540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Zusammenhang zwischen Bitumenchemie und straßenbautechnischen Eigenschaften : Literaturrecherche
(2017)
Anforderungen an Bitumen werden in den TL Bitumen-StB 07 primär an relativ einfache, physikalische Kennwerte gestellt. Trotz der entscheidenden Einflüsse der chemischen Zusammensetzung auf das Bitumen, werden praktisch keine Anforderungen an die chemische Zusammensetzung gestellt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die Komplexität und die Vielfalt in der chemischen Zusammensetzung von Bitumen. Auf internationaler Ebene wurden in den letzten Jahren und Jahrzehnten große Anstrengungen unternommen, den chemischen bzw. kolloidalen Aufbau des Bitumens und dessen Einfluss auf die straßenbautechnischen Eigenschaften zu erfassen. Aufgrund der Vielfalt unterschiedlichster Kohlenwasserstoffverbindungen, die zu einem Großteil mit Heteroatomen wie Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff oder Metallen ergänzt werden, ist eine exakte Elementaranalyse sehr aufwändig und wenig aussagekräftig. Daher hat sich die chemisch-physikalische Beschreibung des Bitumens als Kolloidsystem als grundsätzlich anerkannt erwiesen. Eine Aufteilung in eine feste Phase, die Asphaltene, und eine fließfähige Phase, die Maltene, ist hierbei unstrittig. Jedoch gibt es deutlich voneinander abweichende Ansichten zum Aufbau, zum Verhalten und zu den Eigenschaften der Asphaltene und Harze. Diese Fragestellung kann möglicherweise durch eine verbesserte Analyse der Bitumenstruktur beispielsweise mittels Rasterkraftmikroskop (AFM) oder Röntgen/Neutron"Kleinwinkelstreuung (SAXS, SANS) gelöst werden. Der Asphaltengehalt übt die offensichtlich deutlichsten Einflüsse auf die straßenbautechnischen Eigenschaften aus. So nimmt der Verformungswiderstand mit zunehmendem Asphaltengehalt deutlich zu. Darüber hinaus beeinflussen die Heteroatome die Bitumeneigenschaften. Sowohl das Adhäsionsverhalten (durch den Einfluss auf die Polarität) als auch die Viskosität wird durch die Heteroatome beeinflusst. Da der genaue Einfluss der Heteroatome noch nicht geklärt ist, bietet neben der Rolle der Asphaltene und Harze auch der Einfluss der Heteroatome auf die straßenbautechnischen Eigenschaften weitere Forschungsansätze.
Systematische Untersuchungen zur Belastung der Straßenabflüsse mit organischen Schadstoffen, die z. B. in Weichmachern, Tensiden, Klebstoffen, Lacken, Korrosionsschutzadditiven, Benzinzusätzen, Vulkanisierungsbeschleunigern bzw. Alterungsschutzmitteln (Antioxidans) zur Herstellung von Reifen enthalten sind, lagen bislang nicht vor. Im Rahmen dieses Vorhabens sind an drei Autobahnstandorten an der A6 (Sinsheim-Steinsfurt), A7 (Großburgwedel) und der A37 (Hannover-Kirchhorst) über den Zeitraum eines Jahres von Oktober 2011 bis September 2012 die direkten Straßenabflüsse beprobt worden. Als Parameter wurden Bezothiazole, Alkylphenole, Bisphenol A, Methyl-tert-butylether (MTBE), Bis(2-ethylhexyl)phtahalat DEHP), PAK, PCB, AOX/EOX, MKW sowie zusätzlich die Schwermetalle Zn, Cu, Pb und Cd untersucht. Die Eigenschaften der organischen Schadstoffe bedingten besondere Anforderungen an die Probenahmeeinrichtung, die Probenahme und die Analytik. Es wurden großvolumige Probensammelbehälter (rd. 900 l Inhalt) aus Edelstahl eingesetzt, die im freien Gefälle über eine Auffangwanne am Bankett und eine Edelstahlrinne mit dem direkten Abfluss der Verkehrsflächen befüllt wurden. Eine Behälterfüllung entsprach rd. 35 mm Niederschlagsabfluss. Es konnten standortabhängig zwischen 61% bis 82% des gesamten Niederschlagsabflusses über den Zeitraum eines Jahres beprobt werden. Nach Füllung der Behälter oder spätestens nach einem Monat wurden nach einer Absetzzeit von ≥ 3 Tagen das Überstandwasser und das Sediment im Behälter getrennt beprobt. Dadurch wurde bei den partikelgebundenen Analyten ein hoher Abstand der Messwerte von der Bestimmungsgrenze erzielt und damit eine höhere Messgenauigkeit erreicht. Die Proben wurden zunächst eingefroren und später abflussvolumenproportional zu Quartalsmischproben vereinigt und analysiert. In Vorversuchen wurde der Einfluss der Veränderung der Probenbeschaffenheit nach der max. 1-monatigen Standzeit im Probensammelbehälter untersucht und für die betrachteten Parameter für akzeptabel befunden. Die Schwermetall-Gesamtgehalte liegen im typischen Konzentrationsbereich von Straßenabflüssen mit hohen partikulären Anteilen (Zn > 77 %, Cu > 81 %, Pb > 91 %). Lediglich bei Cd liegt der partikelgebundene Teil mit 41"54 % deutlich niedriger. Für die Schwermetalle ist ein deutlicher Konzentrationsjahresgang mit Höchstwerten im Winter zu verzeichnen. Die Gesamtkonzentrationen für die organischen Analyten wurden mit den partikulären Anteilen (vgl. Tabelle 5-19 im Bericht) ermittelt. Für MTBE, ETBE, MBT und MeBT wurden weder in Lösung noch im Sediment Konzentrationen oberhalb der Nachweisgrenze gemessen. Für Benzol, Bisphenol A, Nonylphenol und Octylphenol konnten aufgrund der hohen Bestimmungsgrenzen im Wasser keine partikulären Anteile ermittelt werden. Die ermittelten Werte für PAK-16 und MKW treten in Straßenabflüssen häufig auf. Bezogen auf die anderen untersuchten organischen Schadstoffe liegen aus anderen Untersuchungen keine vergleichbar repräsentativen Messungen vor. Die hohen Maximalwerte einer Stichprobenuntersuchung an Autobahnen (Stachel et al. 2007) wurden nicht bestätigt. Für MKW, PAK-16, PCB-6 und DEHP konnte einheitlich ein hoher partikulärer Anteil (> 83 %) festgestellt werden. Für die 3 Benzothiazole (MTBT, BT, OHBT) liegt der partikuläre Anteil bei bis zu 53 %. Beim BTSA ergaben zwei Standorte kleine (≤ 10%) und ein Standort einen hohen partikulären Anteil (79 %). Ein first flush Effekt wurde nicht nachgewiesen. Die Schadstoffkonzentrationen direkt aufeinander folgender großer Ereignisse waren sehr ähnlich. Die Poren im Fahrbahnbelag des Standstreifens wirken wie ein Sedimentdepot, das sich über längere Zeit entleert. Bezogen auf die Regenwasserbehandlung kommt dem Rückhalt der Feinpartikel wegen des hohen partikulären Anteils der untersuchten Schadstoffe besondere Bedeutung zu.
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.
Bitumenextraktion aus Asphalt mit dem nachwachsenden Rohstoff Octansäuremethylester (Kokosester)
(2018)
In diesem Forschungsprojekt wird die Frage geklärt, ob Octansäuremethylester (OME) ein geeignetes Substitut für Trichlorethylen als Standardlösemittel für die Bindemittelextraktion aus Asphaltmischgut darstellen kann. Es werden die technischen Voraussetzungen für den Einsatz, die Auswirkungen auf die Ergebnisse von Laborprüfungen und eventuelle labortechnische Folgen analysiert. Die Möglichkeit der Substitution wird für verschiedene Asphaltarten und Bitumen überprüft. OME ist ein weitestgehend ungefährlicher bitumenlösender Pflanzenölester mit einem Siedepunkt von ca. 193 -°C und einem charakteristischen Geruch nach Kokos. Ab einer Temperatur von ca. 245 -°C sind die Lösemitteldämpfe bei Sauerstoffkontakt spontan entflammbar, weshalb die Heissextraktion aus Arbeitsschutzgründen mit diesem Lösemittel nicht durchgeführt werden sollte. Die Extraktion in einer geschlossenen Anlage bei abgesenktem Druck und moderateren Temperaturen kann sicher erfolgen. In den Ergebnissen der Mischgutanalyse zeigen sich unter Anwendung von OME im Vergleich zu Ergebnissen unter Anwendung von Tri als Lösemittel keine signifikanten Unterschiede. Sowohl der bestimmte Bindemittelgehalt als auch der bestimmte Fülleranteil sind unter Anwendung der beiden Lösemittel weitestgehend als gleich zu bewerten. In dem an die Extraktion anschließenden Prozess der Bindemittelrückgewinnung wird das Lösemittel im Rotationsverdampfer von der Bitumenphase getrennt. Dieser Vorgang der Destillation wurde für üblicherweise im Asphaltlabor vorhandene Rotationsverdampfer weitestgehend optimiert. Es war jedoch nicht möglich, das gesamte Lösemittel von der Bitumenphase zu trennen, weshalb Lösemittelreste im Bitumen verblieben. Diese führen zu Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der rückgewonnenen Bindemittel. Mehrheitlich zeigt sich das mit OME zurückgewonnene Bindemittel in allen angesprochenen Temperaturbereichen weicher als nach Rückgewinnung mit Tri. Die Ergebnisse der Vergleichsuntersuchungen deuten an, dass die Menge der im Bitumen verbleibenden Lösemittelreste vom verwendeten Destillationsgerät abhängt und dadurch die Vergleichbarkeit von Ergebnissen aus Bitumenprüfungen an mit OME zurückgewonnenen Bindemitteln gering ist.