Rheologische Untersuchung von Asphalt und Bitumen

Bitumen ist ein bereinigter Rückstand aus der Rohöldestillation. Es handelt sich um ein komplexes Gemisch aus vielen verschiedenen petrochemischen Komponenten. Asphalt ist eine Mischung aus Bitumen und mineralischen Bestandteilen, wobei Bitumen als Bindemittel dient. In einigen Ländern (wie den USA) werden die Begriffe Asphalt und Bitumen jedoch meist synonym verwendet.

Straßenbelag oder Asphaltbeton besteht aus einer Mischung mineralischer Materialien wie Steine, Kies, Schotter, Sand usw. mit Bitumen (bzw. Asphalt) als Bindemittel. Dieser Belag ist in der Regel unterschiedlichen Witterungsbedingungen und einer starken Verkehrsbelastung ausgesetzt. Daher stellen Straßenreparaturen für die Straßenbaubehörden einen erheblichen Kostenfaktor dar. Typische Schäden sind die Bildung von Spurrinnen oder Rissen durch Materialermüdung oder thermische Belastung.

Spurrinnen entstehen durch ständige Verkehrsbelastung. Dadurch werden die Strukturkräfte des Gemisches schwächer, was zu einer zunehmenden und dauerhaften Verformung des Fahrbahnbelags führen kann. Dies kann schließlich zu Effekten wie Aquaplaning führen.   

Ermüdung und thermische Rissbildung werden oft durch jahreszeitliche Temperaturschwankungen verursacht. Es können Mikrorisse entstehen, die nicht mehr von selbst „ausheilen“ können. Als weitere Folge können die Risse größer werden und durch die Reibungskräfte der Reifen können Stein- oder Asphaltfragmente von der Oberfläche des Fahrbahnbelags gerissen werden. In einer Kettenreaktion beschleunigt das eindringende Wasser und Eis im Winter diesen Schadensprozess immer mehr besonders in kalten Klimazonen.  

Das Ziel der öffentlichen Verwaltung sowie von Straßenbauunternehmen, Baustoffherstellern und Forschungseinrichtungen ist es, die Leistung und Lebensdauer von Asphaltbeton zu verbessern. Dieses Ziel kann durch die Verwendung hochwertiger Rohstoffe und die Wahl der richtigen Textur und des richtigen Mischungsverhältnisses von Bitumen und Mineralstoffen erreicht werden. Solche Verbesserungen führen zu einer besseren Verarbeitbarkeit, Formstabilität und Beständigkeit gegenüber jahreszeitlichen Witterungsänderungen, einer geringeren Anhaftung von Flüssigkeiten und Staub sowie einem besseren Gripverhalten.

Der Begriff „Bitumen“ ist keltischen Ursprungs und bedeutet „Mineralpech“ oder „Erdharz“. Diese brennbare Flüssigkeit von braungelber bis schwarzer Farbe weist bei Raumtemperatur zähes, viskoelastisches Verhalten auf. Es besteht aus Tausenden von Verbindungen mit hohem und niedrigem Molekulargewicht, darunter Kohlenwasserstoffen, Harzen, Paraffinen, Wachsen, Fetten, Schwerölen, Ligninen, Proteinen und Asphaltenen. Im Gegensatz zu Asphalt ist Bitumen frei von Feststoffen (z. B. Mineralien). Naturbitumen besteht aus natürlichen organischen Materialien.

Bitumen dient in erster Linie als Asphaltbindemittel für Mischungen von Fahrbahnbelägen, in dem es feste mineralische Zusatzstoffe wie Sand oder Steinchen bindet. Dazu muss es stabil gegenüber Entmischung bei hohen Temperaturen bleiben. Andererseits darf es bei niedrigen Temperaturen nicht zum Sprödbruch neigen.

Die rheologischen Eigenschaften von Bitumen können beispielsweise durch Oszillationstests bei variabler Temperatur (im Bereich von T = 0 °C bis +70 °C) bestimmt werden. Synthetische Polymere werden häufig eingesetzt, um das viskoelastische Verhalten des Fahrbahnbelags zu optimieren. In der Regel haben die Komponenten des reinen Bitumens einen geringeren Einfluss auf das rheologische Verhalten als die zugesetzten synthetischen Polymere. Einige seit vielen Jahren durchgeführte Tests in der Asphaltindustrie werden nur bei einer einzigen Temperatur durchgeführt, was für einen rheologisch derart komplexen thermoplastischen Stoff wie Bitumen nicht ausreicht. Traditionelle spezifische Werte wie der Erweichungspunkt (EP, engl. Softenting point, SP), der mit der Ring-und-Kugel-Methode (R&K, eng. Ring-and-ball, R&B) bestimmt wird, oder Pinwerte, die durch durch Nadelpenetrationstests bestimmt werden, ermöglichen zwar eine grobe Klassifizierung, liefern aber unzureichende Informationen über die Qualität eines gelieferten Produkts oder seine Eignung für die oft speziellen Anwendungen.

Für diesen Test wird ein Asphalt-Rheometer benötigt, das eine Peltier-Temperiereinheit für konzentrische Zylindermesssysteme enthält.

Um Bitumen oder Asphaltbindemittel für spezielle Anforderungen, wie z. B. Straßenbeläge, geeignet zu machen, wird es oft mit Polymeren zu einem sogenannten polymermodifizierten Bitumen (PMB) vermischt. Im Vergleich zu herkömmlichem Bitumen haftet PMB besser an mineralischen Partikeln und der Temperaturbereich zwischen dem Erweichungspunkt und dem Brechpunkt ist breiter. Er weist einen besseren Strukturwiederaufbau nach der Entlastung auf und ist widerstandsfähiger gegenüber Materialermüdung. Darüber hinaus zeichnet sich PMB durch eine bessere Wasserfestigkeit sowie eine höhere Steifigkeit und Haltbarkeit aus. PMB wird normalerweise in Bereichen mit außergewöhnlich hoher Verkehrsbelastung eingesetzt, z. B. auf Brücken und in offenzelligem Asphaltbeton, der zur Reduzierung von Fahrgeräuschen eingesetzt wird.

Der Hauptzweck des Mischens von Bitumen mit Polymeren besteht darin, seine Dehnbarkeit (Duktilität) zu verbessern, sodass es bei hohen Temperaturen steifer und bei niedrigen Temperaturen weicher wird. Additive können bis zu sieben Prozent des Bitumens ausmachen. Gängige Additive sind Mischungen aus thermoplastischen Polymeren wie Styrol-Butadien-Styrol (SBS), Ethylen-Vinylacetat (EVA) oder gemahlenes Reifengummi (engl. ground tire rubber, GTR). Rheologische Tests können eingesetzt werden, um das temperaturabhängige Verhalten von PMB beim Erwärmen oder Schmelzen zu bestimmen, z. B. in Temperaturtests unter Verwendung eines Oszillationsrheometers.  Obwohl der Anteil des zugesetzten Polymers im Verhältnis zum Bitumen relativ gering ist, zeigt eine Temperaturkurve deutlich den starken Einfluss der Polymermoleküle auf das viskoelastische Verhalten der Mischung.

Für diesen Test wird ein Asphalt-Rheometer benötigt, mit einer Peltier-Temperiereinheit für konzentrische Zylindermesssysteme.

Aufgrund der steigenden Zahl von Fahrzeugen auf den Straßen der Industrie- und Entwicklungsländer fallen jedes Jahr Millionen von Altreifen an. Der Einsatz von Reifengummi in der Asphaltproduktion für den Straßenbau trägt nicht nur dazu bei, die Umweltbelastung durch Altreifen zu reduzieren, sondern verändert auch die Eigenschaften des Asphalts für den Autobahnbau positiv. Die Vorteile sind langlebigere Straßenoberflächen, geringerer Straßenwartungsbedarf, weniger Straßenlärm und kürzere Bremswege. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sich Asphaltgummi zum größten einzelnen Absatzmarkt für Altreifen entwickelt hat: Jedes Jahr werden rund 12 Millionen Reifen zu diesem Straßenbaumaterial verarbeitet. Kalifornien und Arizona verwenden die größten Mengen von Asphaltgummi im Autobahnbau (über 80 % des dort verwendeten Asphalts ist Asphaltgummi). Asphaltgummis können für jede Art von Klima ausgelegt werden. 

Asphalthersteller müssen in der Lage sein, das temperaturabhängige viskoelastische Verhalten von Asphalt zu messen, um das Material zu klassifizieren und seine Leistung vorherzusagen. Solche Messungen können mit einem dynamischen Scherrheometer durchgeführt werden, das für gummimodifizierten Asphalt mit Partikeln bis zu einem Durchmesser von 2 mm verwendet werden kann. Im Allgemeinen verbessert der Zusatz von Reifengummi die rheologischen Eigenschaften von Asphalt deutlich, was sich im Vergleich zu reinem Straßenbauasphalt in einer Erhöhung der Steifigkeit und Elastizität des Materials zeigt.

Für diesen Test wird ein Asphalt-Rheometer benötigt, mit einer Peltier-Temperiereinheit für konzentrische Zylindermesssysteme.