Generieren von Anforderungswerten für RTFOT-gealterte Bitumen

Entwicklung von Anforderungswerten für DSR-Prüfungen nach der RTFOT-Alterung
Dipl.-Ing. Hülya Sacihan
Dipl.-Ing. Hülya Sacihan
Bauingenieurin Asphaltstraßenbau NRW / Internationale Projekte / Bitumenlabor

Hintergrund

Kurzlebigere Verkehrswegebefestigungen aus Asphalt und größere Schäden in den vergangenen Jahren infolge des unterschiedlichen Alterungsverhaltens von Bitumen der gleichen Sorte stellen den Asphaltstraßenbau vor immer größere Herausforderungen. Deshalb Bitumen als visko-elastischer Bestandteil im Asphalt als das schwächere Glied angesehen wird. Insbesondere die Anfälligkeit von Bitumen für Sauerstoff- und UV-Alterung ist nicht unerheblich. Sowohl die oxidative Alterung als auch die Strukturalterung verändern das Bitumen dermaßen unterschiedlich, dass nach einer kurzen Liegedauer die gewünschten Eigenschaften nicht mehr erhalten bleiben. Die in Deutschland empirisch ermittelten Anforderungen für die Bitumenprüfungen nach TL Bitumen-StB gehen hauptsächlich vom Anlieferungszustand aus und nur zum Teil über den kurzzeitgealterten Zustand hinaus. Unter Experten ist bekannt, dass die konventionellen Prüfungen zur Feststellung der o.g. Eigenschaftsveränderungen nicht geeignet sind.

Untersuchungs- ergebnisse

Um in diesem Bereich einen substanziellen Beitrag zur Weiterentwicklung zu leisten, wurde im Rahmen des Projekts zur RTFOT-Alterung (Rolling Thin Film Oven Test) von Bitumen auf Basis des Straßenbaubitumens 70/100 ein System erarbeitet, das  leistungsorientierte Prüfungen mit dem Dynamischen Scherrheometer (DSR) berücksichtigt. Für diese Prüfungen existieren gemäß Bitumennormen keine Anforderungswerte in Deutschland. Aus diesem Grund sollen anhand von Erfahrungswerten der TPA GmbH aus den Jahren 2016 bis 2018 Anforderungswerte für Versuche mit dem Dynamischen Scherrheometer entwickelt werden.

Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts weisen darauf hin, dass eine ganzheitliche Betrachtung von Bitumenproben aus unterschiedlichen Lieferstellen bei der Generierung von Anforderungswerten für das DSR nicht mehr zielführend ist, weil die Herstellungsmethoden von Bitumen aufgrund der Rationalisierung der Raffinerien und damit verbundener, unterschiedlicher Herstellungsmethoden von Bitumen mittlerweile stark variieren. Die Betrachtung der Prüfergebnisse differenziert nach Lieferstellen hat sich hingegen als sinnvoll erwiesen. Es wird deutlich, dass sich für die jeweiligen Lieferstellen Messwertbereiche mit klar erkennbaren Ober- und Untergrenzen ergeben, in die sich die DSR-Ergebnisse einordnen lassen. Anhand der Spannweiten der komplexen Schermodule und Phasenwinkel können die Steifigkeit sowie auch die elastischen und viskosen Anteile eines Bitumens festgestellt werden.

So ergibt sich bei einer Prüftemperatur von 30°C für jede Lieferstelle ein separates Spannweitenfenster für kurzzeitgealterte Bitumenproben (Abb. 1). Bei Lieferstelle A werden besonders hohe Spannweiten erreicht, nahezu alle Bitumenproben können hier eingeschlossen werden. Eine konstante Herstellung scheint hier nicht vorhanden zu sein. Möglichst gleichbleibend scheint der Herstellungsprozess der Lieferstelle D zu sein, Lieferstelle E ist sogar noch konstanter, da allerdings die Stichprobenzahl hier sehr klein ist, bleibt diese zunächst unbeachtet.

Abbildung 1: Minimal- und Maximalwerte für die komplexen Schermodule bei 30 °C von RTFOT-gealterten Bitumen

In Abbildung 2 sind die kurzzeitgealterten Bitumenproben der gleichen Lieferstellen bei einer Prüftemperatur von 60°C dargestellt. Hier wurde festgestellt, dass sich die Fenster für die Spannweiten etwas verändern und kleiner werden. Besonders auffallend ist aber, dass Proben aus der Lieferstelle B relativ hohe komplexe Schermodule aufweisen, was ein Zeichen dafür ist, dass die Bitumen gerade bei höheren Temperaturen resistenter/widerstandsfähiger gegen bleibende Verformungen werden. Genauso wie schon in den 30°C-Prüfungen ist das Fenster für die Spannweiten der Lieferstelle D relativ klein. Trotz der großen Spannweitenunterschiede bei 30 °C und 60 °C liegen die Mittelwerte aller Lieferstellen in ähnlichen Bereichen; insbesondere bei 60°C unterscheiden sich die Differenzen für die komplexen Schermodule und auch der Phasenwinkel nicht gravierend.

Abbildung 2: Minimal- und Maximalwerte für die komplexen Schermodule bei 60 °C von RTFOT-gealterten Bitumen

Obwohl das Projektziel,  Anforderungswerte für das DSR nach RTFOT-Alterung zu generieren, nicht vollständig erreicht werden konnte, ist es aber dennoch möglich,bei einer differenzierten Betrachtung der Lieferstellen maximale und minimale Werte für das komplexe Schermodul und den Phasenwinkel abzuleiten. Somit lässt sich aus den Erfahrungswerten der Jahre 2016 – 2018 ein Schema ableiten, mit dem leicht überprüft werden kann, ob neue Lieferungen innerhalb dieser Fenster liegen. Ausreißer können sofort erkannt und die Konsequenzen unmittelbar nach der DSR-Prüfung gezogen werden.

Blick in die Zukunft

In zukünftigen Projekten muss nun validiert werden, ob die gleichen Verfahren auch für andere Bitumensorten angewendet werden können. Hierbei wäre es zusätzlich ratsam, den Alterungszustand mit dem Biegebalkenrheometer zu untersuchen. Diese Erkenntnisse würden  die Wahl von Bitumen hinsichtlich der Zustandsmerkmale Kornausbrüche und Top-Down Cracking für unterschiedlich schwere Projekte erheblich vereinfachen.

Abbildung 3: DSR-Proben für die Bestimmung des komplexen Schermoduls und des Phasenwinkels (Quelle: TPA)
Abbildung 4: RTFOT-Ofen (Quelle:Eurobitumen.eu)

Unternehmenseinheit:

TPA Deutschland / Schweiz / Niederlande / International

Projektlaufzeit:

2018