Bindemitteldesign für Asphaltstraßen – Definition eines chemisch-rheologischen Anforderungsprofils

Die Alterung des Bitumens innerhalb des Asphaltbelags ist ein Einflussfaktor für die begrenzte Haltbarkeit von Asphaltstraßen. Die Kenntnis über Bitumen und seine Alterungseigenschaften ist deshalb von entscheidender Bedeutung. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde nun eine Grundlagenstudie zur Charakterisierung von Bitumen durchgeführt. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, die Qualität von Bitumen künftig noch weiter zu erhöhen.

Laboruntersuchung von Bitumen (Bild: BASt)

Aufgabenstellung

Die Haltbarkeit von Asphaltstraßen ist neben anderen Einflussfaktoren vom jeweils verwendeten Bitumen abhängig. Die Eigenschaften des Bitumens wiederum werden durch dessen chemische Zusammensetzung und den strukturellen Aufbau beeinflusst. Vor diesem Hintergrund beauftragte die BASt das Institut für Bauingenieurwesen an der Technischen Universität Berlin mit einer Grundlagenarbeit zur Charakterisierung verschiedener Bitumen. Untersucht werden sollten in diesem Rahmen die Zusammenhänge zwischen der Chemie des Bindemittels und dessen Verhalten bezüglich Rheologie, Alterung und Haftung. Ziel war die Ableitung eines Konzeptes zur gezielten Beeinflussung der Bitumeneigenschaften.

Untersuchungsmethode

In einem ersten Schritt wurden verschiedene chemische und rheologische Untersuchungen an zwölf Straßenbaubitumen durchgeführt. Die Analysen umfassten neben dem nicht gealterten Zustand auch den kurzzeitgealterten sowie den langzeitgealterten Zustand. Die verwendeten Bitumenproben stammten aus unterschiedlichen Raffinerien und wiesen variierende Viskositäten auf. Dadurch konnte eine große Bandbreite an in Deutschland eingesetzten Straßenbaubitumen berücksichtigt werden. Zusätzlich zu den Bindemitteln wurden vier Gesteinsproben mit unterschiedlichen adhäsiven Eigenschaften zum Bitumen petrografisch und physikalisch analysiert sowie das Haftverhalten zwischen den Gesteins- und Bitumenproben untersucht.

Zur Erforschung der unmittelbaren Zusammenhänge zwischen einzelnen Bitumeneigenschaften wurden die gewonnenen Untersuchungsergebnisse mittels einer Clusteranalyse gegenübergestellt. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse sollte ein mögliches Bindemitteldesign abgeleitet werden, das die Beeinflussung der Bitumeneigenschaften hinsichtlich der Rheologie sowie des Alterungs- und des Haftverhaltens erlaubt.

Ergebnisse

Zwischen den verschiedenen Bitumenkennwerten konnte eine Vielzahl von bilateralen Zusammenhängen festgestellt werden. Insbesondere der Asphaltengehalt und die Verteilung der gesättigten Kohlenwasserstoffe, Aromaten, Erdölharze und Asphaltene (SARA-Fraktionen) zeigten einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten des Bindemittels.

Weiterhin gelang es, mithilfe von Linearkombinationen aus den Gehalten und den Molmassenmittelwerten der SARA-Fraktionen verschiedene rheologische, alterungs- und haftbedingte Kennwerte zu beschreiben. Durch die Umstellung dieser SARA-Fraktionen konnte zudem ein synthetisches Bindemitteldesign abgeleitet werden. Damit ist es möglich, die zum Erreichen vorgegebener Kennwerte erforderlichen Gehalte der SARA-Fraktionen zu ermitteln und auch zu prognostizieren.

Folgerungen

Die grundlagenorientierte Untersuchung belegt, dass prinzipiell einige wesentliche physikalische Eigenschaften von Bitumen über die chemische Zusammensetzung berechnet werden können. Von besonderem Wert kann die Ableitung der Grundgleichung angesehen werden, mit deren Hilfe die Beschreibung von diversen chemisch-physikalischen Zusammenhängen ermöglicht wird. Bestehende Prüfverfahren können mittels der angewendeten Methode hinsichtlich ihrer Aussagekraft experimentell und statistisch abgesichert werden.