bitumen Einfach und komplex Bitumen MAGAZIN DER ARBEITSGEMEINSCHAFT DER BITUMEN-INDUSTRIE E.V. Dezember 2012

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1 bitumen i MAGAZIN DER ARBEITSGEMEINSCHAFT DER BITUMEN-INDUSTRIE E.V. Dezember 2012 Bitumen Einfach und komplex

2 02 l Editorial liebe leserinnen und leser, Bitumen ist ein Naturprodukt aber ein hochtechnologisches Naturprodukt, an das hohe Ansprüche gestellt werden und das die hohen Qualitätsanforderungen zuverlässig erfüllt. karsten Rettmann Vorsitzender des Vorstandes der ARBit e.v. Die für die Herstellung von Bitumen benötigten Rohöle werden sorgfältig ausgewählt. Umfangreiche Tests gehen der Beurteilung und Verarbeitung jeden Rohöls voraus. In den Raffi nerien wird neben anderen Produkten Bitumen durch gezielte Herstellungsverfahren in komplexen Prozessen produziert. Eine große Konstanz der Eigenschaften des Naturproduktes Bitumen wird in den einzelnen Produktionsphasen und vor Produktfreigabe durch die hohen Qualitätsanforderungen der Mineralölindustrie gewährleistet. Qualitätsmanagementsysteme haben bei uns einen sehr hohen Stellenwert. Bereits in Ausgabe 04/11 des Magazins bitumen! waren die Qualitätssicherung und die Prüfung von Bitumen Thema. Die große Resonanz auf diese Ausgabe und aktuelle Diskussionen haben die Inhalte der vorliegenden Ausgabe bitumen! 02/12 inspiriert. In dieser Ausgabe stellen wir Ihnen unsere Beiträge und Positionen zu Anforderungen und Prüfverfahren für bitumenhaltige Bindemittel vor. Unser Wissen auf diesem Gebiet möchten wir gerne teilen. An einem fachlichen und sachlichen Austausch mit Ihnen über diese Themen sind wir auch in Zukunft sehr interessiert. Viel Vergnügen beim Lesen wünscht Ihnen Ihr Karsten Rettmann Vorsitzender des Vorstandes der ARBIT e.v.

3 03 l Titelthema Bitumen RicHtiG BeuRteilen Die Prüfung und Beurteilung des Beitrags des Bindemittels Bitumen zum Gebrauchsverhalten von Asphaltstraßen ist die große technische Aufgabe für industrie und Anwender. >>

4 04 l Titelthema eurobitume DAtA collection >> Die europäische Normungsorganisation CEN hat von der Europäischen Kommission zunächst durch die Bauproduktenrichtlinie, fortgeführt durch die Bauproduktenverordnung, unter anderem die Aufgabe erhalten, zukünftige Anforderungsnormen am Gebrauchsverhalten von Produkten zu orientieren. Bereits vor Jahren wurden zu bitumenhaltigen Bindemitteln die ersten Schritte getan: Im Jahr 2005 wurde der Technische Bericht CEN/TR fertig gestellt, der in deutscher Fassung 2006 durch DIN veröffentlicht wurde. Der Fachbericht bietet eine umfassende Übersicht über die weltweit verwendeten Prüfverfahren für bitumenhaltige Bindemittel. Teil dieses Technischen Berichtes ist aber auch die Aufforderung an Interessierte zur systematischen Sammlung von Produktdaten von in Europa im Asphaltstraßenbau verwendeten bitumenhaltigen Bindemitteln. Datensammlung eurobitume 146 Datensätze Datenpunkte CEN/TR 15352: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel Entwicklung von auf das Gebrauchsverhalten bezogenen Spezifi kationen: Statusbericht 2005 Die Mitglieder von Eurobitume, dem europäischen Verband der Bitumenindustrie, haben zur gleichen Zeit beschlossen, aktiv zu dieser Datensammlung beizutragen. Es wurde eine Datenbank mit 146 Datensätzen zu unterschiedlichen Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln der folgenden Gruppen erstellt: Straßenbaubitumen (EN 12591), polymermodifi zierte Bitumen (EN 14023), harte Straßenbaubitumen (EN 13924) und Spezialbitumen Bindemittelgruppen in der eurobitume-datenbank Straßenbaubitumen Polymermodifi zierte Bitumen Harte Straßenbaubitumen Spezialbitumen (PmB)

5 05 l Titelthema Die Datenbank umfasst insgesamt etwa Einzelwerte von Prüfergebnissen. Ergänzt wird die Datenbank durch ein Positionspapier zu den einzelnen verwendeten Prüf- und Konditionierungsverfahren, in dem Angaben zum Zeitbedarf, zur Präzision, zu Besonderheiten, zu Korrelationen zwischen den Prüfergebnissen, Kommentare aus dem Bericht zur BiT- VAL-Phase 1 (1) sowie Empfehlungen zur Eignung des jeweiligen Verfahrens für Qualitäts- und Produktionskontrolle bzw. für zukünftige Anforderungsnormen gegeben werden. Die große Aufgabe für Normung und Industrie ist es derzeit, auf Basis der CEN-Datenbank die nächste Generation der Anforderungsnormen für Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel zu entwerfen. Das Positionspapier, das eine umfassende Übersicht über die Prüfverfahren bietet, kann kostenfrei von der Eurobitume-Website heruntergeladen werden. (2) Die von der Bitumenindustrie gesammelten Erfahrungen im Rahmen der Datensammlung wurden CEN zur Verfügung gestellt. Die Datenbank wird um Datensätze der CEN-Mitgliedsorganisationen erweitert. Die Mitglieder des CEN/TC 336 haben Zugang zu dieser Datenbank. Eurobitume TF Data Collection Position Paper on Test Methods used during the Data Collection May 2009 (1) leadmin/bitval/bitval_fi nal_report.pdf (2) les/tfdatacollectionpositionpaper-fi nal pdf kernaussagen des Positionspapiers 1. es bestehen gute korrelationen zwischen einigen Prüfverfahren. 2. Die Güte der korrelationen ist abhängig von der Bindemittelart. 3. Die Praktikabilität von Prüfverfahren ist wichtig. 4. einfache Bindemittel sind mit einfachen Prüfverfahren zu beschreiben. 5. Die nadelpenetration ist ein geeignetes Prüfverfahren für alle Bindemittelarten. 6. Prüfungen von PmB im DSR können zahlreiche konventionelle Prüfverfahren ersetzen.

6 06 l Titelthema DAS konzept komplexer BinDemittel >> Nicht modifi zierte Bitumen haben den größten Anteil bitumenhaltiger Bindemittel im Asphaltstraßenbau. Steigende Anforderungen an die Fahrbahnbefestigungen und weiter entwickelte Asphaltkonzepte führen zu immer stärkerer Nachfrage nach modifi zierten Bindemitteln. einfache und komplexe Bindemittel einfache Bindemittel EN komplexe Bindemittel nicht in EN spezifi ziert, z.b. EN 14023, EN In Deutschland stellen beispielsweise polymermodifi - zierte Bitumen mittlerweile mehr als 25% der Bindemittel im Asphaltstraßenbau dar. Ihre Verwendung gehört seit mehr als zehn Jahren zu den Regelbauweisen für Asphaltschichten. Zunehmend nachgefragt werden auch Modifi zierungen z.b. zur Veränderung der Viskosität der Bindemittel und Asphalte, um etwa Verarbeitungstemperaturen zu reduzieren oder Verdichtungshilfen zu nutzen. Eurobitume hat eine umfangreiche Datenbank zum CEN- Projekt der systematischen Sammlung von Bindemitteldaten (siehe Seiten 4 und 5) beigetragen. Ein Ergebnis der Analyse der rund Datenpunkte zu 146 Bitumen ist das Konzept komplexer Bindemittel. Alle Straßenbaubitumen, die der Anforderungsnorm EN entsprechen, sind in diesem Kontext als einfache Bindemittel zu verstehen. Alle Bindemittel, die in anderen Anforderungsnormen beschrieben werden, also auch polymermodifi zierte Bitumen oder die in Deutschland nicht eingesetzten harten Straßenbaubitumen oder Multigrade-Bitumen, aber auch Spezialbitumen werden als komplexe Bindemittel bezeichnet. Die Anforderungen an bitumenhaltige Bindemittel werden meist mit konventionellen Testmethoden geprüft, zu denen langjährige Erfahrungen in der Durchführung und der Interpretation der Ergebnisse vorliegen. Diese Prüfmethoden, beispielsweise die Bestimmung des Erweichungspunktes Ring und Kugel oder der Nadelpenetration, wur- Dynamisches Scherrheometer (DSR)

7 07 l Titelthema 05 l Titelthema Prüfung der Nadelpenetration (EN 1426) den für nicht modifi zierte Straßenbaubitumen entwickelt und validiert. Aus pragmatischen Gründen wurden diese Prüfverfahren für modifi zierte, komplexe Bindemittel über nommen. Einfache Bindemittel können mit den Ergebnissen der konventionellen Prüfverfahren zuverlässig beschrieben und in ihrem Gebrauchsverhalten beurteilt werden. Die Anwendung neuer, rheologischer Prüfverfahren bringt keine anderen Erkenntnisse. Bei komplexen Bindemitteln stoßen die meisten üblichen Prüfverfahren jedoch an ihre Grenzen. Hier sollten, insbesondere zur Ansprache des Verhaltens bei erhöhten und bei tiefen Gebrauchstemperaturen, Alternativen zu den bisherigen Prüfmethoden genutzt werden, um die Bindemittel zu beschreiben und in der Asphaltkonzeption zu beurteilen. Das Konzept komplexer Bindemittel ist Basis der fachlichen Diskussionen zur Entwicklung von am Gebrauchsverhalten orientierten Anforderungsnormen des CEN, der europäischen Normungsorganisation. Eurobitume-Datenbank

8 08 l Titelthema FOkuS: erweichungspunkt RinG und kugel >> Die Prüfung des Erweichungspunktes Ring und Kugel wird seit mehr als 100 Jahren angewendet, um Bitumen im oberen Temperaturbereich ihres üblichen Gebrauchs zu prüfen. Damit soll der Beitrag des Bitumens zum Widerstand von Asphaltbefestigungen gegen bleibende Verformungen bewertet werden können. Umfangreiche Erfahrungen in der Durchführung und der Interpretation der Prüfung liegen weltweit vor. Der Erweichungspunkt Ring und Kugel ist für konventionelle, nicht modifi zierte Destillationsbitumen die Temperatur, bei der sie eine dynamische Viskosität von ŋ 1,3 kpa s aufweisen. In Verbindung mit dem Prüfverfahren der Nadelpenetration ist er als äquivalent zu einer Penetration von 800 1/10 mm anzunehmen. Der Erweichungspunkt Ring und Kugel kann für alle bitumenhaltigen Bindemittel bestimmt werden, auch wenn die Präzision dieses Prüfverfahrens bei komplexen Bindemitteln schlechter ist als bei Straßenbaubitumen. Die Interpretation der Ergebnisse ist jedoch höchst unterschiedlich. Insbesondere kann der bestehende Erfahrungshintergrund zur Validierung der Prüfergebnisse einschließlich Rückschlüssen auf den Beitrag des Bitumens zum Verformungswiderstand von Asphaltschichten nicht auf kom plexe Bindemittel übertragen werden. Über die Erkenntnis, dass der Erweichungspunkt Ring und Kugel nicht zur Beurteilung des Verhaltens komplexer Bindemittel bei erhöhten Gebrauchstemperaturen geeignet ist, besteht mittlerweile weltweit Konsens. Softening Point Ring and Ball It is a well known and established test applicable for conventional binders. The signifi cance of the test is uncertain for PMB, in particular highly modifi ed PMB. Eurobitume Position Paper on test Methods used during the Data Collection ( ISBN X)

9 09 l Titelthema Beispiel höher polymermodifi zierte Bindemittel: Der Beitrag dieser polymermodifi zierten Bitumen zum Verformungsverhalten von Asphaltschichten wird bestimmt durch die Konzeption des Bindemittels und dessen Gebrauchshistorie. Die Einsatzstoffe Bitumen und Polymere werden in unterschiedlichen Verfahren zu homogenen Produkten verarbeitet. Die Prüfung des Erweichungspunktes Ring und Kugel führt zu einer falschen Bewertung des Gebrauchsverhaltens der Produkte, wenn die Erfahrungswerte an Straßenbaubitumen zugrunde gelegt werden. Die Eingrenzung des Erweichungspunktes Ring und Kugel durch einen Mindest- und einen Maximalwert führt nicht zu einheitlicher technischer Qualität der unterschiedlichen polymermodifi zierten Bitumenprodukte. Der Erweichungspunkt Ring und Kugel korreliert bei komplexen Bindemitteln mit keinem anderen Prüfparameter. Seine Beeinfl ussung hat keinen Einfl uss auf das Gebrauchsverhalten der PmB. Dynamische Scherrheometer ermöglichen über unterschiedliche Prüfverfahren eine gezieltere und genauere Ansprache des Gebrauchsverhaltens komplexer Bindemittel, sowohl für die Beurteilung alternativer Produkte in der Asphaltkonzeption als auch in der Kontrolle der Produkteigenschaften in den verschiedenen Nutzungsstadien. Die Bewertung des Alterungszustandes von aus dem Asphalt rückgewonnenen PmB anhand der Änderung des Erweichungspunktes Ring und Kugel ist nicht möglich, da unter anderem nicht die Einfl üsse von Extraktionsverfahren und Lösemitteln auf z.b. Polymerstruktur und -netz berücksichtigt werden können. >> Unterschiedliches Prüfverhalten einfacher und komplexer Bindemittel << Prinzipskizze Erweichungspunkt Ring und Kugel

10 10 l Titelthema FOkuS: elastische RÜckStellunG >> Seit Beginn der Verwendung polymermodifi zierter Bitumen (PmB) stellte sich die Frage, wie nachgewiesen werden kann, dass es sich bei einem bitumenhaltigen Bindemittel um PmB und eben nicht um Straßenbaubitumen handelt. Im Asphaltstraßenbau werden fast ausschließlich mit Elastomeren modifi zierte Bindemittel verwendet, möglich ist aber auch die Modifi zierung mit Plastomeren. Elastomermodifi zierte Bitumen weisen aufgrund der Modifi zierung ein ausgeprägtes elastisches Verhalten auf, das sich deutlich von dem nicht modifi zierter Bindemittel unterscheidet. Die Bestimmung der elastischen Rückstellung erfolgt nach EN Dabei wird ein Probekörper aus Bitumen um üblicherweise 20 cm gedehnt und unmittelbar anschließend der Bindemittelfaden mittig durchtrennt. Mit Hilfe eines einfachen Längenmaßstabs wird nach 30 Minuten die verbliebene Dehnung des Fadens abgelesen. Aus der Differenz dieses Wertes zur ursprünglichen Fadenlänge wird die elastische Rückstellung in Bezug auf die Ausgangslänge errechnet. Die übliche Dehnlänge von 20 cm wurde aus rein praktischen Gründen festgelegt das Rechnen mit dem sich ergebenden Wert der Ausgangslänge des Bindemittelfadens von 10 cm ist einfach und das Ablesen der Fadenlängen ausreichend genau möglich. Auf Basis des Prüfverfahrens der bis 1999 in den Anforderungsnormen für bitumenhaltige Bindemittel geforderten Duktilität wurde die Prüfung der elastischen Rückstellung entwickelt, um das unterschiedliche elastische Verhalten der Bindemittel als Kriterium zum Nachweis der Modifi zierung mit Elastomeren anzusprechen. Ob ein bitumenhaltiges Bindemittel mit Elastomeren modifi ziert ist oder nicht, kann anhand der elastischen Rückstellung auch bei anderen Dehnlängen oder unterschiedlichen Prüftemperaturen beurteilt werden. Prinzipskizze Elastische Rückstellung cm

11 11 l Titelthema elastic Recovery Test method provides indication of the elastic behaviour of the product and is used on elastomer modifi ed PMB only. The results allow a screening of the PMB status of the binder for the presence of an elastomeric polymer and therefore some indication of the polymer treat level in case of elastomer modifi ed PMB. It also gives some indication of the binder type and can help to differentiate between an elastomer modifi ed binder and others. The requested elongation of 200 mm cannot be met with all binders at all temperatures (e.g. hard binders and / or aged binders). This shortcoming could be overcome if different temperatures than 10 and 25 C were allowed. Eurobitume Position Paper on test Methods used during the Data Collection ( ISBN X) Die elastische Rückstellung eines bitumenhaltigen Bindemittels ist kein Maß zur Beurteilung der Qualität oder Quantität der Polymermodifi zierung. Es handelt sich um den schlichten Nachweis, ob eine Elastomermodifizierung vorliegt oder nicht. Die nicht gestellte Anforderung an die elastische Rückstellung bei plastomermodifi zierten Bindemitteln ist der einzige Unterschied der Anforderungen der TL Bitumen- StB 07 und auch der früheren TL PmB an elastomermodifi zierte oder plastomermodifi zierte PmB. FOkuS: StAtuSBeRicHt cen/tc 336 WG1 tg3 Verfahren zur Simulation der Alterung von bitumenhaltigen Bindemitteln Die TG3 Bindemittel-Alterung/-Konditionierung im CEN/ TC 336 WG1 hat zur Aufgabe, Verfahren zur Simulation der Kurzzeit- bzw. Langzeitalterung von bitumenhaltigen Bindemitteln im Laboratorium zu validieren und zu empfehlen. Im Jahr 2012 wurde ein Statusbericht ihrer Arbeit erstellt, der als Beitrag zum E&E-Kongress 2012 (3) veröffentlicht wurde. Die Alterung von Bindemitteln in Asphalten mit niedrigeren Verarbeitungstemperaturen sollte am Asphalt geprüft werden, da neben modifi zierten Bindemitteln auch Modifi zierungen der Asphalte verwendet werden. Die CEN/TCs 227 und 336 sollten geeignete Verfahren evaluieren. kurzzeitalterung Das RTFOT-Verfahren (EN ) ist für die meisten bitumenhaltigen Bindemittel anwendbar und wird als Referenzmethode in zukünftigen Spezifi kationen empfohlen. Für hochviskose Bindemittel werden in EN bereits höhere Temperaturen empfohlen, aber zur Beanspruchung niedrigviskoser Binde mittel müssen noch Empfehlungen erarbeitet werden. langzeitalterung Das PAV-Verfahren (EN 14769) mit vorlaufender RTFOT-Alterung (EN ) ist für die meisten bitumenhaltigen Bindemittel anwendbar und wird als Referenzmethode in zukünftigen Spezifi kationen empfohlen. Quelle: Statusbericht 2012 von CEN/TC 336 WG1 TG3 (3) Besamusca, J.; Sörensen, A.; Southwell, C.: Addressing Ageing Characteristics of Bituminous Binders in Europe (

12 12 l Dialog Weitblick Nicht nur in Deutschland Website ARBIT, Die Bitumenindustrie ist europaweit organisiert. Gemeinsam mit der ARBIT arbeiten der europäische Verband Eurobitume mit den Dependancen in Benelux und der Schweiz sowie die nationalen Verbände GPB (Frankreich) und RBA (Großbritannien) daran, unsere Partner über Bitumen zu informieren, das Wissen und die Erfahrungen zu dem Naturprodukt zu teilen, den sicheren Umgang zu fördern und unsere Anliegen sowohl national als auch global umzusetzen. Website Eurobitume, Website GPB, Kontakt: Arbeitsgemeinschaft der Bitumen-Industrie e.v. (ARBIT) Steindamm 55, Hamburg Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) info@arbit.de Website RBA,