Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch … · „Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-oxidative Alterung von Bitumen im Asphalt“ Gliederung des Vortrages 1

„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch -„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch -oxidative Alterung von Bitumen im Asphalt“

Basalt-Actien-GesellschaftAbteilung Asphalttechnologie und Qualitätswesen

Dipl.-Ing. Reha Çetinkaya

„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“

Gliederung des VortragesGliederung des Vortrages

1. Problemstellung und Zielsetzung

2. Theoretische Grundlagen2. Theoretische Grundlagen

3. Untersuchungsmethodik

4. Bewertung der Untersuchungsergebnisse

5. Ausblick und weiterer Forschungsbedarf


ProblemstellungProblemstellung

Die national und international bereits durchgeführt e Forschung Die national und international bereits durchgeführt e Forschung auf dem Gebiet der Asphaltalterung konzentrierte si ch zumeist auf

einzelne Einflussfaktoren.

Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussfaktoren an identischen Ausgangs-materialien und Alterungsrandbedingungen

Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussfaktoren an identischen Ausgangs-materialien und Alterungsrandbedingungen

Die Arbeiten sind somit nur unzureichend miteinande r vergleichbar !


� Literaturrecherche zur Eingrenzung der maßgeblichen Einflu ssfaktoren aufdie Alterung von Bitumen im Asphalt

� Auswahl von geeigneten Ausgangsmaterialien und verschied enenAlterungsrandbedingungen für die gezielte Untersuchung de r Einfluss-faktoren

ZielsetzungZielsetzung

faktoren

� Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussf aktoren

� Vergleich der Untersuchungsergebnisse mit Angaben aus der Literatur (undnatürlich gealterten Asphalten)

� Abschätzung des Alterungsverhaltens anhand statistischer Methoden


ProblemstellungProblemstellung

Kohäsion

Bindungskräfte zwischen Atomen (Molekülen) innerhalbeines Stoffes (Bitumen)

Maßgebliche Eigenschaften des Werkstoffes Bitumen

Que

lle: w

ww

.sci

ence

phot

o.co

m

Adhäsion

Alterung (Bitumen)

Durch molekulare Wechselwirkungen in der Grenz-flächenschicht hervorgerufener Zusammenhalt vonzwei Medien (Gesteinsoberfläche-Bitumen)

Veränderung der chemischen, physikalischen undrheologischen Eigenschaften während Herstellung,Transport, Einbau und Nutzungsdauer

Que

lle: w

ww

.sci

ence

phot

o.co

m


Typische chemische Zusammensetzungvon Bitumen

Bitumen als KolloidsystemQuelle: NÖSLER, 2000

Chemische Zusammensetzung von BitumenChemische Zusammensetzung von Bitumen

Quelle: READ; WHITEOAK, 2003


Oxidative

Destillative

Abgabe von leicht siedenden Bitumenkomponenten an den Gren zflächen zu Luft undGestein (primär bei der Heißverarbeitung von Bitumen).

BitumenalterungBitumenalterung

Oxidative

Strukturelle

Reaktion zwischen Kohlenwasserstoffen mit dem Luftsauers toff. Langsam beginnendeAlterung beschleunigt sich mit dem Anwachsen der Anzahl an R adikalen (sehr reaktions-freudige Atome mit mindestens einem ungepaarten Elektron).Am Ende der Oxidations-Reaktionskette werden im Bitumen As phaltene gebildet.

Vergrößerung der kolloidal dispergierten Teilchen (Mizel len) in der öligen Phase.Übergang vom Sol-Zustand in den Gel-Zustand durch Aggregat bildung der Mizellen.


HochtemperaturbereichTieftemperaturbereich

Erweichungspunkt Ring und Kugel

Brechpunkt nach Fraaß

Bedeutung der Bitumenalterung für die Gebrauchseigenschaften eines Asphaltes

Bedeutung der Bitumenalterung für die Gebrauchseigenschaften eines Asphaltes

Plastizitätsspanne des BitumensPlastizitätsspanne des Bitumens

Plastizitätsspanne des BitumensPlastizitätsspanne des Bitumens

Rissbildung

Ausmagerung/Kornausbruch

Geringere Spurbildungsgefahr aufgrund höherer Bindemittelsteifigkeit

Verschiebung/Veränderung


Viskosität gealtert / Viskosität frischdes Bitumens

Einteilung der Asphaltalterung in die Kurzzeit- und LangzeitalterungEinteilung der Asphaltalterung in die Kurzzeit- und Langzeitalterung

Quelle: READ; WHITEOAK, 2003

Der Verhältniswert ist exemplarisch zu betrachten!

Höhere (bzw. geringere) Alterungsneigung ist möglich!

Einflussfaktoren auf die Asphaltalterung


Einflussfaktoren durch äußere Bedingungen

Bedingungen bei Herstellung, Lagerung, Transport und Einbau

Klimatische Randbedingungen:

mittlere jährliche Lufttemperatur

maximale monatliche Lufttemperatur

Die Asphaltalterung wird in der Literatur in die Ka tegorien „äußere Bedingungen“ und „Materialeigenschaften“ unterteilt:

äußere Bedingungen maximale monatliche Lufttemperatur

UV-Strahlung

Niederschlagswasser

Mat

eria

l-ei

gens

chaf

ten

Bitumen chemische und physikalische Eigenschaften

Additive chemische und physikalische Eigenschaften

Gesteinskörnungen chemische und physikalische Eigenschaften

Asphalt

Mischgutsorte

Anwendungsbereich (Deck-, Binder- oder Tragschicht)

Bindemittelgehalt (bzw. Bindemittelfilmdicke)

Hohlraumgehalt

Quelle: in Anlehnung an HOUSTON et al., 2005


UntersuchungsmethodikUntersuchungsmethodik

Eingrenzung der maßgeblichen Einflussfaktoren aus de r Literatur

Asphalt-mischgutsorte

Bindemittelsorte Bindemittelmenge/ Bindemittelfilmdicke70/100 und 20/30Diabas, Quarzporphyr und

Gesteinskörnungen

Auswahl der zu untersuchenden Einflussfaktoren bzw. R andbedingungen

Offenporiger Asphalt

Asphaltbeton

70/100 und 20/30Variierende BM-Gehalte

und BM-Filmdicken

Diabas, Quarzporphyr und Calciumhydroxid

Theoretische Ansätze

Neues Messverfahren

Bestimmung der Bindemittel- und Mastix-

filmdicke

Auswertung

Physikalische und rheologische Bindemitteluntersuch ungen

Ausgewählte Asphaltgemische für die Alterungsversuc he


PA 11 PA 11 PA 11 PA 11 AC 11 D S

Bindemittel-sorte

[-] 70/100 20/30 70/100 70/100 70/100

grobe Gesteins-körnungen

[-] Diabas Diabas Diabas Quarzporphyr Diabas

[-] Diabas Diabas75 M.-% Diabas

und 25 M.-% Diabas Diabas

Konstanter Hohlraumgehalt (ca. 26 Vol.-%) und variierende BM-Gehalte

Konstanter BM-Gehalt und variierende Hohlraumgehalt e (4,4 bis 23,5 Vol.-%) – Verdichtungsgrade von 80, 85, 90, 95 und 100 %

Füller [-] Diabas Diabas und 25 M.-% Calciumhydroxid

Diabas Diabas

Bindemittel-gehalt

[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

Folgende Einflussfaktoren wurden im Rahmen der Arbe it untersucht

Kurzzeitalterung = Zustand nach Mischgutherstellung (MGH)

Langzeitalterung = Zustand nach MGH und Laboralteru ng

Bindemittelgehalt

Anfangsviskosität des Bindemittels (Bindemittelsort e)

Einflussfaktoren zu denen im Folgenden

Ergebnisse vorgestellt


Durchschnittliche Bindemittelfilmdicke und Mastixfi lmdicke

Anfangsviskosität des Bindemittels (Bindemittelsort e)

Porosität der groben Gesteinskörnungen

Calciumhydroxid-Füller

Mischgutsorte - dichtes und offenporiges Asphaltmisc hgut

Hohlraumgehalt

Ergebnisse vorgestellt werden!

Erweichungspunkt Ring und Kugel (DIN EN 1427)

Nadelpenetration (DIN EN 1426)

Kraftduktilität bei 25 °C (DIN EN 13589 bzw. 13703)


Eingesetzte Prüfverfahren zur Bindemittelcharakteri sierung:

Dynamisches Scherrheometer von 30 bis 90 °C (DIN EN 14770)

Biegebalkenrheometer bei -16 °C (DIN EN 14771)

Kraftduktilität bei 25 °C (DIN EN 13589 bzw. 13703)

Bochumer Alterungsverfahren (BAV)

Entwicklung des BAV im Rahmen des FE 04.205/2006/AR B


Quelle: WELLNER; RADENBERG; ASCHER; ÇETINKAYA, 2011

Einfluss des Bindemittelgehaltes

1000

10000

Rel

ativ

e Ve

ränd

erun

g de

r B

estim

mun

gsgr

öße

[%]

Erhöhung EP RuK

Verminderung Nadelpenetration

Erhöhung komplexer Schubmodul bei 60 ⁰⁰⁰⁰C

Verminderung Phasenwinkel bei 60 ⁰⁰⁰⁰C

Erhöhung Formänderungsarbeit

Erhöhung Kraftmaximum

Erhöhung Biegekriechsteifigkeit bei -16 ⁰⁰⁰⁰C

Verminderung m-Wert bei -16 ⁰⁰⁰⁰C

1016 % 2421 %

163 %

∆ 1405 %


1

10

100

nach MGH mit 6 M.-%

nach MGH mit 3 M.-%

nach Alterung mit 6 M.-%




Rel

ativ

e Ve

ränd

erun

g de

r B

estim

mun

gsgr

öße

[%] ⁰⁰⁰⁰

MGH: Mischgutherstellung; mit 6 M.-% : Herstellung des Asphaltes mit 6 M.-% Bindemittel-Anteil

PA 11 mit 70/100

112 %163 %

1000

10000

Rel

ativ

e V

erän

deru

ng d

er B

inde

mitt

elke

nnw

erte

de

r Sor

te 2

0/30

1000

10000

Rel

ativ

e V

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deru

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mitt

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de

r Sor

te 2

0/30


Einfluss der Bindemittelsorte (Anfangsviskosität)Einfluss der Bindemittelsorte (Anfangsviskosität)

1

10

100

1 10 100 1000 10000

Rel

ativ

e V

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deru

ng d

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inde

mitt

elke

nnw

erte

de

r Sor

te 2

0/30

Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der S orte 70/100

Erhöhung EP RuK


Erhöhung komplexer Schubmodul

Verminderung Phasenwinkel



Erhöhung Biegekriechsteifigkeit

Verminderung m-Wert

(R²=0,9907)(R²=0,9076)(R²=0,9826)(R²=0,9446)(R²=0,9558)(R²=0,9919)(R²=0,9242)(R²=0,9174)

1

10

100

1 10 100 1000 10000

Rel

ativ

e V

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er B

inde

mitt

elke

nnw

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de

r Sor

te 2

0/30

Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der S orte 70/100

Erhöhung EP RuK







Verminderung m-Wert

(R²=0,9907)(R²=0,9076)(R²=0,9826)(R²=0,9446)(R²=0,9558)(R²=0,9919)(R²=0,9242)(R²=0,9174)

Bindemittelsorte hat auf den Zustand nach MGH einen Einfluss, während bei

der Langzeitalterung ein ähnliches Verhalten beobachtet werden kann (Ausnahme Biegekriechsteifigkeit)!

1000

10000

Rel

ativ

e V

erän

deru

ng d

er B

inde

mitt

elke

nnw

erte

de

r Sor

te 7

0/10

0 im

PA

11

mit

porö

sem

Ges

tein

1000

10000

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ativ

e V

erän

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mitt

elke

nnw

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de

r Sor

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0/10

0 im

PA

11

mit

porö

sem

Ges

tein


Einfluss von porösem GesteinEinfluss von porösem Gestein

1

10

100

1 10 100 1000 10000

Rel

ativ

e V

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mitt

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nnw

erte

de

r Sor

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0/10

0 im

PA

11

mit

porö

sem

Ges

tein

Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der Sorte 70/100 im PA 11 mit Diabas

Erhöhung EP RuK







Verminderung m-Wert

(R²=0,7810)(R²=0,6777)(R²=0,8488)(R²=0,8636)(R²=0,9335)(R²=0,9433)(R²=0,5341)(R²=0,9970)

1

10

100

1 10 100 1000 10000

Rel

ativ

e V

erän

deru

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er B

inde

mitt

elke

nnw

erte

de

r Sor

te 7

0/10

0 im

PA

11

mit

porö

sem

Ges

tein

Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der Sorte 70/100 im PA 11 mit Diabas

Erhöhung EP RuK







Verminderung m-Wert

(R²=0,7810)(R²=0,6777)(R²=0,8488)(R²=0,8636)(R²=0,9335)(R²=0,9433)(R²=0,5341)(R²=0,9970)

Poröse Gesteinskörnungen führen zu einer stark beschleunigten Bitumenalterung (insbesondere

bei der Kurzzeitalterung)!


100.000

1.000.000

) be

i 60

ºC [P

a]

100.000

1.000.000

) be

i 60

ºC [P

a]

Weitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- GerätWeitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- Gerät

Gegenüberstellung des Verlust- und Speichermoduls, z ur Beurteilung ob überwiegend viskoses (Verlustmodul) oder elastisches (Speicherm odul) Materialverhalten vorliegt.

100

1.000

10.000

100 1.000 10.000 100.000

Ver

lust

mod

ul G

'' (=

G*

• si

n δ

) be

i 60

ºC [P

a]

Speichermodul G' (= G* • cos δ) bei 60 ºC [Pa]

PA 11 mit 70/100PA 11 mit 20/30PA 11 mit 70/100 mit porösem Gestein AC 11 mit 70/100Alle Wertepaare

(R² = 0,9991)(R² = 0,9971)(R² = 0,9951)(R² = 0,9952)(R² = 0,9913)

100

1.000

10.000

100 1.000 10.000 100.000

Ver

lust

mod

ul G

'' (=

G*

• si

n δ

) be

i 60

ºC [P

a]

Speichermodul G' (= G* • cos δ) bei 60 ºC [Pa]

PA 11 mit 70/100PA 11 mit 20/30PA 11 mit 70/100 mit porösem Gestein AC 11 mit 70/100Alle Wertepaare

(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 · G´60 °C

0,672 (R² = 0,9913)Allgemein: G´´60 °C = a · G´60 °C

b


Mit dem Kennwert G*/sin δ bei 60 °C kann der voraussichtliche Verformungswide rstand und mit dem Verlustmodul die voraussichtliche Materialermüdung des Asphaltes beurteilt werden.

Weitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- GerätWeitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- Gerät

(Vermutliche) Zunahme des Verformungs-widerstandes und der Materialermüdung!

G*60 °C /sinδ60 °C = 1 · 10-4 · G´´30 °C1,3415 (R2 = 0,9771)

Allgemein: G*60 °C /sinδ60 °C = a· G´´30 °Cb

50

60

70

80

Nad

elpe

netr

atio

n [1

/10

mm

]

Frischbindemittel 70/100

nach Mischgutherstellung (MGH)

nach MGH und Alterung (Hohlraumgehalt (HG) 4,4 Vol.-%;Verdichtungsgrad (VG): 100 %)

70/100

50/70


Einfluss des Hohlraumgehaltes (Verdichtungsgrad)Einfluss des Hohlraumgehaltes (Verdichtungsgrad)

0

10

20

30

40

50

45 47,5 50 52,5 55 57,5 60

Nad

elpe

netr

atio

n [1

/10

mm

]

Erweichungspunkt Ring und Kugel [ ⁰⁰⁰⁰C]

AC 11 DS mit 70/100

30/45

(R² = 0,9835)

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 %)

Verdichtungsgrad (Hohlraumgehalt) hat einen sehr starken Einfluss auf die Alterungsprozesse!


y = 6,8484x0,5015

y = 2,5874x0,9718

100,0

EP

RuK

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r Alte

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[ºC

]

y = 6,8484x0,5015

y = 2,5874x0,9718

100,0

EP

RuK

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rung

[ºC

]

Vergleich der ermittelten Prognose-Modelle (Methode der kleinsten Fehlerquadrate) mit Angaben aus der LiteraturVergleich der ermittelten Prognose-Modelle (Methode der kleinsten Fehlerquadrate) mit Angaben aus der Literatur

y = 2,3387x 0,4774

1,0

10,0

0 5 10 15 20 25 30 35

∆E

P R

uK n

ach

der A

lteru

ng [

ºC]

Hohlraumgehalt [Vol.-%]

AC 11 D S mit variierenden Hohlraumgehalten

Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang

Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 15 Jahren) [RADENBERG; LOUIS, 1999]


Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 18 Jahren) [AMORT; DORNER, 1991]


y = 2,3387x 0,4774

1,0

10,0

0 5 10 15 20 25 30 35

∆E

P R

uK n

ach

der A

lteru

ng [

ºC]

Hohlraumgehalt [Vol.-%]

AC 11 D S mit variierenden Hohlraumgehalten


Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 15 Jahren) [RADENBERG; LOUIS, 1999]


Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 18 Jahren) [AMORT; DORNER, 1991]


Natürlich und künstlich gealterte Asphalte zeigen ein vergleichbares Alterungsverhalten!

Schlussfolgerungen:

Verwendung von porösem Gestein erhöht die Alterungsgeschw indigkeiterheblich

Bindemittelgehalt, -filmdicke und Mastixfilmdicke haben einen eher geringenEinfluss

Zustand nach Mischgutherstellung


Einfluss

Höhere Bindemittelgehalte, -filmdicken und Mastixfilmdi cken weisen beibeiden Bindemittelsorten deutliche Vorteile auf

Verwendung von porösen Gesteinskörnungen bewirkte eine st arkbeschleunigte Alterung

Der Hohlraumgehalt hat als volumetrische Kenngröße den grö ßten Einflussauf die thermisch-oxidative Alterung

Zustand nach Mischgutherstellung und künstlicher Al terung


� Auswirkungen der untersuchten Einflussfaktoren auf die mechanischen Asphalt -

� Einfluss der chemischen Zusammensetzung der Ausgangsmate rialien

� Einfluss der klimatischen Randbedingungen

� Einfluss von Additiven (polymermodifizierte Bindemittel und „Verjüngungsmittel“)

Ausblick und weiterer ForschungsbedarfAusblick und weiterer Forschungsbedarf

� Auswirkungen der untersuchten Einflussfaktoren auf die mechanischen Asphalt -eigenschaften (Kälte-, Ermüdungs- und Steifigkeitsverha lten)

� Einfluss der Alterung auf die adhäsiven Eigenschaften des B itumens

Die genaue Kenntnis der stattfindenden Alterungspro zesse wird in Bezug auf die Verwendung von Ausbauasphalten, die angestrebten lä ngeren Nutzungsdauern und die höheren Wiederverwertungsraten in Zukunft a n Bedeutung gewinnen!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch … · „Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-oxidative Alterung von Bitumen im Asphalt“ Gliederung des Vortrages 1