (na eerste metingen, om evt. andere methodieken c.q. onverwachte discrepanties snel op te sporen/te duiden)  Elkaar onmiddellijk op de hoogte brengen van instrument breakdowns etc.Literatuur[1] ASTM E691 Standard Practice for Conducting an Interlaboratory Study to Determine the Precision of a TestMethod 10

×