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Report (Bericht) zugänglich unter
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Bestimmung des adhäsiven Potentials von Bitumen und Gesteinsoberflächen mit Hilfe der Kontaktwinkelmessmethode

Determination of the adhesive potential of bitumen and rock surfaces by means of the contact angle method of measurement

Hirsch, Volker ; Friemel-Göttlich, Brigitte

Bundesanstalt für Straßenwesen

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Adhäsion , Bitumen , Bituminöses Mischgut , Deutschland , Eigenschaft , Forschungsbericht , Füller Bitumen Gemisch , Gestein , Gesteinskörnung , Messung , Modell , Oberfläche , Prüfverfahren , Theorie , Umhüllung , Versuch , Zusatzmittel
Freie Schlagwörter (Englisch): Adhesion , Admixtures , Aggregate , Bitumen , Bituminous mixture , Coating , Filler bitumen mixture , Germany , Measurement , Model (not math) , Properties , Research report , Rock , Surface , Test , Theory
Collection 1: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 36 Mineralstoffe
Collection 2: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 31 Bituminöse Baustoffe
Institut: Abteilung Straßenbautechnik
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Dokumentart: Report (Bericht)
Schriftenreihe: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
Bandnummer: 59
ISBN: 978-3-86509-954-9
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 28.07.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Adhäsion und die bisherigen Veröffentlichen über die Anwendung von thermodynamischen Messverfahren zur Untersuchung der adhäsiven Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gestein zusammenfassend dargestellt. Die mit Hilfe des Kontaktwinkelmessverfahrens gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften von Bitumen- und Gesteinsoberflächen sowie die Spreiteigenschaften von Bitumen in direktem Kontakt mit Gesteinsoberflächen werden vorgestellt. Darüber hinaus werden die Eigenschaften von zur Verbesserung der Haftung verwendeten Additiven mit Hilfe dieser Methoden untersucht. Die empirische "Rolling Bottle Prüfmethode" wird derzeit als ein mögliches Verfahren zur messtechnischen Ansprache der Adhäsion diskutiert. Im Einzelnen sind folgende Ergebnisse festzuhalten: 1. Die Kontaktwinkel-Messmethode ist geeignet, um die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Gesteins- und Bitumenoberflächen messtechnisch zu erfassen. Nach einer geeigneten Probenpräparation ist es möglich, Informationen über die Oberflächenenergie und Polarität von Gesteinsoberflächen und von Bitumen zu gewinnen. 2. Durch Anwendung einer Hochtemperaturmesszelle kann die Benetzbarkeit von Gesteinsoberflächen durch Bitumen direkt gemessen werden. Die Messungen sollten möglichst bei einer Temperatur gleicher Viskosität (Äquiviskositätstemperatur) durchgeführt werden, um sicher zu stellen, dass das Spreitverhalten unterschiedlicher Bitumen ausschließlich auf die physikalisch-chemische Wechselwirkung mit der Gesteinsoberfläche zurückzuführen ist und nicht auf die unterschiedliche Viskosität der Bindemittel. 3. Um eine Gesteinsart hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften mit Hilfe der Kontaktwinkelmessungen charakterisieren zu können, muss eine größere Anzahl an Gesteinsproben präpariert und gemessen werden. Nur über eine repräsentative Auswahl und statistische Betrachtung lässt sich ein entsprechender Kennwert ermitteln. Diese Vorgehensweise ist umso wichtiger, je inhomogener die Gesteinsart beschaffen ist. 4. Bei den im Straßenbau verwendeten Gesteinen handelt es sich sehr häufig um Plutonite und Vulkanite. Die Untersuchungen zeigen, dass die üblicherweise im Straßenbau eingesetzten Gesteinsarten hinsichtlich ihrer thermodynamischen Oberflächeneigenschaften messbare Unterschiede aufweisen. Die niedrigste Oberflächenenergie weist Kalkstein auf und die höchste Oberflächenenergie besitzen Taunusquarzit beziehungsweise Gabbro. Generell besteht die Tendenz, dass mit steigendem Siliziumdioxidgehalt die Oberflächenenergie zunimmt. Die Unterschiede sind allerdings weniger groß als erwartet. So können die Unterschiede innerhalb derselben Gesteinsart größer sein als zwischen verschiedenen Gesteinsarten. Die in der Praxis festgestellten deutlichen Unterschiede hinsichtlich der Hafteigenschaften ähnlicher Gesteine, sind offenbar weniger thermodynamisch begründet, sondern vielmehr auf Unterschiede in der Mikrotextur der gebrochenen Gesteinsoberflächen zu-rückzuführen. 5. Der Rolling-Bottle-Test simuliert zeitraffend die schädigende Wirkung von Wasser und mechanischer Abrasion auf die Haftung des Bitumens am Gestein. Während der Beanspruchung überlagern sich somit mehrere physikalische Effekte, die die isolierte Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung erschweren. Die Kontaktwinkelmessmethode ist eine relativ einfache und schnelle Methode, um die adhäsiven Eigenschaften von Gesteinen und Bitumen auf thermodynamischer Grundlage zu charakterisieren. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass ausschließlich die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen messtechnisch erfasst werden und andere Einflussparameter die Messung nicht beeinträchtigen. Dieser Vorteil stellt allerdings auch einen Nachteil dar, da zum Beispiel Rauigkeit und Mikrotextur der Gesteinsoberflächen die Stärke der adhäsiven Wechselwirkung durchaus beeinflussen. Die Methode der Kontaktwinkelmessung ist auch auf gealterte Bitumenproben anwendbar. Generell besteht ein erheblicher Einfluss der feinen Gesteinspartikel auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bitumens. Bei der Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung wird dieser Einfluss bisher nicht berücksichtigt. Es besteht somit eine Informationslücke, die durch geeignete Experimente geschlossen werden sollte.rnrn
Kurzfassung auf Englisch: In this work, the theoretical bases of adhesion and previous publications on the application of thermodynamic methods of measurement for the investigation of adhesive interaction of bitumen and rock are summarized. Furthermore, the properties of the additives used for the improvement of adhesion are examined with the help of these methods. The empirical "Rolling Bottle test method" is currently being discussed as a potential method of measurement for adhesion. The results of this test method are compared to the measurement data of the contact angle method of measurement, and as far as possible the commonalities and differences are interpreted. The following results are specifically noted: 1. The contact angle method of measurement is suited for the metrological recording of the specific physicochemical properties of rock and bitumen surfaces. It is possible to gain information on the surface energy and polarity of rock surfaces and bitumen after suitable sample preparation. 2. The wettability of rock surfaces by bitumen can be measured directly with use of a high temperature measuring cell. 3. To characterize a type of rock with respect to its surface properties by means of contact angle method of measurement, a large number of rock samples must be prepared and measured. 4. The investigations show that the rock types used commonly for road construction show measurable differences in terms of their thermodynamic surface properties. Limestone shows the lowest surface energy and Taunus quartzite or gabbro show the highest surface energy. Generally, there is a tendency that with increasing silicon dioxide content, surface energy increases. However, the differences are less severe than expected. Differences within one rock type can be larger than differences between two different types of rock. The significant differences found in practice, with respect to the adhesion properties of similar rock types, are obviously based less on thermodynamics, but rather on the differences in the micro texture of broken rock surfaces. 5. The Rolling-Bottle-test simulates the damaging effect of water and mechanical abrasion to the adhesion of bitumen at the rock in fast motion. When load occurs, several physical effects interfere with each other, which make an isolated examination of the adhesive interaction more difficult. The contact angle method of measurement is a relatively simple and fast method to characterize the adhesive properties of rock and bitumen on a thermodynamic base. The advantage of the procedure is that exclusively the physicochemical interactions between both phases are recorded metrologically and other influencing parameters do not impair the measurement. However, this advantage is also a disadvantage, since for example the roughness and micro texture of the rock surface can easily influence the adhesive interactions. Generally, there is considerable influence of fine rock particles on the composition and the physical properties of bitumen. For the consideration of adhesive interaction, this influence has not been taken into account yet. An information gap therefore exists which needs to be filled by the means of appropriate experiments.