Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Sachgebiet Bau und Erhaltung von Verkehrswegen Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer Dipl.-Ing. Diana Simnofske
Bitumen das Bindemittel unserer Straßen Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 2
Bitumen in Zahlen Verbrauch von Bitumen in Deutschland (2010): 2,4 Mio t Asphaltstraßenbau: 80 % Dach- und Dichtungsbahnen: 14 % Sonstige Industrie: 6 % 115 Raffinerien in Europa, 74 produzieren Bitumen Insgesamt 1.300 Rohöl-Typen, ca. 10 % geeignet für Bitumenherstellung 3-4 % der gesamten Erdöl-Verarbeitung Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 3
Bitumenproduktion Oxidationsbitumen Straßenbaubitumen Mineralöle Fluxbitumen Wasser & Emulgatoren Bitumenemulsion Polymere PmB Destillationsbitumen 230-290 C Luft Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 4
Alkane Anstieg der Siedetemperatur CH 4 Methan C 2 H 6 Ethan Hauptbestandteile von Erdgas C 3 H 8 Propan Flüssiggas C 4 H 10 Butan Butan: n-butan (normal) Feuerzeuge (95 % n-, 54 % Isobutan) iso-butan C 5 H 12 Pentan n-pentan Flüssigbrennstoff (z. B. Benzin), nur iso-alkane, um Frühzündung zu iso-pentan vermeiden. Cyclo-Pentan (C 5 H 10 ) Octan-Zahl beschreibt das Verhältnis C 6 H 14 Hexan Iso-Octan: n-heptan; je höher, desto C 7 H 16 Heptan geringer ist die Gefahr der Frühzündung C 8 H 18 Octan C 9 H 20 Nonan Flüssigbrennstoff 35 mögliche iso-nonan-varianten (Diesel / Kerosin) C 10 H 22 Decan bis C 16 H 34 C 16 H 34 Hexadecan Schmierstoffe C 35 H 72 Bitumenbestandteile Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 5
Was ist Bitumen? Gemisch aus ca. 20.000 organischen Verbindungen C c H h N n O o S s Hauptelemente (Rohöl) Wasserstoff 10 % 5 % Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Spuren von Metall (Vanadium, Nickel, Eisen) 85 % Kohlenstoff Unterteilung in Molekülgruppen Asphaltene (feste Phase): Maltene (flüssige Phase) > Gesättigte Kohlenwasserstoffe > Aromatische Kohlenwasserstoffe > Harze Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 6
Was ist Bitumen? Maltene (85 bis 95 %): kontinuierliche (zusammenhängende, geschlossene) Phase aus hochsiedenden hellfarbigen Ölen, Asphaltene (5 bis 15 %): fein verteilte dunkelfarbige dispergierte Phase, die zusammen mit einer Schutzschicht aus Asphaltharzen die sogenannten Mizellen bildet gel (network-type agglomerations) sol (micelles fully dispersed) asphaltenes (amorphous solids) resins (solid or solved) micelles (solids in fluid) aromatic oils and saturated oils (viscous fluid and/or solid) maltenes alkenes Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 7
Bitumeneigenschaften Visko-Elastizität 10.000.000.000 1.000.000.000 Komplexer Schubmodul G* [Pa s] 100.000.000 10.000.000 1.000.000 5 C 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 100.000 10.000 0,01 0,1 Frequenz f [Hz] 1 10 Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 8
Viskosität von Bitumen Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 9
Technische Bitumeneigneschaften Nadelpenetration Erweichungspunkt Ring und Kugel Brechpunkt nach Fraass Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 10
Bitumensorten Sortenbezeich nung Penetration [1/10 mm] Erweichungspunkt [ C] Brechpunkt nach Fraass [ C] 160/220 160-220 35-43 -15 70/100 70-100 43 51-10 50/70 50-70 46 54-8 30/45 30-45 52-60 -5 20/30 20-30 55 63 - Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 11
Dauerhaftigkeitsrelevante Bitumeneigenschaften Adhäsion zwischen Gestein und Bitumen Gestein mach 95 % der Asphaltmasse aus Verwendung regional verfügbarer Gesteine Wasserempfindlichkeit Alterung von Bitumen Kurzzeitalterung: Destillative Effekte Langzeitalterung: Oxidation, temperatur- und UV-abhängig Bitumenchemie bestimmt die mechanisch relevanten Bitumeneigenschaften Erfassung z. B. mittels IR-Spektroskopie Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 12
IR-Spektroskopie von Bitumen Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 13
IR-Spektroskopie: 1. Datenaufnahme (ALPHA + OPUS) Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 14
IR-Spektroskopie: 2. Grundlinienkorrektur (OPUS) Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 15
IR-Spektroskopie: 3. Mittelwertbildung (OPUS) Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 16
IR-Spektroskopie: 4. Detail-Betrachtung (OPUS) Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 17
IR-Spektroskopie: 5. Auswertung durch Integration (OPUS) Carbonyle C=O Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 18
IR-Spektroskopie: 6. Probenvergleich (EXCEL) Wirkung der Alterung - Carbonyl-Peak (Wellenzahl 1601 1/cm) Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 19
Nachweis von Polymeren (Unterscheidung der Bitumenart) Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 20
FTIR/ATR: Erhöhung der Präzision Bitumenprobe direkt aufgelegt Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 21
FTIR/ATR: Erhöhung der Präzision 1. Bitumenprobe in Toluol lösen 2. Bitumenlösung auf den Kristall auftropfen 3. Toluol verdunsten lassen (Beobachtung in OPUS) 4. Verbleibenden Bitumenfilm messen Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 22
FTIR: Verfahrenspräzision Mittelwert: 0,533 Standardabweichung: 0,075 Mittelwert: 0,562 Standardabweichung: 0,057 Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 23
IR-Spektroskopie von Bitumen: Schlussfolgerungen Bitumenanalyse mit geringem Aufwand (Probenvorbereitung, Durchführung) möglich Bekannte Probeneigenschaften können identifiziert werden Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 24
Nächste Schritte Erstellung einer internen Datenbank Bitumen unterschiedlicher Provenienz Bitumen-Additive Bitumen-Molekülgruppen (Kolloidsystem) Optimierung des Messverfahrens Probenapplikation Erfassung von Messeinflüssen (z. B. Temperatur) Erfassung der Verfahrenspräzision Wiederholungsmessungen Vergleichsmessungen mit Partnerinstituten Vergleich ATR / Transmission Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Bitumenanalyse mit FTIR/ATR Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer 19.11.2014 25