Thema 13 Bitume

A. Asphalt-Straßenbau 75 %

• Davon 25 % Polymerisierter Bitum

B. Dach und Dichtungsbahnen

C. Sonsitge Industirie

• Bautenschutz

• Isolierung

• Farben/Lacke

• Bitumen sind dunkelfarbige halbfeste bis springharte Kohlenwasserstoffgemische, die bei der Destillation geeigneten Erdöls als Rückstand anfallen.

• Asphalt ist ein Gemisch aus Gesteinskörnung und Bitumen als Bindemittel. Die Gesteinskörnung wird durch das Bitumen miteinander verklebt.

• Erdölhaltiges Gestein, aus dem die leichteren (kohlenstoffärmeren) Bestandteile verdunstet sind.

• Teerpech wird in einem chemischen Herstellungsprozess aus Stein-, Braunkohle und anderen fossilen Brennstoffen hergestellt.

• Das Rohöl wird durch Destillation auf getrennt

• Die leichtflüchtigen Stoffe werden abgetrennt

  • Benzin, Diesel und Heizüle

• Bitum wird gewommen werst durch vakuum Destillation

  
  

• Durch die Zugabe von Polymeren oder das Einblasen von Luft.

• 40 kg

• Bitumen hat eine kolloidale Struktur

Kolloide werden Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die im Dispersionsmedium (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit) fein verteilt sind.

• Disperse Phase (Asphaltene)

• Kohärente Phase, auch Dispersionsmedium (Maltene)

• Die Asphaltene (feste Phase) sind mit Erdölharzen umgeben und bilden im Kolloidsystem die sogenannten Mizellen.

Mizellen oder Micellen auch Assoziationskolloide genannt, sind zusammengelagerte Molekülkomplexe (Aggregate) aus amphiphilen Molekülen bzw. grenzflächenaktiven Substanzen.

• Amphiphle Moleküle: beschreiben die chemische Eigenschaft einer Substanz, die sowohl hydrophil als auch lipophil ist.

• Zusammensetzung von Bitumen

• Es existiert kein Schmelzpunkt sondern eine Erweichungspunkt

• Unterhalb Erweichungspunkt Bitum spröde

• Mechanische Eigenschaften sind stark Temperatur abhängig

  
  

• dispers verteilt

• Mechanische Eigenschaften

• Von der Temperatur

• Thermoplast

1. öligen Phase (Matrix) = Maltene

2. festen Phase (Füller) = Asphaltene

Einheit Asphaltene mit Asphaltharze umgeben

• Asphaltharze verhindern Verkettung der Asphaltene untereinander

• Beim Oxidationsbitumen wird Asphaltharzschicht durch Einblasen von Luft verstört

  • starres Gerüst von Asphaltenen entsteht (Struktur eines Gels)

• Bei tiefen Temperaturen: äußerlich spröde und hart.

• Beim Erwärmen langsam weicher

• werdend zwischen 150 und 200 °C flüssig

  • Thermoviskoses Verhalten

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

• Verformungswiderstand hängt beim viskosen Anteil

  von der Zeitdauer der Belastung und der Temperatur ab

• Als kinematische Viskosität (ν) bezeichnet man den Quotienten aus der dynamischen Viskosität des Mediums und seiner Dichte.

• dynamische Viskosität nimmt ab genauso wie die Dichte

• Baustoff kann sich aufgrund seines elasto-viskosen Verhaltens einer aufgezwungenen Beanspruchung durch viskose Verformungen entziehen. (flächige Abdichtung)

• Der Spannungsabbau erfolgt nicht spontan, sondern zeitabhängig.

• Je weicher das Bitumen, desto schneller erfolgt der Spannungsabbau

• Relaxationsvermögen von Bitumen ermöglicht es, das auch bei starker Abkühlung Bitumen nicht reißt

• Zugspannungen können abgebaut werden

• Asphaltstraßen können im Gegensatz zu Betonstraßen ohne Fugen hergestellt werden

1. Verdunstungsalterung (destillative Alterung),

2. Oxidative Alterung

3. Strukturalterung.

• Verschlechterung des Gebrauchsverhaltens oberflächlichen Versprödung und einer Verringerung der Adhäsion

• Beschränkte Recycling-Möglichkeiten

• Bitumensorte:

  • Weiches Bitumen enthält mehr Ölanteile als hartes und altert entsprechend leichtere Verdunstung

• Temperatur:

  • Je höher die Temperatur, desto höher der

    Dampfdruck und die Menge der verdampfenden Ölanteile

• spezifische Oberfläche:

  • Je größer die Luftzutrittsmöglichkeit (Mischgutzusammensetzung, Abdeckung, Verweildauer), desto größer die destillative Alterung.

• Luftzutrittsmöglichkeit:

  • Bei unbehindertem Luftzutritt an die Bitumenoberfläche bleibt die Wirkung unvermindert anhaltend, weil immer neuer Sauerstoff nachgeliefert wird.

• Temperatur:

  • Mit einem Anstieg der Temperatur verstärkt sich die Wirkung der oxidativen Alterung.

  • Bereits eine Erhöhung um 10 °C verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit.

• Licht:

  • Während die Oxidation im Dunkeln sehr langsam abläuft, wird sie durch die Einwirkung durch Licht erheblich beschleunigt.

  • Die Einwirktiefe des Lichts

    beträgt jedoch lediglich 4 bis 5 μm.

• Veränderungen der kolloidalen Struktur des Bitumens

• Die kolloidal dispergierten Teilchen werden vergrößert und koagulieren(Ausflocken/Gerinnen) zu größeren Aggregaten

• Der Gehalt an Asphaltenen nimmt zu, jener der Maltene nimmt ab.

• Das Bitumen geht vom Sol- zum Gel-Zustand über.

• Durch die fortschreitende Strukturierung wird das Bitumen härter.

Alterung des Bitumens durch

• Herstellung,

• Silolagerung

• Transport

• Einbau und

• Nutzung (schematisch)

Brechpunktprüfung nach Fraaß

• Erweichungspunkt prüfung mit Ring und Kugel

• Für Straßenbaubitumen: Korrelation zur dynamischen Viskosität

• Nadelpenetration

HALBFADENMETHODE

PLASTIZITÄTSSPANNE VON BITUMEN

• Erweichungspunkt Ring und Kugel (EP RuK)

• Nadelpenetration

• Brechpunkt nach Fraaß

• Bitumenhaltige Bindemittel

• Teer und teerhaltige Bindemittel

• Bitume in Naturasphalt

• Bitumen und abgeleitete Produkte

• Straßenbaubitumen

• Modifizierte Bitumen

• Industiebitumen

• Flux-Bitumen

• Bitumenemulsion

• Polymermodifiziertes Bitumen

• Oxidationsbitumen

• Hartbitumen

• Heißbitumen

• Verschnittbitumen

• Bitumenemulsionen

• Destillationsbitumen (Straßenbaubitumen)

• Hochvakuumbitumen (Gussasphalt)

• Oxidationsbitumen (Beschichtungen, Dachbahnen)

Verschnittbitumen

• Fluxbitumen (Straßenbau)

• Polymermodifizierte Bitumen (PmB)

Bitumenemulsionen

• kationische (saure) Bitumenemulsion (Straßenbau)

• anionische (basische) Bitumenemulsionen (Bautenschutz, Dickbeschichtungen)

• Entsteht durch die Destillation von Erdöl unter vermindertem Druck bei Temperaturen von

  • 350 bis 380 Grad Celsius.

• Penetratiom:

  • desto härter

• Erweichungspunkt

  • je unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen

• Brechpunkt nach Fraaß

  • je empfindlicher gegenüber tiefen Temperaturen

• besitzen eine harte bis springharte Konsistenz,

• werden gezielt durch aufwendige Verarbeitung aus Destillationsbitumen hergestellt

• Bei der Produktion von Lacken, Gummiwaren und Isoliermaterial.

• Destillationsbitumen wird unter kontrollierten Bedingungen durch Einblasen von Luft zu Oxidationsbitumen weiterverarbeitet.

  • Gel → elastische Eigenschaft

• Ergebnis: Bitumensorten mit verbesserter Beständigkeit gegen Wärme und Kälte.

• schwer zu verarbeiten

• Trägereinlage* mit Destillationsbitumen getränkt

• Trägereinlage beidseitig mit einer Deckschicht aus Oxidationsbitumen versehen

• Ggf. Metallfolien (Cu, Al) und Biozide als Dampfsperre und Wurzelschutz

• Mineralische Bestreuung/Deckschicht

• Destillationsbitumen (Basisbitumen meist 70/100) + Fluxöle

• Bessere Verarbeitbarkeit durch Herabsetzen der Viskosität

• Erhärten durch Verdunsten der Fluxöle, daher hoher Hohlraumgehalt notwendig

• Einbau bei niedrigen Temperaturen Warmeinbau 40 – 110 °C Einbautemperatur.

• Wichtigste Anwendungsgebiete: gering beanspruchte Verkehrsflächen

• Entsteht durch die Kombination von Destillationsbitumen mit Polymeren.

• 3 bis 5 % Zusatz

• verbesserte Haftung an Gesteinskörnung.

  
  

• Stark beanspruchte Verkehrsflächen

• Straßen- und Flughafenbau sowie

• Hochwertige Dach- und Dichtungsbahnen

• Dispersion aus weichem Destillationsbitumen (in Emulgatorschutzhülle) in einem wässrigen Medium

• Erhärten durch Wasserverdunstung,

• geruchsfreie Verarbeitung

• kein thermoplastisches Bindemittel,

• gute Verarbeitbarkeit bei niedrigen Temperaturen

• sehr gutes Benetzungsvermögen auch für

  feuchte Gesteine.

kationische (positive Oberflächenladung)

• Bitumenemulsion (Straßenbau)

• Bildung eines fest haftenden Bitumenfilms beim Berühren des emulgierten Bitumens mit Gestein.

• Bautenschutz

• Dickbeschichtungen

• Eindringen von Oberflächenwasser in untere

  Lagen verhindern

• Ausgleichen von horizontalen Bewegungen,z. B. von Betonplatten, spannungsfrei

• Eindringen von Schmutz verhindern

• Die meisten anorganischen Säuren (allerdings Temperaturabhängigkeit)

• Salze

• aggressiver Wässer

• Kohlensäure

• Alkalien

widerstandsfähiger

• Kraftstoffe (Benzin, Diesel)

• Ölen

• Fetten

• viele organische Lösemittel

• schwarz und praktisch wasserundurchlässig

• hohe Beständigkeit gegenüber Chemikalien

• Temperaturabhängige mechanische Eigenschafen, aber Plastizitätspanne deutlich kleiner und bei Raumtemperatur weicher als Bitumen

• Manche Teersorten haben fungizide und insektizide Wirkung

• Süßlicher Geruch (leichtflüchtige Verbindungen)

• Gefahrenstoff

• Holz

• Braunkohle

• Steinkohle

• thermische Zersetzung

• Rohteer

  • Rohteer enthält Wasser und Leichtöle

• Destillation des Rohteers

  → Teeröle (Destillate) + Teerpech (Destillationsrückstand)

• Teer : Benzo(a)pyren 5000 bis 10000 ppm

• Teer : Benzo(a)pyren 1 bis 5 ppm