Gummimodifizierung - Möglichkeiten und Grenzen -

Transkript

1 Informationsveranstaltung Asphaltanwendungen in der Praxis Gummimodifizierung - Möglichkeiten und Grenzen - Dipl.-Ing. Ricarda Manke Lehrstuhl für Verkehrswegebau Ruhr-Universität Bochum 25. März 2014

2 Inhalt Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Forschung und Ausblick Zusammenfassung 2

3 Modifizierung von Bitumen Quelle: In Deutschland werden ca. 23 % Prozent des gesamten für den Straßenbau verwendeten Bitumens modifiziert. (Quelle: EAPA) Warum modifiziert? Bessere Wärmestandfestigkeit Bessere Haftung am Gestein Bessere Kohäsion Besseres Ermüdungsverhalten Besseres Kälteverhalten 3

4 Geltendes Regelwerk für Bitumen Anforderungen an: Straßenbaubitumen Polymermodifizierte Bitumen Elastomermodifizierte Bitumen (PmB A) Plastomermodifizierte Bitumen (PmB C) 4

5 Vielzahl von Bindemitteln nach TL Bitumen-StB 07 zur Auswahl Wofür weitere Bindemittel? Steigende Verkehrsbelastungen Klimatische Veränderungen Wirtschaftlicher Druck Arbeitsschutz Umweltschutz etc. Standardbindemittel nach TL Bitumen- StB 07 nicht immer ausreichend Neue Bindemittelkonzepte 5

6 Styrol-Butadien-Styrol (SBS) Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) Ethylvinylacetat (EVA) Polyoctenamer-Kautschuk (TOR) Elastomere Recycling-Gummi Naturkautschuk (NR) Modifikationen Polymere Isoprenkautschuk (IR) Polychloropren-Kautschuk (CR) Acrylat-Kautschuk (ACM) Ethylen-Acrylester-Kautschuk (AECM) Ethylen-Propylen-Dien-Copolymere (EPDM) Plastomere Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Duroplaste Polyepoxide Polyester Polyurethane (PUR) 6

7 Altreifen als hochwertiger Zusatz für Bitumen/Asphalt Tonnen Reifen pro Jahr in Deutschland demontiert (Stand 2010) In Europa jährlich ca. 1,2 Mio. Tonnen CO 2 -Einsparung durch Recycling der Reifen, d.h. Aufbereitung statt Verbrennung (fester Brennstoff für Kohlekraftwerke und Zementfabriken) 7

8 Materialrecycling Gummigranulat/-pulver Stahl Textilgewebe Abfall 67 % 18 % 14 % < 1 % 8

9 Herstellverfahren Gummimehl/- granulat Kryogenes Verfahren Stickstoff zum Abkühlen Zerkleinern durch Brechvorgang Sehr glatte Oberflächen Ambientes Verfahren Kühlung durch Luft Zerkleinern durch Mahlprozess Sehr raue Oberfläche Ambientes Verfahren Zerreißen durch extreme Scher- und Druckkräfte ( Popcorn-Effekt ) Extrem raue Oberflächenstrukturen 9

10 Quelle: EEP 10

11 Möglicher Reaktionsablauf der Gummimodifikation Reaktion zwischen Maltenen des Bitumens und den Elastomeren der Gummipartikel Quellen der Gummipartikel bis zum Doppelten der Ausgangsgröße Gelbildung aus Elastomeren, Maltenen und Asphaltenen Teile vom Gummi verbleiben als reine Gummipartikel in der Bitumenmatrix Anstieg der Viskosität 11

12 Viskositätsverlauf während der Reaktionszeit Viskosität [mpa*s] min Reaktionszeit [Minuten] Viskosität bei 177 C 12

13 Gummimodifizierte Bindemittel Gummimehl Additiv(e) Additiviertes Gummimehl Nassverfahren Zugabe zum Bitumen Trockenverfahren Zugabe zum Bitumen Granulieren Gummimodifiziertes Bitumen Gummimodifiziertes Bitumengranulat Zugabe von Bitumen ggf. weitere Zusätze Zugabe in Mischer Zugabe in Mischer ggf. weitere Zugabe Gesteinskörnungen etc. Gesteinskörnungen etc. Gummimodifizierter Asphalt 13

14 Gründe der Gummiverwendung für bautechnische Zwecke Gummi ist eine weitere Möglichkeit der Modifikation von Bitumen Begrenzte Verfügbarkeit anderer Polymerarten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Kostenstabilität der Rohstoffe Nachhaltigkeit / Schonung natürlicher Ressourcen Umweltschutz 14

15 Trockenverfahren Sackzugabe 15

16 Alternativ: Trockenverfahren mit automatisierter Big Bag-Zugabe 16

17 Nassverfahren an Asphaltmischanlage 17

18 Nassverfahren an Asphaltmischanlage 18

19 Hinweise für die Herstellung und Verarbeitung Gummimodifizierter Asphalte Hohe Viskosität des Bindemittels (Dosierung der Pumpenleistung anpassen) Erhöhte Entmischungsneigung (Lagerdauer beachten) Maximale Verarbeitungstemperatur ( 170 C) Lagerung von Gummigranulat in Sackware (Stapelhöhe Verklumpungen) Heißsilierung bei Trockenverfahren ( Reifen Quellen Anlösen) 19

20 Inhalt Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Forschung und Ausblick Zusammenfassung 20

21 Regelwerke Technische Lieferbedingungen für Gummimodifizierte Bitumen TL RmB-StB By Ausgabe 2010 Herausgeber: Oberste Baubehörde im bayrischen Staatsministerium des Inneren 21

22 TL RmB-StB By 2010 Gummimodifizierte Bindemittel können alternativ zu Polymermodifizierten Bindemitteln eingesetzt werden. Die Technische Lieferbedingungen für Gummimodifiziertes Bitumen und Gummimodifiziertes Bitumengranulat für den Straßenbau in Bayern (TL RmB-StB By 10) wurden gemeinsam von Vertretern aus Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung erarbeitet. Die TL RmB-StB By 10 stehen auch unter als pdf- Datei zur Verfügung. Den Autobahndirektionen und den Staatlichen Bauämtern wird die Anwendung der TL RmB-StB By 10 als technische Mindestbedingung in geeigneten Bauverträgen empfohlen. Zur Erfahrungssammlung ist die Oberste Baubehörde über die Anwendung der TL RmB-StB By 10 bei Ausschreibungen zu informieren. 22

23 Begriffbestimmungen der TL RmB-StB By 23

24 Anforderungswerte aus TL RmB-StB By

25 Anforderungswerte aus TL RmB By

26 Empfehlungen zu Gummimodifizierten Bitumen und Asphalten (E GmBA), Ausgabe 2012 beide Verfahren = identische Richtwerte 26

27 Anforderungswerte aus E GmBA 27

28 28

29 Arbeitsschutz und Umwelt Nach bisherigen Erkenntnissen weist der Gummimodifizierte Asphalt keine unterschiedlichen Expositionen von Dämpfen und Aerosolen im Vergleich zu herkömmlichen Asphalten auf Bei der Herstellung von Asphalten entstehen grundsätzlich Emissionen. Erste Messungen bei der Herstellung von Gummimodifiziertem Asphalt und dessen Wiederverwertung machen deutlich, dass die Emissionen am Kamin des Asphaltmischwerkes in derselben Größenordnung liegen wie bei der Herstellung und Wiederverwendung von konventionellen Asphalten 29

30 Inhalt Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Forschung und Ausblick Zusammenfassung 30

31 G G G G 31

32 G G G 32

33 Was ist Alterung und warum ist sie für den Asphalt ein entscheidender Faktor? Alterung erfolgt primär durch Wärme, UV-Licht und Sauerstoff ausgelöste Oxidationsreaktionen des Bitumens Alterung führt zu Versprödung des Bitumens (Steifigkeit nimmt zu) Verlust der Klebkraft (Adhäsion) Gesteinskörnungen lösen sich aus der Asphaltmatrix Sprödrisse im Winter Ausmagerung/ Kornausbruch Rissbildung Reduzierung der Nutzungsdauer 33

34 Was ist Alterung und warum ist sie für den Asphalt ein entscheidender Faktor? 7 6 PAV Alterungsindex Alterung während Lagerung, Transport und Einbau Langzeitalterung Alterung während des Mischvorganges Alterung nach 8 Jahren in Betrieb Kurzzeitalterung RTFOT Alter (Jahren) 34

35 Zustand: Frisch G G G 35

36 Zustand: RTFOT G + G + G + 36

37 Zustand: RTFOT + PAV G + G + G + 37

38 Alterungsrate deutlich geringer bei den GmB als beim PmB A und beim entsprechenden Basisbitumen 38

39 Tendenz: Thermisch-oxidative Alterung nimmt mit steigendem Modifizierungsgrad ab. 39

40 Inhalt Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Forschung und Ausblick Zusammenfassung 40

41 Bisherige Anwendungsgebiete Gummimodifizierter Bindemittel Offenporige Asphalte Splittmastixasphalt Asphaltbinder Asphaltbetone Durch die hohe Viskosität des Bindemittels sind keine stabilisierenden Zusätze erforderlich Verwendung wie ein PmB Lärmoptimierte Asphalte (LOA, SMA LA, PMA) Zusätzliche Reduzierung des Lärms durch erhöhte elastische Anteile Recyclinggedanke (Altreifen), Wirtschaftlichkeit (günstiger als vergleichbare PmB), Lärmreduzierung 41

42 Beispiel: Deckenerneuerung der Detmolder Straße in Paderborn (11/2012 und 10/2013) Aufgabenstellung: Lagenweises Fräsen und Wiedereinbau des abgefrästen Materials (SMA) als hochwertige Verwertung im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetzes Asphaltdeckschicht mit einer möglichst hohen Wiederverwertungsrate des Asphaltfräsguts (hier umgesetzt 50 %) 42

43 Umsetzung Bindemittelkenndaten Altbestand Deckschicht Detmolder Straße EP RuK 74 C B. n. F. -3 C Nadelpenetration 17 1/10mm Hartes versprödetes Altbitumen Aufgrund der hohen Steifigkeit des Bitumens erhöhte Gefahr von Sprödrissen Frischbindemittelzugabe bei 50 % Asphaltgranulat mit 70/100 und 15 % Gummimehl BBR bei -16 C o S = 185 [MPa] o m-wert = 0,306 [-] Gerade der kritische Tieftemperaturbereich konnte durch die gewählte Bindemittelvariante deutlich aufgewertet werden 43

44 Beispiel: Liebherr Rostock AC 8 D S nach 4,5 Jahren Liegezeit Prinzip: 3 cm AC 8 D S splittreich hergestellt 30/45 mit 18 % Gummimehl (GmB 25/55-65) 8 cm AC 16 B HSF enggestufte KVL GmB 25/55-65 Nach 4,5 Jahre keine nennenswerten Rissbildungen 44

45 BBR bei -16 C S [MPa] m-wert [-] 30/ ,288 10/40-65 A 372 0,264 30/ % G 184 0,267 45

46 Inhalt Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Forschung und Ausblick Zusammenfassung 46

47 47

48 Kontrollprüfung - Probleme und Lösung Kontrollprüfungen sind in Anlehnung an die ZTV Asphalt-StB 07, Abschnitt 5.3, durchzuführen. Ergänzung: Bestimmung des Bindemittelgehaltes nach Anhang C der E GmBA Erfassung der ungelösten Gummipartikel über das Dekantierverfahren Extraktion des verbleibenden gelösten Bindemittels nach TP-Asphalt StB 07, Teil 1 Gesamtbindemittelgehalt: Summe des rückgewonnenen Bindemittels (löslicher Bindemittelgehalt), der Masse an Gummipartikeln und des Unlöslichen 48

49 Kontrollprüfung - Probleme und Lösung Bei der Herstellung von gummimodifizierten Asphalt lösen sich die Gummipartikel nicht vollständig im Bitumen auf Der lösliche Bindemittelgehalt schwankt in Abhängigkeit von der Lagerdauer, der Lagertemperatur und dem Gummianteil des Bindemittels Genaue Erfassung der ungelösten Anteile bei der Extraktion momentan nicht möglich Keine zutreffende Ermittlung des Bindemittelgehaltes bei Kontrollprüfungen nach TP Asphalt-StB, Teil 1 Entwicklung einer Prüfanweisung zur Bestimmung des Bindemittelgehaltes von Gummimodifizierten Asphalten unter Berücksichtigung des unlöslichen Gummianteils an der Ruhr-Universität Bochum 49

50 Forschungsprojekt RUB - Untersuchungsvarianten Nassverfahren Trockenverfahren 62 SMA - Varianten 12 PA - Varianten 24 SMA - Varianten 8 PA - Varianten 54 Bindemittelvarianten 2 Fertigbindemittel Bindemittel: 50/70, 70/100 Gummianteile: 10, 20, 30 M.-% Bindemittel: 50/70, 70/100 Mischtemperaturen: 150, 170 C Gummianteile: 10, 20, 30 M.-% Lagerungszeiten: 1, 3 Std Mischtemperatur: 160, 180 C Mischzeiten: 1, 2 Std. Lagerungszeiten: 30, 90, 120 Min, > 1 Tag Mischtemperatur: 150, 170 C Lagerungszeiten: 1, 3 Std 50

51 Schwierigkeiten bei der Extraktion der Mischgutproben 51

52 Schwierigkeiten bei der Extraktion der Mischgutproben Gummianteile in Gesteinskörnungen Fülleranteile in ungelösten Gummipartikeln 52

53 Stand der Technik Nach momentaner Erfahrung ist der rückgewonnene Bindemittelgehalt (ohne ungelöste Gummianteile) bei der Kontrollprüfung nach der Extraktion um ungefähr 0,5 M.-% zum Erstprüfungswert reduziert Modifizierte Erstprüfung als bauvertraglicher Bestandteil Extraktion und Bestimmung des ungelösten Gummianteils schon bei der Erstprüfung Aufschlag des ungelösten Gummianteils auf den rückgewonnenen Bindemittelgehalt der Kontrollprüfung Ausblick: Methode der Veraschung Erfassung der genauen Anteile an ungelösten Gummianteilen durch zusätzliche Veraschung der feinen Gesteinskörnungen, aus denen die Gummipartikel nicht vollständig extrahiert werden können Ermittlung eines Faktors als Aufschlag auf den rückgewonnenen Bindemittelgehalt und den ungelösten Gummianteil 53

54 Inhalt Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Forschung und Ausblick Zusammenfassung 54

55 Zusammenfassung Die bisherigen Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Zugabe von Gummimehl (hier: 8, 10 und 12 %) eine deutliche Steigerung der Performance Eigenschaften des Basisbitumens zur Folge hat. Im Labormaßstab konnte zusätzlich abgeleitet werden, dass die Alterungsneigung (Versprödung) des Bindemittels, besonders in Hinblick auf die Langzeitalterung mittels PAV, signifikant gehemmt wird. 55

56 Zusammenfassung Gute Praxiserfahrungen in Hinblick auf hochstandfeste Konzepte und im Bereich von hohen Zugaben von Asphaltgranulat Bisherige Vorgehensweise bei Kontrollprüfung nicht zielführend. Es bedarf dringend einer Lösung dieser Problematik. Maschinentechnik Separation ungelöster Gummipartikel Genaue Kenntnis über Anteil gelöster/ungelöster Gummipartikel (Bindemittelgehalt) 56

57 Es gibt kein Bindemittel für jeden Zweck, aber es gibt für (fast) jeden Zweck ein Bindemittel. 57