Asphalt und Bitumen. Vorlesung Werkstoffe 1, ETHZ Frühling Dr. Manfred N. Partl

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1 sphalt und Bitumen Vorlesung Werkstoffe 1, ETHZ Frühling 2011 Dr. Manfred N. Partl Dipl. Bauing. ETH/SI, bteilungsleiter, EMP, bteilung Strassenbau/bdichtungen Prof. KTH Stockholm, Carleton University, Ottawa

2 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 2 (27) Inhalt 1 Einleitung Definitionen/Einteilung Definitionen Bitumenarten Sicherheit/rbeitshygiene/Umwelt Herstellung von Bitumen Chemische Zusammensetzung von Bitumen Modellvorstellung: Struktur Bitumen: Modellvorstellung: Struktur Polymerbitumen Charakterisierung und Prüfungen von Bitumen Penetrationsprüfung (EN 1426) Erweichung Ring & Kugel Prüfung (EN 1426) Brechpunkt nach Fraass (EN 12593) Dynamisches Scher-Rheometer DSR (EN 14770) Rolling Thin Film Oven Test RTFOT (EN ) Kraftduktilität (EN 13589) Strassenbeläge Übersicht Einbau, Verarbeitung Prüfungen Volumetrische Kenngrössen Marshall-Prüfung SN (EN ) Polymerbitumen-Dichtungsbahnen (PBD, SI 281) Übersicht Bezeichnungen nach SI 281 (2007) Herstellung Prüfungen uswahl der wichtigsten Prüfungen Bestimmung des Zug- Dehnverhaltens (EN ) Wärmestandfestigkeit (EN1110) Kaltbiegeverhalten (EN 1109) Widerstand gegen Durchwurzelung (EN13948) usführungskontrolle auf der Baustelle Belagselemente für Betonbrücken llgemeiner ufbau Flexible Fahrbahnübergänge aus Polymerbitumen... 27

3 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 3 (27) 1 Einleitung Bitumen ist ein natürlicher Stoff, der typischerweise zusammen mit Gesteinsfragmenten in Naturasphalten meist in Gebieten mit Rohöl und Erdgasfunden vorkommt. In der Schweiz findet sich Naturasphalt im Val de Travers im Neuenburger Jura. Der Masseanteil an Bitumen im Gestein beträgt hier ca 7..15%. Ein weiteres Beispiel ist der sphaltsee auf der Insel Trinidad mit einem Masseanteil um 55 % Bitumen. Die Verwendung von Bitumen hat eine lange Geschichte. Wegen seiner leichten Verarbeitbarkeit und seiner ganz spezifischen Eigenschaften gehört Bitumen zu den ältesten natürlichen Baustoffen welche zu bdichtungs- und Klebezwecken verwendet wurden. Im ltertum wurde Bitumen insbesondere in Mesopotamien zum bdichten von Booten und Bewässerungsbauten sowie als Mörtel zum Bau von Zikkuraten "Turm zu Babel" und Strassenpflästerungen verwendet. Die Verwendung von Bitumen für Strassen in der Neuzeit setzte in der Mitte des 19 Jahrhunderts ein. Im Vordergrund stand dabei die Staubreduktion in den Städten. Baustoffe auf Bitumenbasis, sog. bitumenhaltige Baustoffe, zeichnen sich durch visko-elastoplastische (bbildung 1.1), bzw. extrem temperatur- und zeitabhängige, mechanische Eigenschaften aus. Dies schränkt einerseits die nwendung ein, da ohne fundiertes Werkstoff-Verständnis und Know-How leicht Misserfolge generiert werden können, erklärt aber anderseits auch die vielfältigen technischen Möglichkeiten der Materialkonfektionierung in klassischen und neuen kostengünstigen nwendungen nicht nur im Bauwesen sondern auch im industriellen Bereich. Die allgemein gute Rezyklierbarkeit begünstigt den nachhaltigen Umgang mit bitumenhaltigen Baustoffen. = 0.1MPa /(t 2 ) e ve vp p 0 t 1 =0 t 2 =3600s t 2 =3600s t 3 =20h zeitunabhängig zeitabhängig zeitabhängig tot = el + ve + vp + pl zeitunabhängig reversibel irreversibel (plastisch & viskos & Risse) bbildung 1.1 Kriech-Erholungsversuch mit elastischen, viskoelastischen, plastischen und viskoplastischen Dehnungsanteilen. (Beispiel: einachsiger Zug Mastixasphalt) Die Eigenschaften bitumenhaltiger Baustoffe werden von folgenden typischen Merkmalen von Bitumen bestimmt: o Schwerflüchtiges, schwarzes, hoch-molekulares Kohlenwasserstoffgemisch o Geringe Dichte, d.h kg/m 3 (wie Wasser) o Extreme Temp. & Zeitabhängigkeit (visko-elasto-plastisch), daher auch geringe Wärme- und Feuerbeständigkeit o Gute bdichtungseigenschaften gegen Wasser und Dampf (Diffusionswiderstand =105) o Wasserabstossend, geringe Wasserlöslichkeit (Löslichkeit Wasser in Bitumen %) o Gute Haft und Klebeeigenschaften an trockenen Flächen (bei Emulsionen bedingt auch auf feuchten Flächen) o Tiefe thermische Leitfähigkeit (0.16 W/mK) o Grosse therm. usdehnung (6.1 x10-4 /K) o Gute Witterungsbeständigkeit (kaum Oxidation in Luft) o Oxidation bewirkt lterung o Weitgehend physiologisch unbedenklich

4 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 4 (27) o Gute chemische Beständigkeit gegenüber den meisten anorganischen Säuren (usnahmen: Salpetersäure HNO 3 und Schwefelsäure H 2 SO 4 ), Basen und Salzen, stark polaren Lösemitteln wie lkohol und Wasser o Chemisch unbeständig gegenüber Ölen und Fetten sowie artverwandten unpolaren organischen Lösungsmitteln wie Benzin, Toluol, Trichloräthan o Recyclierbar o Geringer Reparaturaufwand o Energieverbrauch bei Heissverarbeitung o Mit dem Benzinmarkt gekoppelt Der nwendungsbereich von Bitumen umfasst: o Strassenbeläge, Dichtungsbeläge, Sperrschichten im Gleisbau, feste Fahrbahn im Eisenbahnbau (Schotterersatz), Bodenbeläge und Industrieböden (gegossen oder als sphaltplatten), Bodenverfestigung o Bitumenbahnen: Flachdach, Brückenabdicht., Unterterrain -bdichtung, Tagbautunnels, Gleitschichten, Bodenabdichtungen von Deponien, Pumpspeicherbecken, Deichen und Dämmen von Staubecken o Geneigte Dächer: Unterdachbahn., Dachschindeln, Wellplatten o Fugen: Fugenvergussmassen, Dichtungsbänder, Fahrbahnübergänge von Brücken, Spachtelmassen und Kitte zum Füllen und usgleichen von Unebenheiten und Hohlräumen sowie zum bdichten von Fugen o Heiss oder kalt aufgetragene lösemittelhaltige nstriche, Emulsionen zum Bautenschutz o Klebung: Binde- und Klebemittel für Schall- und Wärmeisolation Die optimale Verwendung bitumenhaltiger Baustoffe ist häufige eine Gradwanderung zwischen grundsätzlich gegenläufigen nforderungen. Beispielsweise wird im Strassenbau nach dauerhaften sphaltbelägen gesucht, die einerseits auch bei hohen Sommer-Temperaturen genügend steif und tragfähig sind, um nur geringe bleibende Kriechdeformationen zu akkumulieren, anderseits aber bei Winter-Temperaturen genügend verformungs- und relaxationsfähig sind, um eine geringe thermische Rissanfälligkeit und eine hohe Ermüdungsfestigkeit zu gewährleisten. Die Optimierung dieser Eigenschaften gepaart mit einer Reduktion des Energieverbrauchs bei der Herstellung und pplikation ohne Verlust der günstigen Eigenschaften bezüglich Recycling und Verarbeitbarkeit sind denn auch Hauptstossrichtungen der angewandten und wissenschaftlichen Forschung auf diesem Gebiet. Weitere Forschungen und Entwicklungen im sphalt-strassenbau gelten der vermehrten industriellen Fertigung und multifunktionalen Verwendung einschliesslich Fortschritten hinsichtlich struktureller Verständnisse (bis in den Nanobereich) und Modellierung. Die globale Produktion von Bitumen wird heute auf ca. 105 mio Tonnen veranschlagt. Dies entspricht etwa dem Inhalt des Grimselsees. Die globale Produktion an sphalt auf 1600 mio Tonnen geschätzt. Damit liesse sich jedes Jahr der Burj Khalifa, in einen dichten sphaltwürfel einpacken. 2 Definitionen/Einteilung 2.1 Definitionen Bitumen: Teer: Durch Destillation (thermische Zersetzung) aus Erdöl gewonnenes schwerflüchtiges dunkelfarbiges hochmolekulares Kohlenwasserstoffgemisch, welches in der Bautechnik vor allem als Bindemittel in Mineralstoffgemischen und als bdichtungsmaterial verwendet wird. Bitumen ist schwarz, zähflüssig, klebrig, wasserabstossend und gegen Chemikalien (Säuren, Laugen) sowie stark polaren Lösemitteln wie lkohol und Wasser weitgehend unempfindlich (aber löslich in artverwandten, unpolaren und organischen Lösemitteln, wie Benzin, Toluol, Trichloräthan). Bitumen kommt auch in Naturasphalten als in Schwefelkohlenstoff löslicher Bestandteil vor. Teer und Bitumen werden begrifflich oft gleichgestellt, obwohl sie aus verschiedenen Rohstoffen stammen. Teer entsteht bei Verkokung (Entgasung unter Luftabschluss)

5 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 5 (27) von Steinkohle (Gas- und Koksherstellung), ist säureempfindlich und nur begrenzt haltbar. Teer eignet sich zur bdichtung gegen Erdölprodukte (z.b. Benzin- Tanklager), wird aber im Bauwesen aus Gesundheitsgründen kaum mehr verwendet (krebserregende schädliche flüchtige Bestandteile, starker penetranter Geruch!). Bemerkung: Die gesundheitliche Gefährdung wird anhand des PK Wertes, d.h. des Gehalts an Polyzyklischen romatischen Kohlenwasserstoffen erfasst, wobei als Referenzsubstanz Benzo(a)pyren (BaP) benützt wird (Tabelle 2.1). Tabelle 2.1 Vergleich der PK-Gehalte in Teer und Bitumen Pech: sphalt: Bindemittel EP-PK, [mg/kg] Benzo(a)pyren, [mg/kg] Phenole, Kresole, [mg/kg] Bitumen Teerbitumen mit 5 % Teer Teer Richtwert Bundesamt für Umwelt BFU: uneingeschränkt 5000 mg/kg in Bindemittel EP: US Umweltbehörde (Environmental Protection gency) Rückstand der Teerdestillation (Ölanteile abdestilliert), im Hochbau unbedeutend. Bezeichnung für jedes Gemisch aus Bitumen und Mineralstoffen (Sand, Splitt,.,), nwendung z.b. Strassen- und Wegebau. Naturasphalt: Natürlich vorkommendes Bitumen- Mineralstoff-Vorkommen, z.b. Val de Travers (NE) und Insel Trinidad 2.2 Bitumenarten Eine Übersicht über die wichtigsten im Strassenbau üblichen bitumenhaltigen Bindemittel nach SN enthält bbildung 2.1. bbildung 2.1 Bitumenarten nach SN Strassenbaubitumen: bzw. Destillationsbaubitumen; gewöhnliche Destillation, weich bis mittelhart. Sortenbezeichnung durch die Grenzen der Nadel-Penetrationswerte bei 25 C; auch als Penetrationsbitumen bezeichnet.

6 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 6 (27) Modifizierte Bitumen: Polymerbitumen(PmB): Gummibitumen: Temperaturreduz. Bit.: Multigrade Bitumen: Farblose Bitumen: Industriebitumen: Oxidationsbitumen: Einsatz für Heissmischgut im Strassenbau und in Sonderfällen für Oberflächenbehandlungen, ausserdem für Elektro-Kabel, Emulsionen, Fugenvergussmassen Standard-Strassenbaubitumen (Penetration [0.1mm]) Harte Strassenbaubit. (Penetration [0.1mm]), Verwendung für sphalte mit hohem Modul Weiche Strassenbaubitumen (Penetration über 330 [0.1mm]), Verwendung bei extrem tiefen Temperaturen (Skandinavien) us Bitumen mit Zusätzen und/oder chemisch-pysikalischer Modifikation Gemische von Bitumen und Polymeren, z.b. mit: (z.b. PP: ataktisches Polypropylen, SBS: Styrol-Butadien-Styrol, EPDM: Ethylen Propylen Dien Terpolymer, EV: Ethylen Vinyl cetat Copolymer)); die Eigenschaften hängen von der rt des Bitumens, der rt und Menge des Polymers sowie der Dispersions-Feinheit der ab. Gründe für Polymerbitumen-Verwendung: Weichere Bindemittel bei tiefen Gebrauchstemperaturen (wenig Risse) Steifere Bindemittel bei hohen Temperaturen (wenig Spurrinnenbildung) Reduktion der Viskosität bei Einbau- und pplikationstemperaturen (leichtere Verdichtbarkeit) Reduktion der erforderlichen Einbau- und pplikationstemperaturen Erhöhung der Dauerhaftigkeit und Festigkeit von Strassenbelägen Erhöhung der briebfestigkeit an der Oberfläche von Strassenbelägen Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von Belägen Reduktion der Dicke von Strassenbelägen Erhöhung der Witterungsbeständigkeit Erhöhung der Bindemittelfilmdicke Realisierung spezieller Strassenbelagskonzepte (offenporiger sphalt) Enthalten Gummimehl und/ oder -granulat aus ltpneus; nwendung wie PmB; beschränkte Lagerbeständigkeit! Bitumen mit Zusatz geeigneter dditive (z.b. Wachse, Fischer-Tropsch- Paraffine 1, Zeolithe 2 ). Mischgutherstellung und -einbau bei niedrigeren Temperaturen möglich, d.h. bessere rbeitsbedingungen, weniger Bindemittelalterung und Emissionen, geringer Energieverbrauch (bbildung 2.2). Chemisch-modifizierte Bitumen (ohne Polymerzusatz) mit geringer Temperaturempfindlichkeit. Einsatz gegen Spurrinnenbildung und Ermüdung vor allem für Hochmodulasphalte. Synthetisch aus polymeren Harzen; Verhalten wie klassisches Bitumen. Mit Farbpigmenten: Gestaltung von Plätzen & Strassen. bzw. geblasenes Bitumen; Einblasen von Luft in geschmolzenes Bitumen; plastisch in grösserem Temperaturbereich; gute Elastizität u. Wärmebeständigkeit. Höherer Erweichungspunkt als Destillationsbitumen bei gleicher Nadel-Penetration. 1 Fischer-Tropsch-Paraffin = synthetischer aliphatischer Kohlenwasserstoff mit hoher Molekülmasse (C40 C120) aus Kohle oder Gas mittels Fischer-Tropsch Verfahren grosstechnisch hergestellt (Umwandlung von Synthesegas CO/H 2 in flüssige Kohlenwasserstoffe) 2 Zeolithe: Mineral mit mikroporöse Gerüststruktur aus lo 4 und SiO 4 Tetrahedern. llg Formel M x/n [(lo 2 ) x (SiO 2 ) y ]. z H 2 O. Sie wirken wie Molkularsiebe

7 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 7 (27) Hartbitumen: Bitumenemulsionen: Kaltbitumen: Fluxbitumen: Schaumbitumen: Nadel-Penetration unter 10 [0,1 mm]. Herstellung von Gussasphalt im Hochbau sowie als usgangsmaterial für Bitumenschutzlacke, Isoliermaterialien, Gummiwaren und Druckfarben eingesetzt. Emulgieren von Bitumen in Wasser; Zähigkeitsreduktion = Verarbeitungsvorteil (Verarbeitung im kalten Zustand). Um zu verhindern, dass sich Bitumentröpfchen und Wasser trennen, werden oberflächenaktive Emulgatoren zur Stabilisierung zugesetzt ("kalt" verarbeitbar). Man unterscheidet anionische (alkalische) und kationische (saure) und nichtionische Emulsionen, je nachdem ob die Bitumenteilchen elektrostatisch negativ, positiv oder nicht geladen sind. Im Strassenbau werden vor allem kationische Emulsionen verwendet (Oberflächenbehandlungen, Kaltmischgut und Haftvermittler). nionische Emulsionen werden für spezielle Zwecke verwendet (z.b. Wiederbegrünung von Böschungen, als Porenverschluss und Schlämme) Beim Kontakt mit Mineralstoffen werden die 5-10m Bitumenteilchen am Mineral angelagert und das Wasser wird ausgeschieden. Diesen bbinde -Vorgang bezeichnet man als Brechen der Emulsion. Dabei koagulieren die Bitumenteilchen schlagartig zu einem kontinuierlichen Bitumenfilm, indem sie sich vom Wasser trennen, welches anschliessend verdunstet. (Heute werden vermehrt auch Polymerbitumen-Emulsionen eingesetzt.) bzw. Bitumenlösungen oder Lackbitumen: Bitumen verdünnt bzw. gelöst in relativ leichtflüchtigen organischen Lösemitteln zur Verarbeitung im kalten Zustand > 5 C, z.b. als nstrich oder Haftvermittler (ökologisch und physiologisch problematisch); in der Schweiz nur einsetzbar, wenn Bitumenemulsionen sich nicht eignen (z.b. bei tiefen Temperaturen); sie sind daher nicht mehr normiert ("kalt" verarbeitbar). bzw. Verschnittbitumen oder Cutback; Zusatz von schwerflüchtigen organischen Lösemitteln (sog. Verschnittmittel, z.b. Ölzusatz) zur besseren Verarbeitbarkeit und Viskositätsreduktion; meist "kalt" verarbeitbar); Erst bei Temperaturen um 50 C genügend flüssig, um gespritzt werden zu können; Verwendung hauptsächlich für Oberflächenbehandlungen und vorgefertigtes Kaltmischgut (heute vermehrt umweltfreundliche Fluxöle auf pflanzlicher Basis, die auch über längere Zeit nicht verdunsten) Schaum aus Bitumen durch Einspritzen von ca. 2% Wasser und Druckluft mittels Düse in heisses Bitumen. Viskositätsreduktion durch Schaumbläschen ("warm" verarbeitbar). Schaumbitumen ist zwar noch nicht explizit in SN enthalten, wird aber wegen dem steigenden Bedarf an energiereduzierten Belägen immer wichtiger im Strassenbau (bbildung 2.2). bbildung 2.2 Schaumbitumen und temperatursenkende Wirkung von Wachs

8 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 8 (27) 3 Sicherheit/rbeitshygiene/Umwelt Wesentliches über den Umgang mit bituminösen Baustoffen enthält SN (vgl.tabelle 3.1). Bitumenhaltige Bindemittel werden normalerweise heiss ( C) angeliefert, gelagert und verarbeitet. Heisses Bitumen darf nicht mit Wasser in Berührung kommen, zumal daraus eine Volumenvergrösserung durch Schaumbildung entsteht (Faktor ca. 300). Sofortmassnahmen zum Löschen von kleinen Bitumenbränden sind: Einen Bitumenbrand nie mit Wasserstrahl löschen (die Feuerwehr kann, unter entsprechenden Vorsichtsmassnahmen, Sprühnebel zur Kühlung einsetzen) bdecken mit Wolldecken oder Blachen Flächenbrände mit Sand abdecken oder Staublöscher einsetzen In Räumen und für Kleinbrände CO2-Feuerlöscher einsetzen Verbrennungen von Körperteilen sofort ausgiebig mit kaltem Wasser kühlen Tabelle 3.1 Gesichtspunkte der rbeitssicherheit, rbeitshygiene und Umwelt Produkte rbeitssicherheit rbeitshygiene Umwelt Bitumen heiss & Bitumen-Produkte Bitumen kalt & Bitumen-Produkte Teerhaltige Produkte kanzerogen!!! Hohe Verarbeitungstemp.; Verbrennungen Bei Überhitzung: Bildung von explosiven Dämpfen Dämpfe, problematisch nur in geschlossenen Räumen Geringe Geruchsbelästigung Geringe Emissionen Problemlos llgemeine Hygiene Problemlos Hohe Verarbeitungstemperatur: Verbrennungen Bei Überhitzung: Bildung von explosiven Dämpfen Bildung von giftigen Dämpfen beim Heissverarbeiten Hautkontakt: Reizung der Haut möglich Bitumenemulsionen Problemlos Hautkontakt: Reizung der Haut möglich Lösemittelhaltige Bitumenprodukte, z.b. Cutback, Haftanstriche Hohe Brand- und Explosionsgefahr Hohe Konzentration an gesundheitsschädlichen Dämpfen kanzerogen!!! uswaschen von Schadstoffen beim Kontakt mit Wasser Gefahr für Grundwasser Problemlos bei normalen nwendungen Mögliche Probleme bei uslaufen von grösseren Mengen Gefährdung von Grundwasser, Boden und Ozonschicht durch organische Lösemittel Weiter ist zu beachten: Undichte Heiz-Leitungen, schadhafte Schläuche sofort ersetzten. Nach jedem Gebrauch Leitungen entleeren. Vorsicht beim Schweissen von Bitumentanks, Leitungen und Fässern. Das Beheizen von Bitumen mit direkter oder offener Flamme ist zu unterlassen (Gase, Verkokungsprodukte). Brandgefahr. Bei Lagerung von Bitumen, Überhitzen und Kondenswasser vermeiden. Körperschutz tragen (Handschuhe, Brille, Helm, die Haut deckende Kleider), Verbrennungsrisiko und Sonnenbrand wegen sensibler Haut durch Bitumendämpfe. Keine Kleider und Reinigungstücher aus hitzeempfindlichen Kunstfasern! Bei normalen Verarbeitungstemp. Dämpfe im Freien gering und unbedenklich. Überhitztes Bitumen ca. doppelte Menge der Dämpfe pro 10 C; Innenräume ausreichende ent- und belüften! Oberirdische und unterirdische Gewässer (Grundwasser) sind vor Schadstoffeintrag zu schützen. Flüssige bfälle (z.b. Lösemittel, Öle) und Restposten nach ngaben des Herstellers bzw. Lieferanten oder direkt von diesen entsorgen.

9 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 9 (27) 4 Herstellung von Bitumen Die Herstellung von Bitumen aus Rohöl in einer Erdölraffinerie durch Einwirkung von Hitze und Druck (vgl. bbildung 4.1). Dabei wird das Erdöl in einem ersten Röhrenofen auf C aufgeheizt und unter atmosphärischem Druck mittels Destillationskolonne unter usnutzung der unterschiedlichen Siedetemperaturen von seinen leichteren Bestandteilen (Methan-, Ethan-, Butan-, Propan-Gase, Leichtbenzin, Kerosin, Petroleum) befreit. Die Destillationskolonne enthält mehrere Etagenböden mit sog. Glocken, woran die Destillationsprodukte in die Wannen der Etagenböden abtropfen können. Von den Etagenböden können dann die einzelnen Produkte, (z.b. Benzin) abgeleitet werden. nschliessend wird das verbleibende Gasöl einem zweiten Röhrenofen zugeführt und einer weiteren Destillationskolonne bei reduziertem Druck von etwa 50 Millibar unter Vakuum in seine schwereren Bestandteile (Schmieröle, Paraffin,) aufgetrennt. Bitumen sammelt sich als schwerster Bestandteil am Boden des Destillationsgefässes. In weiteren Prozessen kann dieses Bitumen zu Oxidationsbitumen (Einblasen von Luft), Fluxbitumen (Zugabe von Lösemitteln), Polymerbitumen (Zugabe von Polymer), Bitumenemulsion (Zugabe von Wasser und Emulgator) weiterverarbeitet werden. Viskosität tmosphärische Destillation 375 C Vacuum Destillation 410 C Oxidations-Bitumen Fraktion Sieden [ C] Gase <30 Leichtbenzin <100 Schwerbenz <200 Petroleum <260 Gasöl <360 Benzin Leichte Lösem. Kerosin Petroleum Dieselöl Heizöl Cutback Emulsion Oxidationsbitumen Roh- Öl Oxidation Destillations- 260 C Bitumen Polymer- Bitumen H 2 O Polymer Rohöltank Glocke Etagenboden tmosphärische Vakuum Destillation Destillation Gas Gasöl (Dieselöl, Heizöl) Leichtbenzin Leichtes Spindelöl Schwerbenzin Schweres Spindelöl (Kerosin) Leichtes Maschinenöl Petroleum Schweres Maschinenöl Gasöl Vaseline, Paraffine Bitumen C 50 Millibar Röhrenofen Destillationskolonne Röhrenofen Destillationskolonne Destillationsbitumen Oxidation Luft bbildung 4.1 Bindemittelgewinnung aus Rohöl 5 Chemische Zusammensetzung von Bitumen Bitumen ist ein Gemisch von hochmolekularen Kohlenwasserstoffen und wenig Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff, d.h. C (80 88%) H (7 11%); O (1 12%); N (<1.5%); S (0.5 7%). Bitumen (schwach sauer) haftet am besten an basischem Gestein; daher z.b. Kalkstein als Füller verwenden. Bei Bitumen können grundsätzlich Kohlenwasserstoffe unterschieden werden (vgl. Tabelle 5.1): o Ungesättigte Kohlenwasserstoffe o romatische Verbindungen (ungesättigte ringförmige Kohlenwasserstoffe); Beispiel: Benzol C 6 H 6 o lkene (Olefine); Beipiel: Hexen C 6 H 12 o Gesättigte Kohlenwasserstoffe (lkane) o licyclische oder naphtenartige Verbindungen (gesättigte ringförmige Kohlenwasserstoffe); Beispiel: Zyklohexan C 6 H 12 o liphatische oder paraffinartige Verbindungen (gesättigte Kohlenwasserstoffe, gerad- und verzweigtkettig); Beispiel: Hexan C 6 H 14

10 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 10 (27) Gesättigte Verbindungen sind reaktionsträge während die ungesättigten Verbindungen wegen der Doppelbindungen im Molekül als reaktionsfreudig zu bezeichnen sind. Tabelle 5.1 Systematik der Kohlenwasserstoffe in Bitumen Kettenmoleküle Gesättigt Hexan C 6H 14 Ungesättigt Hexen C6 H 12 Ringmoleküle Zyklohexan C6 H12 Benzol C 6 H Modellvorstellung: Struktur Bitumen: Bitumen wird in stark vereinfachter Weise meist als kolloides 3 2-Phasensystem aus höhermolekularen Partikeln (sphaltene) in einem niedermolekularen Gel (Maltene) dargestellt (bbildung 5.1). Demnach wird unterschieden in die Hauptbestandteile Maltene: Harze: weichmachende, flüssige ölige Phase; aromatisch, leicht, in n-heptan (Benzinbestandteil) löslich, Molekulargewicht schmelzbar machende, je nach Temperatur feste Phase, Schicht um sphaltene sphaltene: formbestimmende, feste russartige Phase; schwer, unlöslich, Molekulargewichte , Grösse ~5nm. Mizellen: Partikel gebildet aus Harzen und sphaltenen, Grösse >25nm Obwohl diese vereinfachte klassische Modellvorstellung wissenschaftlich als überholt gilt, hat sie im praktischen technischen Umgang durchaus noch ihre Bedeutung. Beispiel für eine modernere Betrachtung der Mizellen findet sich in bbildung 5.2. Gel-Typ GEL Sol-Typ SOL Maltene Mizelle bbildung 5.1 Klassische vereinfachte Modellvorstellung zum ufbau von Bitumen 3 Kolloide: (kolloid gr. = leimartig); Gemisch aus höhermolekularen festen Nano- bis Mikropartikel, dispergiert in niedermolekularem Gel. Wegen geringer Partikelgrösse sind kolloide Systeme Gemische aus reiner Lösung und einer Emulsion (gröbere Partikel).

11 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 11 (27) bbildung 5.2 Modell der Mizellen im Bitumen 5.2 Modellvorstellung: Struktur Polymerbitumen Die Wirkungsweise polymermodifizierter Bindemittel ist wesentlich durch ihren strukturellen ufbau sowie durch das mikro- und nanostrukturelle Zusammenwirken zwischen Polymer und Bitumen bestimmt. Für Strassenbeläge und bdichtungen wird typischerweise das Elastomer SBS (Styrol- Butadien-Styrol-Blockpolymer) beigegeben, welches eine sehr positive Wirkung auf die Elastizität ausübt, jedoch den Nachteil besitzt, dass es relativ oxidations- und temperaturempfindlich ist. Von geringerer Bedeutung sind EV (Ethylen-Vinyl-cetat-Copolymer) und EPDM (Ethylen Propylen Dien Terpolymer). Im Strassenbau werden zum Bitumen ca M-% SBS Polymer und bei Dichtungsmassen (z.b. bei Dichtungsbahnen) ca M-% SBS zugegeben Die Mischbarkeit spielt auf die Bindemittel-Eigenschaften eine grosse Rolle (z.b. Bitumen mit 4 M-% SBS,). Das Plastomer PP (taktisches Polypropylen), spielt eine gewisse Rolle im bdichtungssektor. Während Polymerbitumendichtungsbahnen mit SBS allgemein bei kalter Witterung wegen ihres guten Kältebiegeverhaltens leichter zu applizieren sind als PP-Produkte, erweisen sich PP-Produkte als widerstandsfähiger in heissem Klima, da PP bei hohen Temperaturen weniger oxidationsempfindlich ist. Die strukturelle Wirkungsweise von SBS und PP ist in bbildung 5.3 schematisch dargestellt. PP (Plastomer) SBS (Elastomer) Polystyrol Polybutadien taktisch Isotaktisch PP SBS-Blockpolymer Maltene sphaltene gut mischbar: schlecht mischbar: bbildung 5.3 Links: Modell der Struktur von PP und SBS; Rechts: Fluoreszenzmikroskopische ufnahmen von Bitumen mit 4 Masse% SBS 6 Charakterisierung und Prüfungen von Bitumen Zur Charakterisierung des Gebrauchsbereichs dient in der klassischen Bitumentechnologie die sog. Plastizitätsspanne. Sie ist definiert als Temperaturbereich zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel (R&K) und dem Brechpunkt nach Fraass. Bezüglich Betriebszustand werden bestimmte Prüfungen nach einer künstlichen beschleunigten lterung im Labor untersucht, z.b. nach allfälliger thermischer und oxidativer Schädigung im RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) 75 Minuten bei 163 C gemäss EN

12 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 12 (27) Tabelle 6.1 Klassische standardisierte Prüfungen für Bitumen (EN12591 und Vorwort SN ) Nutz- Phase künstliche lterung keine Löslichkeit (EN 12592) Äussere Beschaffenheit (EN 1425) Dichte (SN b) Paraffingehalt (EN ,-2) extrem heiss Sicherheit Flammpunkt (EN 12591) Temperatur-bnahme heiss warm gemässigt kalt llgemeine Charakterisierung Verarbeitbarkeit kinemat. Viskosität bei 135 C (EN 12595) Kriechen, Fliessen Dynam. Viskosität bei 60 C (EN 12596) Härtegrad nlieferung Erweichungswiderstand Erweichungspunkt R&K (EN 1427) Mass für obere Gebrauchstemp. Nadel- Penetration (EN 1426) Sprödigkeit Rissverhalt. Brechpunkt nach Fraass (EN 12593) Mass für untere Gebrauchstemp. 6.1 Penetrationsprüfung (EN 1426) m=100g Penetrationsnadel bbildung 6.1 Penetrationsprüfung T= 25 C 50mm lange Nadel Ø=1mm, die mit 100 g belastet 5s lang in das Bdm. eindringt. Ergebnis: Weg in [0.1 mm] Bis zu Pen=350 [0.1 mm] anwendbar. Kleine Pen: hartes Bdm Grosse Pen: weiches Bdm Penetration stark abh. von Temp. Pen nimmt mit zunehmender Mischdauer und bei Bitumen mit zunehmendem lter ab. us Mischgut rückgewonnenes Bitumen hat ca. um 20 [0.1mm] tiefere Pen als Original Bei der Klassifizierung von Bitumen werden jeweils zwei Penetrationswerte angegeben. Nach heute in der Schweiz gültiger Klassierung gemäss EN mit zugehörigem nationalem Vorwort SN bezeichnet z.b. ein Bitumen 50/70 ein Bitumen, welches bei 25 C einen Penetrationswert im Bereich von besitzt. Die Klassierungsskala der Norm reicht von harten Bitumen 20/30 bis zu extrem weichen Bitumen 250/ Erweichung Ring & Kugel Prüfung (EN 1426) 9.5mm 25.0mm bbildung 6.2 Erweichungspunkt Ring und Kugel Indikator für Schmelzpunkt [ C] Ca. obere Gebrauchstemp., d.h. obere Grenze d. Plastizitätsspanne R&K steigt mit längerer Mischdauer Cu-Zn Ring Øi=19.8mm (oben); Øi=15.9mm (unten) ; h=6.4mm Nach Erkalten auf 5 C in Flüssigkeit mit 5 C/min wärmen Erweichungspunkt ist jene Temp., bei der 3.50 g Stahlkugel Ø=9.50 einen 25mm Bitumenbeutel gebildet hat

13 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 13 (27) 6.3 Brechpunkt nach Fraass (EN 12593) 36.5mm 40mm bbildung 6.3 Brechpunkt nach Fraass Temperatur [ C], bei welcher definierter Bindemittelfilm unter zyklischer Biegung reisst (Risswiderstand in der Kälte), d.h. untere Grenze der Plastizitätsspanne. Bindemittelfilm auf 0.15mm dickes Blech aus Federstahl (41 x 20mm) aufbringen bkühlen mit -1 C/min; dabei Blech um 3.5mm mit 3.5mm/11s zyklisch stauchen und entspannen; Pause zw. Zyklen 38s. Die Temperatur beim ersten Riss, wird als Brechpunkt nach Fraass bezeichnet 6.4 Dynamisches Scher-Rheometer DSR (EN 14770) DSR Sinusoidale Last Wasserbad Bindemittel- Prüfkörper 25mm bbildung 6.4 Dynamisches Scher-Rheometer Platte-Platte-Viskosimeter: Bdm. auf ± 0.1 C temperieren mit Ø=25 bzw. 8mm und Höhe h=1 oder 2mm lastgesteuert sinusförmig mit 10rad/s (ca. 1.59Hz) und Dehnungsamplitude von ca. 1% auf Torsion beanspruchen Die dynamische Viskosität 4 (Pas) ergibt sich aus Drehmoment M, Radius r, Bindemittelhöhe h und Kreisfrequenz = 2Mh/(r 4 )) Mit dem DSR lässt sich für Bindemittel die wichtige viskoelastische Kenngrössen, z.b. der komplexe Schubmodul G*, bestimmen (bbildung 6.5) Spannung & Schiebung sin 0 sin t Zeit t Imaginäre chse Phasenwinkel G =I G*I cos () Speichermodul G =I G*I sin () Verlustmodul Reelle chse T=2/1/f bbildung 6.5 Viskoelastische Kenngrössen bei schwingende Beanspruchung Speichermodul (elastischer Modulanteil) G' = G* cos( [N/mm2] Verlustmodul (viskoser Modulanteil) G" = G* sin( [N/mm2] Komplexer Modul (absoluter Modul): G* = 2 2 G' G" Phasenwinkel = arc tan (G"/G') Schwingungsviskosität '= G"/, mit der Kreisfrequenz 4 Die kinematische Viskosität ist definiert als =/ wobei die Dichte des Bitumens bezeichnet

14 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 14 (27) Führt man die DRS Messungen bei verschiedenen Temperaturen unter Variation der Frequenzen durch, lassen sich daraus mit dem Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip durch temperaturabhängige Horizontalverschiebung der verschiedenen frequenzabhängigen Kurven im doppeltlogarithmischen Raum um log a T (T)= log f r log f sog. Masterkurven konstruieren, welche für eine bestimmte frei wählbare Referenztemperatur T r den komplexen Modul in Funktion eines grossen Frequenzbereiches beschreiben. Ein Beispiel findet sich in bbildung log(g), log(g*) loga T (,T 4 ) loga T (,T 3 ) loga T (,T 2 ) T 1 T 4 T 3T2 loga T (,T 1 ) T r log(t), log(1/f) ] a P g o L 0 [M * -1 G -2-3 Fug.Dichtungsm. FM5 Tr=15 C Original, gemessen Eingebaut, gemessen RTFOT, gemessen Log Frequenz [Hz] bbildung 6.6 Beispiel Masterkurve (Referenztemperatur 15 C) Es ist üblich die Daten aus einer solchen DRS Messreihe auch in sog. Black-Diagrammen und Cole- Cole-Diagrammen darzustellen (bbildung 6.7) ]. a [P * l G u d o m b u 1000 h c S r 100 e x le 10 p m 1 o K 70C 60C 50C 40C 30C 20C 10C Polymermodifiziertes Bitumen Standard Bitumen Phasenwinkel [ ] 10 1 ) a P (M " 0.1 G 0.01 DSR FM G' (MPa) 1 10 bbildung 6.7 Beispiel Black Diagramm (links) und Cole-Cole Diagramm (rechts) 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C 6.5 Rolling Thin Film Oven Test RTFOT (EN ) Die zeitliche Veränderung bzw. Schädigung von Struktur und Eigenschaften eines Bindemittels infolge thermischer, klimatischer und chemischer Einwirkung wird allgemein als lterung bezeichnet. Wichtigster Fall der lterung bei Bitumen ist die oxidative und thermische Verhärtung. Eine solche Verhärtung kann bereits während der Produktion eines bitumenhaltigen Werkstoffs, also bei relativ hohen Temperaturen im Bereich von etwa über 135 C, oder erst später im Gebrauch bei tieferen Gebrauchstemperaturen etwa unter 60 C entstehen.

15 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 15 (27) Bindemittel max. 15min aufheizen, dann 75min unter konstantem Luftstrom bei 163 C thermisch heizen. Rotation benetzt Innenwand Glasgefäss Masseänderung, Veränderungen von Pen., R&K, Visk. vor und nach Erhitzen im Ofen bbildung 6.8 Rolling Thin Film Oven Test 6.6 Kraftduktilität (EN 13589) 30mm Kohäsions-Unterschied von Bitumen und Polymerbitumen Energie, um bei 5 C mit 50mm/min eine Verlängerung von 200mm auf 400mm durchzuführen. 400mm E 200mm F(s)ds Nicht modifiziert: E < 3 Joule; PmB: E > 3 Joule bbildung 6.9 Prüfkörper und uswertung der Kraftduktilität 7 Strassenbeläge 7.1 Übersicht Strassenbeläge aus sphalt bilden in der Schweiz heute den Normalfall. Sie sind aus Schichten aus sphaltmischgut aufgebaut, welches aus mineralischen Zuschlagstoffen sowie Bitumen oder bitumenhaltigen Bindemitteln, allfälligen Zusätzen und Luft zusammengesetzt ist (bbildung 7.1). Die verschiedenen rten von sphaltmischgut bilden gemäss SN sog. Mischgutgruppen (z.b. sphaltbeton C, Splittmastixasphalt SM), welche ihrerseits in Mischgutsorten (z.b: C 11, M 8) entsprechend dem oberen Nennwert der grössten Mineralstoffkörnung eingeteilt sind. ufgrund der Beanspruchung (leicht L, mittel N, stark S, sehr stark H) wird sphaltmischgut zudem in sog. Mischguttypen (z.b. C 11 S) eingeteilt. C sphaltbeton C EME Hochmodulasphaltbeton (EME: enrobé à module élevé) Mischgutgruppe, Schicht, Nennwert, Mischguttyp C MR Rauasphalt HR Hot Rolled sphalt (HR) in der Schweiz nicht normiert: nerkennungsnotiz EN C T 16 S, P S 22 N, SM 11 S KMF Bitumenhaltige Kaltmischfundationsschicht M Mastixasphalt (bzw. Gussasphalt G) Mischgutsorte OB Oberflächenbehandlung, Kaltmikrobelag Slurry P Offenporiger sphalt (bzw. Drainasphalt DR) SM Splittmastixasphalt

16 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 16 (27) Weichmastix Offenporiger Mörtel Macadam sphalt Mastix HR M C CMR SM P 100% HR: Hot Rolled sphalt 80% Splitt M: Mastixasphalt Volumenanteil 60% 40% 20% 0% Sand Füller Bindemittel Luft C: sphaltbeton SM: Splittmastix P: Offenporiger sphalt bbildung 7.1 Volumetrische Zuordnung und Oberfläche von Belägen: HR Hot Rolled sphalt; M: Mastixasphalt (dicht); C: sphaltbeton; CMR Rauasphalt SM=Splittmastixasphalt; P= offenporiger sphalt (Füller =Gesteinsmehl <0.063mm, Sand mm Splitt>2mm) Typische Korngrössenverteilungen für die einzelnen Mischguttypenmit dem nominellen Maximalkorn von 11mm enthält bbildung 7.2. bbildung 7.2 Vergleich typischer Siebkurven verschiedener sphaltbeläge mit Grösstkorn 11mm Die strukturelle Tragfunktion wird bestimmt durch die in Tabelle 7.1 dargestellten drei Grundprinzipien, die auf Klebung, Reibung und bstützung beruhen und entsprechend eher viskoses, plastisches und elastisches Verhalten bewirken.

17 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 17 (27) Tabelle 7.1 Grundprinzipien und Modellmechanismen des strukturellen Tragverhaltens Prinzip: Klebung Reibung bstützung Verhalten: Viskos Plastisch Elastisch Modell: Massgebend: Bindemittel Schub zw. Gesteinskörnern Seitl. Stützrand, Korn-zu-Korn Kontakt Beispiel: M, HR C SM, P Konzept Mastix-Konzept Packungskonzept Stützgerüstkonzept 7.2 Einbau, Verarbeitung sphalt wird in der Regel im sphalt-werk vorgemischt und dann vor Ort verarbeitet. Je nach Schicht kann mehr oder weniger usbauasphalt als Recyclat beigemischt werden. In der obersten Deckschicht werden kalt bis zu 15 M-% und warm bis zu 30 M-% zugegeben. In tiefer liegenden Trag- und Fundationsschichten kann mehr als das Doppelte an usbauasphalt beigegeben werden. Der Mischprozess findet typischerweise auf der Mischanlage (Mix in Plant) und in Spezialfällen auch vor Ort (Mix in Place) statt (bbildung 7.3). bbildung 7.3 Einfluss von Herstellung, Einbau, Gefüge und Temperatur auf das Mischgut

18 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 18 (27) Die Temperatur spielt bei der Herstellung aus energetischen Gründen aber auch wegen des CO 2 usstosses eine immer wichtigere Rolle (bbildung 7.4). Es existieren bereits zahlreiche energiereduzierende Konzepte, doch sind die Qualitätsunterschiede noch beträchtlich. M Mastixasphalt C HM Heissmisch-sphalt C WM Warmmisch-sphalt, ca. 130 C (z.b. Wachszusätze, Schaumbitumen) HWM Halbwarmmisch-sphalt <100 C (z.b. Schaumbitumen) CM Kaltmisch-sphalt Umgebungstemperatur (z.b. Emulsionen) bbildung 7.4 Einfluss der Mischguttemperatur auf Energieverbrauch bzw CO 2 usstoss 7.3 Prüfungen Volumetrische Kenngrössen Zur Charakterisierung von sphalt werden u.a. folgende volumetrische Kenngrössen verwendet: Rohdichte mm [M-%]: Raumdichte mb [M-%]: Bindemittelgehalt B [M-%]: Hohlraumgehalt Verdichtungsrad VG [-%]: sphalt-masse ohne Hohlräume, bezogen auf dessen Volumen m mm sphalt-masse inkl. Hohlräume, bezogen auf dessen Volumen m mm Bindemittel-Masse m b im Mischgut bezogen auf die Gesamtmasse m mm H: Hohlraum-Volumen bezogen auf Gesamtvolumen des sphaltes [V-%] Raumdichte der eingebauten praxisverdichteten sphalt-schicht mb,s bezogen auf Raumdichte des entsprechenden Marshallprüfkörpers mb,m Bindemittelausfüllungsgrad VBF [V%]: Prozentualer nteil der mit Bindemittel gefüllten Hohlräume im Mineralstoffgerüst Marshall-Prüfung SN (EN ) Beim Marshallversuch werden die einzelnen Prüfkörper während Minuten bei 60 C im Wasserbad gelagert und anschliessend mit 50mm/min über zylindrische Halbschalensegmente in radialer Richtung bis zum Bruch belastet. Die Krafteinleitung bewirkt einen relativ komplexen Spannungs- und Verformungszustand, weshalb das Resultat der Prüfung nicht als Spannungs-Dehnungsdiagramm dargestellt werden kann. Die maximale Bruchkraft des Prüfkörpers wird als Stabilität-Marshall S (bisweilen auch SM) in [kn] und die zugehörige Verformung als Fliessen-Marshall F (bisweilen auch FM) in [mm] bezeichnet. Weitere Kenngrösse ist der tangentiale Fliesswert F t (bbildung 7.5).

19 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 19 (27) kn S F t F mm bbildung 7.5 Marshall-Prüfmaschine und schematisches Resultat 8 Polymerbitumen-Dichtungsbahnen (PBD, SI 281) 8.1 Übersicht Bei PBD handelt es sich um ein flexibles, bahnenförmiges industriell hergestelltes bdichtungsmaterial bestehend aus einer Polymerbitumen-Dichtungsmasse und einer oder mehreren darin eingebetteten Trägereinlagen. Im Vergleich zum Polymer-Bitumen für den Strassenbau, ist der Polymeranteil etwa doppelt so gross. Zudem werden nicht nur SBS sondern auch andere Polymere (z.b. PP) verwendet. Bitumenbahnen werden meist heiss durch Flämmen oder mit Heissluftlanze appliziert. Sie können aber auch mittels Haftvermittler (z.b. Emulsionen) aufgeklebt werden (bbildung 8.1). bbildung 8.1 Verschweissen und Heissverkleben von Bitumenbahnen Um den zahlreichen nwendungen gerecht zu werden, ist heute eine Vielzahl unterschiedlicher PBD auf dem Markt, die sich unterscheiden hinsichtlich Dicke (von 2 bis 5mm), rt der Trägereinlagen rt des Oberflächenschutzes, z.b. Bestreuung mit Mineralstoffen (Talk, Feinsand, Schieferschuppen) oder Folien aus Metall (luminium, Kupfer etc.) und Plastik, rt der Dichtungsmasse: Polymerbitumen (PmB) mit PP (taktisches Polypropylen oder mit SBS (Styrol-Butadien-Styrol Block-Copolymer)

20 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 20 (27) Je nach PBD-System werden entweder alle Lagen oder nur einzelne Lagen reissfest ausgebildet. Die rt der Trägereinlagen ist für das mechanische Verhalten und die Funktionstüchtigkeit von erheblicher Bedeutung. In der bbildung 8.2 ist beispielsweise deutlich sichtbar, dass das Glasgittervlies von PBD2 dazu beiträgt, dass im elastischen Bereich verglichen mit PBD1 relativ grosse Zugkräfte aufgenommen werden können 1.00 T=23 C, 100mm/min PBD Breite:50mm Zugkraft (kn) 0.50 PBD1 (P) PBD2 (P,GV) Polyestervlies 200g/m Dehnung (%) Glasgemischgewebe bbildung 8.2 Kraft-Wegdiagramm von PBD im Zugversuch: PBD1 mit Polyestervlies (P) und PBD2 mit Polyestervlies und Glasgittervlies (GV) Im Bereich Brückenabdichtung werden in der Schweiz ausschliesslich elastische (SBS) und plastische (PP) Polymerbitumen-Dichtungsbahnen eingesetzt. Sie bestehen aus einer oder mehreren Trägereinlagen, die beidseitig mit Polymerbitumen beschichtet werden (Tabelle 5.1). Die Oberseite der Dichtungsbahnen wird im Sinne eines Oberflächenschutzes mit mineralischem Schiefer, Sand oder Talk abgestreut und die Unterseite meistens mit Plastikfolie oder Talkum abgedeckt. Je nach PBD werden bei Bedarf auch noch andere Schichten eingebaut, sei es um den Widerstand gegen Wurzeldurchwuchs zu erhöhen oder die Wasserdampfdiffusion zu reduzieren Tabelle 8.1 Funktioneller ufbau für einlagige und mehrlagige PBD (PmB: Polymerbitumen) Schichten einlagig Schichten mehrlagig Funktion Oberflächenschutz Oberflächenschutz Schutz: Sonne (UV), lterung, mechan. Beschädigung, Feuer- & Hitze, Verkleben in der Rolle, ufsteigen von PmB bei M Einbau Obere PmB-Schicht (mit Füller) Trägereinlage (z.b. PE) Untere PmB-Schicht (mit Füller) Unterbestreuung bdeckfolie bzw. Obere PmB.-Schicht (mit Füller) Verstärkungseinlage (z.b. Glas) Mittlere PmB-Schicht (mit Füller) Trägereinlage PE) (z.b. Untere PmB-Schicht (mit Füller) Unterbestreuung (bdeckfolie) bdichtung, Dampfbremse, Wurzelwiderstand, Schweissbarkeit Träger für PmB-Schichten, Dimensionsstabilität, Temp.ausdehnung, Reissfestigkeit, mech. Befestigung, Wurzelwiderstand bdichtung, Dampfbremse, Wurzelwiderstand, Schweissbarkeit Träger für PmB-Schichten, Dimensionsstabilität, Temp.ausdehnung, Reissfestigkeit, mech. Befestigung, Wurzelwiderstand bdichtung, Dampfbremse, Wurzelwiderstand, Schweissbarkeit Verkleben in der Rolle; keine Beeinträchtigung des Verbundes beim Schweissen

21 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 21 (27) 8.2 Bezeichnungen nach SI 281 (2007) Erster Buchstabe (gross): rt des Bitumens: O Oxidationsbitumen; E Elastomerbitumen; P Plastomerbitumen Zweiter Buchstabe (gross): Trägereinlage. Weitere Einlagen werden durch ein Komma abgetrennt: P Polyestervlies; V Glasvlies; G Glasgittervlies; W Glasgewebe; luminiumfolie; J Jutegewebe; K Kupferfolie; T PET-Folie bzw. Vlies; C Kohlenfaser; M Composite Zahlengruppe: Dicke, d.h. auf 0.1 mm gerundeter Nennwert des Herstellers. Dritte Buchstabengruppe (klein): rt der Oberflächenausrüstung an der Oberseite (erster Buchstabe) und an der Unterseite (zweiter Buchstabe): t Talk bzw. Talk-Sand-Gemisch; s Feinsand; a Schieferschuppen oder Granulat; m Metallfolie; f Flammfolie; e PET-Folie bzw. Vlies; p PP-Folie bzw. Vlies llenfalls vierte Buchstabengruppe (gross): spezielle Zuordnungen: WF für den Einsatz in wurzelfesten Systemen; M für den Einsatz unter Gussasphalt; C für den Einsatz unter sphaltbeton Zusätzlich zur Produktebezeichnung wird in Klammer das oder die nwendungsgebiet(e) gemäss Tabelle 8.2 angegeben. Tabelle 8.2 usführungs- und nwendungsgebiete nach SI 270 Gruppe, bdichtungen nwendungsgebiet Systemnormen von Hochbauten 1 unter Schutz- & Beschwerungsschicht (ohne Nutzung). SI 271, 273, 274 unter Nutzschicht begeh- & befahrbar 2 ohne Schutz- & Beschwerungsschicht (Nacktdach) der SI 271, 274 Witterung ausgesetzt 3 mechanisch befestigt 4 Nassräume & Entwässerungen von Bauten B1.1 in Unterterrain-bd. geg. nichtdrück. & drück. Wasser SI 272, 274 unter Terrain & im Untertagbau B1.2 Tagbau- & Tiefbau B2 Untertagbau B3 Erdverlegte Wasserbecken & Staudämme B4 Kanäle B5 Schwimmbecken B6 Reservoirs B7 Klärbecken v. befahrenen Flächen C1 Verkehrsflächen aus sphaltbelägen auf Betonbrücken SN C2 Befahrbare Flächen im Hochbau SI 273, 274 C3 bdichtungen unter Verkehrsflächen - gegen Wasserdampf D Wand, Boden, Dach SI 232, 271,252,274 gegen aufsteig. Feuchtigkeit E Mauerwerk SI 272 in Deponien F Flüssig- & Feststoffabfalldeponie SI 203 von Steildach & ussenwand G Unterdach im Steildach SI 232, 233 ussenwand (hinterlüftete Fassade) Beispiel: Es bedeutet z.b. E P,V 5.0 tf M (C1): E: Elastomerbitumen P,V: Polyestervlies (Trägereinlage) und Glasvlies (zusätzliche Trägereinlage) 5.0: Dicke 5.0 mm - tf: Talk-Sand (Oberflächenausrüstung an der Oberseite) und Flammfolie (Oberflächenausrüstung an der Unterseite) M: Einsatz unter Gussasphalt, (C1): Bitumenbahnen unter Verkehrsflächen aus sphaltbelägen auf Betonbrücken.

22 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 22 (27) 8.3 Herstellung Bei der Herstellung der Bitumenbahnen werden zunächst gemäss bbildung 8.3 die Trägereinlagen vorgetrocknet und in einer Tränkwanne mit 180 C C erhitztem Bitumen imprägniert. nschliessend wird das überschüssige Bindemittel durch zwei Druckrollen abgepresst. Nach einem Vorratsund usgleichshang durchläuft der getränkte Träger die Beschichtungswanne, wo die Polymerbitumen Dichtungsschichten aufgebracht werden. In der darauf folgenden Bestreuungsanlage (dem sog. Bestreuungsstuhl) wird die Bitumenbahn ein oder beidseitig mit einer Oberflächenschutzschicht bestreut. Schliesslich durchläuft die Bahn eine aus mehreren Kühlwalzen bestehende Kühlstrecke bevor sie bei Raumtemperatur den Fertigungsausgleich erreicht, welcher das letzte Produktionsstadium vor Zuschnitt, Wicklung und Verpackung darstellt. bbildung 8.3 Schematische Darstellung der Herstellung von Bitumenbahnen 8.4 Prüfungen uswahl der wichtigsten Prüfungen Für die Qualitätssicherung aber auch für die Sicherung der Funktionstüchtigkeit sind in den Europäischen Normen zahlreiche Prüfungen vorgesehen. Einige sind in Tabelle 8.3 uswahl wichtiger Prüfungen für PBD aufgeführt. Tabelle 8.3 uswahl wichtiger Prüfungen für PBD Eigenschaften Prüfungen EN Zug- Dehnverhalten Reisskraft und -dehnung Masshaltigkeit Dimensionsstabilität Wärmestandfestigkeit Fliessverhalten bei erhöhter Temperatur 1110 Kaltbiegeverhalten Biegeverhalten bei tiefen Temperaturen 1109 Widerstandes gegenüber dynamischem Wasserdruck nach Schadenvorbeanspruchung Mechanische Durchschlagsfestigkeit Wasserdampfdurchlässigkeit Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit 1931 Rissüberbrückung bei Betonbrücken Zyklischer Widerstand gegen Durchreissen Durchwurzelung Wurzeldurchwuchs Schubfestigkeit Schubverhalten Verhaltens von Bitumenbahnen bei nwendung von Gussasphalt Beständigkeit der PBD beim M-Einbau 14693

23 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 23 (27) Die Prüfungen der Polymerbitumendichtungsbahnen hängt eng mit den möglichen Schadensmechanismen zusammen (Tabelle 8.4) Tabelle 8.4 Schadensarten und allg. nforderungen Schadensart Definition nforderungskriterien Schiebungen/ blösungen Nahtöffnung Blasen Risse Schrumpfen Sprödrisse Perforation Ein oder mehrere PBD rutschen im Uberlappungsbereich ab bzw. lösen sich ab Nicht oder nur schwach verbundene Nähte ermöglichen das Eindringen von Wasser und führen zu Undichtigkeit Zwischen dichten Schichten eingeschlossener Raum, der z.b. mit Wasser oder Lösemitteldampf gefüllt ist Trenn- bzw. Bruchstelle infolge thermisch induzierter Spannung im Material oder Bewegungen im Polymerbitumen Materialverkürzung durch thermische Einwirkung sowie durch bgabe flüchtiger nteile, die zu Rissen führt. Risse infolge Versprödung der PBD (vor allem bei niederen Temperaturen) Löcher, häufig erzeugt durch Begehen von Dächern z.b. anlässlich von Unterhaltsarbeiten (z.b. ir Conditioning) Viskosität, Kriechen Nahtverbund, dhäsion Wasserdichtigkeit, Wasserabsorption E-Modul, Biegeverhalten lterung, Phasentrennung Biegung bei niedriger Temp. Perforation Windschäden Reissen der PBD durch windinduzierte Beanspruchung Reissfestigkeit Randablösung Tritt an den Rändern der PBD auf dem Dach auf, z.b. and Wandanschlüssen, Schächten, Dehnungsfugen, etc. dhäsion, Biegeverhalten, Kompatibilität Bestimmung des Zug- Dehnverhaltens (EN ) Diese Prüfung dient zur Ermittlung der Reisskraft und Reissdehnung einer Dichtungsbahn unter Zugbeanspruchung in Längs- und Querrichtung. Es handelt sich dabei um charakterisierende Kennwerte, welche für die Praxis vor allem im Hinblick auf die Verlegung und das Verhalten am Bauwerk von Bedeutung sind. ls Reisskraft wird die maximale Zugkraft bezeichnet (bezogen auf die Streifenbreite), als Reissdehnung die dazugehörige Längenänderung. Die Prüfung wird bei einer Temperatur von 23 C an 50mm breiten und 400mm langen Streifen mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 100 mm/min durchgeführt. Die Einspannzone beträgt 100mm und die Messlänge lo=200mm. bbildung 8.4 Bestimmung des Zug-Dehnverhaltens (Reisskraft- Reissdehnung) nach EN Wärmestandfestigkeit (EN1110) Bei erhöhter Temperatur und in bhängigkeit vom Gefälle der abzudichtenden Fläche sowie der rt der Dichtungsbahn kann die Dichtungsmasse in der Praxis zu fliessen beginnen. Dieses mit Blick auf die Gebrauchstauglichkeit wesentliche Phänomen wird mit der Prüfung des Fliessverhaltens bei er-

24 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 24 (27) höhter Temperatur (Wärmestandfestigkeit) an Prüfkörpern 100 x 100mm beurteilt. Bestimmt wird das Fliessverhaltens der Dichtungsmasse in Längsrichtung an der Ober- und Unterseite von Bitumendichtungsbahnen bei einer je nach nwendungsbereich und Dichtungsbahntyp gegebenen Prüftemperatur (meist über 80 C). Die Prüfkörper werden während 2 h bei der Prüftemperatur im Wämeschrank aufgehängt. Messgrösse ist das brutschmass l, d.h. der maximale bstand zwischen den Unterkanten der beiden Markierungslinien auf Ober- und Unterseite des Prüfkörpers (bbildung 8.5). bbildung 8.5 Bestimmung der Wärmestandfestigkeit bzw das brutschmass nach EN Kaltbiegeverhalten (EN 1109) Diese Prüfung dient zur Bestimmung des Biegeverhaltens bzw. der Flexibilität der Dichtungsbahn bei tiefen Temperaturen, einer Problemstellung, die sich vor allem auf Transport und Lagerung der Dichtungsbahnrollen, aber auch auf konstruktiv heikle Details, z.b. bei klimatisch exponierten Randabschlüssen, bezieht. Die Dichtungsbahnstreifen 140 x 50mm werden in Längsrichtung bei -5 C an Bahnoberseite bzw. bei -10 C an Bahnunterseite um einen zylindrischen Dorn von 30 mm Durchmesser (y) mit einer Dorngeschwindigkeit von 6mm/s gebogen. Die Prüfung gilt als bestanden, wenn die Biegung um den Dorn visuell weder eine Rissbildung an der Oberfläche noch eine Trennung der Dichtungsmasse von der Trägereinlage verursacht hat. ( bbildung 8.6). bbildung 8.6 Kaltbiegeverhalten nach EN1109

25 sphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 25 (27) Widerstand gegen Durchwurzelung (EN13948) ufgrund ihres organischen und viskosen Charakters können Bitumenbahnen bei Dachbegrünungen mit der Zeit von Wurzeln durchstossen bzw. im Bereich der Nähte horizontal von Sprossausläufern (Rhizomen) unterwachsen und dadurch in ihrer bdichtungsfunktion erheblich beeinträchtigt werden. Hinsichtlich Durchwurzelung kritisch sind beispielsweise Lupinie, Feuerdorn und Grau-Erle, während hatnäckige Rhizome z.b. von Kriech-Quecken (Süssgrass) gebildet werden. Bitumenbahnen, welche die Prüfung nach EN13948 bestehen, werden als wurzelfest mit dem Prädikat WF bezeichnet. Die 2-jährige Prüfung wird bei einem Tagesgang zwischen 16 C und 18 C in einem Gewächshaus an Gefässen 800 x 800 x250 mm durchgeführt, die mit 5 gegenseitig verschweissten Bahnstücken derart ausgelegt sind, dass pro Gefäss 4 Wand-Ecknähte, 2 Boden-Ecknähte und 1 T-Nahtstelle ausgeführt werden (bbildung 8.7). Die Gefässe werden in definierter Weise mit Wachtums-Substrat (ph=6.2) aus 70%Torf und 30% Blähton gefüllt und jeweils mit vier Testpflanzen Feuerdorn Pyracantha coccinea 'Orange Charmer' bestückt, die bei definierter Düngung und Bewässerung auch im Winterhalbjahr bei Temperaturen C ein gutes Wachstum aufweisen (bbildung 8.8). Eine Bahn bzw. Beschichtung gilt als wurzelfest wenn in allen Prüfgefässen nach blauf der Versuchsdauer keine Wurzeleindringungen sowie keine Wurzeldurchdringungen festzustellen sind. Wand-Ecknaht 950 T-Naht 800 Boden-Ecknaht bbildung 8.7 Gründach Empa (links), Prüfkörper vor und nach uslegen im Gefäss (rechts) 1300 bbildung 8.8 Wurzeldurchwuchs Besispiele (links), Feuerdorn (rechts usführungskontrolle auf der Baustelle Wesentlich sind für eine Funktionierende bdichtung sind jedoch auch sorgfältige usführungskontrollen auf der Baustelle. Hinweise enthält Tabelle 8.5.