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Gemäß Erlass des BMVBW StB 26/38.56.05-10/20 Va 94 vom 02.05.1994 werden bei größeren Baumaßnahmen Bitumenproben entnommen und diese im Rahmen von Kontrollprüfungen untersucht. Die Ergebnisse der Bitumenkontrollprüfungen für die Jahre 2000 bis 2005 wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen gesammelt und statistisch ausgewertet. Die statistische Auswertung von Bitumenkontrollprüfungen hat die folgenden Ziele:rnÜbersicht der im Straßenbau verwendeten Produkte.rnGewinnung von Daten zur Beurteilung der Bitumenqualität und der Prüfqualität.rnIdentifizierung von Anomalien. Die im Straßenbau verwendeten Bitumen erfüllen weitgehend die Anforderungen. Auffälligkeiten sind nur hinsichtlich folgender Parameter und Produkte festzustellen: Die Spezifikationen der EN 12591 bezüglich der Erweichungspunkte von nicht-modifizierten Straßenbaubitumen werden eingehalten. Aufgrund einer freiwilligen Selbstbeschränkung der Bitumenproduzenten wurden die Spannen für die Erweichungspunkte stärker eingegrenzt als in der EN 12591 gefordert. Hinsichtlich dieser Spannen muss festgestellt werden, dass bei allen Bitumensorten bis zu 8 Prozent der ermittelten Werte außerhalb der angestrebten Spezifikationen liegen. Dies ist insbesondere für das sehr häufig eingesetzte Bitumen der Sorte 50/70 bedeutsam. Für das Bitumen 30/45 wurde eine beträchtliche Überschreitung der Zunahme des Erweichungspunktes nach thermischer Beanspruchung festgestellt. Messtechnische Einflüsse können weitgehend ausgeschlossen werden, so dass die Ursache hierfür in produktionstechnisch bedingten Einflüssen zu suchen ist. Hinsichtlich des Brechpunktes nach Fraaß scheint eine Verbesserung der Prüfqualität eingetreten zu sein. Besonders das Bitumen der Sorte 50/70 zeigt eine symmetrische statistische Verteilung der Prüfdaten. Die Spannweite in der die Brechpunkte einer Sorte auftreten ist nach wie vor ausgesprochen groß. Polymermodifizierte Bitumen, wie zum Beispiel das PmB 45, zeigen keine Verbesserung der Prüfwertverteilung. Es ist möglich, dass die Brechpunktbestimmung nach Fraaß für die Prüfung nicht-modifizierter Bitumen prinzipiell besser geeignet ist, als für die Prüfung polymermodifizierter Bitumen. Im Rahmen der TL PmB wurden drei Prüfverfahren zur Erfahrungssammlung eingeführt. Als Hilfestellung zur Beurteilung der Prüfergebnisse wurden Orientierungswerte vereinbart. Mit Hilfe des Biegebalken-Rheometers (BBR) wird die Steifigkeit von Bitumenprüfkörpern bei einer Temperatur von "16 -°C gemessen. Die Orientierungswerte wurden von allen untersuchten PmB erfüllt. Das dynamische Scher-Rheometer (DSR) ermöglicht die Messung des komplexen Schubmoduls und des Phasenwinkels Delta. Während die Orientierungswerte für den Phasenwinkel eingehalten werden können, liegen beim komplexen Schubmodul für PmB 25 etwa 40 Prozent und für PmB 45 sogar mehr als 70 Prozent über dem veranschlagten Orientierungswert. Die Kraftduktilitätsprüfung (KD) entspricht einem direkten Zugversuch und ermöglicht die Messung der bei der Dehnung eines Bitumenprüfkörpers auftretenden Kräfte. Weniger als fünf Prozent der geprüften Proben der Sorte PmB 45 erreichen den angestrebten Orientierungswert von 1 Joule. Eine Ursache ist die zu optimistische Einschätzung bezüglich der Höhe der Formänderungsenergie von PmB 45. Ein weiterer Grund ist die gewählte Prüftemperatur von 25 -°C. Diese Temperatur ist zu hoch um die Eigenschaften eines PmB 45 optimal ansprechen zu können. Für die aufgeführten Verfahren ist sowohl eine Anpassung der Anforderungswerte als auch der Prüfbedingungen erforderlich, um eine möglichst differenzierte und qualitätsorientierte Ansprache der Bitumenprodukte zu ermöglichen. Bezüglich der Datenerfassung wäre eine bessere Dokumentation zur eindeutigen Identifizierung der Bitumenproben nach Raffinerie und Mischanlage wünschenswert. Im Rahmen des Projektes wurde eine Datenbank erstellt, die eine einfache Dateneingabe und statistische Auswertung ermöglicht. Diese Datenbank hat den Vorteil, dass bei Nutzung durch die beteiligten Prüfinstitute eine Redigitalisierung der Daten vermieden werden kann. Weiterhin stehen die Ergebnisse der statistischen Auswertungen mit Hilfe der in der Datenbank integrierten Auswertealgorithmen sofort nach der Dateneingabe zur Verfügung. Auf diese Weise können statistische Auswertungen zukünftig sehr schnell aktualisiert werden.rn
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
Zur Erhöhung des Verformungswiderstandes von Asphaltbefestigungen ist eine Vielzahl von Produkten entwickelt worden, welche dem Bitumen erst an der Mischanlage zugegeben werden können. Da deren Praxisverhalten aber oftmals noch nicht hinreichend bekannt ist, wurde auf einem Streckenabschnitt der BAB 1 bei Euskirchen eine Versuchsstrecke zur Erprobung der Additive eingerichtet. Fazit nach vier Jahren Nutzungsdauer ist, dass die untersuchten Produkte in Verbindung mit einem nicht-modifizierten Straßenbaubitumen grundsätzlich als vergleichbare Bindemittelalternative verwendbar sind. Die separate Zugabe an der Mischanlage hat jedoch i. a. einen höheren Aufwand zur Folge, so dass der Einsatz sich insbesondere für Sonderanwendungen (z. B. Kleinmengen oder Mischgut mit höherer Modifizierung) eignet. Für die Anwendungen wird eine objektbezogene, aussagekräftige erweiterte Eignungsprüfung als zwingend notwendig angesehen. Bei großflächigen Anwendungen sollte aufgrund der noch nicht eindeutig dokumentierten gleichmäßigen Verteilung der Produkte und des noch fehlenden quantitativen Nachweises den gebrauchsfertigen PmB der Vorzug gegeben werden. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die Erprobungsfelder zwar in einem Autobahnabschnitt der Bauklasse SV liegen, die Verkehrsbelastung aber noch deutlich unter den besonders hoch belasteten Autobahnabschnitten in Nordrhein-Westfalen liegt. Auf der Erprobungsstrecke ist somit die Gefahr einer vergleichsweise schnellen Spurrinnenbildung nicht besonders hoch.
