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NANOASPHALT – Optimierung der Gebrauchseigenschaften und der Beständigkeit von Asphaltstraßen unter Nutzung der Nanotechnologie

BASt-Bericht S 163

Uwe Beginn, Eduard Belke, Institut für Chemie neuer Materialien, Universität Osnabrück, Markus Oeser, RWTH Aachen
André Meyer, Tobias Paffrath, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, Frohmut Wellner, Markus Clauß, Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau, TU Dresden
Hartmut Beckedahl, Stefan Koppers, FG Straßenentwurf und Straßenbau, Bergische Universität Wuppertal, Eberhard Schmidt, Ingo Erdmann, FG Sicherheitstechnik/Umweltschutz, Bergische Universität Wuppertal, Hans Schmidt, Sven Hofmann, DEUTAG GmbH & Co. KG
146 Seiten
Erscheinungsjahr: 2021
Projektnummer: 07.0243
Preis: 0,00 €

Dieser Bericht steht ausschließlich kostenfrei im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Herstellung von „Nanoasphalt“ aus mit polymerbeschichteten, plätchenförmigen Nanopartikeln dotierten Bitumenbindemitteln und die Untersuchung des Alterungsverhaltens der neuen materialklasse.

Theoretische Voruntersuchungen zeigten, dass statistisch im Volumen verteilte, mplättchenförmige Partikel mit Aspekverhältnissn D/H > 100 als effektive Diffusionsbarrieren wirken und sowohl die oxidative Alterung als auch den Verlust weichmachender Bestandteile aus Bitumenbindemitteln um den Faktor 2 - 3 verlangsamen können.

Es wurde eine lösemittelfreie Synthese für Alkyl- Quat-Primer-Polymere entwickelt und ein Verfahren ausgearbeitet, um Natrium-Montmorillonit (NaMMT) in einem einstufigen Verfahren zu exfoliieren und die entstehenden Silikatblättchen mit den Polymeren zu beschichten. Hochverzweigte Polymere auf Basis von Polyethylenimin mit einem Quarternisierungsgrad von ca. 5 molProzent und einem Alkylierungsgrad von 80 molProzent unter Verwendung von C12-Substituenten adsorbieren irreversibel auf Montmorrilonit und wirken zugleich als Dispergiermittel. Es konnten Nanopartikel Bitumen-Komposite (NPBK) hergestellt werden, die bis zu 10 M.-Prozent Nanopartikel mit Dicken von 10-50 nm und Durchmessern von circa 1-10 μm enthielten. Zur Herstellung eines Demonstrators wurden die Synthesen in den Halbtechnikumsmaßstab hochskaliert (11 kg Polymer → 22 kg modifizierte Nanopartikel → 440 kg Nano-Bitumen → 6.200 kg Nano-Asphalt).

Die Einmischung der Nanopartikel in das Bitumen erfolgte einmal mit dem bereits in der Pilotstudie eingesetzten Schnecken-Extruder und mit Blick auf eine spätere Hochskalierung des Herstellungsprozesses mittels Hochschermischer. Die auf diese Weise hergestellten NPBKs wurden in unterschiedlichen Alterungsstufen (frisch, kurz- und langzeitgealtert) anhand von konventionellen und rheologischen Prüfungen beurteilt.

Mit ausgewählten NPBK-Varianten wurden auf Laborebene Asphalte hergestellt, die ebenfalls umfangreichen Testreihen unterzogen wurden. Den Projektabschluss bildete die großmaßstäbliche Mischgutherstellung in einer Asphaltmischanlage sowie das Anlegen und Beproben einer Demstratorfläche.

Optimization of performance related properties and resistance of asphalt pavements by using nanotechnologie

The objective of this research project was the generation of NanoAsphalt from bitumen binders containing polymer coated, plate shaped nano particles, as well as the investigation of the new materials class ageing properties. Theoretical considerations demonstrated randomly distributed plate like particles of high aspect ratio D/H > 100 to work as effective diffusion barriers that should slow down the effusive loss of lubricating components and simultaneously reduce the oxidative ageing of the binders ba a factor of 2 - 3.

A solvent free synthesis of alkyl-quat-primer polymers was developed and a technique was found to exfoliate sodium-montmorillonite and to coat the obtained silicate-layers with these polymers in a single step. Polyethylenimin based hyperbranched polymers with a degree of quarternization of 5 mol%, and a degree of alkylation of 80 mol% on using C12- substituents irreversibly adsorb on montmorillonite and act as dispersing agent. Nano-Bitumen-binders were prepared that contained up to 10 wt% of nanoparticles with a thickness of about 10-50 nm and diameters of 1-10 μm. To generate a demonstrator the syntheses were upscaled to the semi technicum level (11 kg polymer → 22 kg modified nanoparticles → 440 kg Nano-Bitumen → 6.200 kg Nano-Asphalt).

The mixing of the nanoparticles into the bitumen was carried out by applying a screw extruder, which was also used in the pilot study, and with a view to a later upscaling of the production process by eans of a high-speed shear-mixer. The resulting NPBKs were evaluated in different aging stages (fresh, short- and long-term-aged) by means of conventional and rheological tests procedures.

Selected NPBK-variants were used for producing asphalt mixtures on laboratory level, which were subjected to an extensive test program. At the end of the project a large-scale mixed material production in an asphalt mixing plant was realized, followed by the installation and testing of a paving demonstrator area.

  • Kontakt

    Bundesanstalt für Straßenwesen
    Brüderstraße 53
    51427 Bergisch Gladbach
    Info-Service
    Telefon: 02204 43-9101
    Fax: 02204 43-2550
    info@bast.de

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    buchverlag@schuenemann-verlag.de
    www.schuenemann-verlag.de

  • Berichte zum Download

    Die Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen stehen ab dem Jahrgang 2003 zum Teil als kostenfreier Download im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.