Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Buch (Monographie) zugänglich unter
URL: http://bast.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2015/960/


Einfluss von Kurzzeit- sowie Langzeitalterung im Labor auf die Struktur von Polymeren und praxisrelevanten Eigenschaften modifizierter Bindemittel

Influence of short-period and long-period laboratory aging on the structure of polymers and of practically relevant properties of modified binding agents

Ammadi, Mohammed ; Beer, Frank ; Damm, Klaus-Werner ; Jakubik, Dieter


Bookmark bei Connotea Bookmark bei del.icio.us
Freie Schlagwörter (Deutsch): Alterung (mater) , Bewertung , Bitumen , Chemie , Forschungsbericht , Höhe , Korrelation (math, stat) , Laboratorium , Langfristig , Physik , Polymer , Polymerisierung , Rheologie , Verbesserung , Verfahren , Verhalten , Versuch
Freie Schlagwörter (Englisch): Ageing , Behaviour , Bitumen , Chemistry , Correlation (math, stat) , Evaluation (assessment) , Height , Improvement , Laboratory (not an organization) , Long term , Method , Physics , Polymer , Polymerization , Research report , Rheology , Test
Collection 1: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 31 Bituminöse Baustoffe
Collection 2: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 23 Deckeneigenschaften
Institut: Abteilung Straßenbautechnik
DDC-Sachgruppe: Chemie
Sonstige beteiligte Institution: Asphaltlabor Arno J. Hinrichsen GmbH & Co., Wahlstedt
Dokumentart: Buch (Monographie)
Schriftenreihe: Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik
Bandnummer: 910
ISBN: 3-86509-223-3
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 09.03.2015
Bemerkung: Weiteres beteiligtes Institut: Shell Global Solution, Hamburg
Kurzfassung auf Deutsch: Die Bitumenalterung ist ein sehr komplizierter Prozess, dessen Verständnis durch die Zugabe von Polymeren zusätzlich erschwert wird. Bei den unmodifizierten Bitumen werden die Alterungseigenschaften normalerweise charakterisiert, indem die physikalischen Eigenschaften des Bitumens vor und nach der Alterung bestimmt werden. Nach der Alterung werden die Straßenbaubitumen härter. Dies ist im Falle von polymermodifizierten Bitumen, insbesondere PmBs mit einem hohen Polymergehalt, nicht ausreichend, da der Abbau der Polymere infolge der Alterung zu einer Herabsetzung der Bindemittelviskosität führen kann. Es sind weitere Untersuchungen im Falle von PmB, wie GPC, IR-Spektroskopie etc., notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der simulierten Alterung im Labor auf die Struktur von polymeren und praxisrelevanten Eigenschaften modifizierter Bindemittel zu untersuchen. Hierfür wurden neben der simulierten Kurzzeitalterung nach RFT gemäß DIN EN 12607-3 die Langzeitalterung nach PAV (mit vorgeschalteter thermischer Beanspruchung nach RFT) und nach LT RFT (modifizierte RFT Alterung) angewendet. Die Simulation einer reinen oxidativen Alterung des Bindemittels erfolgte durch den PAV-Test ohne vorgeschaltete Kurzzeitalterung, bei e. Temperatur von 100 °C unter Luftzufuhr und einer Beanspruchungszeit von 20 Std. Untersucht wurden insgesamt acht polymermodifizierte Bitumen: vier SBS-modifizierte Bitumen der Sorte PmB 45 A, ein thermoplastmodifizierten Bitumen der Sorte PmB 45 C und drei höher SBS-modifizierte Bitumen der Sorte PmB 40/100-65 H. Hinsichtlich der Polymerstruktur kann zwischen linearen, verzweigten und sternförmigen SBS-Polymeren unterschieden werden. Darüber hinaus besitzen zwei der untersuchten Bindemittel, ein PmB 45 und ein PmB 40/100-65 H, eine Art Vernetzung/ Kopplung zwischen Bitumenspezies und Polymeren. An allen Bindemitteln vor und nach der AIterung wurden neben den physikalischen Untersuchungen auch rheologische u. chemische Untersuchungen durchgeführt und die Kennwerte im frischen sowie im gealterten Zustand ermittelt. Während die Untersuchungen am frischen Bindemittel dessen Eigenschaften bei der Auslieferung vom Produzenten widerspiegeln, werden durch die Simulation der Kurzzeitalterung (RFT) Veränderungen in den Eigenschaften der Bindemittel während der Herstellung, Lagerung, Transport und Verarbeitung berücksichtigt. Die Simulation der Langzeitalterung umfasst solche Veränderungen, die während der Nutzungsdauer des Bindemittels in der Straße über einen Zeitraum von ca. 10 Jahren in ungünstigen Fällen auftreten können. Basierend auf diesen Resultaten kann Folgendes gesagt werden: Die Alterung der polymermodifizierten Bitumen ist auf den Abbau der im PmB enthaltenen Polymere (Abnahme des Molekulargewichtes der Polymere) einerseits und andererseits auf die Oxidation des Grundbitumens zurückzuführen. Die chemische Analyse der PmB lässt ein Ansteigen des Asphaltengehaltes, begleitet von einer Abnahme des Gesamtaromatengehaltes, in Abhängigkeit von den Alterungsbedingungen sowie eine progressive Abnahme der Molekulargewichte der Polymere erkennen. Die Veränderung der physikalischen Bindemitteleigenschaften infolge Alterung wird durch die begleitende chemische Veränderung im Bindemittel hervorgerufen. Letztere ist als Folge einer gleichzeitigen Oxidation des Grundbitumens und eines von der Polymerstruktur, und -gehalt sowie von der Art und Dauer der Beanspruchung abhängigen Polymerabbaues zu selten. Während die Oxidation des Grundbitumens die Erhöhung der Bindemittelviskosität bewirkt, kann der Abbau, dagegen zu einer Herabsetzung der Viskosität führen. Dies ist besonders bei den höher polymermodifizierten Bitumen der Fall. So wird die Verhärtung des Grundbitumens durch den Polymerabbau kompensiert. Anhand der durchgeführten physikalischen sowie chemischen Untersuchungen stellte sich die Langzeitalterung nach LT RFT als die stärkste Beanspruchung heraus. Die Langzeitalterung nach PAV mit vorgeschalteter Kurzzeitalterung RFT scheint daher praxisnaher zu sein als die Langzeitalterung nach LT RFT. Allgemein zeigten die hier untersuchten höher polymermodifizierten Bitumen ein besseres Alterungsverhalten als die PmB 45. Am alterungsbeständigsten sind sternförmige oder mit Bitumenspezies vernetzte SBS-Polymere. Hier konnte nach der aggressivsten Alterung nach LT RFT noch eine Wirkung der eingesetzten Polymere nachgewiesen werden. Inwieweit sich die Unterschiede im Alterungsverhalten der untersuchten PmB auf das Gebrauchsverhalten der damit hergestellten Asphalte auswirken, kann nur mit Performanceübungen an Asphalt selbst untersucht werden. Es wird vorgeschlagen, die Asphalteigenschaften bei hohen und bei niedrigen Gebrauchstemperaturen zu untersuchen.
Kurzfassung auf Englisch: Aging of the bitumen is a very complicated process, and it is all the more difficult to understand due to the addition of polymers. Aging properties are normally characterised by the physical properties of the bitumen being determined before and after aging. After aging, the road-construction bitumens become harder. This is not enough in the case of polymer modified bitumens, in particular PmBs with a high polymer content, as the degradation of the polymers as a result of aging may lead to a reduction in the viscosity of the binding agent. Further investigations are necessary in the case of PmB, for instance GPC, IR spectroscopy etc. The aim was to investigate the influence of the simulated laboratory aging on the structure of polymers and practically relevant properties of modified binding agents. PAV long-period aging and LT RFT long-period aging were applied in addition to simulated RFT short-period aging in accordance with DIN EN 12607-3. The simulation of pure oxidative aging of the binding agent was carried out using the PAV test without prior short-period aging at a temperature of 100°C with air supply and a stress time of 20 hours. A total of eight polymer-modified bitumens were investigated: four SBS-modified bitumens of type PmB 45 A, a thermoplastic-modified bitumen of type PmB 45 C and three higher SBS-modified bitumens of type PmB 40/100-65 H. A differentiation can be made in respect of the polymer structure between linear, branched and star-shaped SBS polymers. Two of the investigated binding agents, a PmB 45 and a PmB 40/100-65 H, also have a kind of networking/coupling between bitumen species and polymers. As well as the physical investigations, rheological and chemical investigations were carried out on all binding agents before and after aging, and the characteristic values of the binding agents determined, firstly when they were fresh and then after aging had taken place. While the investigations using the fresh binding agent reflect the properties it has when supplied by the manufacturer, changes in the properties of the binding agents during manufacture, storage, transport and processing are taken into account by the simulation of short-period aging (RFT). The simulation of long-period aging encompasses changes which may occur in unfavourable cases during the service life of the binding agent in the road over a period of approx. 10 years (asphalts with high levels of hollow content and/or extreme traffic and weather conditions etc.). The following can be stated based on the results obtained in this project: The aging of the polymer-modified bitumens is to be put down to the degradation of the polymers contained in the PmB (decrease of the molecular weight of the polymers) on the one hand and on the other to the oxidation of the basis bitumen. The chemical analysis of the PmB shows an increase in the asphaltene content, accompanied by a decrease in the overall aromate content, depending on the aging conditions and a progressive decrease in the molecular weights of the polymers. The change in the physical binding agent properties as a result of aging is produced by the accompanying chemical change in the binding agent. The latter is to be seen as a consequence of a simultaneous oxidation of the basis bitumen and of a polymer degradation which is dependent on the polymer structure and content and on the type and duration of the stress. While the oxidation of the basis bitumen has the effect of increasing the binding agent viscosity, the degradation, or the change in the polymer structure of the polymers contained in the PmB leads in contrast to a reduction in the viscosity. This is particularly the case in the case of the higher polymer-modified bitumens. The hardening of the basis bitumen is therefore compensated for by the polymer degradation. Based on the physical and chemical investigations carried out, the LT RFT long-period aging proved to be the greatest stress. The PAV long-period aging with prior RFT short-period aging therefore appears to us to be more realistic than the LT RFT long-period aging. Generally, the higher polymer-modified bitumens investigated here showed a better aging behaviour than the PmB 45. Star-shaped SBS polymers or SBS polymers networked with bitumen species are the most resistant to aging. Even after the most aggressive LT RFT aging it was possible to detect an effect of the polymers used (elastic recovery, polymer network ascertained in the KD test). The extent to which the differences in aging behaviour, which were ascertained in respect of the investigated PmB, have an effect on the service behaviour of the asphalts manufactured with them, can only be investigated by carrying out performance tests on the asphalts themselves. It is proposed that the asphalt properties should be investigated at high service temperatures and at low service temperatures. These investigations should be carried out on fresh and PAV-aged asphalt test bodies.