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Vorlesung Baustoffkunde I

Institut für Straßenwesen

Vorlesung Baustoffkunde I Teil 3


Prüfverfahren – Bitumen


durch die DIN EN 12591 bzw. den TL Bitumen werden die Anforderungen an Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel (Straßenbaubitumen) gestellt.


in Deutschland: TL Bitumen


von der DIN EN 12591 werden die folgenden Eigenschaften für Straßenbaubitumen spezifiziert: • Penetration bei 25 °C (Nadelpenetration) • Erweichungspunkt (Ring und Kugel) • Beständigkeit gegen Verhärtung bei 163 °C • Flammpunkt • Löslichkeit • Penetrationsindex • Brechpunkt nach Fraaß • dynamische Viskosität bei 60 °C • kinematische Viskosität bei 135 °C



55

Wasserbad 25°C

BitumenPenetrationBlechdose

Nadel d=1mm

Ende

Beginn

Belastung

1N ; 5Sek.Start

Ende

Nadelpenetration nach [DIN EN 1426]

dient der Bestimmung der Viskosität des Binde- mittels bei T = + 25 °C.

Versuchsablauf:

• eine Bindemittelprobe wird 5 s lang mit einer genormten Prüfnadel mit einem Gewicht von 100 g belastet




Versuchsergebnis:

• gemessen wird die Eindringtiefe der Nadel in 1/10 mm

• die aus 3 Versuchen gemittelte Eindringtiefe ist bestimmend für die Bezeichnung des Bitumens


http://www.bitbau.at/


55

Wasserbad 25°C

BitumenPenetrationBlechdose

Nadel d=1mm

Ende

Beginn

Belastung

1N ; 5Sek.

Start

Ende




B 20/30 sehr hartes Bitumen B 30/45 hartes Bitumen B 50/70 normales Bitumen B 70/100 weiches Bitumen

Penetration: 50 … 70 [1/10 mm]

Bezeichnung von Bitumensorten



Erweichungspunkt Ring und Kugel (EP RuK) nach [DIN EN 1427]

• Bestimmung Temperatur der Erweichung des Binde- mittels

Versuchsablauf:

• eine Bitumenprobe wird in einen Messingring gegossen und mit einer Stahlkugel (m = 3,5 g) belastet

• die Bitumenprobe befindet sich in einem Flüssigkeitsbad

• der Versuch beginnt bei einer Starttemperatur von i.d.R. 5°C. Das Wasser wird gleichmäßig erwärmt (5 K/min)



• Bestimmung Temperatur der Erweichung des Binde- mittels

Versuchsergebnis:

• unter der Auflast der Kugel verformt sich die Bitumenprobe

• wenn die Bitumenprobe einschließlich Kugel eine Einsenktiefe von 25,4 mm erreicht hat, wird die Temperatur abgelesen

• diese Temperatur (Mittelwert aus 2 Proben) wird als „Erweichungspunkt Ring und Kugel“ (RuK) bezeichnet

Prüfverfahren – Bitumen Erweichungspunkt Ring und Kugel (EP RuK) nach [DIN EN 1427]


Versuchsbeginn Versuchsende

WasserbadHalte-gestell

Ring

Bitumen

Stahlkugel d=9,5

Thermometer

25,4

20,615,9

6,4


Lichtschranke

Temperatur des EP wird angezeigt

Temperatur +



http://www.bp.com/l


Erweichungspunkt Ring und Kugel (EP RuK)


Erweichungspunkt Ring und Kugel °C Prüfflüssigkeit Anfangstemperaturen

25 bis 80

frisch abgekochtes, destilliertes oder

entmineralisiertes Wasser

5 ± 1

80 bis 150 Glycerol 30 ± 1

über 150 Silikonöl 100 ± 1


• je höher der Erweichungspunkt ist, desto zähflüssiger ist das Bindemittel bei hohen Temperaturen und desto geringer ist die Gefahr der Entstehung von Spurrinnen im Asphalt




Bestimmung der Beständigkeit gegen Verhärtung unter Einfluss von Wärme und Luft nach [DIN EN 12607-1]

• Bestimmung der Auswirkungen von Hitze und Luft auf ein rollierenden dünnen Film bitumenhaltigen Bindemittels

• der Versuch ist bekannt unter dem Namen Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT)

Versuchsablauf:

• In normierte Glasbehälter werden 35,0 ± 0,5 g des zu beprobenden Bitumens gegeben.

• Diese Proben werden bei 163 °C über 75 Minuten einem ständigen Luftstrom unterzogen.



Bestimmung der Beständigkeit gegen Verhärtung unter Einfluss von Wärme und Luft nach [DIN EN 12607-1]



Bestimmung des Flamm- und Brennpunktes - Verfahren mit offenem Tiegel nach Cleveland nach [DIN EN ISO 2592 ]

• Bestimmung des sicherheitskritischen Flammpunktes des Binde- mittels

Versuchsablauf:

• die Bitumenprobe wird in einen Tiegel gefüllt

• der Tiegel wird mit einer konstanten Heizrate bis in die Nähe des Flammpunktes aufgeheizt

• in regelmäßigen Intervallen wird eine kleine Prüfflamme über den Tiegel geschwenkt



Bestimmung des Flamm- und Brennpunktes - Verfahren mit offenem Tiegel nach Cleveland nach [DIN EN ISO 2592 ]



Bestimmung der Löslichkeit [DIN EN 12592]

• Bestimmung der Löslichkeit (Reinheit) des Bindemittels

Versuchsablauf:

• die Bitumenprobe 2 ± 1g ist in einen Erlenmeyerkolben zu geben

• die Probe wird auf 1 mg genau gewägt, danach sind 100 ml Lösemittel zuzugeben

• die Probe wird durch Glaspulver gefiltert und die unlöslichen Bestandteile werden zurückgehalten



Bestimmung der Löslichkeit [DIN EN 12592]



Bestimmung des Penetrationsindex [EN 12591 Anhang A]

• Kennzeichnung der thermischen Empfindlichkeit eines bitumenhaltigen Bindemittels

Versuchsablauf:

• Bestimmung der Penetrationswerte bei 25 °C (Nadelpenetration)

• Bestimmung des Erweichungspunktes

• Der Penetrationsindex Ip wird aus diesen beiden Werten berechnet




Der Penetrationsindex Ip wird nach folgender Formel berechnet:

dabei sind:

tRaB = Erweichungspunkt Ring und Kugel in °C

log P = Logarithmus (Basis 10) der Penetration bei 25 °C in 0,1 mm





( )A

API501

25120+−

=

( ) ( )21

21 loglogTT

TpenTpenA−−

=



Prüfverfahren – Bitumen stark empfindlich


• Bestimmung Temperatur des Brechens des Bindemittels (Übergang vom zähplastischen in den starren Zustand )

Versuchsablauf:

• eine auf ein Brechplättchen aufgetragene Bitumenschicht wird um 1 °C je Minute abgekühlt

• nach jeweils 1 Minute wird das Plättchen definiert durchgebogen


Brechpunkt nach Fraaß (BP Fra)



Versuchsergebnis:

• der Brechpunkt nach Fraaß ist die Temperatur in Grad °C, bei der unter festgelegten Versuchsbedingungen die Bitumenschicht beim Biegen bricht oder Risse bekommt

• der Brechpunkt gibt an, ab welcher Temperatur mit Rissbildung zu rechnen ist


Brechpunkt nach Fraaß (BP Fra)


Gezogen durch"Biegemechanik"

d 3820

gebo

gen

36,5

Einb

aulä

nge

40,0

Küh

lmitt

el


http://bernhard-klockhaus.de



http://img.directindustry.de


• die Differenz aus Erweichungspunkt RuK und Brechpunkt nach Fraaß wird als Plastizitätsspanne bezeichnet

• die Plastizitätsspanne ist somit ein Maß für den Gebrauchstemperatur-bereich eines Bitumens zwischen den Gefahren der – Spurrinnenbildung im oberen Temperaturbereich – Rissbildung im unteren Temperaturbereich

Die Plastizitätsspanne


EWP RuK

BP Fraaß Plastizitätsspanne


-40

-20

0

20

40

60

80

B70/100

B50/70

B30/45

25 DSH SMA 45 DA RXS

63,5 66,5 69,5

83,0 77,0 90,0 70,0 85,0 95,0

Tem

pera

tur

Normalbitumen Brechpunkt nach Fraaß

EP (RuK)

• die Plastizitätsspanne beträgt bei allen Normalbitumen etwa 65 bis 70 K

• tendenziell steigt die Plastizitäts- spanne mit dem Härtegrad des Bitumens

• bei härteren Bitumen liegen sowohl der EP RuK als auch der BP im höheren Temperaturbereich


Plastizitätsspanne:


-40

-20

0

20

40

60

80

B70/100

B50/70

B30/45

25 DSH SMA 45 DA RXS

BP Olexobit Shell Caribit/

Cariphalte

EP (RuK)

Brechpunkt nach Fraaß

Plastizitätsspanne:

63,5 66,5 69,5

83,0 77,0 90,0 70,0 85,0 95,0

Tem

pera

tur

Normalbitumen


Einschub:

Was ist Viskosität?

Prüfverfahren – Bitumen Bestimmung der dynamischen Viskosität mit Vakuum- Kapillaren (EN 12596)


Viskosität

Die Viskosität ist ein Maß für die Zähigkeit einer Flüssigkeit.

• je größer die Viskosität, desto dickflüssig (weniger fließfähig) ist die Flüssigkeit

• je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger ist es


http://www.globance.com/images/wasser3.jpg http://www.semed.de/images/product_images/thumbnail_images/880230.jpg


Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur



Viskosität

Es gibt zwei „Arten“ der Viskosität

• dynamische Viskosität

• kinematische Viskosität

Sie beschreiben beide das Fließverhalten eines Stoffes. Es werden jedoch unterschiedliche Stoffeigenschaften mit in die Betrachtung mit einbezogen.


http://www.globance.com/images/wasser3.jpg http://www.semed.de/images/product_images/thumbnail_images/880230.jpg


Viskosität

dynamische Viskosität: Sie ist das Verhältnis zwischen der aufgebrachten Schubspannung und dem Geschwindigkeitsgefälle (Schergeschwindigkeit).

Die dynamische Viskosität ist ein Maß für den Widerstand einer Flüssigkeit gegen das Fließen

• Formelzeichen: η

• SI-Einheit: N s/m2 oder auch Pa/ s



Viskosität

kinematische Viskosität: Sie ist das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte einer Flüssigkeit.

Die kinematische Viskosität ist ein Maß des Widerstandes gegen das Fließen einer Flüssigkeit unter der Gravitation.

• Formelzeichen: ν

• SI-Einheit: mm2/s



Einschub Ende:

Was ist Viskosität?




• Zur Bestimmung der dynamischen Viskosität des Bindemittels sind mehrere Versuchsaufbauten bzw. Viskosimeter zugelassen

• zugelassen sind:

• Cannon-Manning-Vakuum-Kapillar-Viskosimeter (CMVV)

• Asphalt-Institut-Vakuum-Kapillar-Viskosimeter(AIVV)

• Modifiziertes Koppers-Vakuum-Kapillar-Viskosimeter (MKVV)




Versuchsablauf:

• Ein vorbereitetes Viskosimeter wird mit dem zu beprobenden Bitumen gefüllt.

• Das gefüllte Viskosimeter wird in einem Bad (60 °C ± 0,3) senkrecht haltend einem Vakuum ausgesetzt.

• Die Benötigte Zeit des Bitumens bis zum Erreichen der auf dem Viskosimeters aufgebrachten Zeitmarken wird gestoppt.



Berechnung der Viskosität erfolgt über η=K*t η = Viskosität in Pascalsekunden K= Kalibrierungsfaktor in Pascal t = Durchflusszeit in Sekunden



Bestimmung der kinematischen Viskosität (EN 12596)

• Verhältnis der dynamischen Viskosität einer Flüssigkeit zu ihrer Dichte bei der Temperatur der Viskositätsbestimmung.

• uur Bestimmung der kinematischen Viskosität des Bindemittels sind mehrere Viskosimeter zugelassen

• zugelassen sind:

• Cannon-Fensek

• BS/IP/RF

• Modifiziertes Koppers-Vakuum-Kapillar-Viskosimeter (MKVV)





Versuchsablauf:

• Ein vorbereitetes Viskosimeter wird mit dem zu beprobenden Bitumen gefüllt.

• Das gefüllte Viskosimeter wird in einem Bad (135 °C ± 0,5) senkrecht eingesetzt.

• Die vom Bitumen benötigte Zeit bis zum Erreichen der auf dem Viskosimeters aufgebrachten Zeitmarken wird gestoppt.


Prüfverfahren – Bitumen Bestimmung der kinematischen Viskosität (EN 12596)

Ubbelohde-Viskosimeter


Prüfverfahren – Bitumen Füllung bis zwischen die beiden Messmarken M Im Rohr 2 befindet sich die Kapillare 7, das Messgefäß 8 und die Vorlaufkugel 9. Unter der Kapillare liegt das Niveaugefäß 5, das mit dem Rohr 1 verbunden ist. • zu Beginn Rohr 1 mit einem Finger verschließen • Ölprobe aus dem Vorratsgefäß durch die Kapillare

in die Vorlaufkugel 9 bis über die Messmarke M1 ansaugen

Rohr 1 öffnen: Flüssigkeitssäule reißt am unteren Ende der

Kapillare ab in der Kugelkalotte 6 bildet sich das hängende

Kugelniveau aus. Die Messflüssigkeit fließt dann laminar durch die

Kapillare. Zeit messen bis der Flüssigkeitsspiegel von Marke

M1 bis Marke M2 absinkt




Berechnung der Viskosität erfolgt über v=K×t v = kinematische Viskosität in Quadratmillimeter je Sekunde K= Kalibrierungskonstante des Viskosimeter, in Quadratmillimeter je Quadratsekunde t = Ausflusszeit in Sekunden


Foliennummer 1Foliennummer 2Foliennummer 3Foliennummer 4Foliennummer 5Foliennummer 6Foliennummer 7Foliennummer 8Foliennummer 9Foliennummer 10Foliennummer 11Foliennummer 12Foliennummer 13Foliennummer 14Foliennummer 15Foliennummer 16Foliennummer 17Foliennummer 18Foliennummer 19Foliennummer 20Foliennummer 21Foliennummer 22Foliennummer 23Foliennummer 24Foliennummer 25Foliennummer 26Foliennummer 27Foliennummer 28Foliennummer 29Foliennummer 30Foliennummer 31Foliennummer 32Foliennummer 33Foliennummer 35Foliennummer 36Foliennummer 37Foliennummer 38Foliennummer 39Foliennummer 40Foliennummer 41Foliennummer 42Foliennummer 43Foliennummer 44Foliennummer 45Foliennummer 46Foliennummer 47Foliennummer 48Foliennummer 49Foliennummer 50Foliennummer 51Foliennummer 52Foliennummer 53Foliennummer 54Foliennummer 55Foliennummer 56Foliennummer 57Foliennummer 58Foliennummer 59Foliennummer 60Foliennummer 61Foliennummer 62Foliennummer 63Foliennummer 64

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