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Asphalt und Bitumen

Vorlesung Werkstoffe 1, ETHZ Frühling 2011

Dr. Manfred N. Partl

Dipl. Bauing. ETH/SIA, Abteilungsleiter, EMPA, Abteilung Strassen-bau/Abdichtungen Prof. KTH Stockholm, Carleton University, Ottawa

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Asphalt und Bitumen - Werkstoffe I, ETHZ, Frühjahrsemester 2011, Prof Dr. M. N. Partl 2 (27)

Inhalt

1 Einleitung ........................................................................................................................................ 3

2 Definitionen/Einteilung .................................................................................................................... 4

2.1 Definitionen .............................................................................................................................. 4

2.2 Bitumenarten ............................................................................................................................ 5

3 Sicherheit/Arbeitshygiene/Umwelt .................................................................................................. 8

4 Herstellung von Bitumen ................................................................................................................. 9

5 Chemische Zusammensetzung von Bitumen .................................................................................. 9

5.1 Modellvorstellung: Struktur Bitumen: ..................................................................................... 10

5.2 Modellvorstellung: Struktur Polymerbitumen ......................................................................... 11

6 Charakterisierung und Prüfungen von Bitumen ............................................................................ 11

6.1 Penetrationsprüfung (EN 1426) ............................................................................................. 12

6.2 Erweichung Ring & Kugel Prüfung (EN 1426) ....................................................................... 12

6.3 Brechpunkt nach Fraass (EN 12593) ..................................................................................... 13

6.4 Dynamisches Scher-Rheometer DSR (EN 14770) ................................................................ 13

6.5 Rolling Thin Film Oven Test RTFOT (EN 12607-1) ............................................................... 14

6.6 Kraftduktilität (EN 13589) ....................................................................................................... 15

7 Strassenbeläge ............................................................................................................................. 15

7.1 Übersicht ................................................................................................................................ 15

7.2 Einbau, Verarbeitung ............................................................................................................. 17

7.3 Prüfungen .............................................................................................................................. 18

7.3.1 Volumetrische Kenngrössen ........................................................................................... 18

7.3.2 Marshall-Prüfung SN670 434 (EN12697-34) .................................................................. 18

8 Polymerbitumen-Dichtungsbahnen (PBD, SIA 281) ..................................................................... 19

8.1 Übersicht ................................................................................................................................ 19

8.2 Bezeichnungen nach SIA 281 (2007) .................................................................................... 21

8.3 Herstellung ............................................................................................................................. 22

8.4 Prüfungen .............................................................................................................................. 22

8.4.1 Auswahl der wichtigsten Prüfungen ................................................................................ 22

8.4.2 Bestimmung des Zug- Dehnverhaltens (EN 12311-1) .................................................... 23

8.4.3 Wärmestandfestigkeit (EN1110) ..................................................................................... 23

8.4.4 Kaltbiegeverhalten (EN 1109) ......................................................................................... 24

8.4.5 Widerstand gegen Durchwurzelung (EN13948) ............................................................. 25

8.4.6 Ausführungskontrolle auf der Baustelle .......................................................................... 25

9 Belagselemente für Betonbrücken ................................................................................................ 26

9.1 Allgemeiner Aufbau ................................................................................................................ 26

9.2 Flexible Fahrbahnübergänge aus Polymerbitumen ............................................................... 27


1 Einleitung

Bitumen ist ein natürlicher Stoff, der typischerweise zusammen mit Gesteinsfragmenten in Naturas-phalten meist in Gebieten mit Rohöl und Erdgasfunden vorkommt. In der Schweiz findet sich Na-turasphalt im Val de Travers im Neuenburger Jura. Der Masseanteil an Bitumen im Gestein beträgt hier ca 7..15%. Ein weiteres Beispiel ist der Asphaltsee auf der Insel Trinidad mit einem Masseanteil um 55 % Bitumen.

Die Verwendung von Bitumen hat eine lange Geschichte. Wegen seiner leichten Verarbeitbarkeit und seiner ganz spezifischen Eigenschaften gehört Bitumen zu den ältesten natürlichen Baustoffen welche zu Abdichtungs- und Klebezwecken verwendet wurden. Im Altertum wurde Bitumen insbe-sondere in Mesopotamien zum Abdichten von Booten und Bewässerungsbauten sowie als Mörtel zum Bau von Zikkuraten "Turm zu Babel" und Strassenpflästerungen verwendet. Die Verwendung von Bitumen für Strassen in der Neuzeit setzte in der Mitte des 19 Jahrhunderts ein. Im Vordergrund stand dabei die Staubreduktion in den Städten.

Baustoffe auf Bitumenbasis, sog. bitumenhaltige Baustoffe, zeichnen sich durch visko-elasto-plastische (Abbildung 1.1), bzw. extrem temperatur- und zeitabhängige, mechanische Eigenschaften aus. Dies schränkt einerseits die Anwendung ein, da ohne fundiertes Werkstoff-Verständnis und Know-How leicht Misserfolge generiert werden können, erklärt aber anderseits auch die vielfältigen technischen Möglichkeiten der Materialkonfektionierung in klassischen und neuen kostengünstigen Anwendungen nicht nur im Bauwesen sondern auch im industriellen Bereich. Die allgemein gute Rezyklierbarkeit begünstigt den nachhaltigen Umgang mit bitumenhaltigen Baustoffen.

zeitabhängig

zeitabhängigreversibel

t1=0 t2=3600s

/(t2)

0

0.5

1t2=3600s

= 0.1MPa

t3=20h

zeitunabhängig

zeitunabhängig

irreversibel(plastisch &

viskos & Risse)

vp

p

ve

e

tot= el + ve + vp + pl

Abbildung 1.1 Kriech-Erholungsversuch mit elastischen, viskoelastischen, plastischen und viskoplas-tischen Dehnungsanteilen. (Beispiel: einachsiger Zug Mastixasphalt)

Die Eigenschaften bitumenhaltiger Baustoffe werden von folgenden typischen Merkmalen von Bitu-men bestimmt:

o Schwerflüchtiges, schwarzes, hoch-molekulares Kohlenwasserstoffgemisch o Geringe Dichte, d.h. 1.0..1.06kg/m3 (wie Wasser) o Extreme Temp. & Zeitabhängigkeit (visko-elasto-plastisch), daher auch geringe Wärme- und

Feuerbeständigkeit o Gute Abdichtungseigenschaften gegen Wasser und Dampf (Diffusionswiderstand =105) o Wasserabstossend, geringe Wasserlöslichkeit (Löslichkeit Wasser in Bitumen 0.001...0.1%) o Gute Haft und Klebeeigenschaften an trockenen Flächen (bei Emulsionen bedingt auch auf

feuchten Flächen) o Tiefe thermische Leitfähigkeit (0.16 W/mK) o Grosse therm. Ausdehnung (6.1 x10-4/K) o Gute Witterungsbeständigkeit (kaum Oxidation in Luft) o Oxidation bewirkt Alterung o Weitgehend physiologisch unbedenklich


o Gute chemische Beständigkeit gegenüber den meisten anorganischen Säuren (Ausnahmen: Salpetersäure HNO3 und Schwefelsäure H2SO4), Basen und Salzen, stark polaren Lösemitteln wie Alkohol und Wasser

o Chemisch unbeständig gegenüber Ölen und Fetten sowie artverwandten unpolaren organi-schen Lösungsmitteln wie Benzin, Toluol, Trichloräthan

o Recyclierbar o Geringer Reparaturaufwand o Energieverbrauch bei Heissverarbeitung o Mit dem Benzinmarkt gekoppelt

Der Anwendungsbereich von Bitumen umfasst:

o Strassenbeläge, Dichtungsbeläge, Sperrschichten im Gleisbau, „feste Fahrbahn“ im Eisen-bahnbau (Schotterersatz), Bodenbeläge und Industrieböden (gegossen oder als Asphaltplat-ten), Bodenverfestigung

o Bitumenbahnen: Flachdach, Brückenabdicht., Unterterrain -Abdichtung, Tagbautunnels, Gleit-schichten, Bodenabdichtungen von Deponien, Pumpspeicherbecken, Deichen und Dämmen von Staubecken

o Geneigte Dächer: Unterdachbahn., Dachschindeln, Wellplatten

o Fugen: Fugenvergussmassen, Dichtungsbänder, Fahrbahnübergänge von Brücken, Spach-telmassen und Kitte zum Füllen und Ausgleichen von Unebenheiten und Hohlräumen sowie zum Abdichten von Fugen

o Heiss oder kalt aufgetragene lösemittelhaltige Anstriche, Emulsionen zum Bautenschutz

o Klebung: Binde- und Klebemittel für Schall- und Wärmeisolation

Die optimale Verwendung bitumenhaltiger Baustoffe ist häufige eine Gradwanderung zwischen grundsätzlich gegenläufigen Anforderungen. Beispielsweise wird im Strassenbau nach dauerhaften Asphaltbelägen gesucht, die einerseits auch bei hohen Sommer-Temperaturen genügend steif und tragfähig sind, um nur geringe bleibende Kriechdeformationen zu akkumulieren, anderseits aber bei Winter-Temperaturen genügend verformungs- und relaxationsfähig sind, um eine geringe thermische Rissanfälligkeit und eine hohe Ermüdungsfestigkeit zu gewährleisten. Die Optimierung dieser Eigen-schaften gepaart mit einer Reduktion des Energieverbrauchs bei der Herstellung und Applikation oh-ne Verlust der günstigen Eigenschaften bezüglich Recycling und Verarbeitbarkeit sind denn auch Hauptstossrichtungen der angewandten und wissenschaftlichen Forschung auf diesem Gebiet. Wei-tere Forschungen und Entwicklungen im Asphalt-Strassenbau gelten der vermehrten industriellen Fertigung und multifunktionalen Verwendung einschliesslich Fortschritten hinsichtlich struktureller Verständnisse (bis in den Nanobereich) und Modellierung.

Die globale Produktion von Bitumen wird heute auf ca. 105 mio Tonnen veranschlagt. Dies ent-spricht etwa dem Inhalt des Grimselsees. Die globale Produktion an Asphalt auf 1600 mio Tonnen geschätzt. Damit liesse sich jedes Jahr der Burj Khalifa, in einen dichten Asphaltwürfel einpacken.

2 Definitionen/Einteilung

2.1 Definitionen

Bitumen: Durch Destillation (thermische Zersetzung) aus Erdöl gewonnenes schwerflüchtiges dunkelfarbiges hochmolekulares Kohlenwasserstoffgemisch, welches in der Bautech-nik vor allem als Bindemittel in Mineralstoffgemischen und als Abdichtungsmaterial verwendet wird. Bitumen ist schwarz, zähflüssig, klebrig, wasserabstossend und ge-gen Chemikalien (Säuren, Laugen) sowie stark polaren Lösemitteln wie Alkohol und Wasser weitgehend unempfindlich (aber löslich in artverwandten, unpolaren und or-ganischen Lösemitteln, wie Benzin, Toluol, Trichloräthan). Bitumen kommt auch in Naturasphalten als in Schwefelkohlenstoff löslicher Bestandteil vor.

Teer: Teer und Bitumen werden begrifflich oft gleichgestellt, obwohl sie aus verschiedenen Rohstoffen stammen. Teer entsteht bei Verkokung (Entgasung unter Luftabschluss)


von Steinkohle (Gas- und Koksherstellung), ist säureempfindlich und nur begrenzt haltbar. Teer eignet sich zur Abdichtung gegen Erdölprodukte (z.B. Benzin- Tankla-ger), wird aber im Bauwesen aus Gesundheitsgründen kaum mehr verwendet (krebserregende schädliche flüchtige Bestandteile, starker penetranter Geruch!).

Bemerkung: Die gesundheitliche Gefährdung wird anhand des PAK Wertes, d.h. des Gehalts an Polyzyklischen Aromatischen Kohlen-wasserstoffen erfasst, wobei als Referenzsubstanz Benzo(a)pyren (BaP) benützt wird (Tabelle 2.1).

Tabelle 2.1 Vergleich der PAK-Gehalte in Teer und Bitumen

Bindemittel EPA-PAK, [mg/kg] Benzo(a)pyren, [mg/kg] Phenole, Kresole, [mg/kg]

Bitumen 10 ... 40 0.2 ...1.8 0.3…2

Teerbitumen mit 5 % Teer 5‘000 ... 15‘000 450 ... 600 220…250

Teer 100‘000 ... 300‘000 9‘000 ...12‘500 4400…5000

Richtwert Bundesamt für Umwelt BAFU: uneingeschränkt 5000 mg/kg in Bindemittel EPA: US Umweltbehörde (Environmental Protection Agency)

Pech: Rückstand der Teerdestillation (Ölanteile abdestilliert), im Hochbau unbedeutend.

Asphalt: Bezeichnung für jedes Gemisch aus Bitumen und Mineralstoffen (Sand, Splitt,.,), An-wendung z.B. Strassen- und Wegebau.

Naturasphalt: Natürlich vorkommendes Bitumen- Mineralstoff-Vorkommen, z.B. Val de Travers (NE) und Insel Trinidad

2.2 Bitumenarten

Eine Übersicht über die wichtigsten im Strassenbau üblichen bitumenhaltigen Bindemittel nach SN 670 061 enthält Abbildung 2.1.

Abbildung 2.1 Bitumenarten nach SN 670 061

Strassenbaubitumen: bzw. Destillationsbaubitumen; gewöhnliche Destillation, weich bis mittel-hart. Sortenbezeichnung durch die Grenzen der Nadel-Penetrationswerte bei 25°C; auch als Penetrationsbitumen bezeichnet.


Einsatz für Heissmischgut im Strassenbau und in Sonderfällen für Oberflä-chenbehandlungen, ausserdem für Elektro-Kabel, Emulsionen, Fugenver-gussmassen

Standard-Strassenbaubitumen (Penetration 20…330 [0.1mm])

Harte Strassenbaubit. (Penetration 10…25 [0.1mm]), Verwendung für Asphalte mit hohem Modul

Weiche Strassenbaubitumen (Penetration über 330 [0.1mm]), Ver-wendung bei extrem tiefen Temperaturen (Skandinavien)

Modifizierte Bitumen: Aus Bitumen mit Zusätzen und/oder chemisch-pysikalischer Modifikation

Polymerbitumen(PmB): Gemische von Bitumen und Polymeren, z.B. mit: (z.B. APP: ataktisches Polypropylen, SBS: Styrol-Butadien-Styrol, EPDM: Ethylen Propylen Dien Terpolymer, EVA: Ethylen Vinyl Acetat Copolymer)); die Eigenschaften hängen von der Art des Bitumens, der Art und Menge des Polymers sowie der Dispersions-Feinheit der ab. Gründe für Polymerbitumen-Verwendung:

Weichere Bindemittel bei tiefen Gebrauchstemperaturen (wenig Risse) Steifere Bindemittel bei hohen Temperaturen (wenig Spurrinnenbildung) Reduktion der Viskosität bei Einbau- und Applikationstemperaturen

(leichtere Verdichtbarkeit) Reduktion der erforderlichen Einbau- und Applikationstemperaturen Erhöhung der Dauerhaftigkeit und Festigkeit von Strassenbelägen Erhöhung der Abriebfestigkeit an der Oberfläche von Strassenbelägen Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von Belägen Reduktion der Dicke von Strassenbelägen Erhöhung der Witterungsbeständigkeit Erhöhung der Bindemittelfilmdicke Realisierung spezieller Strassenbelagskonzepte (offenporiger Asphalt)

Gummibitumen: Enthalten Gummimehl und/ oder -granulat aus Altpneus; Anwendung wie PmB; beschränkte Lagerbeständigkeit!

Temperaturreduz. Bit.: Bitumen mit Zusatz geeigneter Additive (z.B. Wachse, Fischer-Tropsch-Paraffine1, Zeolithe2). Mischgutherstellung und -einbau bei niedrigeren Temperaturen möglich, d.h. bessere Arbeitsbedingungen, weniger Binde-mittelalterung und Emissionen, geringer Energieverbrauch (Abbildung 2.2).

Multigrade Bitumen: Chemisch-modifizierte Bitumen (ohne Polymerzusatz) mit geringer Tempe-raturempfindlichkeit. Einsatz gegen Spurrinnenbildung und Ermüdung vor allem für Hochmodulasphalte.

Farblose Bitumen: Synthetisch aus polymeren Harzen; Verhalten wie klassisches Bitumen. Mit Farbpigmenten: Gestaltung von Plätzen & Strassen.

Industriebitumen:

Oxidationsbitumen: bzw. geblasenes Bitumen; Einblasen von Luft in geschmolzenes Bitumen; plastisch in grösserem Temperaturbereich; gute Elastizität u. Wärmebe-ständigkeit. Höherer Erweichungspunkt als Destillationsbitumen bei glei-cher Nadel-Penetration.

1 Fischer-Tropsch-Paraffin = synthetischer aliphatischer Kohlenwasserstoff mit hoher Molekülmasse (C40…C120) aus Kohle oder Gas mittels Fischer-Tropsch Verfahren grosstechnisch hergestellt (Umwandlung von Synthesegas CO/H2 in flüssige Kohlenwasserstoffe) 2 Zeolithe: Mineral mit mikroporöse Gerüststruktur aus AlO4−und SiO4−Tetrahedern. Allg Formel Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y] . z H2O. Sie wirken wie Molkularsiebe


Hartbitumen: Nadel-Penetration unter 10 [0,1 mm]. Herstellung von Gussasphalt im Hochbau sowie als Ausgangsmaterial für Bitumenschutzlacke, Isoliermate-rialien, Gummiwaren und Druckfarben eingesetzt.

Bitumenemulsionen: Emulgieren von Bitumen in Wasser; Zähigkeitsreduktion = Verarbeitungs-vorteil (Verarbeitung im kalten Zustand). Um zu verhindern, dass sich Bi-tumentröpfchen und Wasser trennen, werden oberflächenaktive Emulgato-ren zur Stabilisierung zugesetzt ("kalt" verarbeitbar).

Man unterscheidet anionische (alkalische) und kationische (saure) und nichtionische Emulsionen, je nachdem ob die Bitumenteilchen elektrosta-tisch negativ, positiv oder nicht geladen sind. Im Strassenbau werden vor allem kationische Emulsionen verwendet (Oberflächenbehandlungen, Kaltmischgut und Haftvermittler). Anionische Emulsionen werden für spezi-elle Zwecke verwendet (z.B. Wiederbegrünung von Böschungen, als Po-renverschluss und Schlämme)

Beim Kontakt mit Mineralstoffen werden die 5-10m Bitumenteilchen am Mineral angelagert und das Wasser wird ausgeschieden. Diesen „Abbin-de“-Vorgang bezeichnet man als Brechen der Emulsion. Dabei koagulieren die Bitumenteilchen schlagartig zu einem kontinuierlichen Bitumenfilm, in-dem sie sich vom Wasser trennen, welches anschliessend verdunstet.

(Heute werden vermehrt auch Polymerbitumen-Emulsionen eingesetzt.)

Kaltbitumen: bzw. Bitumenlösungen oder Lackbitumen: Bitumen verdünnt bzw. gelöst in relativ leichtflüchtigen organischen Lösemitteln zur Verarbeitung im kal-ten Zustand > 5°C, z.B. als Anstrich oder Haftvermittler (ökologisch und physiologisch problematisch); in der Schweiz nur einsetzbar, wenn Bi-tumenemulsionen sich nicht eignen (z.B. bei tiefen Temperaturen); sie sind daher nicht mehr normiert ("kalt" verarbeitbar).

Fluxbitumen: bzw. Verschnittbitumen oder Cutback; Zusatz von schwerflüchtigen organischen Lösemitteln (sog. Verschnittmittel, z.B. Ölzusatz) zur besse-ren Verarbeitbarkeit und Viskositätsreduktion; meist "kalt" verarbeitbar); Erst bei Temperaturen um 50 °C genügend flüssig, um gespritzt werden zu können; Verwendung hauptsächlich für Oberflächenbehandlungen und vorgefertigtes Kaltmischgut (heute vermehrt umweltfreundliche Fluxöle auf pflanzlicher Basis, die auch über längere Zeit nicht verdunsten)

Schaumbitumen: Schaum aus Bitumen durch Einspritzen von ca. 2% Wasser und Druckluft mittels Düse in heisses Bitumen. Viskositätsreduktion durch Schaumbläs-chen ("warm" verarbeitbar). Schaumbitumen ist zwar noch nicht explizit in SN 670 061 enthalten, wird aber wegen dem steigenden Bedarf an ener-giereduzierten Belägen immer wichtiger im Strassenbau (Abbildung 2.2).

Abbildung 2.2 Schaumbitumen und temperatursenkende Wirkung von Wachs


3 Sicherheit/Arbeitshygiene/Umwelt

Wesentliches über den Umgang mit bituminösen Baustoffen enthält SN 670 190 (vgl.Tabelle 3.1).

Bitumenhaltige Bindemittel werden normalerweise heiss (120…200 °C) angeliefert, gelagert und ver-arbeitet. Heisses Bitumen darf nicht mit Wasser in Berührung kommen, zumal daraus eine Volu-menvergrösserung durch Schaumbildung entsteht (Faktor ca. 300).

Sofortmassnahmen zum Löschen von kleinen Bitumenbränden sind:

Einen Bitumenbrand nie mit Wasserstrahl löschen (die Feuerwehr kann, unter entsprechen-den Vorsichtsmassnahmen, Sprühnebel zur Kühlung einsetzen)

Abdecken mit Wolldecken oder Blachen Flächenbrände mit Sand abdecken oder Staublöscher einsetzen In Räumen und für Kleinbrände CO2-Feuerlöscher einsetzen Verbrennungen von Körperteilen sofort ausgiebig mit kaltem Wasser kühlen

Tabelle 3.1 Gesichtspunkte der Arbeitssicherheit, Arbeitshygiene und Umwelt

Produkte Arbeitssicherheit Arbeitshygiene Umwelt

Bitumen heiss & Bitu-men-Produkte

Hohe Verarbeitungs-temp.; Verbrennungen

Bei Überhitzung: Bildung von explosiven Dämpfen

Dämpfe, problematisch nur in geschlossenen Räumen

Geringe Geruchsbelästi-gung

Geringe Emissionen

Bitumen kalt & Bitu-men-Produkte

Problemlos Allgemeine Hygiene Problemlos

Teerhaltige Produkte → kanzerogen!!!

Hohe Verarbeitungs-temperatur: Verbren-nungen

Bei Überhitzung: Bildung von explosiven Dämpfen

Bildung von giftigen Dämp-fen beim Heissverarbeiten

Hautkontakt: Reizung der Haut möglich

Auswaschen von Schadstof-fen beim Kontakt mit Wasser

Gefahr für Grundwasser

Bitumenemulsionen Problemlos Hautkontakt: Reizung der Haut möglich

Problemlos bei normalen Anwendungen

Mögliche Probleme bei Aus-laufen von grösseren Mengen

Lösemittelhaltige Bi-tumenprodukte, z.B. Cutback, Haftanstriche

Hohe Brand- und Explo-sionsgefahr

Hohe Konzentration an gesundheitsschädlichen Dämpfen → kanzerogen!!!

Gefährdung von Grundwas-ser, Boden und Ozonschicht durch organische Lösemittel

Weiter ist zu beachten:

Undichte Heiz-Leitungen, schadhafte Schläuche sofort ersetzten. Nach jedem Gebrauch Lei-tungen entleeren.

Vorsicht beim Schweissen von Bitumentanks, Leitungen und Fässern.

Das Beheizen von Bitumen mit direkter oder offener Flamme ist zu unterlassen (Gase, Verko-kungsprodukte). Brandgefahr.

Bei Lagerung von Bitumen, Überhitzen und Kondenswasser vermeiden.

Körperschutz tragen (Handschuhe, Brille, Helm, die Haut deckende Kleider), Verbrennungsri-siko und Sonnenbrand wegen sensibler Haut durch Bitumendämpfe. Keine Kleider und Reini-gungstücher aus hitzeempfindlichen Kunstfasern!

Bei normalen Verarbeitungstemp. Dämpfe im Freien gering und unbedenklich. Überhitztes Bi-tumen ca. doppelte Menge der Dämpfe pro 10°C; Innenräume ausreichende ent- und belüften!

Oberirdische und unterirdische Gewässer (Grundwasser) sind vor Schadstoffeintrag zu schüt-zen. Flüssige Abfälle (z.B. Lösemittel, Öle) und Restposten nach Angaben des Herstellers bzw. Lieferanten oder direkt von diesen entsorgen.


4 Herstellung von Bitumen

Die Herstellung von Bitumen aus Rohöl in einer Erdölraffinerie durch Einwirkung von Hitze und Druck (vgl. Abbildung 4.1). Dabei wird das Erdöl in einem ersten Röhrenofen auf 350...400°C aufgeheizt und unter atmosphärischem Druck mittels Destillationskolonne unter Ausnutzung der unterschiedli-chen Siedetemperaturen von seinen leichteren Bestandteilen (Methan-, Ethan-, Butan-, Propan-Gase, Leichtbenzin, Kerosin, Petroleum) befreit. Die Destillationskolonne enthält mehrere Etagenböden mit sog. Glocken, woran die Destillationsprodukte in die Wannen der Etagenböden abtropfen können. Von den Etagenböden können dann die einzelnen Produkte, (z.B. Benzin) abgeleitet werden. An-schliessend wird das verbleibende Gasöl einem zweiten Röhrenofen zugeführt und einer weiteren Destillationskolonne bei reduziertem Druck von etwa 50 Millibar unter Vakuum in seine schwereren Bestandteile (Schmieröle, Paraffin,) aufgetrennt. Bitumen sammelt sich als schwerster Bestandteil am Boden des Destillationsgefässes. In weiteren Prozessen kann dieses Bitumen zu Oxidationsbitumen (Einblasen von Luft), Fluxbitumen (Zugabe von Lösemitteln), Polymerbitumen (Zugabe von Polymer), Bitumenemulsion (Zugabe von Wasser und Emulgator) weiterverarbeitet werden.

AtmosphärischeDestillation

VakuumDestillation

Oxidation

GlockeEtagenboden Gas

LeichtbenzinSchwerbenzin(Kerosin)PetroleumGasöl

Gasöl (Dieselöl, Heizöl)

Schweres SpindelölLeichtes Spindelöl

Leichtes MaschinenölSchweres MaschinenölVaseline, Paraffine

Bitumen

Destillations-bitumen

Destillations-kolonne

Röhren-ofen

Destillations-kolonne

Röhren-ofen

Rohöltank

Oxidations-bitumen

Luft

350-400C 50 Millibar

<200Schwerbenz<260Petroleum<360Gasöl

<100Leichtbenzin<30Gase

Sieden[°C]

Fraktion

<200Schwerbenz<260Petroleum<360Gasöl

<100Leichtbenzin<30Gase

Sieden[°C]

Fraktion

Roh-Öl Atmosphärische

Destillation 375°C

VacuumDestillation 410°C

Destillations-Bitumen

Oxidations-Bitumen

Oxidation260°C

Cutback

Emulsion

Polymer-Bitumen

BenzinLeichte Lösem.KerosinPetroleum

DieselölHeizöl

H2O

Visk

ositä

t

Polymer

Roh-Öl Atmosphärische

Destillation 375°C

VacuumDestillation 410°C

Destillations-Bitumen

Oxidations-Bitumen

Oxidation260°C

Cutback

Emulsion

Polymer-Bitumen

BenzinLeichte Lösem.KerosinPetroleum

DieselölHeizöl

H2O

Visk

ositä

t

Polymer

Abbildung 4.1 Bindemittelgewinnung aus Rohöl

5 Chemische Zusammensetzung von Bitumen

Bitumen ist ein Gemisch von hochmolekularen Kohlenwasserstoffen und wenig Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff, d.h. C (80…88%) H (7…11%); O (1…12%); N (<1.5%); S (0.5…7%). Bitumen (schwach sauer) haftet am besten an basischem Gestein; daher z.B. Kalkstein als Füller verwenden.

Bei Bitumen können grundsätzlich Kohlenwasserstoffe unterschieden werden (vgl. Tabelle 5.1):

o Ungesättigte Kohlenwasserstoffe

o Aromatische Verbindungen (ungesättigte ringförmige Kohlenwasserstoffe); Beispiel: Benzol C6H6

o Alkene (Olefine); Beipiel: Hexen C6H12

o Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkane)

o Alicyclische oder naphtenartige Verbindungen (gesättigte ringförmige Kohlenwas-serstoffe); Beispiel: Zyklohexan C6H12

o Aliphatische oder paraffinartige Verbindungen (gesättigte Kohlenwasserstoffe, ge-rad- und verzweigtkettig); Beispiel: Hexan C6H14


Gesättigte Verbindungen sind reaktionsträge während die ungesättigten Verbindungen wegen der Doppelbindungen im Molekül als reaktionsfreudig zu bezeichnen sind.

Tabelle 5.1 Systematik der Kohlenwasserstoffe in Bitumen

Gesättigt Ungesättigt

Kettenmoleküle HexanC6H 14

HexenC6 H12

Ringmoleküle

ZyklohexanC6 H12

BenzolC6 H6

5.1 Modellvorstellung: Struktur Bitumen:

Bitumen wird in stark vereinfachter Weise meist als kolloides3 2-Phasensystem aus höhermolekularen Partikeln (Asphaltene) in einem niedermolekularen Gel (Maltene) dargestellt (Abbildung 5.1). Dem-nach wird unterschieden in die Hauptbestandteile

Maltene: weichmachende, flüssige ölige Phase; aromatisch, leicht, in n-Heptan (Benzinbe-standteil) löslich, Molekulargewicht 500...1000.

Harze: schmelzbar machende, je nach Temperatur feste Phase, Schicht um Asphaltene

Asphaltene: formbestimmende, feste russartige Phase; schwer, unlöslich, Molekulargewichte 5000...100000, Grösse ~5nm.

Mizellen: Partikel gebildet aus Harzen und Asphaltenen, Grösse >25nm

Obwohl diese vereinfachte klassische Modellvorstellung wissenschaftlich als überholt gilt, hat sie im praktischen technischen Umgang durchaus noch ihre Bedeutung. Beispiel für eine modernere Be-trachtung der Mizellen findet sich in Abbildung 5.2.

Gel-Typ

GEL

Sol-Typ Maltene

Mizelle

SOL

Abbildung 5.1 Klassische vereinfachte Modellvorstellung zum Aufbau von Bitumen

3 Kolloide: (kolloid gr. = leimartig); Gemisch aus höhermolekularen festen Nano- bis Mikropartikel, dispergiert in niedermolekularem Gel. Wegen geringer Partikelgrösse sind kolloide Systeme Gemi-sche aus reiner Lösung und einer Emulsion (gröbere Partikel).


Abbildung 5.2 Modell der Mizellen im Bitumen

5.2 Modellvorstellung: Struktur Polymerbitumen

Die Wirkungsweise polymermodifizierter Bindemittel ist wesentlich durch ihren strukturellen Aufbau sowie durch das mikro- und nanostrukturelle Zusammenwirken zwischen Polymer und Bitumen be-stimmt. Für Strassenbeläge und Abdichtungen wird typischerweise das Elastomer SBS (Styrol-Butadien-Styrol-Blockpolymer) beigegeben, welches eine sehr positive Wirkung auf die Elastizität ausübt, jedoch den Nachteil besitzt, dass es relativ oxidations- und temperaturempfindlich ist. Von geringerer Bedeutung sind EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat-Copolymer) und EPDM (Ethylen Propylen Dien Terpolymer). Im Strassenbau werden zum Bitumen ca. 5..8 M-% SBS Polymer und bei Dichtungs-massen (z.B. bei Dichtungsbahnen) ca 10...15 M-% SBS zugegeben Die Mischbarkeit spielt auf die Bindemittel-Eigenschaften eine grosse Rolle (z.B. Bitumen mit 4 M-% SBS,).

Das Plastomer APP (Ataktisches Polypropylen), spielt eine gewisse Rolle im Abdichtungssektor. Während Polymerbitumendichtungsbahnen mit SBS allgemein bei kalter Witterung wegen ihres guten Kältebiegeverhaltens leichter zu applizieren sind als APP-Produkte, erweisen sich APP-Produkte als widerstandsfähiger in heissem Klima, da APP bei hohen Temperaturen weniger oxidationsempfindlich ist. Die strukturelle Wirkungsweise von SBS und APP ist in Abbildung 5.3 schematisch dargestellt.

Poly- butadien

Isotaktisch

AtaktischAPP (Plastomer)

SBS (Elastomer) Maltene

APP

Poly- styrol

SBS-Block- polymer

A A

A A

A

A

A A

A A

A

A

A

A A

A

A

A

A A

A sphaltene

gut mischbar: schlecht mischbar:

Abbildung 5.3 Links: Modell der Struktur von APP und SBS; Rechts: Fluoreszenzmikroskopische Auf-nahmen von Bitumen mit 4 Masse% SBS

6 Charakterisierung und Prüfungen von Bitumen

Zur Charakterisierung des Gebrauchsbereichs dient in der klassischen Bitumentechnologie die sog. Plastizitätsspanne. Sie ist definiert als Temperaturbereich zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel (R&K) und dem Brechpunkt nach Fraass. Bezüglich Betriebszustand werden bestimmte Prü-fungen nach einer künstlichen beschleunigten „Alterung“ im Labor untersucht, z.B. nach allfälliger thermischer und oxidativer Schädigung im RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) 75 Minuten bei 163°C gemäss EN 12607-1.


Tabelle 6.1 Klassische standardisierte Prüfungen für Bitumen (EN12591 und Vorwort SN670150-1)

Nutz-Phase

künstli-che

Alterung

Allgemeine Charakteri-sierung

Temperatur-Abnahme extrem heiss

heiss warm gemässigt kalt

Sicher- heit

Verarbeit-barkeit

Erweichungs-widerstand

Kriechen, Fliessen

Härtegrad Sprödigkeit Rissverhalt.

Anlie-ferung

keine Löslichkeit (EN 12592) Äussere Beschaffenheit

(EN 1425) Dichte (SN671 713b)

Paraffingehalt (EN 12606-1,-2)

Flamm- punkt

(EN 12591)

kinemat . Viskosität bei 135°C

(EN 12595)

Erweich-ungspunkt R&K

(EN 1427) Mass für obere

Gebrauchs-temp.

Dynam. Viskosität bei 60°C

(EN 12596)

Nadel-Penetra-

tion (EN 1426)

Brechpunkt nach Fraass (EN 12593)

Mass für untere Gebrauchs-

temp.

6.1 Penetrationsprüfung (EN 1426)

m=100g

Penetrationsnadel

T= 25°C

50mm lange Nadel Ø=1mm, die mit 100 g belastet 5s lang in das Bdm. eindringt.

Ergebnis: Weg in [0.1 mm]

Bis zu Pen=350 [0.1 mm] anwendbar.

Kleine Pen: hartes Bdm

Grosse Pen: weiches Bdm

Penetration stark abh. von Temp.

Pen nimmt mit zunehmender Mischdauer und bei Bitumen mit zunehmendem Alter ab.

Aus Mischgut rückgewonnenes Bitumen hat ca. um 20 [0.1mm] tiefere Pen als Original

Abbildung 6.1 Penetrationsprüfung

Bei der Klassifizierung von Bitumen werden jeweils zwei Penetrationswerte angegeben. Nach heute in der Schweiz gültiger Klassierung gemäss EN 12591 mit zugehörigem nationalem Vorwort SN 670 150-1 bezeichnet z.B. ein

Bitumen 50/70

ein Bitumen, welches bei 25°C einen Penetrationswert im Bereich von 50...70 besitzt. Die Klassie-rungsskala der Norm reicht von harten Bitumen 20/30 bis zu extrem weichen Bitumen 250/330

6.2 Erweichung Ring & Kugel Prüfung (EN 1426)

25.0mm

9.5mm

Indikator für Schmelzpunkt [°C]

Ca. obere Gebrauchstemp., d.h. obere Grenze d. Plastizitätsspanne

R&K steigt mit längerer Mischdauer

Cu-Zn Ring Øi=19.8mm (oben); Øi=15.9mm (unten) ; h=6.4mm

Nach Erkalten auf 5 °C in Flüssigkeit mit 5°C/min wärmen

Erweichungspunkt ist jene Temp., bei der 3.50 g Stahlkugel Ø=9.50 einen 25mm Bi-tumenbeutel gebildet hat Abbildung 6.2 Erweichungspunkt Ring und Kugel


6.3 Brechpunkt nach Fraass (EN 12593)

40mm

36.5mm

Temperatur [°C], bei welcher definierter Bindemit-telfilm unter zyklischer Biegung reisst (Risswider-stand in der Kälte), d.h. untere Grenze der Plastizi-tätsspanne.

Bindemittelfilm auf 0.15mm dickes Blech aus Fe-derstahl (41 x 20mm) aufbringen

Abkühlen mit -1°C/min; dabei Blech um 3.5mm mit 3.5mm/11s zyklisch stauchen und entspannen; Pause zw. Zyklen 38s.

Die Temperatur beim ersten Riss, wird als Brech-punkt nach Fraass bezeichnet Abbildung 6.3 Brechpunkt nach Fraass

6.4 Dynamisches Scher-Rheometer DSR (EN 14770)

25mm

DSR

Bindemittel-Prüfkörper

Wasserbad

SinusoidaleLast

25mm

DSR

Bindemittel-Prüfkörper

Wasserbad

SinusoidaleLast

Platte-Platte-Viskosimeter:

Bdm. auf ± 0.1°C temperieren mit Ø=25 bzw. 8mm und Höhe h=1 oder 2mm lastgesteuert sinusförmig mit 10rad/s (ca. 1.59Hz) und Dehnungsamplitude von ca. 1% auf Torsion beanspruchen

Die dynamische Viskosität4 (Pas) ergibt sich aus Drehmoment M, Radius r, Bindemittelhöhe h und Kreisfrequenz

= 2Mh/(r4)) Abbildung 6.4 Dynamisches Scher-Rheometer

Mit dem DSR lässt sich für Bindemittel die wichtige viskoelastische Kenngrössen, z.B. der komplexe Schubmodul G*, bestimmen (Abbildung 6.5)

Spannung & Schiebung

sin 0sin t

Zeit t

Phasenwinkel

ImaginäreAchse

SpeichermodulReelle Achse

G”=I G*I sin ()Verlustmodul

G’=I G*I cos ()

T=2 / 1/f

Abbildung 6.5 Viskoelastische Kenngrössen bei schwingende Beanspruchung

Speichermodul (elastischer Modulanteil) G' = G* cos( [N/mm2] Verlustmodul (viskoser Modulanteil) G" = G* sin( [N/mm2]

Komplexer Modul (absoluter Modul): G* = 22 "G'G

Phasenwinkel = arc tan (G"/G')

Schwingungsviskosität '= G"/ , mit der Kreisfrequenz

4 Die kinematische Viskosität ist definiert als =/ wobei die Dichte des Bitumens bezeichnet


Führt man die DRS Messungen bei verschiedenen Temperaturen unter Variation der Frequenzen durch, lassen sich daraus mit dem Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip durch temperaturabhängi-ge Horizontalverschiebung der verschiedenen frequenzabhängigen Kurven im doppeltlogarithmi-schen Raum um log aT (T)= log fr – log f sog. Masterkurven konstruieren, welche für eine bestimmte frei wählbare Referenztemperatur Tr den komplexen Modul in Funktion eines grossen Frequenzberei-ches beschreiben. Ein Beispiel findet sich in Abbildung 6.6.

T4

log(t), log(1/f)

log

(G),

log

(G*)

Tr

T3T2

T1

logaT(,T4)

logaT(,T3)

logaT(,T2)

logaT(,T1)

-3

-2

-1

0

1

-7 -5 -3 -1 1 3Log Frequenz [Hz]

Log G* [MPa]

Original, gemessenEingebaut, gemessenRTFOT, gemessen

Fug.Dichtungsm. FM5Tr=15°C

Abbildung 6.6 Beispiel Masterkurve (Referenztemperatur 15°C)

Es ist üblich die Daten aus einer solchen DRS Messreihe auch in sog. Black-Diagrammen und Cole-Cole-Diagrammen darzustellen (Abbildung 6.7).

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

0 20 40 60 80 100Phasenwinkel [°]

Komplexer Schubmodul G* [Pa] .

70C60C50C40C30C20C10C

Polymer-modifiziertesBitumen

Standard Bitumen

0.001

0.01

0.1

1

10

0.001 0.01 0.1 1 10

G" (MPa)

G' (MPa)

10 °C

20 °C

30 °C

40 °C

50 °C

60 °C

70 °C

DSR FM5

Abbildung 6.7 Beispiel Black Diagramm (links) und Cole-Cole Diagramm (rechts)

6.5 Rolling Thin Film Oven Test RTFOT (EN 12607-1)

Die zeitliche Veränderung bzw. Schädigung von Struktur und Eigenschaften eines Bindemittels infol-ge thermischer, klimatischer und chemischer Einwirkung wird allgemein als „Alterung“ bezeichnet. Wichtigster Fall der Alterung bei Bitumen ist die oxidative und thermische Verhärtung. Eine solche Verhärtung kann bereits während der Produktion eines bitumenhaltigen Werkstoffs, also bei relativ hohen Temperaturen im Bereich von etwa über 135°C, oder erst später im Gebrauch bei tieferen Ge-brauchstemperaturen etwa unter 60°C entstehen.


Bindemittel max. 15min aufheizen, dann 75min unter konstantem Luft-strom bei 163°C thermisch heizen.

Rotation benetzt Innenwand Glas-gefäss

Masseänderung, Veränderungen von Pen., R&K, Visk. vor und nach Erhitzen im Ofen

Abbildung 6.8 Rolling Thin Film Oven Test

6.6 Kraftduktilität (EN 13589)

30mm

Kohäsions-Unterschied von Bitumen und Polymerbitumen

Energie, um bei 5°C mit 50mm/min eine Verlängerung von 200mm auf 400mm durchzuführen.

400mm

200mm

E F(s)ds

Nicht modifiziert: E < 3 Joule; PmB: E > 3 Joule

Abbildung 6.9 Prüfkörper und Auswertung der Kraftduktilität

7 Strassenbeläge

7.1 Übersicht

Strassenbeläge aus Asphalt bilden in der Schweiz heute den Normalfall. Sie sind aus Schichten aus Asphaltmischgut aufgebaut, welches aus mineralischen Zuschlagstoffen sowie Bitumen oder bi-tumenhaltigen Bindemitteln, allfälligen Zusätzen und Luft zusammengesetzt ist (Abbildung 7.1).

Die verschiedenen Arten von Asphaltmischgut bilden gemäss SN 640 420 sog. Mischgutgruppen (z.B. Asphaltbeton AC, Splittmastixasphalt SMA), welche ihrerseits in Mischgutsorten (z.B: AC 11, MA 8) entsprechend dem oberen Nennwert der grössten Mineralstoffkörnung eingeteilt sind. Aufgrund der Beanspruchung (leicht L, mittel N, stark S, sehr stark H) wird Asphaltmischgut zudem in sog. Mischguttypen (z.B. AC 11 S) eingeteilt.

Mischgutgruppe, Schicht, Nennwert, Mischguttyp

AC T 16 S, PA S 22 N, SMA 11 S

Mischgutsorte

AC Asphaltbeton AC EME Hochmodulasphaltbeton (EME: enrobé à module élevé) AC MR Rauasphalt HRA Hot Rolled Asphalt (HR) in der Schweiz nicht normiert:

Anerkennungsnotiz EN KMF Bitumenhaltige Kaltmischfundationsschicht MA Mastixasphalt (bzw. Gussasphalt GA) OB Oberflächenbehandlung, Kaltmikrobelag Slurry PA Offenporiger Asphalt (bzw. Drainasphalt DRA) SMA Splittmastixasphalt


Asphalt Mastix

OffenporigerMacadam

MA AC SMA PA100%

80%

60%

40%

20%

0%

Füller

Bindemittel

Luft

Sand

Splitt

Weichmastix

HRA

Mörtel

Vo

lum

ena

ntei

l

ACMR

HRA: Hot Rolled Asphalt

MA: Mastixasphalt

AC: Asphaltbeton

SMA: Splittmastix

PA: Offenporiger Asphalt

Abbildung 7.1 Volumetrische Zuordnung und Oberfläche von Belägen: HRA Hot Rolled Asphalt; MA: Mastixasphalt (dicht); AC: Asphaltbeton; ACMR Rauasphalt SMA=Splittmastixasphalt; PA= offenpori-ger Asphalt (Füller =Gesteinsmehl <0.063mm, Sand 0.063...2mm Splitt>2mm)

Typische Korngrössenverteilungen für die einzelnen Mischguttypenmit dem nominellen Maximalkorn von 11mm enthält Abbildung 7.2.

Abbildung 7.2 Vergleich typischer Siebkurven verschiedener Asphaltbeläge mit Grösstkorn 11mm

Die strukturelle Tragfunktion wird bestimmt durch die in Tabelle 7.1 dargestellten drei Grundprinzi-pien, die auf Klebung, Reibung und Abstützung beruhen und entsprechend eher viskoses, plastisches und elastisches Verhalten bewirken.


Tabelle 7.1 Grundprinzipien und Modellmechanismen des strukturellen Tragverhaltens

Prinzip: Klebung Reibung Abstützung Verhalten: Viskos Plastisch Elastisch

Modell:

Massgebend: Bindemittel Schub zw. Gesteinskörnern Seitl. Stützrand, Korn-zu-Korn KontaktBeispiel: MA, HRA AC SMA, PA

Konzept Mastix-Konzept Packungskonzept Stützgerüstkonzept

7.2 Einbau, Verarbeitung

Asphalt wird in der Regel im Asphalt-Werk vorgemischt und dann vor Ort verarbeitet. Je nach Schicht kann mehr oder weniger Ausbauasphalt als Recyclat beigemischt werden. In der obersten Deck-schicht werden kalt bis zu 15 M-% und warm bis zu 30 M-% zugegeben. In tiefer liegenden Trag- und Fundationsschichten kann mehr als das Doppelte an Ausbauasphalt beigegeben werden. Der Misch-prozess findet typischerweise auf der Mischanlage (Mix in Plant) und in Spezialfällen auch vor Ort (Mix in Place) statt (Abbildung 7.3).

Abbildung 7.3 Einfluss von Herstellung, Einbau, Gefüge und Temperatur auf das Mischgut


Die Temperatur spielt bei der Herstellung aus energetischen Gründen aber auch wegen des CO2 Ausstosses eine immer wichtigere Rolle (Abbildung 7.4). Es existieren bereits zahlreiche energiere-duzierende Konzepte, doch sind die Qualitätsunterschiede noch beträchtlich.

MA Mastixasphalt 200-250°C

HMA Heissmisch-Asphalt 150-200°C

WMA Warmmisch-Asphalt, ca. 130°C (z.B. Wachszusätze, Schaumbitumen)

HWMA Halbwarmmisch-Asphalt <100°C (z.B. Schaumbitu-men)

CMA Kaltmisch-Asphalt Umge-bungstemperatur (z.B. Emul-sionen)

Abbildung 7.4 Einfluss der Mischguttemperatur auf Energieverbrauch bzw CO2 Ausstoss

7.3 Prüfungen

7.3.1 Volumetrische Kenngrössen

Zur Charakterisierung von Asphalt werden u.a. folgende volumetrische Kenngrössen verwendet:

Rohdichte mm [M-%]: Asphalt-Masse ohne Hohlräume, bezogen auf dessen Volumen mmm

Raumdichte mb [M-%]: Asphalt-Masse inkl. Hohlräume, bezogen auf dessen Volumen mmm

Bindemittelgehalt B [M-%]: Bindemittel-Masse mb im Mischgut bezogen auf die Ge-samtmasse mmm

Hohlraumgehalt H: Hohlraum-Volumen bezogen auf Gesamtvolumen des Asphaltes [V-%]

Verdichtungsrad VG [-%]: Raumdichte der eingebauten praxisverdichteten As-phalt-Schicht mb,s bezogen auf Raumdichte des ent-sprechenden Marshallprüfkörpers mb,M

Bindemittelausfüllungsgrad VBF [V%]: Prozentualer Anteil der mit Bindemittel gefüllten Hohl-räume im Mineralstoffgerüst

7.3.2 Marshall-Prüfung SN670 434 (EN12697-34)

Beim Marshallversuch werden die einzelnen Prüfkörper während 40...60 Minuten bei 60 °C im Was-serbad gelagert und anschliessend mit 50mm/min über zylindrische Halbschalensegmente in radialer Richtung bis zum Bruch belastet. Die Krafteinleitung bewirkt einen relativ komplexen Spannungs- und Verformungszustand, weshalb das Resultat der Prüfung nicht als Spannungs-Dehnungsdiagramm dargestellt werden kann. Die maximale Bruchkraft des Prüfkörpers wird als Stabilität-Marshall S (bisweilen auch SM) in [kN] und die zugehörige Verformung als Fliessen-Marshall F (bisweilen auch FM) in [mm] bezeichnet. Weitere Kenngrösse ist der tangentiale Fliesswert Ft (Abbildung 7.5).


kN

mm

S

Ft

F

kN

mm

S

Ft

F

kN

mm

S

Ft

F

kN

mm

S

Ft

F

Abbildung 7.5 Marshall-Prüfmaschine und schematisches Resultat

8 Polymerbitumen-Dichtungsbahnen (PBD, SIA 281)

8.1 Übersicht

Bei PBD handelt es sich um ein flexibles, bahnenförmiges industriell hergestelltes Abdichtungsmate-rial bestehend aus einer Polymerbitumen-Dichtungsmasse und einer oder mehreren darin eingebette-ten Trägereinlagen. Im Vergleich zum Polymer-Bitumen für den Strassenbau, ist der Polymeranteil etwa doppelt so gross. Zudem werden nicht nur SBS sondern auch andere Polymere (z.B. APP) ver-wendet. Bitumenbahnen werden meist heiss durch Flämmen oder mit Heissluftlanze appliziert. Sie können aber auch mittels Haftvermittler (z.B. Emulsionen) aufgeklebt werden (Abbildung 8.1).

Abbildung 8.1 Verschweissen und Heissverkleben von Bitumenbahnen

Um den zahlreichen Anwendungen gerecht zu werden, ist heute eine Vielzahl unterschiedlicher PBD auf dem Markt, die sich unterscheiden hinsichtlich

Dicke (von 2 bis 5mm),

Art der Trägereinlagen Art des Oberflächenschutzes, z.B. Bestreuung mit Mineralstoffen (Talk, Feinsand, Schiefer-

schuppen) oder Folien aus Metall (Aluminium, Kupfer etc.) und Plastik, Art der Dichtungsmasse: Polymerbitumen (PmB) mit APP (Ataktisches Polypropylen oder mit

SBS (Styrol-Butadien-Styrol Block-Copolymer)


Je nach PBD-System werden entweder alle Lagen oder nur einzelne Lagen ”reissfest” ausgebildet. Die Art der Trägereinlagen ist für das mechanische Verhalten und die Funktionstüchtigkeit von erheb-licher Bedeutung. In der Abbildung 8.2 ist beispielsweise deutlich sichtbar, dass das Glasgittervlies von PBD2 dazu beiträgt, dass im elastischen Bereich verglichen mit PBD1 relativ grosse Zugkräfte aufgenommen werden können

.

T=23°C, 100mm/min PBD Breite:50mm

0.00

0.50

1.00

0 20 40 60

Dehnung (%)

Zug

kra

ft (

kN)

PBD1 (P)

PBD2 (P,GV)

Polyestervlies 200g/m2

Glasgemischgewebe

Abbildung 8.2 Kraft-Wegdiagramm von PBD im Zugversuch: PBD1 mit Polyestervlies (P) und PBD2 mit Polyestervlies und Glasgittervlies (GV)

Im Bereich Brückenabdichtung werden in der Schweiz ausschliesslich elastische (SBS) und plasti-sche (APP) Polymerbitumen-Dichtungsbahnen eingesetzt. Sie bestehen aus einer oder mehreren Trägereinlagen, die beidseitig mit Polymerbitumen beschichtet werden (Tabelle 5.1). Die Oberseite der Dichtungsbahnen wird im Sinne eines Oberflächenschutzes mit mineralischem Schiefer, Sand oder Talk abgestreut und die Unterseite meistens mit Plastikfolie oder Talkum abgedeckt. Je nach PBD werden bei Bedarf auch noch andere Schichten eingebaut, sei es um den Widerstand gegen Wurzeldurchwuchs zu erhöhen oder die Wasserdampfdiffusion zu reduzieren

Tabelle 8.1 Funktioneller Aufbau für einlagige und mehrlagige PBD (PmB: Polymerbitumen)

Schichten einlagig Schichten mehrlagig Funktion

Oberflächenschutz Oberflächenschutz Schutz: Sonne (UV), Alterung, mechan. Beschädigung, Feuer- & Hitze, Verkleben in der Rolle, Aufsteigen von PmB bei MA Einbau

Obere PmB-Schicht (mit Füller)

Obere PmB.-Schicht (mit Füller)

Abdichtung, Dampfbremse, Wurzelwiderstand, Schweissbarkeit

Trägereinlage (z.B. PE) Verstärkungseinlage (z.B. Glas)

Träger für PmB-Schichten, Dimensionsstabilität, Temp.ausdehnung, Reissfestigkeit, mech. Befestigung, Wurzelwiderstand

Mittlere PmB-Schicht (mit Füller)


Trägereinlage (z.B. PE)

Träger für PmB-Schichten, Dimensionsstabilität, Temp.ausdehnung, Reissfestigkeit, mech. Befestigung, Wurzelwiderstand

Untere PmB-Schicht (mit Füller)

Untere PmB-Schicht (mit Füller)


Unterbestreuung bzw. Abdeckfolie

Unterbestreuung (Ab-deckfolie)

Verkleben in der Rolle; keine Beeinträchtigung des Verbundes beim Schweissen


8.2 Bezeichnungen nach SIA 281 (2007)

Erster Buchstabe (gross): Art des Bitumens: O Oxidationsbitumen; E Elastomerbitumen; P Plastomerbitumen

Zweiter Buchstabe (gross): Trägereinlage. Weitere Einlagen werden durch ein Komma abgetrennt: P Polyestervlies; V Glasvlies; G Glasgittervlies; W Glasgewebe; A Aluminiumfolie; J Jutege-webe; K Kupferfolie; T PET-Folie bzw. –Vlies; C Kohlenfaser; M Composite

Zahlengruppe: Dicke, d.h. auf 0.1 mm gerundeter Nennwert des Herstellers.

Dritte Buchstabengruppe (klein): Art der Oberflächenausrüstung an der Oberseite (erster Buchsta-be) und an der Unterseite (zweiter Buchstabe):

t Talk bzw. Talk-Sand-Gemisch; s Feinsand; a Schieferschuppen oder Granulat; m Metallfolie; f Flammfolie; e PET-Folie bzw. –Vlies; p PP-Folie bzw. –Vlies

Allenfalls vierte Buchstabengruppe (gross): spezielle Zuordnungen: WF für den Einsatz in wurzelfesten Systemen; MA für den Einsatz unter Gussasphalt; AC für den Einsatz unter Asphaltbeton

Zusätzlich zur Produktebezeichnung wird in Klammer das oder die Anwendungsgebiet(e) gemäss Tabelle 8.2 angegeben.

Tabelle 8.2 Ausführungs- und Anwendungsgebiete nach SIA 270

Gruppe, Abdichtungen … Anwendungsgebiet Systemnormen …von Hochbauten AA11 unter Schutz- & Beschwerungsschicht (ohne Nutzung).

unter Nutzschicht begeh- & befahrbar SIA 271, 273, 274

AA22 ohne Schutz- & Beschwerungsschicht (Nacktdach) der Witterung ausgesetzt

SIA 271, 274

AA33 mechanisch befestigt AA44 Nassräume

… & Entwässerungen von Bauten unter Terrain & im Untertagbau

BB11..11 in Unterterrain-Abd. geg. nichtdrück. & drück. Wasser SIA 272, 274

BB11..22 Tagbau- & Tiefbau BB22 Untertagbau BB33 Erdverlegte Wasserbecken & Staudämme BB44 Kanäle BB55 Schwimmbecken BB66 Reservoirs BB77 Klärbecken

… v. befahrenen Flächen CC11 Verkehrsflächen aus Asphaltbelägen auf Betonbrücken SN 640450

CC22 Befahrbare Flächen im Hochbau SIA 273, 274

CC33 Abdichtungen unter Verkehrsflächen - … gegen Wasserdampf DD Wand, Boden, Dach SIA 232,

271,252,274 …gegen aufsteig. Feuchtigkeit EE Mauerwerk SIA 272

… in Deponien FF Flüssig- & Feststoffabfalldeponie SIA 203 … von Steildach & Aussenwand GG Unterdach im Steildach

Aussenwand (hinterlüftete Fassade) SIA 232, 233

Beispiel: Es bedeutet z.B. E P,V – 5.0 – tf MA (C1):

E: Elastomerbitumen P,V: Polyestervlies (Trägereinlage) und Glasvlies (zusätzliche Trägereinlage) – 5.0: Dicke 5.0 mm - tf: Talk-Sand (Oberflächenausrüstung an der Oberseite) und Flammfolie (Oberflächenausrüstung an der Unterseite) MA: Einsatz unter Gussasphalt, (C1): Bitumenbahnen unter Verkehrsflächen aus Asphaltbelägen auf Betonbrücken.


8.3 Herstellung

Bei der Herstellung der Bitumenbahnen werden zunächst gemäss Abbildung 8.3 die Trägereinlagen vorgetrocknet und in einer Tränkwanne mit 180°C...200°C erhitztem Bitumen imprägniert. Anschlies-send wird das überschüssige Bindemittel durch zwei Druckrollen abgepresst. Nach einem Vorrats- und Ausgleichshang durchläuft der getränkte Träger die Beschichtungswanne, wo die Polymerbitu-men Dichtungsschichten aufgebracht werden. In der darauf folgenden Bestreuungsanlage (dem sog. Bestreuungsstuhl) wird die Bitumenbahn ein oder beidseitig mit einer Oberflächenschutzschicht be-streut. Schliesslich durchläuft die Bahn eine aus mehreren Kühlwalzen bestehende Kühlstrecke bevor sie bei Raumtemperatur den Fertigungsausgleich erreicht, welcher das letzte Produktionsstadium vor Zuschnitt, Wicklung und Verpackung darstellt.

Abbildung 8.3 Schematische Darstellung der Herstellung von Bitumenbahnen

8.4 Prüfungen

8.4.1 Auswahl der wichtigsten Prüfungen

Für die Qualitätssicherung aber auch für die Sicherung der Funktionstüchtigkeit sind in den Europäi-schen Normen zahlreiche Prüfungen vorgesehen. Einige sind in Tabelle 8.3 Auswahl wichtiger Prü-fungen für PBD aufgeführt.

Tabelle 8.3 Auswahl wichtiger Prüfungen für PBD

Eigenschaften Prüfungen EN

Zug- Dehnverhalten Reisskraft und -dehnung 12311-1

Masshaltigkeit Dimensionsstabilität 1107-1

Wärmestandfestigkeit Fliessverhalten bei erhöhter Temperatur 1110

Kaltbiegeverhalten Biegeverhalten bei tiefen Temperaturen 1109

Widerstandes gegenüber dynamischem Wasserdruck nach Schadenvorbeanspruchung

Mechanische Durchschlagsfestigkeit 14694

Wasserdampfdurchlässigkeit Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit 1931

Rissüberbrückung bei Betonbrücken Zyklischer Widerstand gegen Durchreissen 14224

Durchwurzelung Wurzeldurchwuchs 13948

Schubfestigkeit Schubverhalten 13653

Verhaltens von Bitumenbahnen bei Anwendung von Gussasphalt

Beständigkeit der PBD beim MA-Einbau 14693


Die Prüfungen der Polymerbitumendichtungsbahnen hängt eng mit den möglichen Schadensmecha-nismen zusammen (Tabelle 8.4)

Tabelle 8.4 Schadensarten und allg. Anforderungen

Schadensart Definition Anforderungskriterien

Schiebungen/

Ablösungen

Ein oder mehrere PBD rutschen im Uberlappungsbereich ab bzw. lösen sich ab

Viskosität, Kriechen

Nahtöffnung Nicht oder nur schwach verbundene Nähte ermöglichen das Ein-dringen von Wasser und führen zu Undichtigkeit

Nahtverbund, Adhäsion

Blasen Zwischen dichten Schichten eingeschlossener Raum, der z.B. mit Wasser oder Lösemitteldampf gefüllt ist

Wasserdichtigkeit, Wasser-absorption

Risse Trenn- bzw. Bruchstelle infolge thermisch induzierter Spannung im Material oder Bewegungen im Polymerbitumen

E-Modul, Biegeverhalten

Schrumpfen Materialverkürzung durch thermische Einwirkung sowie durch Ab-gabe flüchtiger Anteile, die zu Rissen führt.

Alterung, Phasentrennung

Sprödrisse Risse infolge Versprödung der PBD (vor allem bei niederen Tempe-raturen)

Biegung bei niedriger Temp.

Perforation Löcher, häufig erzeugt durch Begehen von Dächern z.B. anlässlich von Unterhaltsarbeiten (z.B. Air Conditioning)

Perforation

Windschäden Reissen der PBD durch windinduzierte Beanspruchung Reissfestigkeit

Randablösung Tritt an den Rändern der PBD auf dem Dach auf, z.B. and Wandan-schlüssen, Schächten, Dehnungsfugen, etc.

Adhäsion, Biegeverhalten, Kompatibilität

8.4.2 Bestimmung des Zug- Dehnverhaltens (EN 12311-1)

Diese Prüfung dient zur Ermittlung der Reisskraft und Reissdehnung einer Dichtungsbahn unter Zug-beanspruchung in Längs- und Querrichtung. Es handelt sich dabei um charakterisierende Kennwerte, welche für die Praxis vor allem im Hinblick auf die Verlegung und das Verhalten am Bauwerk von Bedeutung sind. Als Reisskraft wird die maximale Zugkraft bezeichnet (bezogen auf die Streifenbrei-te), als Reissdehnung die dazugehörige Längenänderung. Die Prüfung wird bei einer Temperatur von 23°C an 50mm breiten und 400mm langen Streifen mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 100 mm/min durchgeführt. Die Einspannzone beträgt 100mm und die Messlänge lo=200mm.

Abbildung 8.4 Bestimmung des Zug-Dehnverhaltens (Reisskraft- Reissdehnung) nach EN 12311-1

8.4.3 Wärmestandfestigkeit (EN1110)

Bei erhöhter Temperatur und in Abhängigkeit vom Gefälle der abzudichtenden Fläche sowie der Art der Dichtungsbahn kann die Dichtungsmasse in der Praxis zu fliessen beginnen. Dieses mit Blick auf die Gebrauchstauglichkeit wesentliche Phänomen wird mit der Prüfung des Fliessverhaltens bei er-


höhter Temperatur (Wärmestandfestigkeit) an Prüfkörpern 100 x 100mm beurteilt. Bestimmt wird das Fliessverhaltens der Dichtungsmasse in Längsrichtung an der Ober- und Unterseite von Bitumendich-tungsbahnen bei einer je nach Anwendungsbereich und Dichtungsbahntyp gegebenen Prüftempera-tur (meist über 80°C). Die Prüfkörper werden während 2 h bei der Prüftemperatur im Wämeschrank aufgehängt. Messgrösse ist das Abrutschmass l, d.h. der maximale Abstand zwischen den Unter-kanten der beiden Markierungslinien auf Ober- und Unterseite des Prüfkörpers (Abbildung 8.5).

Abbildung 8.5 Bestimmung der Wärmestandfestigkeit bzw das Abrutschmass nach EN1110

8.4.4 Kaltbiegeverhalten (EN 1109)

Diese Prüfung dient zur Bestimmung des Biegeverhaltens bzw. der Flexibilität der Dichtungsbahn bei tiefen Temperaturen, einer Problemstellung, die sich vor allem auf Transport und Lagerung der Dich-tungsbahnrollen, aber auch auf konstruktiv heikle Details, z.B. bei klimatisch exponierten Randab-schlüssen, bezieht. Die Dichtungsbahnstreifen 140 x 50mm werden in Längsrichtung bei -5°C an Bahnoberseite bzw. bei -10°C an Bahnunterseite um einen zylindrischen Dorn von 30 mm Durchmes-ser (y) mit einer Dorngeschwindigkeit von 6mm/s gebogen. Die Prüfung gilt als bestanden, wenn die Biegung um den Dorn visuell weder eine Rissbildung an der Oberfläche noch eine Trennung der Dichtungsmasse von der Trägereinlage verursacht hat. (

Abbildung 8.6).

Abbildung 8.6 Kaltbiegeverhalten nach EN1109


8.4.5 Widerstand gegen Durchwurzelung (EN13948)

Aufgrund ihres organischen und viskosen Charakters können Bitumenbahnen bei Dachbegrünungen mit der Zeit von Wurzeln durchstossen bzw. im Bereich der Nähte horizontal von Sprossausläufern (Rhizomen) unterwachsen und dadurch in ihrer Abdichtungsfunktion erheblich beeinträchtigt werden. Hinsichtlich Durchwurzelung kritisch sind beispielsweise Lupinie, Feuerdorn und Grau-Erle, während hatnäckige Rhizome z.B. von Kriech-Quecken (Süssgrass) gebildet werden. Bitumenbahnen, welche die Prüfung nach EN13948 bestehen, werden als wurzelfest mit dem Prädikat WF bezeichnet.

Die 2-jährige Prüfung wird bei einem Tagesgang zwischen 16°C und 18°C in einem Gewächshaus an Gefässen 800 x 800 x250 mm durchgeführt, die mit 5 gegenseitig verschweissten Bahnstücken derart ausgelegt sind, dass pro Gefäss 4 Wand-Ecknähte, 2 Boden-Ecknähte und 1 T-Nahtstelle ausgeführt werden (Abbildung 8.7). Die Gefässe werden in definierter Weise mit Wachtums-Substrat (pH=6.2) aus 70%Torf und 30% Blähton gefüllt und jeweils mit vier Testpflanzen Feuerdorn Pyracantha cocci-nea 'Orange Charmer' bestückt, die bei definierter Düngung und Bewässerung auch im Winterhalb-jahr bei Temperaturen 16..18°C ein gutes Wachstum aufweisen (Abbildung 8.8).

Eine Bahn bzw. Beschichtung gilt als wurzelfest wenn in allen Prüfgefässen nach Ablauf der Ver-suchsdauer keine Wurzeleindringungen sowie keine Wurzeldurchdringungen festzustellen sind.

950

800

TT--NahtNahtTT--NahtNaht

BodenBoden--EcknahtEcknahtBodenBoden--EcknahtEcknaht

WandWand--EcknahtEcknahtWandWand--EcknahtEcknaht

1300

Abbildung 8.7 Gründach Empa (links), Prüfkörper vor und nach Auslegen im Gefäss (rechts)

Abbildung 8.8 Wurzeldurchwuchs Besispiele (links), Feuerdorn (rechts

8.4.6 Ausführungskontrolle auf der Baustelle

Wesentlich sind für eine Funktionierende Abdichtung sind jedoch auch sorgfältige Ausführungskon-trollen auf der Baustelle. Hinweise enthält Tabelle 8.5.


Tabelle 8.5 Ausführungskontrolle

Kriterien Folgeschäden Massnahmen

Qualität und Eignung der PPBBDD

Allgemeine Schäden (Blasen, Undicht-werden, Alterung) können kurzzeitig nach Einbau oder später auftreten

Die PBD müssen die SIA-Anforderg. für Anwen-dungsgebiet und -zweck erfüllen. Zusatzprüfun-gen z.B. Verträglichkeit etc.

Zustand und Beschaf-fenheit der BBeettoonnuunn--tteerrllaaggee

Ablösung der PBD aus dem Beton, Blasenbildung unter PBD

Prüfen v. Festigkeit, Beschaffenheit der Oberflä-che, Porosität, Betonfeuchtigk.

Qualitätsmanagement bei Ausführung & Prü-fungen nach PPBBDD--AApppplliikkaattiioonn

Blasenbildung, Schrumpfung, schlechte Haftung, Zersetzung der Polymere in der Deckmasse etc.

Einhalten der Ausführungvorschrift und Prüfen der Haftung auf dem Beton nach der Applikation

Qualitätsmanagement bei Ausführung des BBeellaagg--EEiinnbbaauuss

Blasenbildung, Schrumpfung der PBD, & andere einbaubedingte Folgeschäden von PBD u. Belag

Einhalten der Ausführungvorschrift

9 Belagselemente für Betonbrücken

9.1 Allgemeiner Aufbau

Brückenbeläge für Betonbrücken haben hinsichtlich Sicherheit, Abdichtungsfunktion, Standfestigkeit und Dauerhaftigkeit besonders hohen Anforderungen zu genügen, da Brücken allgemein neuralgi-sche Punkte im Verkehrsnetz darstellen, wo eine ausgeprägte Konzentration und Kanalisation des Verkehrs häufig unter extremen Klimabedingungen erfolgt. Ein Versagen der Belagssysteme erfordert nicht nur aufwendige, komplexe Massnahmen zur Instandsetzung der Beläge sondern kann auch erhebliche Kosten aufgrund abdichtungsbedingter Schäden an tragenden Teilen der Brückenkon-struktion erzeugen. Wie in Abbildung 9.1 schematisch abgebildet, besteht ein typischer Asphaltbelag auf Brücken aus folgenden Elementen

Brückenplatte Betonuntergrund (einschliesslich Reprofilierung) mit Haftvermittler

Abdichtungsschicht für

o Rissüberbrückung

o Schutz vor Blasenbildung

o Aufsteigen von Feuchtigkeit (evtl. zusätzliche darunterliegende Dampfdruckentlas-tungsschicht)

o Betonschutz gegen Eindringen von Wasser von oben.

Asphalt Binder/Schutzschicht zur Lastverteilung und zum Schutz der Abdichtungsschicht

Asphalt–Deckschicht zur Lastverteilung und Fahrsicherheit

Flexible Asphalt-Fahrbahnübergänge zur Aufnahme der Brückenbewegungen

Fugen (Fugen an der Brüstung)


FugeFlexibler Asphalt-Fahrbahnübergang Asphalt–Deckschicht

Asphalt Binder/Schutzschicht

Abdichtungsschicht

Betonuntergrund

Abdeckblech

Abbildung 9.1 Belagselemente für Betonbrücken

Systemaufbauten für Brückenbeläge sind in der Norm SN 640450 festgelegt. Demnach besteht die Asphaltdeckschicht in der Regel aus einer MA Deckschicht auf einer MA Schutzschicht mit darunter-liegender Polymerbitumenbahn auf einer zweischichtigen Epoxiversiegelung. In der Norm sind aber auch Aufbauten mit Deckschicht aus AC, MR und SMA sowie mit ACT Schutzschicht zugelassen. Allgemein müssen Brückenbeläge samt Fahrbahnübergängen folgende Anforderungen erfüllen:

Sicher und umweltfreundlich, d.h. eben, griffig (Regen, Schnee, Eis), leise, Feuer resistent,..

Wasserdicht (Bauwerksschutz, Streusalz), rasch entwässernd

Dauerhaft (z.B. Temperatur, UV Strahlung, Abriebfest,..)

Widerstand gegen Temperatur-Bewegungen der Brücke und dynam. Verkehrslasten ohne

o Verlust des System-Verbundes

o Kälte- und Ermüdungs-Risse

o Verlust der Stabilität im Sommer

Unterhaltsarm, leicht reparierbar und rasch wiederbefahrbar

Ökonomisch und leichter Einbau

9.2 Flexible Fahrbahnübergänge aus Polymerbitumen

Flexible Fahrbahnübergänge aus Asphalt mit Polymerbitumen dienen der Überbrückung und Abdich-tung von direkt befahrbaren Fugen bei Brücken und anderen Ingenieurbauwerken. Sie sind relativ einfach und einzubauen bzw. zu erneuern. Ihre dämpfenden Eigenschaften reduzieren den Effekt von Überfahrstössen und wirken daher positiv auf Fahrkomfort und Lärmreduktion (Abbildung 9.2).

-10.0...+20mm<5mm

+40°C-10°C

--

APJ -FillingAPJ -Filling

Fugenmulde 500mmMuldenflanke

Fugenspalt 10...60mm

a=70..160mm

Widerlager-Konstruktion

Anschluss-streifen PBD

Oberflächenabschluss Muldenfüllung

Trag-Konstruktion

Belag MA

Fixierstift Gewebeeinlage

Abdeck-Streifen

Dichtungsprofil

Muldenboden

Evtl. Stumpfstoss PBD

PBDb b

Haftstrecke b a

-10.0...+20mm<5mm

+40°C-10°C

--




a=70..160mm




Trag-Konstruktion

Belag MA


Abdeck-Streifen

Dichtungsprofil

Muldenboden


PBD

-10.0...+20mm<5mm

+40°C-10°C+40°C-10°C

--




a=70..160mm




Trag-Konstruktion

Belag MA


Abdeck-Streifen

Dichtungsprofil

Muldenboden


PBDb b

Haftstrecke b a

Abbildung 9.2 Begriffe und schematischer Aufbau eines Fahrbahnüberganges aus Polymerbitumen einschliesslich wichtigster Leistungsmerkmale

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