31 Bituminöse Baustoffe
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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.
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.
Offenporige Asphaltbeläge besitzen mit 22 % Hohlraum im Belag und einer groben Kornstruktur an der Oberfläche einen wesentlich anderen Aufbau als dichte Beläge. Nach vorliegenden Erfahrungen und Ergebnissen von durchgeführten Untersuchungen erfordern die Belagseigenschaften der offenporigen Asphaltbeläge eine andere Anwendung von Tausalz. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) führte in den vergangenen Jahren gemeinsam mit der Firma KOMMZEPT-Ingenieurbüro Hausmann umfangreiche Untersuchungen zum Salzeinsatz auf offenporigen Belägen durch. Dazu gehörten Laborversuche, Messungen zur Verweil- und Wirkungsdauer von Tausalz auf diesen Belägen und Auswertungen der Beobachtungen von Autobahnmeistereien in Bayern, Brandenburg und Niedersachsen. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die offenporigen Beläge teilweise winterdienstlich anders behandelt werden müssen als die dichten Beläge. Die Offenporigen Asphalte besitzen im Vergleich zu dichten Belägen eine deutlich rauere Oberflächenstruktur. In den Poren des Belags fließt Wasser nicht vollständig ab. Durch Kapillarwirkungen lagert sich Wasser im Belag ähnlich wie in einem Schwamm ab. Dieses Wasser im Belag kann durch den Verkehr sogar wieder zur Oberfläche gesaugt werden, an der es bei Temperaturen unter 0 -°C vor allem nachts zu einer Eisschicht kommen kann. Aufgrund der größeren gebundenen Wassermengen muss mehr Salz auf offenporigen Asphalten gestreut werden. Ausgebrachtes Tausalz bleibt länger in den Oberflächenporen oder im Belag haften. Es wird im Vergleich zu dichten Belägen durch den Verkehr fast nicht zur Seite verweht. Vorbeugend ausgebrachtes Feuchtsalz dringt langsam in die Oberfläche ein. An den eigentlichen Kontaktflächen zum Reifen bleibt wenig haften. Deshalb ist der Einsatz von Tausalzlösungen bei Reifglätte oder geringer Feuchte (Nieselregen) wirkungsvoller.
Im Vorhaben wurde das Verhalten von offenporigen Fahrbahnbelägen in Bezug auf brennbare Flüssigkeiten im Vergleich zu dichten Fahrbahnoberflächen untersucht und analysiert inwieweit die speziellen Eigenschaften von offenporigen Asphalten Auswirkungen auf die Sicherheitsannahmen für risikobasierte quantitative Untersuchungen für Tunnel oder teilgeschlossene Bauwerke aufweisen. Hierzu wurden umfangreiche Versuche an großflächigen Versuchsplatten (80 x 80 cm) mit Deckschichten aus offenporigem Asphalt (PA) und Splitt-Mastix-Asphalt (SMA) sowie ergänzende CFD-Berechnungen durchgeführt. Die Ermittlung des Durchfluss- und Ausbreitverhaltens erfolgte bei konstanter Flüssigkeitsaufgabe auf die Versuchsplatten und Fassung der an den Plattenseiten austretenden Flüssigkeit in Messzylindern. Über diese wurde für die verschiedenen Deckschichten das zeitliche und räumliche Ausbreitungsverhalten analysiert. Die Ermittlung des Einflusses einer Oberflächenneigung erfolgte durch Variation der Ableitversuche mit zwei unterschiedlichen Plattenneigungen. Die Ermittlung des Brandverhaltens erfolgte in zwei Schritten. In einer ersten Versuchsreihe wurden auf die Platten verschiedene zuvor definierte Kraftstoffmengen aufgegeben und anschließend gezündet, so dass bei Brandbeginn beim SMA ein übersättigter und beim PA, je nach Aufgabemenge ein übersättigter, gesättigter oder teilgesättigter Asphalt vorlag. In der zweiten Versuchsreihe erfolgte während des Abbrands ein kontinuierlicher Benzinzufluss. Die Analyse der umfangreichen Daten aus den Versuchsreihen ermöglichte die Bereitstellung detaillierter Eingangsgrößen für die CFD-gestützte Modellierung und Validierung des zeitlichen und räumlichen Ausbreitungs- und Abbrandverhaltens für die betrachteten Fahrbahnoberflächen. In der sich anschließenden Wirkungsanalyse wurden die sich aus der Modellierung ergebenden Auswirkungen der unterschiedlichen Fahrbahnoberflächen (PA und SMA) ermittelt und unter Anwendung des Verfahrens für die Bewertung der Sicherheit von Straßentunneln miteinander verglichen. Der quantitative Sicherheitsvergleich zeigte, dass offenporige Asphaltbeläge in Einhausungs- und Tunnelbauwerken unter risikoorientierten Gesichtspunkten nicht ungünstiger als dichte Fahrbahnbeläge einzustufen sind.
Teil 1: Literaturauswertung: Da zur Zeit kein einheitliches Untersuchungskonzept zur Bestimmung des Einflusses der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten besteht, wurde eine Literaturstudie durchgeführt und mit dem Ziel ausgewertet, wissenschaftlich abgesicherte und eindeutige Erkenntnisse herauszuarbeiten. Die Literaturstudie erfolgte nach einem einheitlichen Schema z.B. hinsichtlich der Zielsetzung der Untersuchungen, der Art der Prüfung, der Art der Mischgutsorte, der Art der Asphaltzusammensetzung, der Art und Herkunft der Mineralstoffe, der Kornverteilung, des Bindemittelgehaltes etc. Da sich nur vier relevante Veröffentlichungen mit Asphalten aus Kiesedelsplitten auseinandersetzen und sich 14 auf Asphalttragschichten beziehen, wurde nach der Erfahrungssammlung aus dem bisherigen Stand der Prüfverfahren und Untersuchungsmethodik ein zielgerichtetes Konzept für eine Laboruntersuchung vorgeschlagen, die es ermöglichen soll, den Einfluss der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten zu quantifizieren und wissenschaftlich abzusichern. Es wurde festgestellt, dass dieser Einfluss bisher in keiner Literaturstelle wissenschaftlich haltbar und eindeutig beantwortet wurde. Es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass alle Einflussgrößen so genau erfasst und beurteilt werden können, dass daraus zielsicher auf die Standfestigkeit eines Asphaltes geschlossen werden kann. Was zur zielsicheren Herstellung von standfesten Asphalten fehlt, ist nicht das Mehr an gebrochener Oberfläche, sondern ein Prüfverfahren und die dazugehörigen Anforderungswerte, mit denen im Rahmen der Eignungsprüfung eine zuverlässige und praxisorientierte Beurteilung der Standfestigkeit von Asphalt möglich ist. Damit sollten auch Baustoffe und Baustoffgemische bestimmter Herkunft oder Zusammensetzung auf deren Eignung zur Herstellung standfester Asphalte zielsicher beurteilt werden können. Teil 2: Einfluss des Rundkornanteils auf die Scherfestigkeit von Gesteinskörnungen: Die Untersuchungen sollen zur Klärung beitragen, inwieweit Edelsplitte aus gebrochenem Kies mit unterschiedlichen Bruchflächenanteilen verwendet werden können, ohne die Verformbarkeit von Asphaltschichten wesentlich zu beeinflussen. Die Untersuchung wurde auf die bodenmechanische Fragestellung ohne Berücksichtigung des Einflusses des Bindemittels beschränkt. Verwendet wurden ungebrochene und gebrochene Terassenkiese vom Oberrhein, die im wesentlichen aus Quarzen, verschiedenen Kalksteinen, Kieselschiefern, Sandsteinen, kristallinen Gesteinen und dichten kieseligen Gesteinen bestehen. Es sind an Versuchsreihen mit unterschiedlich zusammengesetzten Korngemischen Dreiaxial- und CBR-Versuche bei verschiedenen Bruchflächenanteilen durchgeführt worden, um Beziehungen zwischen Druckspannungen bzw. CBR-Werten und Bruchflächenanteilen zu ermitteln. Für eine Versuchsreihe ist zudem die Beziehung zwischen dem Reibungswinkel j und dem Bruchflächenanteil bestimmt worden. Alle vier für die Überprüfung des Einflusses der Bruchflächen auf die Festigkeit von Korngemischen durchgeführten Versuchsreihen führen zu vergleichbaren ähnlichen Ergebnissen. Dreiaxialversuche wie auch CBR-Versuche zeigen mit zunehmendem Bruchflächenanteil ein Ansteigen der Druck- bzw. der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert, der im Bereich des Bruchflächenanteils von 50 % bis 75 % liegt. Größere Anteile an Bruchflächen ergeben bei gleichen Versuchsbedingungen keinen Anstieg der Festigkeitswerte. Diese Aussage gilt ausschließlich für die untersuchten ungebundenen Mineralgemische bei vergleichbaren Versuchsbedingungen. Inwieweit ein Bindemittel z.B. Bitumen, diese Erkenntnisse beeinflussen könnte, ist nur durch eine ergänzende Forschungsarbeit zu beantworten.
Viskositätsverändernde Zusätze im Asphalt werden seit mehr als 15 Jahren verwendet. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Zusätze sind die Temperaturabsenkung und die Verwendung als Verarbeitungshilfe, frühere Verkehrsfreigaben sind möglich, die Maschinentechnik wird geschont. An Beispielen werden diese Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt und Hinweise zum Umgang mit viskositätsveraenderten Asphalten gegeben.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Absenkung der Produktions- und Verarbeitungstemperatur von Asphalt durch Zugabe von Bitumenverflüssigern", FE 07.203/2002/CRB, sind Langzeitbeobachtungen der eingerichteten Versuchsstrecken vereinbart. Hierzu werden die Strecken BAB A7 und B 106 nach zwei, vier und acht Jahren systematisch visuell und messtechnisch beurteilt. Die Ergebnisse werden als Ergänzungen zum Abschlussbericht dargestellt. Die vorliegende Ergänzung fasst den Zustand nach insgesamt 8-jähriger Liegezeit unter Verkehrsbelastung zusammen. Die visuelle Zustandserfassung fällt für beide Versuchsstrecken durchaus noch positiv aus. Die temperaturabgesenkt hergestellten Erprobungsabschnitte schneiden dabei - bis auf wenige Ausnahmen - auf beiden Strecken mit geringen Vorteilen gegenüber den Referenzstrecken ab. Die messtechnische Beurteilung bestätigt diesen Eindruck. Es wurden keine bedeutenden Abweichungen in der Längsebenheit festgestellt. Die ermittelten Spurrinnentiefen liegen auf beiden Strecken auf etwa gleichem, sehr niedrigem Niveau. Die Griffigkeit kann für beide Strecken als sehr gut beurteilt werden. Die absoluten Griffigkeitsbeiwerte liegen auf der B 106 mit einem SMA 0/8 S erwartungsgemäß höher als auf der BAB A7 bei einem SMA 0/11 S. An den aus Bohrkernen extrahierten Bindemitteln wurden Kenndaten ermittelt und den mit dem Endbericht veröffentlichten Ergebnissen gegenübergestellt. Bei der BAB A 7 lässt sich eine eindeutige Reihenfolge der jeweiligen Abschnitte zu positiven bzw. negativen Eigenschaften aus den untersuchten Bindemittelkenndaten nicht vornehmen. Ebenso sind keine systematischen wechselseitigen Abhängigkeiten zu erkennen. Bei der B 106 lassen sich bei Betrachtung der klassischen Bindemittelkenndaten Vorteile für eine Bindemittelvariante gegenüber den beiden anderen Varianten erkennen. Die Referenzvariante mit unmodifiziertem PmB 45 A zeigt dagegen das ungünstigste Verhalten hinsichtlich Alterung. Bei Betrachtung der performance-orientierten Prüfverfahren lässt sich eine solche eindeutige Reihung nicht feststellen. Aus jetziger Sicht zeigen die Untersuchungsergebnisse noch keine eindeutigen Unterschiede hinsichtlich des Verhaltens der einzelnen Additive und ihrer Eignung unter Verkehrsbelastung. Bei einzelnen Merkmalen zeichnet sich der Beginn von Veränderungen ab, so dass nach derzeitigem Stand empfohlen wird, eine weitere Begehung/Untersuchung nach weiteren zwei Jahren Liegezeit durchzuführen. Es darf erwartet werden, dass sich dann größere Unterschiede zeigen werden.
Einfluss von Additiven auf den Schichtenverbund und die Haftung des Abstreusplittes bei Gussasphalt
(2001)
Im Oktober 2000 wurde ein zulässiger Grenzwert für Dämpfe und Ärosole, die bei der Heißverarbeitung von Bitumen entstehen, festgelegt. Bei der Verarbeitung von Gussasphalt, die üblicherweise bei Temperaturen von mehr als 200 Grad Celsius erfolgt, wird der Grenzwert wegen der hohen Einbautemperatur in der Regel deutlich überschritten. Neben der Rezeptur des Gussasphalts hat eine hohe Einbautemperatur großen Einfluss auf dessen Verarbeitbarkeit und spätere Standfestigkeit. Die Merkmale "Gute Verarbeitbarkeit und geringe Emissionsbildung" schließen sich generell gegenseitig aus. Berichtet wird über Untersuchungen zur Verminderung der Emissionen beim Einbau von Gussasphalt. Dies soll durch Absenkung der Einbautemperatur bei Beibehaltung guter Verarbeitbarkeit und Gebrauchstauglichkeit geschehen. Im Labor wird die Wirksamkeit von Additiven hinsichtlich Verformungsbeständigkeit, Schichtenverbund und Griffigkeit (Splitthaftung) untersucht. Außerdem soll ein Verfahren zur objektiven Bewertung der Konsistenz des Gussasphalts bei Verarbeitungstemperatur entwickelt werden. Geeignete Additive sollen später in Erprobungsstrecken auf ihre praxisgerechte Anwendbarkeit, emissionsmindernde Wirkung und ihr Langzeitverhalten untersucht werden.
Untersuchungen an einer Beobachtungsstrecke mit Niedrigtemperatur-Gussasphalt : BAB 1 Euskirchen
(2003)
Durch die laufende Diskussion hinsichtlich der Emissionsgrenzwerte bei Gussasphalten und auch die Suche nach Problemlösung zur CO2-Reduktion und Energieeinsparung bei der Herstellung von Asphalt werden zunehmend Additive und modifizierte Bindemittel angeboten, die viskositätsabsenkend wirken sollen und so die Herstellungs- und Verarbeitungstemperaturen von Asphalten absenken. In dem hier vorliegenden Bericht wird der Einbau von Gussasphalt mit abgesenkten Temperaturen auf einer Erprobungsstrecke auf der BAB 1 bei Euskirchen dokumentiert. Es wurden die Additive Asphaltan A, Sasobit und das Fertigbindemittel Sübit VR 35 erprobt. Dabei wurde der Zusammenhang zwischen der Verarbeitungstemperatur der Gussasphalte und der dabei auftretenden Emissionsbildung untersucht. Die beim Einbau gemessenen Emissionen lagen in allen Versuchsfeldern deutlich unter 10 mg/m-³. Die modifizierten Gussasphalte wurden zudem hinsichtlich ihrer Gebrauchseigenschaften untersucht. Dabei ergaben sich keine Hinweis darauf, dass die Modifikation der Gussasphalte die Gebrauchseigenschaften nachteilig beeinflussen. Die Erprobungsstrecke soll über einen Zeitraum von mindestens 6 Jahren beobachtet werden.
Im Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) des Bundesministeriums für Arbeit und Sozialordnung wurde ein Grenzwert für Bitumendämpfe beim Einbbau von Asphalt festgelegt. Dabei soll ein Wert von 10 mg/m3 der Summe der Kohlenwasserstoffe nicht überschritten werden. Dieser Wert scheint beim Einbau von Walzasphalt einhaltbar zu sein, bei Gussasphalt (GA) bestehen wegen der deutlich höheren Asphalttemperaturen von etwa 250 °C Zweifel. Für Gussasphalt wurde der Grenzwert für zwei Jahre ausgesetzt, mit dem Ziel, Messungen und erste Schritte der Emissionssenkung durchzuführen.