NANOASPHALT – Optimierung der Gebrauchseigenschaften und der Beständigkeit von Asphaltstraßen unter Nutzung der Nanotechnologie

Optimization of performance related properties and resistance of asphalt pavements by using nanotechnologie

  • Ziel des Forschungsvorhabens war die Herstellung von „Nanoasphalt“ aus mit polymerbeschichteten, plättchenförmigen Nanopartikeln dotierten Bitumenbindemitteln und die Untersuchung des Alterungsverhaltens der neuen Materialklasse. Theoretische Voruntersuchungen zeigten, dass statistisch im Volumen verteilte, mplättchenförmige Partikel mit Aspekverhältnissn D/H > 100 als effektive Diffusionsbarrieren wirken und sowohl die oxidative Alterung als auch den Verlust weichmachender Bestandteile aus Bitumenbindemitteln um den Faktor 2 - 3 verlangsamen können. Es wurde eine lösemittelfreie Synthese für Alkyl-Quat-Primer-Polymere entwickelt und ein Verfahren ausgearbeitet, um Natrium-Montmorillonit (NaMMT) in einem einstufigen Verfahren zu exfoliieren und die entstehenden Silikatblättchen mit den Polymeren zu beschichten. Hochverzweigte Polymere auf Basis von Polyethylenimin mit einem Quarternisierungsgrad von ca. 5 mol% und einem Alkylierungsgrad von 80 mol% unter Verwendung von C12-Substituenten adsorbieren irreversibel auf Montmorrilonit und wirken zugleich als Dispergiermittel. Es konnten Nanopartikel-Bitumen-Komposite (NPBK) hergestellt werden, die bis zu 10 M.-% Nanopartikel mit Dicken von 10-50 nm und Durchmessern von ca. 1-10 μm enthielten. Zur Herstellung eines Demonstrators wurden die Synthesen in den Halbtechnikumsmaßstab hochskaliert (11 kg Polymer → 22 kg modifizierte Nanopartikel → 440 kg Nano-Bitumen → 6.200 kg Nano-Asphalt). Die Einmischung der Nanopartikel in das Bitumen erfolgte einmal mit dem bereits in der Pilotstudie eingesetzten Schnecken-Extruder und mit Blick auf eine spätere Hochskalierung des Herstellungsprozesses mittels Hochschermischer. Die auf diese Weise hergestellten NPBKs wurden in unterschiedlichen Alterungsstufen (frisch, kurz- und langzeitgealtert) anhand von konventionellen und rheologischen Prüfungen beurteilt. Mit ausgewählten NPBK-Varianten wurden auf Laborebene Asphalte hergestellt, die ebenfalls umfangreichen Testreihen unterzogen wurden. Den Projektabschluss bildete die großmaßstäbliche Mischgutherstellung in einer Asphaltmischanlage sowie das Anlegen und Beproben einer Demonstratorfläche.
  • The objective of this research project was the generation of NanoAsphalt from bitumen binders containing polymer coated, plate shaped nano particles, as well as the investigation of the new materials class ageing properties. Theoretical considerations demonstrated randomly distributed plate like particles of high aspect ratio D/H > 100 to work as effective diffusion barriers that should slow down the effusive loss of lubricating components and simultaneously reduce the oxidative ageing of the binders ba a factor of 2 - 3. A solvent free synthesis of alkyl-quat-primer polymers was developed and a technique was found to exfoliate sodium-montmorillonite and to coat the obtained silicate-layers with these polymers in a single step. Polyethylenimin based hyperbranched polymers with a degree of quarternization of 5 mol%, and a degree of alkylation of 80 mol% on using C12-substituents irreversibly adsorb on montmorillonite and act as dispersing agent. Nano-Bitumen-binders were prepared that contained up to 10 wt% of nanoparticles with a thickness of about 10-50 nm and diameters of 1-10 μm. To generate a demonstrator the syntheses were upscaled to the semi technicum level (11 kg polymer → 22 kg modified nanoparticles → 440 kg Nano-Bitumen → 6.200 kg Nano-Asphalt). The mixing of the nanoparticles into the bitumen was carried out by applying a screw extruder, which was also used in the pilot study, and with a view to a later upscaling of the production process by means of a high-speed shear-mixer. The resulting NPBKs were evaluated in different aging stages (fresh, short- and long-term-aged) by means of conventional and rheological tests procedures. Selected NPBK-variants were used for producing asphalt mixtures on laboratory level, which were subjected to an extensive test program. At the end of the project a large-scale mixed material production in an asphalt mixing plant was realized, followed by the installation and testing of a paving demonstrator area.

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Metadaten
Author:Uwe Beginn
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-25776
ISBN:978-3-95606-639-9
ISSN:0943-9323
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau (163)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2021/11/24
Date of first publication:2021/11/26
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2021/11/26
Tag:Alterungsprozess; Forschung; Nanoasphalt
Aging process; Research
Number of pages:146
Comment:
Bericht zum Forschungsprojekt 07.0243
NANOASPHALT – Optimierung der Gebrauchseigenschaften
und der Beständigkeit von Asphaltstraßen unter Nutzung
der Nanotechnologie

Fachbetreuung
Oliver Ripke

Referat
Asphaltbauweisen
Institutes:Abteilung Straßenbautechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoBASt

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