1. Plan van Aanpak vergelijkende AFM-
experimenten TU Delft –TNO
Versie 3
Alexander Schmets, Bert Dillingh, Dave van Vliet
Delft, 12 december 2011
Inhoudsopgave
Samenvatting .................................................................................................................................................................... 1
Round Robin experimenteel programma [1] .................................................................................................................... 2
Materialen......................................................................................................................................................................... 3
Conditionering van de preparaten .................................................................................................................................... 4
Afspraken AFM-instellingen .............................................................................................................................................. 5
Meetprocedure Round Robin onderzoek (WP1) .............................................................................................................. 6
Meetprocedure Temperatuursinvloed (WP2) .................................................................................................................. 9
Aanpak bij tussentijdse calamiteiten en risicobeheersing .............................................................................................. 10
Literatuur ........................................................................................................................................................................ 10
Samenvatting
Er wordt binnen InfraQuest, met name vanuit TNO en de TU Delft (Tom Scarpas en Alexander Schmets), een langere
termijn visie ontwikkeld omtrent het onderzoek naar ‘Healing’ in asfalt. Een belangrijk onderdeel van deze visie is de
ontwikkeling van karakteriseringstechnieken van de microstructuur van asfalt/bitumen. Eén van de voorziene
karakteriseringmethoden is de zogenaamde Atomic Force Microscopy (AFM). Binnen TNO is in het kader van
voorafgaande 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 reversibel
transformeren van microstructuren in het bitumen onderkend als één van de mechanismen welke leidt tot het
macroscopisch waargenomen healing-gedrag van deze materialen. Dit project sluit aan op twee promotieprojecten
binnen de vakgroep Structural Mechanics, Mechanics of Infrastructure Materialen. Een van deze projecten, gestart
in 2007, zal in het voorjaar tot een openbare verdediging van een proefschrift leiden. Eén van de twee
karakteristieke 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 het
bindmiddel 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 kan
worden gemaakt, anderzijds is het nog lang niet zeker dat er schade ontstaat in alléén het bitumen. Het kan mogelijk
zijn dat schade met name op of nabij de interfaces met vulmiddel en/of granulaat plaatsvindt. Er zijn in een
flankerend InfraQuest project al pogingen gedaan om interfaces goed zichtbaar te maken. Dit blijkt zeer
gecompliceerd en wordt nog verder onderzocht in andere projecten binnen de programmalijn Wegen.
1

2. Toch wordt aangenomen (indicaties uit eigen onderzoek en in de literatuur) dat de microstructuur een significante
rol 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 wellicht
kenmerkende verschillen omtrent de microstructuur aan het licht komen. In hoeverre verschillen in microstructuur
een verklaring kunnen geven voor de afwijkende (althans in verwachting afwijkende) resultaten van het voorgaande
healing-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’ microstructuur
van bitumen. Het is ten behoeve van de robuustheid en herhaalbaarheid van de AFM-techniek van belang dat er
ervaring en expertise wordt opgebouwd in de omgang en interpretatie van AFM-resultaten. Deel van het totale
onderzoeksvraag 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 over
bitumen met deze methode.
Ad.3 Een belangrijke vraag die steeds vaker wordt gesteld is hoe terugwin-procedures effect hebben op de
microstructuur van de bitumen. In hoeverre is het recyclen van bitumen 100% reversibel. Waarschijnlijk is het
chemisch gezien praktisch 100% recyclebaar maar of dat voor de microstructuur ook zo is valt nog te bezien. In
hoeverre een potentieel andere microstructuur ook ander mechanische eigenschappen betekend is in eerste
instantie geen onderdeel van dit project. Het draait in dit project om de AFM-karakteriseringen of deze verschillen in
microstructuur aantoonbaar kan maken in verschillende toestanden. Het onderzoek beperkt zich dus tot het in kaart
brengen van de microstructuur en de veranderingen daarin, van bitumen en herwonnen bitumen met behulp van
AFM.
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 with
the use of the same method in different equipment, or a variety of methods and equipment. In reality it is often a
combination of the two, for example if a sample is analysed, or one (or more) of its properties is measured by
different 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 robin
test:
 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. Materialen
Voor het vergelijkende AFM-onderzoek zijn vier materialen beschikbaar. Het betreft bitumen welke ook gebruikt zijn
in het zgn. ‘Pragmatisch Healing Onderzoek’. Voor dit onderzoek werden voor twee verschillende asfaltmastieken
vermoeiingsproeven uitgevoerd. Hierbij werd de E-modulus bij elke belastingsherhaling bepaald (400.000), waarna
het systeem 24 uur onbelast bleef. Daarna werd de belastingscyclus herhaald, met wederom een dag rust (geen
belasting). Deze procedure werd herhaald totdat de stijfheid van de beproefde mastieken tot onder 50% van de
initiële E-modulus was gedaald.
De gebruikte bitumen zijn de ‘maagdelijke’ (dus nooit mechanisch/thermisch/chemisch belast) bitumen waarmee de
mastieken van het genoemde onderzoek zijn uitgevoerd, alsmede de na afloop van de vermoeiingsproeven (waar de
E-modulus van de mastieken zoals gezegd de grens van 50% van de initiële stijfheid hadden gepasseerd) uit de
mastieken 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 onderzoek
Preparaat PEN-grade Fabrikant Afkomst ‘Terugwin’datum
Sample 1 10/20 Q8 maagdelijk
Sample 2 10/20 Q8 teruggewonnen 25/11/2011
Sample 3 70/100 Total maagdelijk
Sample 4 70/100 Total teruggewonnen 25/11/2011
Van elk materiaal is het uitgangsmateriaal zowel aanwezig bij de TU Delft als bij TNO. Voorts maakt elke partij van
elk materiaal 2 identieke preparaten, waarvan een eerst gemeten wordt door de andere partij. Hiermee kan het
uitgangsmateriaal nu gecodeerd worden als: TUD1.1, TUD1.2, TUD2.1, etc., TNO1.1, TNO1.2, TNO2.1 etc. De
gehanteerde coderingen van de preparaten is uitgewerkt in Tabel 2.
Tabel 2: Bitumen preparaten voor TNO-TUD AFM onderzoek
TNO 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 TUD
TNO1.2 Sample 1 TUD TUD1.2 Sample 1 TNO
TNO2.1 Sample 2 TNO TUD2.1 Sample 2 TUD
TNO2.2 Sample 2 TUD TUD2.2 Sample 2 TNO
TNO3.1 Sample 3 TNO TUD3.1 Sample 3 TUD
TNO3.2 Sample 3 TUD TUD3.2 Sample 3 TNO
TNO4.1 Sample 4 TNO TUD4.1 Sample 4 TUD
TNO4.2 Sample 4 TUD TUD4.2 Sample 4 TNO
De 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 zal
duidelijk worden na bestudering van de tekst onder ‘meetprocedure’.
Terugwinprocedure
Voor het pragmatisch healing onderzoek zijn er twee asfaltmengsels onderzocht. Deze twee STAB - mengsels hadden
alleen een variatie van de penetratie van het bitumen. De samenstellingsgegevens en bouwstoffen zijn hetzelfde. De
BAM heeft de mengsels geproduceerd en hier platen en vervolgens proefstukken (asfaltbalken) voor
3

4. vierpuntsbuigproeven onderzoek van gemaakt. Deze zijn vervaardigd begin mei 2010. De bitumen die gebruikt zijn
betreft 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 er
tussen uitgezaagd, dit om vermenging van het plakmiddel van de beugels (die gehanteerd worden bij de
vierpuntsbuigproef) met het bitumen te voorkomen. Na het zagen zijn de verkregen asfaltdelen gedroogd. Daarna is
het bitumen uit deze asfaltdelen teruggewonnen volgens een koude extractie met methyleenchloride conform NEN
3971. 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 geleverde
Modulotal 10/20 is afkomstig van de batch waarmee ook daadwerkelijk de asfaltplaten zijn gemaakt; het geleverde
bitumen 70/100 van Q8 is niet van dezelfde batch waarmee de asfaltplaten zijn gemaakt. Deze mag wel vergelijkbaar
worden geacht met de gebruikte 70/100 bitumen waarmee de asfaltplaten voor het pragmatisch healingonderzoek
mee zijn gemaakt.
Conditionering van de preparaten
De preparaten voor het AFM onderzoek worden bereid door een klein beetje van het bitumen met een scalpel-mes
uit het voorraadblik te halen, en deze aan te brengen op een preparaat-substraat voor de AFM (voor dit onderzoek
zijn dit ronde metalen schijfjes met een diameter van 12 mm). Dus, in de gekozen preparatie procedure wordt niet
de volledige hoeveelheid van het bitumen opgewarmd in een oven en vervolgens met een pipet in vloeibare
toestand op het substraat aangebracht. Tevens zal de hoeveelheid monster natuurlijk onderling nogal gaan
verschillen bij deze methode. Dat is geen probleem, zolang er voldoende bitumen wordt aangebracht op het
substraat (TU Delft zal aan TNO 8 substraten leveren), zodanig dat het na vervloeiing het hele substraat bedekt, en
de gemiddelde dikte van de bitumenlaag dan minstens 0.1 mm is (dit is een zeer milde conditie, die altijd vervuld zal
zijn; bij dunnere bitumen lagen zal het substraat ook niet meer zwart tonen, maar eerder een gradatie van zeer licht
bruin 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 de
volgende tabel.
Tabel 3: Markeringscodes substraat
TU samples Markering TNO-samples Markering
TUD1.1 U11 TNO1.1 N11
TUD1.2 U12 TNO1.2 N12
TUD2.1 U21 TNO2.1 N21
TUD2.2 U22 TNO2.2 N22
Om toch een idee te hebben van de laagdikte van het bitumen bij het AFM-onderzoek zal de massa van het
substraatje voor en na het aanbrengen van de bitumen gewogen worden. Voorts zal er van elk preparaat een foto
genomen worden.
Vervolgens zal het substraat met bitumen in een thermisch-geregelde AFM worden gemonteerd, en het preparaat
wordt 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 naar
kamertemperatuur. De afkoelcurve dient zo nauwkeurig mogelijk vastgelegd te worden, dat wil zeggen, de
temperatuur van het preparaat na 1, 2 .. etc. minuten. Na deze procedure doorlopen te hebben, bevinden we ons in
4

5. de uitgangssituatie van de AFM experimenten. Deze worden verderop in dit document toegelicht. De hier
beschreven procedure wordt grafisch uitgebeeld in Figuur 1.
Preparaten worden opgeslagen bij kamertemperatuur, onder gesloten (stofvrije) condities.
Figuur 1: Initiële preparaat conditionering
Afspraken AFM-instellingen
Zowel TU Delft als TNO gebruiken hun eigen AFM-systeem, met eigen controllers, stuursoftware en
feedbacksystemen. Dat is uiteindelijk ook de basis van dit Round Robin onderzoek. De instellingen welke onderling
tussen TNO en TU Delft zijn overeengekomen staan opgesomd in de onderstaande tabel.
Tabel 4: Overeengekomen AFM-instellingen TU Delft - TNO
Instellingsgrootheid Waarde Opmerkingen
Er wordt afgebeeld middels
Resonantie 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 × 30µm
Scansize 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. Meetprocedure Round Robin onderzoek (WP1)
Beide laboratoria, dat wil zeggen TNO en TU Delft, bereiden beiden preparaten volgens de methodologie zoals
hiervoor besproken. De bereide preparaten zullen geschikt zijn voor montage in de AFM-opstellingen van beide
laboratoria.
Voor het Round Robin onderzoek zullen alle preparaten in tweevoud worden bereid, waarvan 1 set kruiselings
tussen TU Delft en TNO zal worden doorgegeven. De wijze van preparaat voorbereiding volgt de werkwijze als
voorgesteld in Figuur 1. De AFM instellingen van de metingen zijn gegeven in Tabel 4, en de tijdvolgorde van de
experimenten 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. Tabel 5: Tijdvolgorde specimen preparatie en metingen voor WP1: Round Robin experiment.
Dag Werkzaamheden TNO Werkzaamheden TUD Opmerkingen
12-12 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 afstemmen
Ma 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, TUD4.2
Di 20-12
Kruiselings oversteken
Dag7 Transport TNOx.2 samples naar TUD Transport TUDx.2 samples naar TNO
van preparaten
Wo 21-12
Meten volgens protocol
Dag 8 Meten TUD1.2, TUD2.2 Meten TNO1.2, TNO2.2
Figuur 2
D0 22-12
Meten volgens protocol
Dag 9 Meten TUD3.2, TUD4.2 Meten TNO3.2, TNO4.2
Figuur 2
Evt. Wo 21-12 geen
Vr 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 doorschuiven
27-12 t/m 29-12
Dag 11 Uitwisselen
… Voorbereiden Rapportage WP1 Voorbereiden Rapportage WP1 meetresultaten en
Dag 13 datasheets
Vr 30-12
Dag14 Indienen Rapportage WP1
7

8. Tabel 6: Tijdvolgorde specimen preparatie en metingen vervolg WP1 (2012): Round Robin experiment. Voor deze serie experimenten is
coördinatie tussen TUD-TNO minder belangrijk, zolang maar de juiste intervallen tussen preparaat bereiding en AFM-metingen wordt
aangehouden. TUD zal deze meetserie waarschijnlijk nog in 2011 kunnen afronden.
Dag Werkzaamheden TNO Werkzaamheden TUD Opmerkingen
nieuwjaar
Prepareren TNO1.1, TNO2.1 Prepareren TUD1.1, TUD2.1
Dag 15 Prepareren: zie Figuur 1
Prepareren TNO3.1, TNO4.1 Prepareren TUD3.1, TUD4.1
nieuwjaar
Rustdag i.v.m. vergelijkbare rust tijden Rustdag i.v.m. vergelijkbare rust
Dag 16
trust tijden trust
nieuwjaar
Meten volgens protocol
Dag 17 Meten TNO1.1, TNO2.1 Meten TUD1.1, TUD2.1
Figuur 2
nieuwjaar
Meten volgens protocol
Dag 18 Meten TNO3.1, TNO4.1 Meten TUD3.1, TUD4.1
Figuur 2
nieuwjaar
Dag 19 Ageing - rust Ageing - rust
nieuwjaar
Dag 20 Ageing - rust Ageing - rust
nieuwjaar
Meten volgens protocol
Dag 21 Meten TUD1.2, TUD2.2 Meten TNO1.2, TNO2.2
Figuur 2
nieuwjaar
Meten volgens protocol
Dag 22 Meten TUD3.2, TUD4.2 Meten TNO3.2, TNO4.2
Figuur 2
nieuwjaar
Meten volgens protocol
Dag 23 Meten TNO1.1, TNO2.1 (optioneel) Meten TUD1.1, TUD2.1 (optioneel)
Figuur 2
nieuwjaar
Meten volgens protocol
Dag 24 Meten TNO3.1, TNO4.1 (optioneel) Meten TUD3.1, TUD4.1 (optioneel)
Figuur 2
nieuwjaar
Dag 25
… Overleg, discussie en eindrapportage Overleg, discussie en eindrapportage -
Dag 40
8

9. Meetprocedure Temperatuursinvloed (WP2)
Op basis van de in WP1 waargenomen microstructuren zal er een bitumen worden geselecteerd waarvoor de
temperatuursinvloed op deze microstructuur zal worden bepaald middels de AFM-techniek. Een van de laboratoria
bereidt 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 vastgesteld
Dag 1 Prepareren: zie Figuur 1
materiaal. Dient op een plek te geschieden, dus bij TUD of TNO
Dag 2 Transport van 1 preparaat naar laboratorium partner
Dag 3 Meetreeks bij diverse temperaturen Meetreeks bij diverse temperaturen Meten: zie Figuur 3
Dag 4
Figuur 3: Meetprocedure bij onderzoek thermische invloed op bitumen microstructuur
9

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 Test
Method
10