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Untersuchung des Kälteverhaltens von Bitumen wird durch neu entwickeltes Prüfverfahren effizienter

Detailansicht eines Prüfstands, mit dem das Kälteverhalten des Bitumen untersucht wird. Scher-Relaxationsversuch: Prüfanordnung (Bild: Ruhr-Universität Bochum)

Aufgabenstellung

Ein seit Jahrzehnten angewendetes Verfahren zur Prüfung der Kälteeigenschaften von Bitumen ist die Bestimmung des Brechpunktes nach Fraass. Aufgrund einer ungünstigen Vergleichspräzision dieses Verfahrens, insbesondere bei der Prüfung von polymermodifizierten Bitumen, wird seit einigen Jahren die Prüfung mithilfe eines Biegebalkenrheometers (BBR) verfolgt. Auch dieses Verfahren hat Verbesserungspotenzial: Die Prüfung ist zeitaufwendig, und die erforderlichen Arbeitsschritte sind nicht automatisierbar. Eine Optimierungsmöglichkeit bietet das Dynamische Scherrheometer (DSR). Seit mehreren Jahren wird dieses Instrument verwendet, um die rheologischen Eigenschaften von Bitumen im Gebrauchstemperaturbereich zu prüfen. Es ist naheliegend, dieses vielseitig anwendbare Messinstrument ebenfalls zur Prüfung der Kälteeigenschaften einzusetzen. Angestrebt wurde deshalb die Entwicklung einer Prüfmethode, die eine Charakterisierung der Bindemitteleigenschaften von Bitumen im Tieftemperaturbereich prozesssicher und mit moderatem Prüfaufwand ermöglicht. Mit dieser Aufgabe beauftragte die BASt den Lehrstuhl Verkehrswegebau an der Ruhr-Universität in Bochum. Vorgabe war, dass die verwendeten Prüfgeräte sowohl auf dem Stand der aktuellen Technik als auch an möglichst vielen Prüfstellen verfügbar sein sollten.

Untersuchungsmethode

Aufbauend auf einer internationalen Literarturrecherche wurden vier DSR-Prüfvarianten ausgewählt, die den vorgegebenen Rahmenbedingungen entsprachen: Angewendet wurden der Scher-Relaxationsversuch (SRV) sowie der Zug-Relaxationsversuch (ZRV). Darüber hinaus wurden Kälteprüfungen mit der 4 Millimeter-Platte-Platte-Geometrie (PP04) als auch mittels der dynamisch-mechanischen Thermoanalyse (DMTA) an schlanken, zylindrischen Proben durchgeführt. Zur Auswahl des Prüfverfahrens, wurde ein dreistufiges Untersuchungsprogramm entworfen. Im ersten Schritt wurden 10 Bindemittel mit allen 4 Varianten untersucht. Auf Grundlage der Ergebnisse wurden der SRV und die Untersuchung mittels PP04 für die Hauptuntersuchungen ausgewählt. Mit beiden Prüfverfahren wurden insgesamt 72 Bindemittel untersucht, die eine große Bandbreite an unterschiedlichsten Provenienzen, Sorten, Modifikationen und Alterungsarten abdecken. Anhand der gewonnenen Daten konnten erste Auswertungsmethoden entwickelt und überprüft werden.

Ergebnisse

In diesem Forschungsprojekt wurde eine Datengrundlage für die Bewertung der Eignung der beiden ausgewählten DSR-Methoden geschaffen. Die vorgenommene Validierung ergab, dass die Genauigkeit beider Verfahren in einem akzeptablen Bereich liegt. Die Untersuchung mittels PP04 erwies sich als etwas präziser, obwohl die allgemeine Handhabung der Bitumenproben im Labor bei den Probekörpern mit 4 Millimetern Durchmesser von den Prüfenden als schwieriger beurteilt wird. Mit einer Versuchszeit von 7,5 Stunden ist die Untersuchung mit dieser Variante allerdings deutlich zeitaufwendiger als der SRV, für den nur 1,75 Stunden benötigt werden. Während das für den SRV notwendige Messsystem in vielen Prüflaboratorien zur Standardausstattung eines DSR gehört, wird das 4 Millimeter-Platte-Platte-System bisher nur selten genutzt.

Folgerungen

Aus wissenschaftlicher Sicht sind die beiden Methoden als gleichwertig anzusehen. Auf Grundlage der angelegten Bewertungskriterien, besonders hinsichtlich der besseren Anwendbarkeit in der Praxis, ist der Scher-Relaxationsversuch (SRV) der Kälteprüfung mit der 4 Millimeter-Platte-Platte-Geometrie (PP04) vorzuziehen. Die geforderten notwendigen Eigenschaften eines Prüfverfahrens zur Beurteilung des Kälteverhaltens von Bitumen werden vom SRV erfüllt. Wegen der vielen weiteren Aspekte für das Kälteverhalten eines Asphalts können derzeit jedoch noch keine Grenzwerte vorgeschlagen, sondern lediglich kritische Werte genannt werden.

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