Straßenbautechnik / Teil 1...2018/09/03 · Institut für Straßenwesen Straßenbautechnik / Teil 1 6 Bitumen und Asphalt – geschichtlicher Überblick Bitumen und Asphalt kennt

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Straßenbautechnik / Teil 1

Stand Oktober 2018

Institut für Straßenwesen Straßenbautechnik / Teil 1

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Bitumen und Asphalt – geschichtlicher Überblick .................................................................. 6 1 Bitumen .......................................................................................................................... 7

1.1 Zusammensetzung .................................................................................................. 7 1.2 Gewinnung .............................................................................................................. 9 1.3 Eigenschaften ......................................................................................................... 9 1.4 Dichte, Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit ...............................................10 1.5 Thermoviskoses Verhalten .....................................................................................13 1.6 Elasto-viskoses Verhalten ......................................................................................14 1.7 Relaxationsvermögen .............................................................................................15 1.8 Retardationsvermögen ...........................................................................................16 1.9 Dehnungs- und Ermüdungsverhalten .....................................................................16 1.10 Haftverhalten ..........................................................................................................17 1.11 Verhalten gegenüber Wasser .................................................................................17 1.12 Verhalten gegenüber Öl .........................................................................................18 1.13 Verhalten gegenüber Chemikalien .........................................................................18 1.14 Verhalten gegenüber Luft und Licht ........................................................................21 1.15 Brandverhalten .......................................................................................................22 1.16 Bitumen und Umwelt ..............................................................................................23 1.17 Herstellung von Bitumen und Bitumensorten ..........................................................25 1.18 Begriffe für Bitumen und Zuber. aus Bitumen (in Anl. DIN EN 12597) ....................27 1.19 Verarbeitungsformen des Bitumens / Anforderungen .............................................31 1.20 Prüfverfahren für Straßenbaubitumen ....................................................................38

1.20.1 Nadelpenetration nach DIN EN 1426 ..............................................................38 1.20.2 Erweichungspunkt Ring und Kugel gemäß DIN EN 1427 ................................39 1.20.3 Penetrationsindex: ..........................................................................................40 1.20.4 Brechpunkt nach Fraaß gemäß DIN EN 12593 ...............................................40

1.21 Viskosität (Zähigkeit) ..............................................................................................42 1.21.1 dynamische Viskosität: ....................................................................................42 1.21.2 kinematische Viskosität: ..................................................................................42

1.22 Weitere Untersuchungsverfahren ...........................................................................44 1.22.1 Bestimmung des Flammpunktes und des Brennpunktes im offenen Tiegel nach Cleveland – DIN EN ISO 2592 ......................................................................................44

1.23 Mischungen von Bitumen untereinander ................................................................45 1.24 Polymermodifizierte Bitumen ..................................................................................46 1.25 Prüfverfahren für polymermodifizierte Bitumen .......................................................48

1.25.1 Kraftduktilität gemäß DIN EN 13589 ................................................................48 1.25.2 Bestimmung der elastischen Rückstellung von PmB [DIN EN 13398] .............49

1.26 Naturasphalt, Asphaltgestein, Asphaltite ................................................................50 1.27 Bitumenemulsionen ................................................................................................51


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1.28 Anwendungsbeispiele von Bitumenemulsionen in der Baupraxis: ..........................54 1.29 Kationische B.-Emulsion:........................................................................................54 1.30 Arbeiten mit Bitumenemulsion - Warum? .............................................................55 1.31 Prüfverfahren für Bitumenemulsionen ....................................................................56

1.31.1 Bestimmung der Ladungsart von Bitumenteilchen in Bitumenemulsionen durch Elektrophorese (DIN EN 1430) ......................................................................................56 1.31.2 Bestimmung. der Viskosität von Bitumenemulsionen mit dem Ausflussviskosimeter (DIN EN 12846) ...........................................................................57

1.32 Verhalten von Emulsionen bei und nach der Verarbeitung .....................................57 1.33 Bitumen und Steinkohlenteerpech ..........................................................................58

2 Gesteinskörnung ...........................................................................................................63 2.1 natürliche Gesteinskörnungen: ...............................................................................63

2.1.1 Magmatische Gesteine (Erstarrungsgesteine): ...............................................63 2.1.2 Sedimentgesteine (Ablagerungsgesteine): .....................................................63 2.1.3 Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine): ............................................64

2.2 Industriell hergestellte Gesteinskörnungen: ............................................................64 2.3 Rezyklierte Gesteinskörnungen: .............................................................................65 2.4 Gesteinskörnungen im Straßenbau ........................................................................65 2.5 TL Gestein-StB 04/18 .............................................................................................65

2.5.1 Begriffsbestimmungen: ....................................................................................66 2.5.2 Weiterführende Begriffe (national) ...................................................................67

2.6 Anforderungen an die Gesteinskörnungen .............................................................68 2.6.1 Allgemeines ....................................................................................................68 2.6.2 Grobe und feine Gesteinskörnungen ...............................................................68

2.6.2.1 Korngruppe/Lieferkörnung ........................................................................68 2.6.2.2 Füller ........................................................................................................68 2.6.2.3 Bestimmung der Trockenrohdichte von Gesteinskörnungen.....................69

2.6.3 Korngrößenverteilung ......................................................................................70 2.6.3.1 Kornform von groben Gesteinskörnungen ................................................72 2.6.3.2 Anteil gebrochener Oberflächen in groben Gesteinskörnungen ................73 2.6.3.3 Fließkoeffizient von feinen Gesteinskörnungen und -gemischen ..............73

2.6.4 Widerstand von Kies, Schotter und Splitt gegen Frost-Tau-Wechsel ...............74 2.6.4.1 Frost-Tau-Wechselversuch in Anlehnung an die DIN EN 1367-1 .............74

2.6.5 Widerstand gegen Zertrümmerung nach DIN EN 1097-2 ................................75 2.6.5.1 Schlagprüfung an Gesteinen der Kornklasse 8/12,5 mm - DIN EN 1097-2 75 2.6.5.2 Los Angeles Prüfung nach DIN EN 1097-2 ..............................................76

2.6.6 Widerstand gegen Polieren von Groben Gesteinskörnungen und Gesteinskörnungsgemischen ........................................................................................77

3 Literaturverzeichnis .......................................................................................................78


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Abbildungsverzeichnis: Abbildung 1.1: Klassiche vereinfachte Modellvorstellung zum Aufbau von Bitumen [1] ..... 8 Abbildung 1.2: Schematische Zusammensetzung von Bitumen [2] ................................... 9 Abbildung 1.3: Aufbau einer Erdölraffinerie [3] .................................................................. 9 Abbildung 1.4: E-Modul von Bitumen in Abhängigkeit von der Belastungszeit [5] ............14 Abbildung 1.5: Relaxation von Bitumen in Anhängigkeit von der Temperatur [6] ............15 Abbildung 1.6: Retardationsvermögen [5] ........................................................................16 Abbildung 1.7: Aufbau einer Rohölraffinerie [8] ................................................................25 Abbildung 1.8: Europäische Normen für Bitumen [9] ........................................................32 Abbildung 1.9: Anforderungen an Straßenbaubitumen nach DIN EN 12591 mit

Penetrationen von (20x0,1) mm bis (220x0,1) mm [9] ..............................33 Abbildung 1.10: Spezifikationen für Straßenbaubit. der Sorten mit Penetrationen von

(20x0,1) bis (220x0,1) mm [9] ...................................................................34 Abbildung 1.11: Darstellung der Nadelpenetration [12] .....................................................38 Abbildung 1.12: Erweichungspunkt Ring und Kugel (EW RuK) [12] ..................................39 Abbildung 1.13: Bestimmung des Brechpunktes nach Fraaß [13] .....................................40 Abbildung 1.14: Viskositäten und Gebrauchstemperaturen von Bitumen [3] .....................42 Abbildung 1.18 Darstellung des Versuchsaufbaus zur Bestimmung der Viskosität [14] ...43 Abbildung 1.16: Kraft-Weg-Diagramm der Kraftduktilität [14] ............................................48 Abbildung 1.20: Darstellung Kraft-Weg-Diagramm der Kraftduktilität .................................48 Abbildung 1.18: Schematische Darstellung der elastischen Rückstellung ..........................49 Abbildung 1.19: Schematische Darstellung einer Bitumen-Emulsion [15] ..........................51 Abbildung 1.20: Lagerung von Bitumen [15]......................................................................52 Abbildung 1.21: Arbeitsweise einer Bitumenemulsion [5] ..................................................54 Abbildung 1.22: Darstellung verschiedener Instandsetzungsmaßnahmen [16] ..................55 Abbildung 1.23: Bestimmung der Bitumenladung [15] .......................................................56 Abbildung 1.24: Bestimmung der Ausflusszeit einer Bitumenemulsion [15] .......................57 Abbildung 1.25: Darstellung des Brechverhaltens von kationischen Bitumenemulsionen

[15] ..........................................................................................................57 Abbildung 1.26: Brechverhalten [17] .................................................................................58 Abbildung 1.27: Zusammenhang zwischen den Begriffen Steinkohleteerpech und

Zubereitung aus Steinkohleteer-Spezialpech ..........................................61 Abbildung 2.1: Los-Angelos-Prüfung [19] .........................................................................76


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Tabellenverzeichnis: Tabelle 1.1: Physikalische Kenndaten von Bitumen (Richtwerte) nach [4] .......................10 Tabelle 1.2: Dichte von Bitumen bei unterschiedlichen Temperaturen nach [4] ...............12 Tabelle 1.3: Umrechnungstabelle von einem Bitumengewicht auf das Bitumenvolumen

nach [4] ........................................................................................................12 Tabelle 1.4: Beständigkeit gegen Chemikalien [8] ...........................................................19 Tabelle 1.5: Produkte der Rohölverarbeitung ..................................................................26 Tabelle 1.6: Übersicht über die Anwendungsgebiete von Bitumen [6] .............................30 Tabelle 1.7: Anforderungen an Straßenbaubitumen nach DIN EN 12591 mit

Penetrationen von (20x0,1) mm bis (220x0,1) mm (Deutsche Normung) [11] ....................................................................................................................35

Tabelle 1.8: Spezifikationen für multigrade Straßenbitumen: Eigenschaften die für alle multigraden Straßenbaubitumen gelten: nach [12] .......................................36

Tabelle 1.9: Spezifikationen für multigrade Straßenbitumen: Eigenschaften, die mit speziellen regionalen Anforderungen verbunden sind [12] ...........................37

Tabelle 1.10: Anforderungen an die Penetration von Straßenbaubitumen ........................38 Tabelle 1.11: Anforderungen an Elastomermodifizierte Bitumen (PmB A) [11] ..................47 Tabelle 1.12: Anforderungen an Elastomermodifizierte Bitumen (PmB A) .........................47 Tabelle 1.13: Bitumen und Steinkohleteerpech [19] ..........................................................59 Tabelle 2.1: Siebgrößen zur Festlegung von Korngruppen/Lieferkörnungen ...................68 Tabelle 2.2: Korngrößenverteilung Fremdfüller ...............................................................68 Tabelle 2.3: Allgemeine Anforderungen an die Korngrößenverteilung .............................70 Tabelle 2.4: Grenzwerte u. Toleranzen für grobe Gesteinskörnungen durch

Zwischensiebe .............................................................................................71 Tabelle 2.5: Anforderungen an die Kornformkennzahl .....................................................72 Tabelle 2.6: Anforderungen an die Plattigkeitskennzahl ..................................................72 Tabelle 2.7: Anforderungen an den Anteil gebrochener Körner (einschließlich des Anteils

vollständig gebrochener und vollständig gerundeter Körner) .......................73 Tabelle 2.8: Kategorien für die Mindestwerte des Fließkoeffizienten ...............................73 Tabelle 2.9: Temperaturverlauf bei dem Frost-Tau-Wechselversuch...............................74 Tabelle 2.10: Kategorien für die Höchstwerte des Frostwiderstandes ...............................74 Tabelle 2.11: Kategorien für die Höchstwerte des Schlagzertrümmerungswertes ............75 Tabelle 2.12: Kategorien für die Höchstwerte des Los-Angeles-Koeffizienten ...................76 Tabelle 2.13: Kategorien und ausgewählte Zwischenwerte für die Mindestwerte des

Widerstandes gegen Polieren ..................................................................77


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Bitumen und Asphalt – geschichtlicher Überblick

Bitumen und Asphalt kennt man nicht erst seit der großtechnischen Destillation von Erdöl. Sie waren bereits im Altertum als hochwertige Baustoffe bekannt. Ihre Anwendung beruhte schon damals auf den gleichen Eigenschaften, die heute mit modernen technischen Mitteln rationeller und vollkommener genutzt werden. Die ältesten Zeugnisse für die Anwendung von Asphalt im Hochbau, Wasserbau und Straßenbau reichen in die Zeit von etwa 3000 v.Chr.

Bitumen und Asphalt haben schon vor 3000 bis 5000 Jahren bei den damals entwickelten Hochkulturen technisch und wirtschaftlich eine Rolle gespielt. Im Nahen Osten wurden sie nicht nur zum Straßenbau und zur Ufersicherung eingesetzt, sondern auch im unmittelbaren menschlichen Lebensbereich als Mörtel im Mauerwerk und zur Abdichtung von Bädern verwendet. Ihr Gebrauch geriet unter römischer Herrschaft wieder in Vergessenheit. Im Mittelalter findet sich Bitumen in Europa und bei einigen Naturvölkern vorwiegend in der Heilkunde wieder.

Altertum: - 3500 v.Chr. Dichtungsschichten aus Bitumen und Schilfrohmatten - 3200 v.Chr. Bitumen als Mörtel für den Hochbau - 3200-500 v.Chr. Prozessionsstraßen und Höfe aus Ziegelplatten in Bitumen verlegt - 2800 v.Chr. Wasserrinnen aus Ziegel in Bitumenmörtel - 2300 v.Chr. Asphaltmastix für Fußböden - 2000 v.Chr. Bitumen zur Abdichtung von Schilfbooten - 600 v.Chr. Abdichtung von Dachgärten mit Bitumen (Babylon: Hängende Gärten

der Semiramis) Neuzeit: - 1595 Entdeckung des Asphaltsees auf Trinidad - 18. Jahrhundert Tränkdecken nach Mc Adam - 1802 Mastixbeläge mit Naturasphalt - 1850 Asphalt für Böschungssicherungen in England - 1859 Erster Bohrturm zur Erdölförderung - 1860 Straßenbeläge aus Stampfasphalt - 1876 Walzasphalt in Washington D.C. - um 1900 Oberflächenbehandlungen an der Cóte d'Azur, Frankreich - 1908 Gussasphalt im Hoch- und Straßenbau in Deutschland - 1920-1930 Einführung hohlraumarmer, korngestufter Asphaltmischungen - um 1930 Asphalt im Wasserbau in Deutschland - ab 1950 Mechanisierung des Straßenbaus und Entwicklung neuer Beläge

Verbreitung der Gussasphaltanwendung (1953 erste maschinelle Verlegung von Gussasphalt in Berlin)

- ab 1960 Dränasphalt - ab 1970 Splittmastixasphalt Gewalzter Gussasphalt - ab 1980 Industrielle Wiederverwendung von Asphalt


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1 Bitumen

1.1 Zusammensetzung

Ist ein bei der Aufarbeitung geeigneter Erdöle gewonnenes schwerflüchtiges, dunkelfarbiges Gemisch verschiedener organischer Substanzen, dessen elasto-viskoses Verhalten sich mit der Temperatur ändert.

Bitumen darf nicht mit Steinkohlenteerpech (früher Teer genannt) verwechselt werden. Zwischen Bitumen und Steinkohlenteerpech bestehen deutliche Unterschiede sowohl in stofflicher Hinsicht als auch im Gebrauchsverhalten (Geruch, thermoviskoses Verhalten, Alterung, toxikologisches Verhalten u.a.).

Die DIN EN 12597 beschreiben Bitumen als ein kolloidales System, in dem ein disperse Phase (Asphaltene: weich-, mittel-, hart- Asphaltene, Carbene, Carboide) in einer zusammenhängenden Phase aus hochsiedenden Ölen (Maltenen: Nicht-Aromaten, Paraffine, Naphthene, Aromaten, Erölharze, Asphaltharze) in stabiler Verteilung vorliegt. Die Asphaltene sind keine einheitliche Stoffgruppe; sie sind die höhermolekularen Anteile im Bitumen und lassen sich durch geeignete Lösemittel ausfällen. Dieser Aufbau kennzeichnet das Bitumen als eine Flüssigkeit, deren Fließverhalten jedoch besonderen Gesetzmäßigkeiten folgt. Zu den Bitumen im weitesten Sinne sind auch die in geologischen Zeiträumen aus Erdölen gebildeten Bitumenanteile von Naturasphalten zu rechnen.

Das Molekulargewicht von Bitumen liegt in einer Größenordnung von 500-10000 g/mol, worunter man die Summe der Gewichte aller am Bau eines Moleküls beteiligten Atome versteht. Die Moleküle können bestehen aus:

• Kettenförmigen Kohlenwasserstoffen: Wenn sie gesättigt sind bezeichnet man diese als Paraffine, und wenn sie ungesättigt sind, als Olefine

• Ringkohlenwasserstoffe: Diese werden als Naphthene bezeichnet, wenn sie sich in gesättigtem Zustand befinden und als Aromaten in ungesättigtem Zustand.

Als Ausgangsrohöl kommen vorzugsweise naphtheno-aromatische Erdöle in Betracht. Diese kommen vorwiegend aus dem Mittleren Osten, Mexiko, Venezuela, Mittelost-Europa und Russland. West-Europäische Vorkommen sind zwar geeignet, aber nicht in ausreichendem Maße vorhanden. Stark paraffinhaltige Bitumen sind ungeeignet, da sie das Haftvermögen und die Standfestigkeit des Bitumens bei Wärme herabsetzen (dazu zählen Rohöle aus Nordafrika). Bitumen kann als Kolloidsystem aufgefasst werden. Die schweren Asphaltene mit einer relativen Teilchenmasse von 5.000 - 9.000 g/mol schwimmen fein verteilt in der geschlossenen öligen Phase, die von den Maltenen (relative Teilchenmasse von 500-1000 g/mol) gebildet wird. Die Asphaltene sind im Wesentlichen nicht in den Maltenen löslich. Bei höheren Temperaturen können allerdings die äußeren polaren


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Kohlenwasserstoffanteile der Asphaltenmoleküle in der öligen Phase gelöst werden, so dass sich dann die Teilchengröße der Asphaltene verkleinert.

Neben den Asphaltenen sind in den Maltenen sogenannte Erdöl-Harze kolloidal dispergiert. Die Erdöl-Harze sind bei höheren Temperaturen in den Maltenen löslich (sie schmelzen), d.h. das Bitumen wird dünnflüssiger. Dazu muss der Einfluss der Maltene betrachtet werden: enthalten diese neben den Naphthenen viele Aromate, so nähern sie sich in ihrem Charakter den aromatenreichen Asphaltenen an, die dann in den Maltenen löslich werden. Daraus ergibt sich eine kolloidale Lösung, welche als Sol bezeichnet wird.

Die Destillationsbitumen stellen Sole dar, deren Konsistenz mehr durch die zäheren, aromatischen Maltene bestimmt wird. Der Erweichungspunkt wird stark durch den Asphaltengehalt beeinträchtigt. Standard-Destillationsbitumen haben einen Asphaltengehalt zwischen 15 und 20 M.-%. Dieser Solaufbau von Bitumen erklärt das thermoplastische Verhalten des Bitumens, mit einer von der Temperatur abhängigen Verformbarkeit.

Die chemische Zusammensetzung von Bitumen ist relativ konstant: Kohlenstoff ( C ): 80 - 85 % Wasserstoff ( H ): 7 - 10 % Sauerstoff ( O ): 2 - 9 % Stickstoff ( N ): 0,1 - 1 % Schwefel ( S ): 0,5 - 7 % Sonstiges: < 0,1 %.

Die Ausbildung der Kohlenwasserstoffmoleküle als Ketten oder Ringe mit Seitenketten, beeinflusst stark Eigenschaften wie z.B. Haftung am Gestein und Alterung.

Abbildung 1.1: Klassiche vereinfachte Modellvorstellung zum Aufbau von Bitumen [1]


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Abbildung 1.2: Schematische Zusammensetzung von Bitumen [2]

1.2 Gewinnung

Bitumen wird durch die Destillation von Erdöl hergestellt oder kann in Form von Naturasphalt (Bindemittel-Füllergemisch) aus Asphaltseen gewonnen werden (z.B. Trinidad-Asphaltsee).

Abbildung 1.3: Aufbau einer Erdölraffinerie [3]

1.3 Eigenschaften

o Farbe: schwarz o praktisch wasserundurchlässig o Aggregatzustand im Temperaturbereich der Straße: fest o Viskosität des Bitumens ist temperaturabhängig o Dichte: 1,0 - 1,1 g/cm³ bei 25 °C o alterungsempfindlich (Versteifung, Versprödung durch Oxydation) o resistent gegen Chemikalien, o nicht resistent gegen organische Lösungsmittel (Kraftstoffe) o schwer entflammbar, brennbar o das Verformungsverhalten ist elastisch, plastisch und viskos.


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Tabelle 1.1: Physikalische Kenndaten von Bitumen (Richtwerte) nach [4]

Kubischer Ausdehnungs-

koeffizient

Wärmeleit- fähigkeit

Spezifische Wärmekapazität

Wasserdampf- diffusions- widerstand

Oberflächen- spannung

α [°C-1] λ [W/mk] [kJ/kg k] µ mN/m

bei 15-200 °C bei 0-70 °C bei 0 °C 100 °C 200 °C bei 100-150 °C

6,0 – 6,2 10-4 0,15 – 0,17 1,72 1,93 2,18 praktisch

dampfdicht 30 - 20

1.4 Dichte, Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit

Die Dichte von Bitumen hängt von der Sorte ab und ändert sich mit der Temperatur:

- weiches Bitumen ist leichter als hartes

- heißes Bitumen ist leichter als kaltes.

Im Bereich praktisch vorkommender Temperaturen reichen die Werte für Straßenbaubitumen von 0,92 bis 1,07 g/cm³. Die Kenntnis der genauen Werte ist für eine exakte Dosierung an der Mischanlage von Bedeutung.

Die temperaturabhängige Änderung der Dichte beruht auf der Wärmeausdehnung. Der räumliche Wärmeausdehnungskoeffizient liegt bei 6 x 10-4/K und ist damit etwa 30-mal so groß wie derjenige von Gesteinen mit 5-12 x 10-6/K. Asphalt hat eine Wärmedehnzahl von ca. 1 x 10-4/K.

- Heißes Bitumen füllt mehr Hohlräume im Gesteinsstoffgemisch als kaltes. Das bei höheren Temperaturen entsprechend größere Bindemittelvolumen erleichtert das Einbauen und Verdichten. Sehr dicht zusammengesetztes Mischgut kann jedoch bei sehr hohem Verdichtungszustand und hohen Temperaturen Anzeichen der Überfettung zeigen (Mörtelanreicherung an der Oberfläche beim Einbau und Verdichten oder infolge Nachverdichtung durch Schwerverkehr).

- Abkühlende Asphaltschichten verkürzen sich (thermischer Schrumpf), wenn sie auf der Unterlage gleiten können. Dabei können sie von Randeinfassungen oder Anschlussflächen abreißen. Ein fester Schichtenverbund mit der Unterlage wirkt dem entgegen.

Die Wärmeleitfähigkeit von Bitumen beträgt 0,16 W/mk ( ≡ 0,14 kcal/m h °C) und ist damit im Vergleich mit vielen anderen Stoffen außerordentlich niedrig (vgl. 1,49 kcal/m h °C bei Basalt). Bitumen wirkt wärmedämmend. Diese Eigenschaft überträgt sich auf den Asphalt, wobei Mischgutzusammensetzung, Hohlraumgehalt, und Hohlraumverteilung von Einfluss sind. In jedem Fall ist die Wärmeleitfähigkeit von Asphalt im Vergleich zu ungebundenen oder hydraulisch gebundenen Gesteinen als niedrig anzusehen.


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Die Volumenänderung des Bitumens durch Temperatureinflüsse ist etwa 30-mal so groß wie bei Gesteinen. Sie muss bei volumetrischer Dosierung des Bitumens berücksichtigt werden. Der Ausdehnungskoeffizient beträgt 0,00060 – 0,00062 (6 x 10-4/K). In den unten aufgeführten Tafeln sind die Umrechnungen von Liter in Kilogramm sowie von kg in Liter bei verschiedenen Temperaturen für alle Bitumensorten aufgeführt.


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Tabelle 1.2: Dichte von Bitumen bei unterschiedlichen Temperaturen nach [4]

Dichte bei 25 °C [t/m³]

Dichte [t/m³] bei der gewünschten Temperatur [°C] 50 100 150 180 200 220 240

1,000 0,985 0,955 0,925 0,907 0,895 0,883 0,871 1,005 0,990 0,960 0,930 0,912 0,899 0,887 0,875 1,010 0,995 0,964 0,934 0,916 0,904 0,892 0,880 1,015 1,000 0,970 0,940 0,921 0,908 0,896 0,884 1,020 1,005 0,974 0,944 0,925 0,913 0,901 0,888 1,025 1,010 0,979 0,948 0,930 0,917 0,905 0,893 1,030 1,015 0,984 0,953 0,934 0,922 0,909 0,897 1,035 1,019 0,988 0,957 0,939 0,926 0,914 0,901 1,040 1,024 0,993 0,962 0,943 0,931 0,918 0,906 1,045 1,029 0,998 0,967 0,948 0,935 0,923 0,910 1,050 1,034 1,003 0,972 0,952 0,940 0,927 0,915 1,055 1,039 1,008 0,976 0,957 0,944 0,932 0,919 1,060 1,044 1,012 0,981 0,961 0,949 0,936 0,923 1,065 1,049 1,017 0,985 0,966 0,953 0,940 0,928 1,070 1,054 1,022 0,990 0,971 0,958 0,945 0,932 1,075 1,059 1,027 0,994 0,975 0,962 0,949 0,936 1,080 1,064 1,031 0,999 0,980 0,967 0,954 0,941 1,085 1,069 1,036 1,004 0,984 0,971 0,958 0,945 1,090 1,074 1,041 1,008 0,989 0,976 0,963 0,949

Tabelle 1.3: Umrechnungstabelle von einem Bitumengewicht auf das Bitumenvolumen nach [4]

Dichte bei 25 °C [ kg/l ]

Volumen [ l ] bei der gewünschten Temperatur [°C] 50 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

1,000 1,02 1,04 1,05 1,06 1,06 1,07 1,08 1,08 1,09 1,09 1,10 1,005 1,01 1,04 1,05 1,06 1,06 1,07 1,08 1,08 1,09 1,09 1,10 1,010 1,01 1,03 1,04 1,05 1,05 1,06 1,06 1,07 1,08 1,08 1,09 1,015 1,00 1,03 1,04 1,05 1,05 1,06 1,06 1,07 1,08 1,08 1,09 1,020 1,00 1,02 1,03 1,04 1,04 1,05 1,05 1,06 1,07 1,07 1,08 1,025 0,99 1,02 1,03 1,03 1,04 1,05 1,05 1,06 1,07 1,07 1,08 1,030 0,99 1,01 1,02 1,03 1,03 1,04 1,04 1,05 1,05 1,06 1,07 1,035 0,98 1,01 1,02 1,03 1,03 1,04 1,04 1,05 1,05 1,06 1,07 1,040 0,98 1,00 1,01 1,01 1,02 1,03 1,03 1,04 1,04 1,05 1,06 1,045 0,97 1,00 1,01 1,01 1,02 1,03 1,03 1,04 1,04 1,05 1,06 1,050 0,97 0,99 1,00 1,00 1,01 1,02 1,02 1,03 1,03 1,04 1,04 1,055 0,96 0,99 1,00 1,00 1,01 1,02 1,02 1,03 1,03 1,04 1,04 1,060 0,96 0,98 0,98 0,99 1,00 1,00 1,01 1,02 1,02 1,03 1,03 1,065 0,95 0,98 0,98 0,99 1,00 1,00 1,01 1,02 1,02 1,03 1,03 1,070 0,94 0,98 0,98 0,99 0,99 1,00 1,01 1,01 1,02 1,02 1,03 1,075 0,94 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 1,00 1,01 1,01 1,02 1,02 1,080 0,94 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 1,00 1,00 1,01 1,02 1,02 1,085 0,93 0,96 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 1,00 1,00 1,01 1,02 1,090 0,93 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 1,00 1,01 1,02


13

1.5 Thermoviskoses Verhalten

Bitumen ist eine Flüssigkeit, deren Fließverhalten (Viskosität) von der Temperatur abhängt. Im kalten Zustand ist es zähplastisch bis hart. Erwärmt man es, wird es immer weicher und durchläuft mit zunehmender Temperatur stufenlos alle Zustände von fest über zähflüssig bis dünnflüssig. Beim Abkühlen werden alle Zustände stufenlos rückwärts durchlaufen, ohne das eine stoffliche Änderung eintritt: Es gibt deshalb kein "Abbinden". Die temperaturbedingte Änderung der Viskosität ist umkehrbar und wiederholbar. Dieses thermoviskose Verhalten ist die Grundlage der Verarbeitung. Dabei hat jeder Arbeitsvorgang (Pumpen, Spritzen, Mischen, Einbauen, Verdichten) seinen bestimmten Viskositätsbereich.

Die zugehörigen Verarbeitungstemperaturen sind von der Bitumensorte abhängig: Härtere Sorten müssen heißer verarbeitet werden als weiche. Nach Abkühlen auf normale Tagestemperaturen hat das Bitumen die für die Belastbarkeit der Asphaltschichten erforderliche Konsistenz erreicht. Deshalb können Asphaltschichten bereits kurzer Zeit nach abgeschlossener Verdichtung dem Verkehr übergeben werden; ein wesentlicher Vorteil der Asphaltbauweise, denn er erlaubt die Ausführung von Straßenbauarbeiten unter Aufrechterhaltung des Verkehrs.

Auch die Wiederholbarkeit der temperaturbedingten Viskositätsänderung ist in der Praxis von Nutzen. Man kann u.a.

- erkaltete Mischgutproben wieder erwärmen und unter genormten Bedingungen verdichten (Materialprüfung),

- erkaltete Ränder eingebauter Mischgutbahnen wieder erwärmen und damit das Verkleben zweier Bahnen verbessern (Arbeitsnähte),

- schadhafte Fahrbahndecken unter Verwendung des alten Deckenmaterials erneuern: heizen, lockern, profilieren und – meist gemeinsam mit zusätzlich eingebautem Mischgut – wieder verdichten (Rückformen),

- Asphaltfräsgut und zerkleinerten Aufbruch (Asphaltgranulat) bei der Mischgutherstellung mit verwenden (Recycling).


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1.6 Elasto-viskoses Verhalten

Ein idealer Feststoff verhält sich rein elastisch; die zur Verformung des Feststoffes benötigte Energie wird vollständig zurückgewonnen, sobald keine Belastung mehr besteht.

Eine ideale Flüssigkeit verhält sich rein viskos; die zur Verformung benötigte Energie wird durch die Flüssigkeit in Form von Wärme aufgenommen und kann nicht zurückgewonnen werden.

Der Steifigkeitsmodul des Bitumen hängt von der Belastungszeit ab: Wird dem Bitumen durch Belastung eine Verformung aufgezwungen, so enthält seine Reaktion sowohl elastische als auch viskose Anteile. Bei sehr kurzen Belastungszeiten (schneller Verkehr) überwiegt der elastische Anteil: Die aufgezwungene Verformung federt nach Entlastung weitgehend zurück. Je länger die Belastungszeit (langsamer bzw. stehender Verkehr), desto größer wird der viskose Anteil, welcher bleibende Verformungen hervorruft. Dieses Verhalten wird noch von der Viskosität (Bitumensorte, Temperatur) beeinflusst:

- Je weicher das Bitumen, desto größer ist der viskose Anteil.

Für das Gebrauchsverhalten von Asphalt ist dieses elasto-viskose Verhalten günstig: Verkehrsstöße werden abgedämpft, Fahrbahn, Fahrzeug und Insassen werden geschont. Die bleibenden Verformungen können mit geeigneter, d.h. der Verkehrsbelastung angepasster Mischgutzusammensetzung in sehr geringen Grenzen gehalten werden.

Abbildung 1.4: E-Modul von Bitumen in Abhängigkeit von der Belastungszeit [5]


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1.7 Relaxationsvermögen

Relaxation bezeichnet den viskosen Spannungsabbau bei einer aufgezwungenen konstanten Dehnung.

Relaxation heißt Entspannung und steht im Zusammenhang mit dem elasto-viskosen Verhalten: Bitumen ist in der Lage, aufgezwungene Spannungen durch viskose Verformungen abzubauen, was praktisch einem Selbstschutz vor Überbean-spruchung gleichkommt. Dieser Spannungsabbau erfolgt nicht spontan, sondern allmählich, und die Geschwindigkeit des Spannungsabbaus hängt von der Viskosität ab. Je weicher das Bitumen (Sorte, Temperatur) desto schneller erfolgt der Spannungsabbau.

Die Bedeutung der Relaxation in der Straßenbaupraxis liegt vor allem im Abbau von Zugspannungen durch viskose Dehnung der Bitumenfilme, z.B. beim verhinderten thermischen Schrumpf abkühlender Asphaltschichten. Ein ausreichendes Relaxationsvermögen ist die Voraussetzung für die fugenlose Bauweise.

Der Abbau aufgezwungener Spannungen (Relaxation) verläuft je nach Viskosität des Bitumens (Sorte, Temperatur) unterschiedlich schnell (hier an einem Modellasphalt dargestellt).

Abbildung 1.5: Relaxation von Bitumen in Anhängigkeit von der Temperatur [6]


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1.8 Retardationsvermögen

Retardation bezeichnet die viskose Dehnung infolge einer aufgezwungenen konstanten Spannung

Abbildung 1.6: Retardationsvermögen [5]

1.9 Dehnungs- und Ermüdungsverhalten

Bitumen lässt sich dehnen. Ab einer bestimmten Dehnung erfolgt der 'Bruch' (Rissbildung). Dabei hängen die Grenzen der Dehnbarkeit von verschiedenen Parametern ab (Bitumen-sorte, Temperatur, Bitumengehalt bzw. Filmdicke):

- Je steifer das Bitumen (Sorte, Temperatur), desto geringer ist die 'Bruchdehnung'

- Dünne Bitumenfilme reißen früher als dickere, weil bei gleich großer Dehnung (z.B. in einer Asphaltschicht) die relative Dehnung eines Bitumenfilms umso größer ist, je dünner der Bitumen Film ist.

Wie andere Baustoffe ermüdet auch Bitumen bei wiederholter Belastung. Wenn dem Bitumen eine Dehnung aufgezwungen wird, die kleiner ist als die Bruchdehnung, dann erfolgt der Bruch (Rissbildung) nicht sofort, sondern erst nach einer großen Zahl von Wiederholungen der Belastung. Je größer die Dehnung ist, desto weniger Wiederholungen werden ertragen und desto früher tritt der Bruch ein.

Da die Größe der Dehnung mit der 6. Potenz in das Ermüdungsverhalten von Asphaltgemischen eingeht, müssen Mischgutzusammensetzung (insbesondere Bitumensorte und Bitumengehalt) und Konstruktion (Gesamtdicke der Asphaltschichten, Gleichmäßigkeit und Standfestigkeit der Unterlage) aufeinander abgestimmt werden: je steifer das Asphaltmischgut, desto höher der erforderliche Konstruktionsaufwand. Wer diese Zusammenhänge dank ausreichender Baustoffkenntnisse beherrscht, kann durch sinnvolles Kombinieren von Technologie und Konstruktion mit Asphalt sehr wirtschaftlichen Straßenbau betreiben.


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1.10 Haftverhalten

Die mechanische Festigkeit von Asphalt hängt maßgeblich von der Haftfestigkeit zwischen Bitumen und den Gesteinen ab. Dabei ist die Haftfestigkeit eine Eigenschaft, die auf einer Wechselwirkung beider Stoffe beruht und an der beide Stoffe einen Anteil haben. Dabei leisten insbesondere die Gesteine sehr unterschiedliche Beiträge zur Haftfestigkeit. Es gibt z.Z. noch kein befriedigendes Prüfverfahren, mit dem man die Haftfestigkeit exakt messen kann. Aufgrund praktischer Erfahrungen hat man jedoch einen recht guten Überblick über Einflussfaktoren und erforderliche technische Maßnahmen.

Eine feste Bindung zwischen Bitumen und Gestein setzt eine vollständige Benetzung des Gesteins durch das Bitumen voraus. Diese wiederum ist nur möglich, wenn an der Gesteinsoberfläche keine Trennmittel wie Staub oder Feuchtigkeit haften. Deshalb muss bei der Mischgutherstellung besonderer Wert auf ein gründliches Trocknen und Entstauben der Gesteine gelegt werden. Je gründlicher die Trocknung der Gesteine und je länger die Mischzeit, desto besser und dauerhafter ist die Haftung zwischen Bitumen und Gesteinen.

1.11 Verhalten gegenüber Wasser

Bitumen ist in Wasser praktisch unlöslich. Nur wenn Bitumen wasserlösliche Salze enthält, kann durch osmotische Vorgänge etwas Wasser in die Bitumenoberfläche eindringen. Versuche haben ergeben, dass 10 Jahre ständige Wassereinwirkung auf eine 5 mm dicke Bitumenschicht je nach Härte des Bitumens nur 1 bis 3 Prozent Wasseraufnahme erzeugt, und zwar ausschließlich in der Oberfläche. Diese Größenordnung ist für die Praxis ohne Bedeutung. Auch gegenüber Wasserdampf ist Bitumen weitgehend undurchlässig. Da die Diffusionskonstante sehr klein ist (ca. 10-15 kg/(m∙s∙Pa)), wirkt Bitumen dampfsperrend und ist somit der ideale Korrosionsschutzstoff oder Stoff zur Bauwerksisolierung.

Auf diesen Tatsachen beruht die seit Jahrtausenden übliche Anwendung des Bitumens als Abdichtungsmittel gegen Wasser.

Bitumen enthält weder Phenol noch andere von Wasser auswaschbare Stoffe, ist hygienische einwandfrei und kann deshalb ohne Bedenken auch in Trinkwasser-schutzgebieten, sogar zum Auskleiden von Trinkwasserbecken und -leitungen, verwendet werden (s. "Richtlinien für bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wassergewinnungsgebieten – RiStWag").


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1.12 Verhalten gegenüber Öl

Bitumen ist zwangsläufig löslich in Kohlenwasserstoffen gleicher Herkunft (Öl, Benzin) und bestimmten chemischen Lösemitteln. Diese Eigenschaft wird sogar bewusst technische genutzt, z.B. bei der Herstellung von Fluxbitumen, Bitumen-lösungen (Vorspritzmittel, Regeneriermittel), Bautenschutzmitteln u.a., ferner bei Mischgutuntersuchungen im Labor (Bitumenextraktion). Verdichteter Asphalt zeigt dagegen eine erhebliche Beständigkeit gegenüber Kohlenwasserstoffen und Lösemitteln.

1.13 Verhalten gegenüber Chemikalien

Die das Bitumen bildenden Kohlenwasserstoffe sind sehr reaktionsträge gegenüber chemischen Substanzen, und zwar umso mehr, je härter das Bitumen ist. Bitumen ist also beständig gegen das Einwirken organischer und anorganischer Salze, aggres-siver Wässer, Kohlensäure und anderen schwacher Säuren jeder Konzentration, ferner gegen Laugen und bei normalen Tagestemperaturen sogar gegen die meisten starken Säuren wie Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure, u.a. Von aktueller Bedeutung ist die nachgewiesene Beständigkeit gegen Tausalzlösung (Winter-dienst), Harnstoff (schnell wirkendes Enteisungsmittel für Flugbetriebsflächen) und Jauche (ländlicher Wegebau).


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Tabelle 1.4: Beständigkeit gegen Chemikalien [7]

Konzentration % Temperatur 30 °C Temp. bis ca. 65 °C

Anorganische Säuren

Schwefelsäure

< 25 + +

> 25 + o

> 95 - -

Rauchende Schwefelsäure - -

Salpetersäure

< 10 + o

> 10 o o

65 - -

Salzsäure

< 25 + +

> 25 + o

36 o -

Organische Säuren

Milchsäure + +

Zitronensäure + +

Gerbsäure < 25 + +

> 25 +

Weinsäure < 25 + +

> 25 +

Ameisensäure 40 + o

Essigsäure 25 + +

Buttersäure - -

Ölsäure - -

Oxalsäure + +

Benzoesäure +

Phthalsäure +

Phenole - -

+ = beständig, o = nicht in jedem Fall beständig, muss geprüft werden - = unbeständig


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Fortsetzung Tabelle 4: Beständigkeit gegen Chemikalien [7]

Konzentration % Temperatur 30 °C Temp. bis ca. 65 °C

Anorganische Basen

Kalilauge + o

Natronlauge + o

Ammoniak + +

Organische Basen

Triethanolamin +

Anilin - -

Pyridin und Homologe - -

Salzlösungen

Sulfate + +

Chloride + +

Nitrate + +

Verschiedenes

Trinkwasser + o

Seifenlösung + +

Perhydrol 30 o -

Formalin + +

Glycerin + +

Glykol + +

Melasse + +

Zucker + +

Bier +

Jauche +

Abwässer o o

+ = beständig, o = nicht in jedem Fall beständig, muss geprüft werden - = unbeständig


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1.14 Verhalten gegenüber Luft und Licht

Durch die Einflüsse von Luftsauerstoff, UV-Strahlung (Licht) und Wärme erfährt das Bitumen destillative und oxidative Veränderungen seiner stofflichen Zusammen-setzung, die sich als Verhärtung bemerkbar machen, im Wesentlichen aber auf den Bereich der Oberfläche beschränkt bleiben. Messungen ergaben, dass die oxidierende Wirkung des Luftsauerstoffs 0,05 mm unter der Oberfläche nur noch 1 % derjenigen an der Oberfläche beträgt.

Die destillative Verhärtung beruht auf dem Abdampfen weicherer Ölanteile aus dem Bitumen und kommt praktisch nur bei den hohen Temperaturen der Asphalther-stellung und –verarbeitung vor. Dabei spielen folgende Faktoren eine Rolle: Bitumensorte: Da weiches Bitumen mehr Ölanteile enthält als hartes, kann es auch mehr Ölanteile durch Abdampfen verlieren.

Temperatur: Je höher die Temperatur, desto höher der Dampfdruck und desto größer die Menge der Ölanteile, die durch Abdampfen verloren geht.

Spezifische Oberfläche: Das Abdampfen von Ölanteilen ist nur in der Berührungsfläche zwischen Bitumen und Luft möglich. Deshalb ist das Ausmaß der Verhärtung auch von der Luftzutrittsmöglichkeit (Mischgutzusammensetzung) abhängig.

Die oxidative Verhärtung beruht auf einer Reaktion mit Luftsauerstoff (Oxidation). Ausmaß und Geschwindigkeit hängen von folgenden Einflussfaktoren ab:

Luftzutrittsmöglichkeit: - Die Reaktion kann nur in der Berührungsfläche zwischen Bitumen und Luft

ausgelöst werden und hängt im weiteren Verlauf vom Sauerstoffpartialdruck ab. Hat bewegte Luft immer Zutritt zur Bitumenoberfläche, bleibt die Wirkung unvermindert gleich, weil immer neuer Sauerstoff nachgeliefert wird. In luftdicht verschlossenen Behältern wird der Sauerstoff der Luft durch die Reaktion mit dem Bitumen nach und nach verbraucht, so dass die Wirkung ständig nachlässt und die Oxidation sich allmählich dem Stillstand nähert.

- Je höher die Temperatur, desto stärker die Wirkung. Jede Erhöhung der Temperatur um 10 °C verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit.

Licht: - Während die Oxidation im Dunkeln sehr langsam abläuft, wird sie durch

Lichteinwirkung (UV-Strahlung) erheblich beschleunigt. Die Einwirktiefe des Lichtes beträgt aber nur 4 bis 5 µm. Wird diese oberste, stark verhärtete Haut durch mechanische Einwirkung beseitigt (Abrieb), so wird der tiefer gelegene Bereich erfasst.


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Filmdicke:

- Die Oxidation beginnt immer an der Oberfläche der Bitumenfilme und ist dort auch am stärksten. Je dünner ein Bitumenfilm, desto schneller wird er durchgreifend von der Oxidation erfasst.

Diese Vorgänge haben folgende Auswirkungen auf das Gebrauchsverhalten von Asphalt:

- Im locker gelagerten Mischgut vor dem Einbau bietet die Masse dünner Bitumenfilme mit entsprechend großer Oberfläche die meisten Angriffsmöglichkeiten. Die Oxidation lässt sich jedoch in sehr engen Grenzen halten, wenn man Überhitzungen vermeidet und die Luftzutrittsmöglichkeit einschränkt: z.B. längere Mischgutlagerung im Silo nur bei Vollfüllung und geschlossenem Silodeckel, Mischguttransport mit Windschutz (geschlossene Behälter, Abdeckplanen).

- In verdichteten und abgekühlten Asphaltschichten erstreckt sich die weitere Oxidation über Jahre, wobei Geschwindigkeit und Ausmaß von der Luftzutrittsmöglichkeit, d.h. vom Hohlraumgehalt abhängen. In dichten Asphaltschichten beschränkt sich die Oxidation auf die Fahrbahnoberfläche, während das Bitumen im Innern der Schicht praktisch unverändert bleibt. Je größer der Hohlraumgehalt der Asphaltschicht, desto größer die Luftzutrittsmöglichkeit und desto stärker die Oxidation auch im Innern der Schicht (Gewinn an Standfestigkeit, Verlust an Flexibilität).

- Die Beschleunigung der Oxidation durch UV-Strahlung bleibt auf die Fahrbahnoberfläche begrenzt und ist dort nützlich im Sinne der Aufhellung und Griffigkeit.

1.15 Brandverhalten

Bitumen ist schwer entflammbar und daher keiner Gefahrenklasse zugeordnet. Der Flammpunkt im Cleveland open Cup., DIN EN ISO 2592) wird in der Weise bestimmt, dass über die Oberfläche eines Messingtiegels, der elektrisch erhitzt wird und mit dem zu untersuchenden Bindemittel gefüllt ist, je Grad der Temperaturerhöhung einmal eine Zündflamme bewegt wird. Die Temperatur, bei der das Dampf-Luft-Gemisch über der Probe aufflammt, wird als Flammpunkt C.o.C. bezeichnet. Die Flammpunkte der Bitumen liegen generell über 220 °C und im Übrigen umso höher, je härter die Bitumensorte ist (siehe Bestimmung Flamm- und Brennpunkt). Dementsprechend gilt auch Asphalt gemäß DIN 4102 als schwer entflammbarer Baustoff und gehört deshalb zur Baustoffklasse B 1 (nach europäischer Norm DIN EN 13501 lautet die Klassifikation bfl– s 1)

Bemerkenswert ist, dass Gussasphaltestrich anderen "nicht brennbaren" Estrichen gleichgestellt ist.


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1.16 Bitumen und Umwelt

Im Folgenden sollen die wesentlichen Aspekte der Umweltverträglichkeit von Bitumen dargestellt werden. Hierbei wird auf die wichtigsten gesetzlichen Regelungen in Deutschland Bezug genommen.

Terminologie / DIN EN 12597 Die Verwechslung von Bitumen (aus Erdöl) mit Teer (aus Kohle) und mit den außerhalb von Deutschland noch eingesetzten Bitumen/Teer-Gemischen hat immer wieder auch zu einer kritischen Bewertung von Bitumen geführt. Daher sind genaue Begriffsdefinitionen und eine begriffliche Trennung der teerhaltigen Produkte von Bitumen entsprechend den DIN EN 12597 unbedingt erforderlich. Es ist darauf zu achten, dass als "ASPHALT" nur bitumenhaltige (also teerfreie) Gemische bezeichnet werden dürfen.

Gefahrstoffverordnung Die Einstufung und Kennzeichnung von Gefahrstoffen regelt in Deutschl. die "Gefahr-stoffverordnung" (GefStoffV). Zu den Gefahrstoffen zählen danach alle Stoffe, die in der Gefahrstoffverordnung erwähnt sind und mehr als 50 ppm Benzo(a)pyren enthalten oder als krebserregend erkannt sind. Bitumen wird in der Gefahrstoffver-ordnung nicht erwähnt. Der Benzo(a)pyrengehalt von Bitumen liegt mit 1-5 ppm weit unter dem Grenzwert. Nach Einschätzung der IARC (International Agency of Cancer) und nach Auswertung umfangreicher internationaler Untersuchungen ergaben sich keine ausreichenden Anzeichen dafür, dass Bitumen für den Menschen krebser-regend ist. Bitumen ist daher weder ein Gefahrstoff noch krebserregend und somit nicht kennzeichnungspflichtig. Es ist zu beachten, dass im Gegensatz zu dem erdöl-stämmigen Bitumen die kohlestämmigen Teerprodukte nach der Gefahrstoffver-ordnung als krebserregend zu kennzeichnen sind. Die Kennzeichnungspflicht von lösemittelhaltigen Systemen hängt von der Einstufung der einges. Lösemittel ab. MAK – Liste (Maximale Arbeitsplatz-Konzentration) Bitumen (Dampf u. Aerosol) sind in der MAK-und BAT-Werte-Liste 2001 als haut-resorptiv (wird durch die Haut aufgenommen) und krebserzeugend, Kategorie 2, bewertet worden. Diese Bewertung bezieht sich lt. Begründung der MAK-Kommis-sion auf Dämpfe und Aerosole aus Bitumen bei der Heißverarbeitung. Es existiert ein Grenzwert von 10 mg/m³ für Dämpfe und Aerosole aus Bitumen für die wesentlichen Arbeiten mit Heißbitumen. Festes Bitumen im Straßenbelag, in Dachbahnen, in Isolieranstrichen usw. wird nicht durch die Haut aufgenommen, bei den auf Straßen und Dächern üblichen Temperaturen gibt es auch keine Emissionen aus Bitumen. (Die MAK-Kommission begründet ihre B.-Bewertung ("hautresorptiv" und "krebserzeugend Kategorie 2") vor allem damit, dass in Bitumen polyzyklische Kohlenwasserstoffe (PAK) enthalten sind. Hier ist allerdings zu berücksichtigen, dass der Gehalt an B[a]P mit 2 bis 3 mg/kg im Bitumen deutlich unter den 50 mg/kg liegen, ab denen Substanzen als krebserzeugend gelten).

http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBernaehrunglebensmittel/PAK.php


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Gewässerschutz / Wasserschutzverordnung Im Rahmen der Wasserschutzverordnung wird Bitumen als ein allgemein nicht wassergefährdender Stoff in die Wassergefährdungsklasse 0 (WGK 0) eingestuft. In den Richtlinien für bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wassergewinnungs-gebieten (RiST-Wag) wird Asphalt nicht nur ganz allgemein erlaubt, sondern es wird auch festgestellt, dass Baustoffe, die auswaschbare Bestandteile enthalten, verwendet werden dürfen, wenn sie mit Heißbitumen gebunden eingebaut werden. Trinkwassertalsperren werden seit langem mit Asphalt abgedichtet und außen mit Bitumen isolierte Rohrleitungen werden im Erdreich verlegt. Praxisgerechte Eluationsverfahren zeigen, dass eine Eluierung (einen [ad]sorbierenden Stoff aus einem Adsorbtionsmittel mit Hilfe eines Gases oder einer Flüssigkeit herausspülen. [1] "Mayers Enzyklopädisches Lexikon"; Band 7;) von wassergefährdenden Stoffen aus Asphalt weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Reinhaltung der Luft Eine Reihe von Untersuchungen hat gezeigt, dass bei praxisgerechter Anwendung von Bitumen von den entstehenden Dämpfen keine Gefährdung von Menschen und Umwelt ausgeht. Wegen der Einstufung von Bitumen in der MAK-Liste bestehen die Gewerbeaufsichtsämter häufig auf einer Einstufung der Bitumendämpfe in der TA-Luft in Klasse I, was die Einhaltung strenger Grenzwerte erfordert. Da jedoch die Dämpfe von Bitumen zum größten Teil aus harmlosen Kohlenwasserstoffen bestehen, ist die Einstufung in Klasse III sicherlich gerechtfertigt.

Abfall zur Verwertung bzw. Beseitigung / KrW-/AbfG - Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz Am 1. Juni 2012 trat das neue Kreislaufwirtschaft- und Abfallgesetz in Kraft. Bitumen (Abfallcode 050117) und Asphalt (Abfallcode 170302) zählen nicht zu den besonders überwachungsbedürftigen Abfällen. Damit unterliegt die Entsorgung von Bitumen nicht den Vorschriften der Deponieverordnung

Störfallverordnung Der größtmögliche Störfall innerhalb eines Bitumenlagers wäre das Abbrennen des gelagerten Bitumens. Bei hinreichender Luftzufuhr würden dabei Kohlendioxid (CO2), Wasser und etwas Schwefeldioxid (SO2) entstehen. Nur für SO2 sind Grenzwerte vorgesehen, die erst beim vollständigen Verbrennen von ca. 50 t Bitumen erreicht würden. Bitumenlager mit weniger als 50 t sind daher unkritisch.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass von Bitumen kein erkennbares Risiko für Mensch und Umwelt ausgeht.


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1.17 Herstellung von Bitumen und Bitumensorten

Abbildung 1.7: Aufbau einer Rohölraffinerie [8]

Die großtechnische Herstellung von Straßenbaubitumen in verschiedenen Sorten erfolgt in mehreren Stufen durch Steuerung der Destillation über Temperatur und Vakuum. In der ersten Stufe wird das Rohöl auf etwa 350 °C erhitzt. Anschließend werden in einer unter atmosphärischem Druck stehenden Kolonne die leichteren Bestandteile von den schwerer siedenden getrennt. Letztere werden in der zweiten Stufe nochmals auf dieselbe Temperatur erhitzt und in eine unter vermindertem Druck stehende Kolonne geleitet, wo abermals leichtere Bestandteile von den ver-bleibenden schwereren getrennt werden. Hier handelt es sich bereit um Straßenbau-bitumen, die- je nach Rohöl – ggf. noch durch eine weiter Verarbeitungsstufe auf die verschiedenen Spezifikationen gemäß DIN EN 12591 gebracht werden.

Die hauptsächlich in der Industrie benötigten Hartbitumen erhält man in zusätzlichen Verarbeitungsstufen durch weiteres Abdestillieren hochsiedender Öle. Das für verschiedene Zwecke im Straßenbau benötigte weiche Fluxbitumen wird durch vermischen eines weichen Bitumens mit schwerflüchtigen Flussölen auf Mineralölbasis sowie verschiedenen Zusätzen erzeugt. Zur Herstellung von Oxidationsbitumen vermischt man ein weiches Straßenbau-bitumen mit einem geeigneten Fluxöl und bläst bei Temperaturen über 230 °C in einem Reaktionsturm Luft hindurch. Dadurch erhält man Bitumen mit verbessertem Kälteverhalten bei gleichzeitig gegenüber Straßenbaubitumen erhöhten Erweichungspunkten. Die Penetrationswerte fallen dabei wesentlich weniger ab, als beim Destillationsprozess. Solche Oxidationsbitumen sind nicht für den Straßenbau bestimmt, sondern werden im Industriebereich benötigt (Dach- und Dichtungs-bahnen, Rohrisolierung, Klebemassen u.ä.)


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Tabelle 1.5: Produkte der Rohölverarbeitung

Erdöl ergibt durch geologische Umwandlung

ergibt durch Destillation Benzin

bei erhöhtem Vakuum durch Einblasen von Luft

Dieselöl

Schmieröl

Hochvakuumbitumen Oxidationsbitumen Destillationsbitumen

werden verarbeitet durch Erhitzen

werden verarbeitet durch

Verschneiden mit Öl und Erwärmen

Emulgieren mit Wasser Verschneiden mit Lösungsmittel

Heißbitumen Fluxbitumen Bitumenemulsion Kaltbitumen

ergeben mit Gesteinen Asphalt


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Bitumen und bitumenhaltige Straßenbaubindemittel: - Straßenbaubitumen/Destillationsbitumen (vorwiegend im Straßenbau

angewendet) - Hartbitumen - Oxidationsbitumen - Fluxbitumen (Verschnittbitumen) - Kaltbitumen - Bitumenemulsion - Haftkleber (Verschnittbitumenemulsion)

Bitumenhaltige Bautenschutzstoffe: - Klebstoffe - Vergussstoffe - Spachtelstoffe - Anstrichstoffe

1.18 Begriffe für Bitumen und Zuber. aus Bitumen (in Anl. DIN EN 12597)

Bitumen: siehe oben

Destillationsbitumen: Bei der Destillation von Erdölen, vorzugsweise unter Verwendung eines Vakuums, verbleibendes weiches bis mittelhartes Erzeugnis.

Hochvakuumbitumen: Unter Verwendung eines erhöhten Vakuums hergestelltes hartes bis sprödes Destillationsbitumen

Oxidationsbitumen: Durch Einblasen von Luft in heißflüssige, weiche Destillationsbitumen, ggf. deren Gemische mit anderen Erdölfraktionen, hergestelltes Bitumen. Oxidationsbitumen unterscheiden sich von Destillationsbitumen dadurch, dass es bei gleicher Nadelpenetration einen höheren Erweichungspunkt (Ring und Kugel) hat.

Straßenbaubitumen: Straßenbaubitumen werden vorzugsweise im Asphaltstraßenbau und bei der Herstellung von Dichtungsbahnen verwendet. Sie werden durch Destillation und gegebenenfalls durch anschließende Oxidation hergestellt, deren Anforderungen in der DIN EN 12591 festgelegt sind. Für die Probenahme und Prüfungen sind Verfahren in der DIN EN 12697 genormt. Mit den drei Untersuchungsverfahren am Originalbitumen (Penetration, Erweichungspunkt RuK, Brechpunkt nach Fraaß) werden die besonders wichtigen Härte- und Plastizitätseigenschaften für verschiedene Straßenbaubitumen erfasst.


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Industriebitumen: Vorzugsweise Oxidationsbitumen, die in definierten Sortengrenzen in der Industrie außerhalb des Straßenbaus eingesetzt werden. Hochvakuumbitumen werden gleichfalls vorzugsweise außerhalb des Straßenbaus eingesetzt und deshalb meist den Industriebitumen zugeordnet.

Bitumenlösung: Lösung von Bitumen in Lösemittel.

Fluxbitumen: Straßenbaubitumen, dessen Viskosität durch Zusatz von schwerflüchtigen Fluxölen auf Mineralölbasis herabgesetzt ist.

Kaltbitumen: Bitumenlösung, die aus weichem bis mittelhartem Straßenbaubitumen besteht, dessen Viskosität durch Zusatz von leichtflüchtigen Lösemitteln herabgesetzt ist und eine Verarbeitung im unerwärmten Zustand gestattet.

Die Anforderungen sind in der DIN EN13358 festgelegt.

Bitumenemulsion: Feine Verteilung von Bitumen in Wasser, die mit Hilfe von Emulgatoren und gegebenenfalls Stabilisatoren hergestellt wird.

Bitumen-Haftkleber: Lösemittelhaltige Bitumenemulsion. Bitumen-Haftkleber dienen zum Verkleben von Asphaltschichten.

Polymermodifizierte Bitumen: Physikalisches Gemisch von Bitumen und Polymer-Systemen oder Reaktionsprodukt zwischen Bitumen und Polymeren. Die Polymerzusätze verändern das elasto-viskose Verhalten von Bitumen.

Asphalt: Natürlich vorkommendes oder technisch hergestelltes Gemisch aus Bitumen oder bitumenhaltigen Bindemitteln oder Gesteinskorngemischen sowie gegebenenfalls weiteren Zuschlägen und/oder Zusätzen.

Asphaltit: Naturasphalt mit geringen Anteilen an Gesteinskorngemischen

Asphaltgestein: Naturasphalt mit hohen Anteilen an Gesteinskorngemischen


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Technischer Asphalt: Technisch hergestelltes Gemisch aus Bitumen oder bitumenhaltigen Bindemitteln (vorzugsweise Straßenbaubitumen) und Gesteinskörnungsgemischen sowie ggf. weiteren Zuschlägen und/oder Zusätzen. Wortzusammensetzungen (wie z.B. Walzasphalt, Asphaltbeton oder Asphalttragschicht) sind üblich je nach Einbautechnik, nach der Kornabstufung, nach der Funktion, nach der Verarbeitungstemperatur usw.

Bitumenbahn: Bahn mit Trägereinlage z.B. Rohfilz; Glasvlies oder –gewebe, die entweder nur mit Bitumentränkmasse getränkt, oder zusätzlich auf beiden Seiten mit Deckschichten aus Bitumendeckmassen versehen und mit mineralischen Stoffen bestreut sein kann. Als Bitumentränkmasse wird Bitumen verwendet, das auch plastizitätsverbessernde Stoffe enthalten darf. Als Bitumendeckmasse wird Bitumen verwendet, das auch plastizitätsverbessernde und/oder stabilisierende Stoffe enthalten darf.


Seite 30

Tabelle 1.6: Übersicht über die Anwendungsgebiete von Bitumen [5]

Anwendungsgebiet Destillationsbitumen nach DIN EN 12591

Oxidationsbitumen Hochvakuumbit.

160/220 70/100 50/70 30/45 20/30 85/25 85/40 95/35 100/25 100/40 110/30 120/15 90/100 Straßenbau Asphalttragschicht

Asphaltbinder Asphaltbeton Splittmastixasphalt Gussasphalt Tragdeckschichten

Wasserbau Dach- und Dichtungs- bahnen Industrie

Tränkmassen Deckmassen Klebemassen Polymermodifizierte Massen

Sonstige Verbraucher

Papier-Industrie Elektro- u. Kabelindustrie Röhren- u. Behälterindustrie Gummi-Industrie Emulsions-Industrie Anstrich- u. Lackindustrie Schutzmassen und Kitte Gussasphaltestriche Fugenvergussmassen

Übliche Anwendung Anwendung in Sonderfällen


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1.19 Verarbeitungsformen des Bitumens / Anforderungen

- Straßenbaubitumen - Polymermodifizierte Bitumen - Bitumenlösungen - Bitumenemulsionen

Grundsätzlich beruht jede Verarbeitung von Bitumen auf folgenden Vorgängen:

• Überführen des bei Umgebungstemperaturen zähplastischen Bitumens in einen niedrigviskosen (dünnflüssigen) Zustand, um es verarbeiten zu können (Spritzen, mischen).

• Rückführen in den zähplastischen Zustand nach der Verarbeitung (Festigkeits-zunahme durch Viskositätsanstieg).

Für das Überführen in den dünnflüssigen Zustand stehen im Prinzip folgende Methoden zur Verfügung:

- Erhitzen

- Festigkeitszunahme durch Abkühlen

- Lösen in Öl oder Lösemittel

- Festigkeitszunahme durch Abdunsten der Lösemittel

- Emulgieren unter Verwendung von Emulgatoren und Wasser Festigkeits-zunahme durch "Brechen" der Emulsion und Abdunsten des Emulsionswassers.

In der Regel bedient man sich der Methode des Erhitzens (Heißeinbau). Für besondere Anwendungszwecke lassen sich durch sinnvolle Kombinationen und Dosierung der Hilfsstoffe Öl, Lösemittel, Emulgatoren und Wasser alle nur denkbaren Variationen hinsichtlich Anfangsviskosität und zeitlicher Viskositätsänderung erzielen. Hier das richtige Maß zu finden, ist eine Frage der Überlegung und praktischen Erfahrung, aber auch eine Frage des Preises.


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Abbildung 1.8: Europäische Normen für Bitumen [9]


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Abbildung 1.9: Anforderungen an Straßenbaubitumen nach DIN EN 12591 mit Penetrationen von (20x0,1) mm bis (220x0,1) mm [9]


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Abbildung 1.10: Spezifikationen für Straßenbaubit. der Sorten mit Penetrationen von (20x0,1) bis (220x0,1) mm [9]


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Tabelle 1.7: Anforderungen an Straßenbaubitumen nach DIN EN 12591 mit Penetrationen von (20x0,1) mm bis (220x0,1) mm (Deutsche Normung) [10]

Merkmal oder Eigenschaft Einheit Prüfverfahren Bezeichnung der Sorten

20/30 30/45 50/70 70/100 160/220 Penetration bei 25°C 0,1mm EN 1426 20/30 30/45 50/70 70/100 160/220

Erweichungspunkt (EN) °C EN 1427 55 - 63 52 - 60 46 - 54 43 - 51 35 - 43

Flammpunkt °C EN ISO 2592 ≥ 240 ≥ 240 ≥ 230 ≥ 230 ≥ 220

Löslichkeit % EN 12592 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0

Penetrationsindex --- EN 12591 NR NR NR NR NR

Kinematische Viskosität bei 135 °C mm²/s EN 12595 NR NR NR NR NR

Dynamische Viskosität bei 60 °C Pa ⋅ s EN 12596 NR NR NR NR NR

Brechpunkt nach Fraaß °C EN 12593 --- ≤ - 5 ≤ - 8 ≤ - 10 ≤ - 15

Beständigkeit geg. Verhärtung unter Einfluss von Wärme und Luft nach DIN EN 12607-1 bei 163°C

Verbleibende Penetration % EN 1426 ≥ 55 ≥ 53 ≥ 50 ≥ 46 ≥ 37

Anstieg des Erweichungspunktes °C EN 1427 ≤ 8 ≤ 8 ≤ 9 ≤ 9 ≤ 11 Massenänderung a % EN 12607-1 ≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,8 ≤ 1,0

a Die Massenänderung kann entweder positiv oder negativ sein


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Um spezieller auf individuelle Anforderungen (z.B. Flugplatzbau, Recyclingbaustoffe, o.a.) reagieren zu können gibt es in besonderen Fällen die sogenannten Multigrade-Bitumen (DIN EN 13924-2)

Multigrade-Bitumen sind chemisch modifizierte Bitumen (ohne Polymerzusatz) für den Straßenbau, welche weniger temperaturempfindlich sind als Straßenbaubitumen (sie verhalten sich bei hohen Temperaturen wie ein hartes und bei niedrigen Temperaturen wie ein weiches Bitumen) und weisen einen positiven Penetrationsindex auf. Es wird gegen Spurrinnenbildung und gegen Ermüdung eingesetzt. Außerdem ist es extrem alterungsresistent. Multigrade-Bitumen wird als Bindemittel für High-Stiffness-Modulus-Asphalt-(HSMA)-Gemische verwendet (Hochmodulasphalte). Dies hat im Straßenbau zwei wesent-liche Vorteile - Kostenminimierung aufgrund einer reduzierten Dicke des Belags und eine längere Lebensdauer.

- kaum Rissbildung bei niedrigen Temperaturen - kaum Verformungen bei hohen Temperaturen - kaum Risse bei Ermüdung - widersteht Alterung - verbesserte Haftung - verbesserte Emulgierfähigkeit

Tabelle 1.8: Spezifikationen für multigrade Straßenbitumen: Eigenschaften die für alle multigraden Straßenbaubitumen gelten: nach [11]

Eigenschaft Prüf-verfahren Einheit Klasse

1 2 3 4 Penetration bei 25 °C EN 1426 0,1 mm DSb 20 bis 30 35 bis 50 50 bis 70 Erweichungspunkt EN 1427 °C DSb 54 bis 64 59 bis 69 64 bis 74 Beständigkeit gegen Verhärtung bei 163 °C nach DIN EN 12607-1 Verbleibende Penetration EN 1426 % DSb ≥ 50 ≥ 60 Anstieg des Erweichungspunktes EN 1427 °C DSb ≤ 8 ≤ 10 ≤ 12 Änderung der Masse % ≤ 0,5 Penetrationsindex Ip Anhang A °C DSb +0,1 bis +1,5 +0,3 bis +2,0 Flammpunkt EN ISO 2592 °C ≥ 220 ≥ 235 ≥ 250 Löslichkeit EN 12592 % IAc ≥ 99,0 a Die Sorten werden mit dem Kurzzeichen MG und dem normalen Penetrationsbereich, gefolgt vom Erweichungs- punktbereich bezeichnet, z.B.: MG 20/30-64/74 b DS: "Deklarierter Sollwert" bedeutet, dass der Hersteller dazu verpflichtet ist, einen Wert oder einen Wertebereich oder Grenzwert(e) als Teil der regulatorisch geforderten Deklaration und der sich daraus ergebenden regula- torischen Anforderungen anzugeben. c IA: "Ist anzugeben" darf verwendet werden, wenn es in den Ländern, in denen das Produkt verwendet werden soll, keine Regelungen oder sonstigen regionalen Anforderungen für das Material gibt, dieses sich jedoch als nützlich für die Beschreibung von multigraden Straßenbaubitumen erwiesen hat.


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Tabelle 1.9: Spezifikationen für multigrade Straßenbitumen: Eigenschaften, die mit speziellen regionalen Anforderungen verbunden sind [11]

Eigenschaft Prüf-verfahren Einheit Klasse

0 1 2 3 4 5 Brechpunkt nach Fraaß EN 12593 °C KAa IAb ≤ -8 ≤ -12 ≤ -15 ≤ -17 Dynamische Viskosität bei 60 °C

EN 12596 c Pa ⋅ s KAa IAb ≥ 300 ≥ 600 ≥ 900

≥ 1500

Kinematische Viskosität bei 135 °C EN 12595 mm²/s KA

a IAb ≥ 200 ≥ 300 ≥ 700 ≥ 1200 a KA: "Keine Anforderungen" darf verwendet werden, wenn es in den Ländern, in denen das Produkt verwendet werden soll, keine Regelungen oder sonstigen regionalen Anforderungen für das Merkmal gibt b IA: "Ist anzugeben" darf verwendet werden, wenn es in den Ländern, in denen das Produkt verwendet werden soll, keine Regelungen oder sonstigen regionalen Anforderungen für das Material gibt, dieses sich jedoch als nützlich für die Beschreibung von multigraden Straßenbaubitumen erwiesen hat. c In EN 13302 ist ein alternatives Prüfverfahren unter Anwendung eines Viskosimeters mit rotierender Spindel beschrieben. Das Referenzverfahren ist jedoch in EN 12596 festgelegt.


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1.20 Prüfverfahren für Straßenbaubitumen

Die wesentlichsten Prüfverfahren für Bitumen sind:

- Nadelpenetration

- Erweichungspunkt Ring und Kugel

- Brechpunkt nach Fraaß

- Viskosität

1.20.1 Nadelpenetration nach DIN EN 1426

Die Nadelpenetration dient zur Bestimmung der Viskosität bzw. Härte des Bindemittels bei 25°C. Eine Bindemittelprobe wird 5 s lang mit einer genormten Prüfnadel mit einem Gewicht von 100 g belastet. Gemessen wird die Eindringtiefe der Nadel. Diese aus mindestens 3 Versuchen gemittelte Eindringtiefe, ausgedrückt in 1/10 mm, ist bestimmend für die Bezeichnung des Bitumens.

Abbildung 1.11: Darstellung der Nadelpenetration [12]

Tabelle 1.10: Anforderungen an die Penetration von Straßenbaubitumen

Bezeichnung nach [DIN EN 12591]

Penetrationsspanne [1/10 mm] nach [DIN EN 12591]

Bitumen 160/220 160 - 220

Bitumen 70/100 70 - 100

Bitumen 50/70 50 - 70

Bitumen 30/45 30 - 45

Bitumen 20/30 20 - 30 Für Penetrationen > 500 · 0,1 mm muss die Prüftemperatur auf 15°C gesenkt werden.


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1.20.2 Erweichungspunkt Ring und Kugel gemäß DIN EN 1427

Der Erweichungspunkt Ring und Kugel (EP RuK) ist ein Maß für das Verhalten des Bindemittels bei hohen Temperaturen. Dabei wird eine Bitumenprobe, in einen Messingring eingegossen und mit einer Stahlkugel (m = 3,5 g) belastet. Die Bitumenprobe befindet sich in einem Flüssigkeitsbad (in der Regel Wasser). Der Versuch beginnt bei einer Starttemperatur von i.d.R. 5°C. Das Wasser wird gleichmäßig erwärmt (5 K/min). Unter der Auflast der Kugel verformt sich die Bitumenprobe. Wenn die Bitumenprobe einschließlich Kugel die Strecke von 25,4 mm überwunden hat, wird die Temperatur abgelesen. Diese Temperatur (Mittelwert aus 2 Proben) wird als „Erweichungspunkt Ring und Kugel“ (RuK) bezeichnet. Je höher der Erweichungspunkt ist, desto zähflüssiger ist das Bindemittel bei hohen Temperaturen und desto geringer ist die Gefahr der Entstehung von Spurrinnen im Asphalt.

Kurzdefinition: Die Temperatur, bei der das Material unter Norm-Prüfbedingungen eine bestimmte Konsistenz (Viskosität) erreicht.

Abbildung 1.12: Erweichungspunkt Ring und Kugel (EW RuK) [12]

Hinweis:

Der mittlere EP RuK in °C ist ein Maß für das Wärmeverhalten der Straßenbau-bitumen.

Man kann vom mittleren Erweichungspunkt direkt auf die Härte und somit auf die Sorte schließen, weil zwischen mittlerer Nadelpenetration und dem mittleren EP RuK ein fester Zusammenhang besteht. Die Prüfung ist an zwei Probeteilen durchzuführen.


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1.20.3 Penetrationsindex:

Aus Erweichungspunkt und Penetration lässt sich der Penetrationsindex IP ermitteln, der ebenfalls ein Maß für die Temperaturempfindlichkeit ist. Die IP-Werte für Straßenbaubitumen liegen im Allgemeinen zwischen -2 und +2, meistens sogar zwischen -0,5 und +0,5. Polymermodifizierte Bitumen erweitern den Temperaturbereich für das Gebrauchsverhalten über die verbesserten elastischen Eigenschaften, ohne notwendigerweise höhere PI-Werte aufzuweisen. Die Formel für den Penetrationsindex lautet:

𝐼𝑃 = 20 ∙ 𝐸𝐸𝐸 + 500 ∙ lg𝐸𝑃𝑃 − 1952

𝐸𝐸𝐸 − 50 ∙ lg𝐸𝑃𝑃 + 120

Die Berechnung beruht auf der Hypothese (von Pfeiffer und Doormael) dass bei der Temperatur des Erweichungspunktes die Penetration von Bitumen 800 1/10 mm beträgt

Wenn der Logarithmus des EWP (Basis 10) der Pen. gegen die Temperatur aufgetragen wird, ergibt sich eine gerade Linie mit der Steigung A:

𝐴 = (20− 𝐼𝑃)(10+ 𝐼𝑃)

∙ 150

Pen = Penetration in 1/10mm EWP = Erweichungspunkt RUK in °C IP = 0 hat ein Bitumen mit einer Penetration von 200 [1/10 mm] und einem EWP von 40 [°C]

1.20.4 Brechpunkt nach Fraaß gemäß DIN EN 12593

Das Verhalten von Bitumen in der Kälte lässt sich nach dem Brechpunkt beurteilen, der den Übergang vom zähplastischen in den starren Zustand kennzeichnet. Eine auf ein Brechplättchen aufgetragene Bitumenschicht wird dabei um 1 °C je Minute abgekühlt und nach jeweils 1 Minute definiert durchgebogen. Der Brechpunkt nach Fraaß ist die Temperatur in Grad °C, bei der unter festgelegten Versuchs-bedingungen die Bitumenschicht beim Biegen bricht oder Risse bekommt.

Abbildung 1.13: Bestimmung des Brechpunktes nach Fraaß [13]

Hinweis :

Der Versuch dient zur Beurteilung des Kälteverhaltens der destillierten und geblasenen Bitumen. Der Brechpunkt ist kein absoluter Wert - er erlaubt nur eine vergleichende (relative) Beurteilung des Kälteverhaltens der jeweils geprüften Sorte.


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Die Temperaturdifferenz zwischen Brechpunkt und Erweichungspunkt wird als Plastizitätsspanne eines Bitumens bezeichnet.

Plastizitätsspanne:

Die Temperaturspanne Erweichungspunkt – Brechpunkt (Plastizitätsbereich) wird als Kriterium für die Temperaturempfindlichkeit des Bitumens benutzt. Je größer diese Temperaturspanne, desto weniger temperaturempfindlich ist das Bitumen. Große Plastizitätsbereiche sind für das Gebrauchsverhalten von Asphaltbefestigungen günstig, weil sie einen großen Bereich der tatsächlich auftretenden Temperaturen abdecken (etwa -20 °C im Winter bis +70 °C im Sommer).


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1.21 Viskosität (Zähigkeit)

Viskosität, auch Zähigkeit genannt, ist die Eigenschaft einer Flüssigkeit, der gegen-seitigen laminaren Verschiebung zweier benachbarter Schichten infolge innerer Reibung einen Widerstand entgegenzusetzen.

1.21.1 dynamische Viskosität:

Sie ist das Verhältnis zwischen der aufgebrachten Schubspannung und dem Geschwindigkeitsgefälle (das Verhältnis der auf einen Körper angewendeten Schub-spannung zu der entsprechenden Schergeschwindigkeit). Sie ist ein Maß für den inneren Flüssigkeitswiderstand gegen das Fließen und wird definiert durch den Reibungswiderstand, den eine Flüssigkeit einer Deformation durch eine Druck- oder Schubspannung entgegensetzt. [DIN EN 13302]

1.21.2 kinematische Viskosität:

Die kinematische Viskosität wird in m2/sek angegeben. Sie ist ein Ausdruck für die innere Reibung einer Flüssigkeit. Die kinematische Viskosität wird errechnet, indem man die dynamische Viskosität durch die Dichte einer Flüssigkeit teilt. Die kinematische Viskosität ist ein Maß des Widerstandes gegen das Fließen einer Flüssigkeit unter der Gravitation. [DIN EN 12595]

Abbildung 1.14: Viskositäten und Gebrauchstemperaturen von Bitumen [3]


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Messung der Viskosität mittels DSR (Dynamisches Scherrheometer) / Platte/Platte

- 1 mm dicke Bitumenprobe zwischen einer festen und einer sich drehenden Platte (∅25 mm)

- Aufbringen einer definierten Schergeschwindigkeit (Schergefälle, Scherrate) - Messung des Drehmoments

- Berechnung der Schubspannung

- Berechnung der komplexen Viskosität -

Werte für die kinematische Viskosität aus/für die Praxis:

Spritzen: 40 – 50 mm²/s

Herstellen/Mischen: 100 – 200 mm²/s

Verdichten im Labor: 500 – 600 mm²/s

Mindestgrenze für den Einbau: 1000 mm²/s

Tatsachen:

- Bitumen besitzt viskose Elemente

- kinematische und dynamische Viskosität sind über die Dichte des Bitumens miteinander verknüpft

- Wird nur von der Viskosität gesprochen, ist meist die kinematische Viskosität gemeint

- Zahlenwertmäßig unterscheidet sich die kinematische Viskosität (mm²/s) mit dem Faktor 1000 von der dynamischen Viskosität (Pa⋅s)

Abbildung 1.15 Darstellung des Versuchsaufbaus zur Bestimmung der Viskosität [14]


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1.22 Weitere Untersuchungsverfahren

Bestimmung der Massenänderung durch thermische Beanspruchung in dünner Schicht bei Lufteinwirkung im rotierenden Kolben. Dieser Modellversuch wird benutzt, um die Veränderung der Konsistenz durch die thermische Beanspruchung während der Verarbeitung festzustellen. (DIN EN 12607-3)

Die Dichte von Bitumen kann für die meisten Anwendungen mit rd. 1,0 g/cm³ bei 25 °C angenommen werden. (DIN EN ISO 3838)

Der kubische Ausdehnungskoeffizient beträgt 6,0 – 6,2 x 10-4 im Temperaturbereich von 15-200 °C.

Die Reinheit des Bitumens wird gekennzeichnet durch die Bestimmung des Aschegehaltes sowie des Gehaltes an unlöslichen Anteilen, wobei die organischen Lösemittel Trichlorethen und Cyclohexan Verwendung finden.

1.22.1 Bestimmung des Flammpunktes und des Brennpunktes im offenen Tiegel nach Cleveland – DIN EN ISO 2592

Zur Prüfung wird ein die Bitumenprobe enthaltender offener Tiegel erhitzt. Eine Zündflamme wird über die Oberfläche bewegt, bis eine Entflammung eines explosiven Öl/Luft-Gemisches über der Bitumenoberfläche stattfindet.

Anmerkung : Das Verfahren soll Aufschluss geben über:

- die Entflammbarkeit der sich beim Erhitzen eines Bitumen bildenden Dämpfe

- die Anwesenheit leicht entflammbarer Bestandteile im Bitumen

Definition Flammpunkt:

Der Flammpunkt ist die niedrigste Temperatur, bei der sich aus der Probe unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in solcher Menge entwickeln, dass diese mit der über dem Flüssigkeitsspiegel stehenden Luft ein durch Fremdzündung entflamm-bares Gemisch ergeben.

Definition Brennpunkt:

Der Brennpunkt ist die niedrigste Temperatur, bei der die Dämpfe, die sich aus der Probe unter den festgelegten Bedingungen entwickelt haben, nach dem Entflammen mind. 5 s weiterbrennen.


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Beispiele für Flammpunkte: - Destillationsbitumen > 220 °C bis > 280 °C - HVB Hochvakuumbitumen > 300 °C bis > 330 °C - Oxidationsbitumen > 230 °C bis > 280 °C

Dabei haben weiche Bitumen (z.B. 160-220) einen niedrigeren Flammpunkt als harte Bitumen (z.B. 20-30), da in einem weichen Bitumen mehr leichtflüchtige Bestandteile vorhanden sind, die sich entzünden können. Schlussfolgerung:

Nur die genaue Einhaltung der Verarbeitungstemperaturen ermöglicht den Bauerfolg. Jede Überschreitung schädigt das Bindemittel und führt zu erheblichen Gefahrenmomenten.

1.23 Mischungen von Bitumen untereinander

Oft lassen sich die gewünschten Eigenschaften nicht durch Verwendung einer einzigen Bitumensorte erreichen. Da alle Bitumensorten aber miteinander mischbar sind, lassen sich durch Kombination verschiedener Sorten meist die angestrebten Werte erzielen. Das gilt nicht nur für die DIN EN 12591 Bitumen untereinander, sondern auch für die Mischungen derselben mit geblasenen Sorten.

Bei Mischungen verschiedener Bitumen gleichen Typs sind die Erweichungspunkte der reinen Bitumen durch gerade Linien miteinander verbunden.

Eine ebenfalls lineare Beziehung gilt für den Logarithmus der Penetration. Bei Mischungen von Bitumen verschiedenen Typs (destillierte und geblasene) dagegen findet man mehr oder weniger gekrümmte Verbindungslinien. Die Erweichungs-punkte liegen unterhalb, die Penetration meist oberhalb der Werte, die man nach der Mischregel erwarten würde. Es ist abschließend darauf hinzuweisen, dass Mischungsdiagramme nur Anhaltswerte liefern können. Falls eine größere Genauigkeit erforderlich ist, muss die gewünschte Mischung vorher im Labormaßstab aus den zur Verfügung stehenden Komponenten hergestellt und untersucht werden.

BBitMABitMBBitEWPBBitMABitEWPABitM

mixEWP %.%.%.%.

−+−⋅−+⋅−=

M.-% Bit A Anteil von Bitumen A in Masse % M.-% Bit B Anteil von Bitumen B in Masse % EWP Bit A Erweichungspunkt Bitumen A in °C EWP Bit B Erweichungspunkt Bitumen B in °C


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1.24 Polymermodifizierte Bitumen

Polymeren modifizieren. Durch die Polymerzusätze soll die Bitumen lässt sich durch physikalisches Mischen und durch chemische Reaktion mit Sprödigkeit bei tiefen Temperauren verringert und die Verformungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen erhöht werden (Erweiterung der Plastizitätsspanne). Polymere lassen sich nach ihren physikalischen Eigenschaften unterteilen:

- Thermoplaste, mit Plastizität durch Erwärmung - Elastomere, mit elastischen Eigenschaften und - Duroplaste.

Die im Straßenbau verwendeten Polymere sind hauptsächlich Thermoplaste od. Elastomere.

Thermoplaste, oder auch Plastomere genannt, sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich (thermo-plastisch) verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden. Darin unterscheiden sich Thermoplaste von den Duroplasten und Elastomeren.

Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangspunkt sich unterhalb der Raumtemperatur befindet. Die Kunststoffe können sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück. Das Ausmaß der Effekte einer Modifizierung kann sehr unterschiedlich sein. Neben dem durch das Herstellungsverfahren bedingten Dispersitätsgrad wird das Verhalten der polymermodifizierten Bitumen durch Art und Menge des Zusatzes und von der stofflichen Zusammensetzung des Bitumen beeinflusst, wobei diese Einflussfaktoren in Wechselwirkung zueinander stehen. So gibt es Modifikationen, die in den Prüfungen deutliche Verbesserungen der Merkmale zeigen, aber auch solche, die kaum anders wirken als härtere Bitumen. Konsistenzerhöhungen und Veränderungen des rheologischen Charakters von mod. Bitumen werden meist mit konventionellen Prüfverfahren (Erweichungspunkt, Brech-punkt, Duktilität, Penetration) bestimmt. Daneben sind eine Reihe unterschiedlicher, nicht genormter dynamischer Prüfverfahren üblich; hierbei macht sich die elastifizierende Wirkung bestimmter Polymerzusätze besonders am Asphalt deutlich bemerkbar, d.h. das beim modifizierten Bitumen festgestellte erhöhte Rückstell-vermögen wirkt sich auch bei den Untersuchungen im Laboratorium am Asphalt aus. Oxidationsbitumen sind zur Herstellung von Polymerbitumen, PmB, ungeeignet. Je höher der Destillations- und damit Härtegrad des Bitumens ist, desto höher ist auch der Anteil der Asphaltenphase (höhermolekularer Anteil im Bitumen, keine einheitliche Stoffgruppe, disperse Phase). Das bedeutet, dass die Löslichkeit und die Kombinierbarkeit der Bitumen mit Zusätzen mit zunehmender Härte abnehmen.

http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoplasthttp://de.wikipedia.org/wiki/Elastomerhttp://de.wikipedia.org/wiki/Duroplasthttp://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoffhttp://de.wikipedia.org/wiki/Temperaturhttp://de.wikipedia.org/wiki/Plastische_Verformunghttp://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzehttp://de.wikipedia.org/wiki/Duroplasthttp://de.wikipedia.org/wiki/Elastomerhttp://de.wikipedia.org/wiki/Elastizit%C3%A4t_%28Mechanik%29http://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoffhttp://de.wikipedia.org/wiki/Glas%C3%BCbergangspunkt


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Plastomere und Elastomere zur Herstellung von polymermodifiziertem Bitumen (Polymerbitumen) gemäß den technischen Lieferbedingungen für Bitumen (TL Bitumen) werden in der Maltenphase (Phase aus hochsiedenen Ölen) aufgenommen und müssen neben den dispergierten Asphaltenen zu stabil-homogenen Gemischen führen. Hierfür sind nur ausgewählte Destillations-Bitumen einerseits und Polymere andererseits geeignet, denn die Löseeigenschaft der überwiegend aliphatischen Maltenphase ist sehr begrenzt. Tabelle 1.11: Anforderungen an Elastomermodifizierte Bitumen (PmB A) [10]

Tabelle 1.12: Anforderungen an Elastomermodifizierte Bitumen (PmB A)


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1.25 Prüfverfahren für polymermodifizierte Bitumen

Neben den „konventionellen“ Prüfverfahren (Nadelpenetration, Erweichungspunkt RuK, Brechpunkt) sind weitere entscheidende Prüfverfahren für polymermodifizierte Bitumen die:

- Kraftduktilität und - elastische Rückstellung.

1.25.1 Kraftduktilität gemäß DIN EN 13589

Abgeleitet von der Duktilitätsprüfung wird bei diesem Prüfverfahren kontinuierlich die (Zug)-Kraft gemessen, die aufgebracht werden muss, um ein Bitumen bei einer Temperatur von 5 °C zu dehnen (tritt ein Sprödbruch auf, muss die Prüftemperatur angepasst werden). In nachfolgender Abbildung ist ein Kraft-Dehnungsdiagramm einer solchen Prüfung dargestellt. Die Fläche unter der Kurve stellt die Verformungsarbeit dar. Je größer die Verformungsarbeit ist, um das Bitumen einen bestimmten Weg S zu dehnen, umso größer ist dann der Verformungswiderstand des Bindemittels. Somit kann mit der KD-Messung der Beitrag charakterisiert werden, den das Bindemittel zum Verformungswiderstand eines Asphaltes beiträgt.

Abbildung 1.16: Kraft-Weg-Diagramm der Kraftduktilität [14]


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1.25.2 Bestimmung der elastischen Rückstellung von PmB [DIN EN 13398]

Zur vereinfachten Bestimmung des elastischen Verformungsanteils, wird bei polymermodifizierten Bitumen oft die sog. Elastische Rückstellung bestimmt. Die mit diesem Versuch ermittelte Rückstellung dient als Unterscheidungsmerkmal zwischen elastomer- und polymermodifizierten Bitumen und „normalen“ Straßenbaubitumen. Auch kann eine Aussage bezüglich der Wirksamkeit und dem Abbau von Polymeren getroffen werden.

Nach DIN EN 12594 hergestellte Probekörper werden bei 25°C Prüftemperatur und einer vorgegebenen Ausziehgeschwindigkeit auf eine festgelegte Länge ausgezogen. Nach dem Durchschneiden des entstandenen Fadens genau in der Mitte, tritt eine elastische Rückstellung der beiden Halbfäden ein, deren Größe abhängig ist von den elastischen Eigenschaften der Probe. Nach einer definierten Rückstelldauer wird die Verkürzung der Halbfäden gemessen und als Anteil der Faden-Ausgangslänge angegeben.

Abbildung 1.18: Schematische Darstellung der elastischen Rückstellung


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1.26 Naturasphalt, Asphaltgestein, Asphaltite

Von den in der Natur vorkommenden Asphalten hat in der Bundesrepublik Deutschland nur der auf der Insel Trinidad vorkommende Trinidad-Naturasphalt eine größere Bedeutung für den Straßenbau. Das im Gebiet von Limmer-Vorwohle-Eschers-hausen gewonnene Asphaltgestein (Vorwohler Naturasphalt) wird nur noch für die Herstellung von Asphaltplatten verwendet. Naturasphalt aus Albanien mit der Bezeichnung "Selenizza" und aufbereitete Asphaltite aus den Gruben des Uinta-Beckens im Staate Utha/USA mit der Bezeichnung "Gilsonite" werden zwischenzeitlich auch angeboten. In den "Technischen Lieferbedingungen für Trinidad-Asphalt", Ausgabe 1974, sind die handelsüblichen Formen sowie die Zusammensetzung und Eigenschaften aufgeführt:

- Trinidad Epuré wird aus rohem Trinidad-Asphalt gewonnen und in Hartfaserfässern geliefert. Es setzt sich aus 53-55 M.-% löslichem Bitumen sowie 45-47 M.-% sehr feinen, füllerartigen Gesteinen und organischen unlöslichen Bestandteilen zusammen.

- Trinidad Pulver ist eine Mischung aus feingemahlenem Trinidad Epuré mit Füller aus Naturgestein. Handelsüblich ist Trinidad Pulver 50/50. Andere Mischungsverhältnisse bedürfen der Vereinbarung.

- Trinidad Epuré Z ist auf eine Korngröße von 12 mm zerkleinertes Trinidad Epuré, das einen Kieselgur-Zusatz von 3 M.-% enthält, welcher einem Wiederverkleben entgegenwirkt.

- Vorwohler Naturasphalt ist ein mit relativ weichem Bitumen durchtränkter Kalkstein; er besitzt einen Bitumengehalt von 3-5 M.-%. Das Asphaltgestein wird gemahlen und in Form von Natur

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Straßenbautechnik / Teil 1...2018/09/03 · Institut für Straßenwesen Straßenbautechnik / Teil 1 6 Bitumen und Asphalt – geschichtlicher Überblick Bitumen und Asphalt kennt