Alterung von Bitumen im Asphalt. Basalt-Actien-Gesellschaft. Abteilung Asphalttechnologie und Qualitätswesen Dipl.-Ing.

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1 Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermischoxidative Basalt-Actien-Gesellschaft Abteilung Asphalttechnologie und Qualitätswesen Dipl.-Ing. Reha Çetinkaya

2 Gliederung des Vortrages 1. Problemstellung und Zielsetzung 2. Theoretische Grundlagen 3. Untersuchungsmethodik 4. Bewertung der Untersuchungsergebnisse 5. Ausblick und weiterer Forschungsbedarf

3 Problemstellung Die national und international bereits durchgeführte Forschung auf dem Gebiet der Asphaltalterung konzentrierte sich zumeist auf einzelne Einflussfaktoren. Die Arbeiten sind somit nur unzureichend miteinander vergleichbar! Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussfaktoren an identischen Ausgangsmaterialien und Alterungsrandbedingungen

4 Zielsetzung Literaturrecherche zur Eingrenzung der maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Alterung von Bitumen im Asphalt Auswahl von geeigneten Ausgangsmaterialien und verschiedenen Alterungsrandbedingungen für die gezielte Untersuchung der Einfluss- faktoren Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussfaktoren Vergleich der Untersuchungsergebnisse mit Angaben aus der Literatur (und natürlich gealterten Asphalten) Abschätzung des Alterungsverhaltens anhand statistischer Methoden

5 Problemstellung Maßgebliche Eigenschaften des Werkstoffes Bitumen Quelle: ww ww.sciencephoto.com Kohäsion Bindungskräfte zwischen Atomen (Molekülen) innerhalb eines Stoffes (Bitumen) Adhäsion Durch molekulare Wechselwirkungen in der Grenzflächenschicht hervorgerufener Zusammenhalt von zwei Medien (Gesteinsoberfläche-Bitumen) Alterung (Bitumen) Veränderung der chemischen, physikalischen und rheologischen Eigenschaften während Herstellung, Transport, Einbau und Nutzungsdauer

6 Chemische Zusammensetzung von Bitumen Typische chemische Zusammensetzung von Bitumen Bitumen als Kolloidsystem Quelle: NÖSLER, 2000 Quelle: READ; WHITEOAK, 2003

7 Bitumenalterung Destillative Abgabe von leicht siedenden Bitumenkomponenten an den Grenzflächen zu Luft und Gestein (primär bei der Heißverarbeitung von Bitumen). Oxidative Reaktion zwischen Kohlenwasserstoffen mit dem Luftsauerstoff. Langsam beginnende Alterung beschleunigt sich mit dem Anwachsen der Anzahl an Radikalen (sehr reaktionsfreudige Atome mit mindestens einem ungepaarten Elektron). Am Ende der Oxidations-Reaktionskette werden im Bitumen Asphaltene gebildet. Strukturelle Vergrößerung der kolloidal dispergierten Teilchen (Mizellen) in der öligen Phase. Übergang vom Sol-Zustand in den Gel-Zustand durch Aggregatbildung der Mizellen.

8 Bedeutung der Bitumenalterung für die Gebrauchseigenschaften eines Asphaltes Tieftemperaturbereich Hochtemperaturbereich Brechpunkt nach Fraaß Plastizitätsspanne des Bitumens Erweichungspunkt Ring und Kugel Verschiebung/Veränderung Plastizitätsspanne des Bitumens Rissbildung Ausmagerung/ Kornausbruch Geringere Spurbildungsgefahr aufgrund höherer Bindemittelsteifigkeit

9 Einteilung der Asphaltalterung in die Kurzzeit- und Langzeitalterung Viskosität gealtert / Viskosität frisch des Bitumens Quelle: READ; WHITEOAK, 2003 Der Verhältniswert ist exemplarisch zu betrachten! Höhere (bzw. geringere) Alterungsneigung ist möglich!

10 Einflussfaktoren auf die Asphaltalterung Die Asphaltalterung wird in der Literatur in die Kategorien äußere Bedingungen und Materialeigenschaften unterteilt: Materialeigenschaften Einflussfaktoren durch äußere Bedingungen Bitumen Additive Gesteinskörnungen Asphalt Bedingungen bei Herstellung, Lagerung, Transport und Einbau Klimatische Randbedingungen: mittlere jährliche Lufttemperatur maximale monatliche Lufttemperatur UV-Strahlung Niederschlagswasser chemische und physikalische Eigenschaften chemische und physikalische Eigenschaften chemische und physikalische Eigenschaften Mischgutsorte Anwendungsbereich (Deck-, Binder- oder Tragschicht) Bindemittelgehalt (bzw. Bindemittelfilmdicke) Hohlraumgehalt Quelle: in Anlehnung an HOUSTON et al., 2005

11 Untersuchungsmethodik Eingrenzung der maßgeblichen Einflussfaktoren aus der Literatur Auswahl der zu untersuchenden Einflussfaktoren bzw. Randbedingungen Asphaltmischgutsorte Offenporiger Asphalt Asphaltbeton Gesteinskörnungen Diabas, Quarzporphyr und Calciumhydroxid Bindemittelsorte 70/100 und 20/30 Bindemittelmenge/ Bindemittelfilmdicke Variierende BM-Gehalte und BM-Filmdicken Bestimmung der Bindemittel- und Mastixfilmdicke Theoretische Ansätze Neues Messverfahren Physikalische und rheologische Bindemitteluntersuchungen Auswertung

12 Ausgewählte Asphaltgemische für die Alterungsversuche Bindemittelsorte PA 11 PA 11 PA 11 PA 11 AC 11 D S [-] 70/100 20/30 70/100 70/100 70/100 [-] Diabas Diabas Diabas Quarzporphyr Diabas 75 M.-% Diabas Füller [-] Diabas Diabas und 25 M.-% Calciumhydroxid grobe Gesteinskörnungen Bindemittelgehalt Diabas Diabas [M.-%] 3,0 4,0 5,0 6,0 3,0 4,0 5,0 6,0 3,0 6,0 3,3 6,6 6,5 Konstanter Hohlraumgehalt (ca. 26 Vol.-%) und variierende BM-Gehalte Konstanter BM-Gehalt und variierende Hohlraumgehalte (4,4 bis 23,5 Vol.-%) Verdichtungsgrade von 80, 85, 90, 95 und 100 %

13 Folgende Einflussfaktoren wurden im Rahmen der Arbeit untersucht Kurzzeitalterung = Zustand nach Mischgutherstellung (MGH) Langzeitalterung = Zustand nach MGH und Laboralterung Bindemittelgehalt Anfangsviskosität des Bindemittels (Bindemittelsorte) Porosität der groben Gesteinskörnungen Einflussfaktoren zu denen im Folgenden Ergebnisse vorgestellt werden! Hohlraumgehalt Durchschnittliche Bindemittelfilmdicke und Mastixfilmdicke Mischgutsorte - dichtes und offenporiges Asphaltmischgut Calciumhydroxid-Füller

14 Eingesetzte Prüfverfahren zur Bindemittelcharakterisierung: Erweichungspunkt Ring und Kugel (DIN EN 1427) Nadelpenetration (DIN EN 1426) Kraftduktilität bei 25 C (DIN EN bzw ) Dynamisches Scherrheometer von 30 bis 90 C (DIN EN 14770) Biegebalkenrheometer bei -16 C (DIN EN 14771)

15 Bochumer Alterungsverfahren (BAV) Entwicklung des BAV im Rahmen des FE /2006/ARB Quelle: WELLNER; RADENBERG; ASCHER; ÇETINKAYA, 2011

16 Einfluss des Bindemittelgehaltes Erhöhung EP RuK Verminderung Nadelpenetration 1016 % 2421 % Erhöhung komplexer Schubmodul bei 60 ⁰C Verminderung Phasenwinkel bei 60 ⁰C 1405 % Relative Veränderun ng der Bestimmungsgröße e [%] Erhöhung Formänderungsarbeit Erhöhung Kraftmaximum Erhöhung Biegekriechsteifigkeit bei -16 ⁰C Verminderung m-wert bei -16 ⁰C 163 % 112 % PA 11 mit 70/100 1 nach MGH mit 6 M.-% nach MGH mit 3 M.-% nach Alterung mit 6 M.-% nach Alterung mit 5 M.-% nach Alterung mit 4 M.-% nach Alterung mit 3 M.-% MGH: Mischgutherstellung; mit 6 M.-%: Herstellung des Asphaltes mit 6 M.-% Bindemittel-Anteil

17 Einfluss der Bindemittelsorte (Anfangsviskosität) Relative Veränderung der Bind demittelkennwerte der Sorte 20/ Bindemittelsorte hat auf den Zustand nach MGH einen Einfluss, während bei der Langzeitalterung ein ähnliches Verhalten beobachtet werden kann (Ausnahme Biegekriechsteifigkeit)! Erhöhung EP RuK Verminderung Nadelpenetration Erhöhung komplexer Schubmodul Verminderung Phasenwinkel Erhöhung Formänderungsarbeit Erhöhung Kraftmaximum Erhöhung Biegekriechsteifigkeit Verminderung m-wert Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der Sorte 70/100 (R²=0,9907) (R²=0,9076) (R²=0,9826) (R²=0,9446) (R²=0,9558) (R²=0,9919) (R²=0,9242) (R²=0,9174)

18 Einfluss von porösem Gestein Relative Veränderung der Bind demittelkennwerte der Sorte 70/100 im PA 11 mit porösem Gestein Poröse Gesteinskörnungen Erhöhung EP RuK führen (R²=0,7810) zu einer stark Verminderung Nadelpenetration (R²=0,6777) beschleunigten Erhöhung komplexer Bitumenalterung Schubmodul (R²=0,8488) (insbesondere Verminderung Phasenwinkel (R²=0,8636) bei der Kurzzeitalterung)! Erhöhung Formänderungsarbeit (R²=0,9335) Erhöhung Kraftmaximum (R²=0,9433) Erhöhung Biegekriechsteifigkeit (R²=0,5341) Verminderung m-wert (R²=0,9970) Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der Sorte 70/100 im PA 11 mit Diabas

19 Weitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR-Gerät Gegenüberstellung des Verlust- und Speichermoduls, zur Beurteilung ob überwiegend viskoses (Verlustmodul) oder elastisches (Speichermodul) Materialverhalten vorliegt i 60 ºC [Pa] Verlustmodul G'' (= G* sin δ) bei PA 11 mit 70/100 PA 11 mit 20/30 PA 11 mit 70/100 mit porösem Gestein AC 11 mit 70/100 Alle Wertepaare Speichermodul G' (= G* cos δ) bei 60 ºC [Pa] (R² = 0,9991) (R² = 0,9971) (R² = 0,9951) (R² = 0,9952) (R² = 0,9913) Reduzierung der relativen viskosen Anteile! G 60 C = 69,472 0,672 G 60 C (R² = 0,9913) Allgemein: G 60 C = a b G 60 C

20 Weitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR-Gerät Mit dem Kennwert G*/sinδ bei 60 C kann der voraussichtliche Verformungswide rstand und mit dem Verlustmodul die voraussichtliche Materialermüdung des Asphaltes beurteilt werden. (Vermutliche) Zunahme des Verformungswiderstandes und der Materialermüdung! G* 60 C /sinδ 60 C = G 30 C 1,3415 (R 2 = 0,9771) Allgemein: G* 60 C /sinδ 60 C = a G 30 C b

21 Einfluss des Hohlraumgehaltes (Verdichtungsgrad) /100 Frischbindemittel 70/100 nach Mischgutherstellung (MGH) Nadelpenetration [1 1/10 mm] /70 nach MGH und Alterung (HG: 9,2 Vol.-%; VG 95 %) nach MGH und Alterung (HG 13,9 Vol.-%; VG: 90 %) nach MGH und Alterung (HG 18,7 Vol.-%; VG: 85 %) nach MGH und Alterung (HG: 23,5 Vol.-%; VG: 80 %) nach MGH und Alterung (Hohlraumgehalt (HG) 4,4 Vol.-%; Verdichtungsgrad (VG): 100 %) AC 11 DS mit 70/ , , ,5 60 Erweichungspunkt Ring und Kugel [⁰C] 30/45 Verdichtungsgrad (Hohlraumgehalt) hat einen sehr starken Einfluss auf die Alterungsprozesse! (R² = 0,9835)

22 Vergleich der ermittelten Prognose-Modelle (Methode der kleinsten Fehlerquadrate) mit Angaben aus der Literatur 100,0 y = 2,5874x 0,9718 EP RuK nach der Alter rung [ºC] 10,0 1,0 AC 11 D S mit variierenden Hohlraumgehalten Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang y = 6,8484x 0,5015 y = 2,3387x 0,4774 Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca. 15 Jahren) [RADENBERG; LOUIS, 1999] Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca. 18 Jahren) [AMORT; DORNER, 1991] Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang Natürlich und künstlich gealterte Asphalte zeigen ein vergleichbares Alterungsverhalten! Hohlraumgehalt [Vol.-%]

23 Schlussfolgerungen: Zustand nach Mischgutherstellung Verwendung von porösem Gestein erhöht die Alterungsgeschwindigkeit erheblich Bindemittelgehalt, -filmdicke und Mastixfilmdicke haben einen eher geringen Einfluss Zustand nach Mischgutherstellung und künstlicher Alterung Höhere Bindemittelgehalte, -filmdicken und Mastixfilmdicken weisen bei beiden Bindemittelsorten deutliche Vorteile auf Verwendung von porösen Gesteinskörnungen bewirkte eine stark beschleunigte Alterung Der Hohlraumgehalt hat als volumetrische Kenngröße den größten Einfluss auf die thermisch-oxidative Alterung

24 Ausblick und weiterer Forschungsbedarf Einfluss der chemischen Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien Einfluss der klimatischen Randbedingungen Einfluss von Additiven (polymermodifizierte Bindemittel und Verjüngungsmittel ) Auswirkungen der untersuchten Einflussfaktoren auf die mechanischen Asphalteigenschaften (Kälte-, Ermüdungs- und Steifigkeitsverhalten) Einfluss der Alterung auf die adhäsiven Eigenschaften des Bitumens Die genaue Kenntnis der stattfindenden Alterungsprozesse wird in Bezug auf die Verwendung von Ausbauasphalten, die angestrebten längeren Nutzungsdauern und die höheren Wiederverwertungsraten in Zukunft an Bedeutung gewinnen!

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!