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Bindemitteldesign für Asphaltstraßen : Definition eines chemisch-rheologischen Anforderungsprofils
(2018)
Das Ziel dieses Projekts war das Auffinden von Zusammenhängen zwischen den chemischen Bitumeneigenschaften und dem rheologischen Verhalten, dem Alterungsverhalten sowie dem Haftverhalten des Bindemittels. Zum Erreichen dieses Ziels wurden zwölf Bitumenproben in unterschiedlichen Alterungszuständen und vier Gesteinsproben mit verschiedenen chemischen, rheologischen, physikalischen und haftbetreffenden Methoden untersucht. Bei der Gegenüberstellung der Prüfergebnisse konnte eine Vielzahl an bilateralen Korrelationen zwischen den einzelnen Kennwerten gefunden werden. Zusätzlich zu diesen bilateralen Zusammenhängen wurden weiterhin mithilfe von multiplen Regressionsanalysen Linearkombinationen erstellt, die durch eine kombinierte Berücksichtigung der Gehalte und der Molmassenmittelwerte Mn der SARA-Fraktionen die Beschreibung und Prognose einer Vielzahl von Kennwerten ermöglicht. Zu diesen Kennwerten zählen neben den rheologischen Prüfgrößen, wie dem Erweichungspunkt, der Nadelpenetration sowie dem komplexen Schermodul |G*| und dem Phasenwinkel δ, auch die Alterungsindices dieser Prüfgrößen. Somit können anhand der SARA-Fraktionen im nicht gealterten Zustand Aussagen über das Alterungsverhalten der Bitumen getroffen werden. Neben der Rheologie und dem Alterungs-verhalten ist zudem eine Beschreibung des Haftverhaltens möglich, wobei neben den SARA-Fraktionen als Gesteinskennwerte weiterhin der Siliziumdioxidgehalt sowie der isoelektrische Punkt zu berücksichtigen sind. Zudem konnte durch die Umstellung der gefundenen Linearkombinationen ein synthetisches Bindemitteldesign abgeleitet werden, sodass durch die Vorgabe der angestrebten rheologischen, alterungsbedingten und haftungsbedingten Kennwerte die zum Erreichen dieser Kennwerte erforderlichen Gehalte der SARA-Fraktionen ermittelt werden können.Dies ermöglicht die Modifizierung von Bitumenzusammensetzungen, um eine gezielte Beeinflussung der Bindemitteleigenschaften zu erreichen.
Da Polymer-, Gummi-, wachs- und mehrfachmodifizierte Bitumen seit Jahren im Asphaltstraßenbau eigesetzt werden, kommen diese vermehrt im Ausbauasphalt vor. Zur Bewertung des Ausbauasphalts ist es daher notwendig, die Modifizierungen an der Mischanlage zu identifizieren. Die Ausbildung des Bindemittelsacks beim Erweichungspunkt Ring und Kugel ist charakteristisch für die Modifizierung. Hierdurch können wachsmodifizierte Bitumen (WmB) recht präzise und Polymermodifizierten Bitumen (PmB) teilweise identifiziert werden. Mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) werden die Schmelztemperaturen der Wachse erfasst. Hierdurch können WmB identifiziert und die Wachsarten unterschieden werden. Die Analytik mittels Dynamischem Scherrheometer (DSR) startet mit der Bestimmung der Äquisteifigkeitstemperatur EG*T. Bei EG*T werden Frequenz-, Amplituden- und MSCR-Tests durchgeführt. Die Grenze des LVE-Bereichs dient der Identifizierung von WmB. Anhand der Kennwerte bei 0,1 Hz können PmB erkannt werden. Die Rückformung (MSCRT) dient der Identifizierung von Mehrfachmodifizierungen. Da Gummimodifizierte Bitumen (GmB) bei der Extraktion erkannt werden, können alle Modifizierungsarten identifiziert werden. In den FTIR-Spektren (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) der modifizierten Bitumen verursachen einige Polymere und Wachse charakteristische Banden, wodurch diese erkannt werden. Die Identifizierung der übrigen Additive erfolgt mithilfe einer multivariaten Auswertung, wodurch mit Ausnahme der GmB (nicht erforderlich) alle Additive erkannt werden. An Stichproben konnte zudem eine Abgrenzung von Mehrfachmodifizierungen sowie eine Abschätzung der Zugabemenge erreicht werden. DSR und FTIR ermöglichen beide eine schnelle, einfache und zielsichere Identifizierung der Bitumenmodifizierungen. Durch die FTIR-Analytik können die Modifizierungen mit der größtmöglichen Präzision bestimmt werden. Die DSR-Analytik erlaubt dafür zusätzlich eine baupraktische Bewertung der Bindemittel.
