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1 Gummimodifizierung - Möglichkeiten und Grenzen - Titelmasterformat durch Klicken Dr.-Ing. Daniel Gogolin bearbeiten INGENIEURGESELLSCHAFT PTM Dortmund mbh Frische Luft Dortmund Tel.: +49 (0)231 / Fax.: +49 (0)231 / Präsentation Heitkamp & Hülscher 1

2 Inhalt Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Stand der Technik und Ausblick Zusammenfassung März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 2

3 Grundlagen der Gummimodifizierung März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 3

4 Modifizierung von Bitumen Quelle: In Deutschland werden ca. 23% Prozent des gesamten für den Straßenbau verwendeten Bitumens modifiziert. (Quelle: EAPA) Warum modifiziert? Erweiterung der Plastizitätsspanne o Verformungsbeständigkeit bei Wärme o Verminderte Rissbildung bei Kälte Haftung am Gestein (Adhäsion) Kohäsion Ermüdungsverhalten März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 4

5 Geltendes Regelwerk für Bitumen Anforderungen an: Straßenbaubitumen Polymermodifizierte Bitumen Elastomermodifizierte Bitumen (PmB A) Plastomermodifizierte Bitumen (PmB C) März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 5

6 Vielzahl von Bindemitteln nach TL Bitumen-StB 07 zur Auswahl Wofür weitere? Steigende Verkehrsbelastungen Hochbelastete Sonderflächen Klimatische Veränderungen Wirtschaftlicher Druck Arbeitsschutz Umweltschutz etc. Standardbindemittel nach TL Bitumen- StB 07 nicht immer ausreichend Neue Bindemittelkonzepte März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 6

7 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 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 7

8 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) März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 8

9 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 Kohle-kraftwerke und Zementfabriken) Quelle: Genan März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 9

10 Materialrecycling Gummigranulat/-pulver Stahl Textilgewebe Abfall 67 % 18 % 14 % < 1 % März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 10

11 Herstellverfahren Gummimehl/ -granulat Kryogenes Verfahren Stickstoff zum Abkühlen Zerkleinern durch Brechvorgang Sehr glatte Oberflächen Ambientes Verfahren Kühlung durch Luft Zerkleinern durch Mahlprozess Raue Oberflächenstrukturen Ambientes Verfahren Zerreißen durch extreme Scherund Druckkräfte ( Popcorn-Effekt ) Extrem raue Oberflächenstrukturen März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 11

12 Quelle: EEP März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 12

13 Möglicher Reaktionsablauf der Gummimodifikation 1. Reaktion zwischen Maltenen des Bitumens und den Elastomeren der Gummipartikel 2. Quellen der Gummipartikel bis zum Doppelten der Ausgangsgröße 3. Gelbildung aus Elastomeren, Maltenen und Asphaltenen 4. Teile vom Gummi verbleiben als reine Gummipartikel in der Bitumenmatrix Anstieg der Viskosität März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 13

14 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 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 14

15 Trockenverfahren Sackzugabe März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 15

16 Alternativ: Trockenverfahren mit automatisierter Big Bag-Zugabe März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 16

17 Nassverfahren an Asphaltmischanlage März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 17

18 Nassverfahren an Asphaltmischanlage März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 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) März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 19

20 Regelwerke März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 20

21 Regelwerke Technische Lieferbedingungen für Gummimodifizierte Bitumen TL RmB-StB By Ausgabe 2010 Herausgeber: Oberste Baubehörde im bayrischen Staatsministerium des Inneren März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 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. März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 22

23 Begriffbestimmungen der TL RmB-StB By März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 23

24 Anforderungswerte aus TL RmB-StB By 2010 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 24

25 Empfehlungen zu Gummimodifizierten Bitumen und Asphalten (E GmBA), Ausgabe 2012 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 25

26 Anforderungswerte aus E GmBA beide Verfahren = identische Richtwerte = Gleichwertig einzustufen Richtwerte für das Verhalten bei tiefen Temperaturen und Verformungsverhalten bei 60 C März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 26

27 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 27

28 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 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 28

29 Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 29

30 G G G G März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 30

31 G G G März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 31

32 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 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 32

33 Was ist Alterung und warum ist sie für den Asphalt ein entscheidender Faktor? 7 PAV Alterungsindex Alterung während Lagerung, Transport und Einbau Langzeitalterung Alterung während des Mischvorganges Alterung nach 8 Jahren in Betrieb Kurzzeitalterung RTFOT Alter (Jahren) März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 33

34 Zustand: Frisch G G G März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 34

35 Zustand: RTFOT G + G + G + März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 35

36 Zustand: PAV G + G + G + März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 36

37 Alterungsrate deutlich geringer bei den GmB als beim PmB A und beim entsprechenden Basisbitumen März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 37

38 Tendenz: Thermisch-oxidative Alterung nimmt mit steigendem Modifizierungsgrad ab. März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 38

39 Erfahrungen aus praktischen Anwendungen März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 39

40 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 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 %) März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 41

42 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 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 42

43 Prinzip: Beispiel: Liebherr Rostock AC 8 D S nach 4,5 Jahren Liegezeit 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 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 43

44 BBR bei -16 C S [Mpa] m-wert [-] 30/ ,288 10/40-65 A 372 0,264 30/ % G 184 0,267 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 44

45 Kontrollprüfungen, Forschung und Ausblick März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 45

46 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 46

47 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: o o Rückgewonnenes Bindemittel (Bindemittel + gelöste Gummipartikel) Masse der unlöslichen Gummipartikel

48 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 März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 48

49 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 o Extraktion und Bestimmung des ungelösten Gummianteils schon bei der Erstprüfung o Aufschlag des ungelösten Gummianteils auf den rückgewonnenen Bindemittelgehalt der Kontrollprüfung Methode der Veraschung o Erfassung der genauen Anteile an ungelösten Gummianteilen durch zusätzliche Veraschung der feinen Gesteinskörnungen, aus denen die Gummipartikel nicht vollständig extrahiert werden können o Ermittlung eines Faktors als Aufschlag auf den rückgewonnenen Bindemittelgehalt und den ungelösten Gummianteil März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 49

50 Zusammenfassung März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 50

51 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. März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 51

52 Zusammenfassung Gute Praxiserfahrungen in Hinblick auf hochstandfeste Konzepte (18%) und im Bereich von hohen Zugaben von Asphaltgranulat Bisherige Vorgehensweise bei Kontrollprüfung nicht zielführend. Es bedarf dringend einer Lösung dieser Problematik. o Maschinentechnik -> Separation ungelöster Gummipartikel o Genaue Kenntnis über Anteil gelöster/ungelöster Gummipartikel (Bindemittelgehalt) Forschungsbedarf / modifizierte Erstprüfung März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 52

53 Es gibt kein Bindemittel für jeden Zweck, aber es gibt für (fast) jeden Zweck ein Bindemittel. März / April 2014 Referent: Dr. Ing. Daniel Gogolin 53