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12 Schwerpunkt: Prüftechnik BTSV Zur Anwendung des neuen Bitumen-Typisierungs- Schnell-Verfahrens (BTSV) Johannes Schrader und Prof. Michael P. Wistuba Das Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren (BTSV) kann anstelle von konventionellen Bitumenprüfungen zur eindeutigen Differenzierung von modifizierten und nicht modifizierten Bitumen im Bereich der oberen Gebrauchstemperatur verwendet werden. Es existieren eine Arbeitsanleitung der FGSV und ein DIN-Entwurf zu dem Prüfverfahren. Der Artikel zeigt Anwendungsmöglichkeiten des BTSV, insbesondere im Rahmen des Asphaltrecyclings, auf. Das „Dynamische Scher-Rheometer“ (DSR) im Einsatz. (Quelle: Malvern Panalytical) INFO Dieser Fachbeitrag basiert auf einem Vortrag, gehalten auf dem DAV/DAI-Asphaltseminar 2018 in Willingen. Bereits seit 1926 wird die konventionelle Bitumenprüfung „Erweichungspunkt Ring und Kugel“ angewendet und hat sich seitdem international etabliert. Dabei wird mittels genormter Prüfsystematik jene kritische Temperatur ermittelt, bei dem sich ein kontinuierlich erwärmtes Bitumen unzulässig verformt und als Erweichungspunkt des Bitumens angegeben. Der Erweichungspunkt beschreibt näherungsweise die obere Grenze der Gebrauchstemperatur und kann aufgrund der jahrelangen Erfahrung zur einfachen und schnellen Beurteilung und Differenzierung von Bitumen verwendet werden. In Europa ist dieser Kennwert ein wichtiger Faktor zur Bitumenklassifizierung, bei der Asphaltherstellung und zur Kontrollprüfung. Zudem spielt der Erweichungspunkt eine entscheidende Rolle beim Asphaltrecycling und wird teilweise als einzig relevanter Kennwert bei der Rezeptierung von Asphaltmischgut mit Asphaltgranulat verwendet. Herkömmliche Straßenbaubitumen werden mittlerweile vermehrt durch modifizierte Bitumen ersetzt, bei denen bestimmte Bindemitteleigenschaften durch Zusatzstoffe (Polymere, Wachse, Rejuvenatoren etc.) für den jeweiligen Einsatzzweck optimiert werden. Insbesondere beim Asphaltrecycling werden Bindemitteleigenschaften durch Zugabe verschiedener Additive gezielt geändert, um der eingeschränkten 5|2018

Schwerpunkt: Prüftechnik 13 Gebrauchstauglichkeit von Bitumen aus Asphaltgranulat entgegenzuwirken. Die Eigenschaften von modifizierten Bitumen sind im Vergleich zu herkömmlichen Straßenbaubitumen wesentlich komplexer, was zu einer Erschwerung der Differenzierung mittels konventioneller Bitumenprüfungen führt. Oft zeigen diese Bitumen in den konventionellen Prüfungen, wie dem Erweichungspunkt Ring und Kugel, widersprüchliche und unplausible Ergebnisse [1 bis 3]. Anstelle von konventionellen Prüfmethoden und aufgrund einer erhöhten Prüfpräzision werden zunehmend rheologische Prüfgeräte wie das „Dynamische Scher-Rheometer“ (DSR) eingesetzt, mit denen eindeutige physikalische Materialkennwerte mit hoher Aussagekraft bestimmt werden können. Messungen mit dem DSR finden international immer mehr Bedeutung und werden zunehmend in den länderspezifischen Regelwerken verankert. In Deutschland stehen für die Bewertung von Bitumeneigenschaften verschiedene Prüfverfahren im DSR zur Verfügung, die in Form von Arbeitsanleitungen von der FGSV veröffentlicht werden. Kürzlich wurden diese durch eine Arbeitsanleitung zur Durchführung des Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahrens (BTSV) ergänzt [4]. Eine entsprechende DIN-Norm für das Prüfverfahren liegt als Normenentwurf vor [5] und auch Veröffentlichungen existieren dazu [3; 6; 7]. Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren (BTSV) Der Grundgedanke des BTSV beruht darauf, das Prüfverfahren zur Ermittlung des Erweichungspunktes Ring und Kugel auf eine rheologische Prüfung mit dem DSR zu übertragen. Der Zustand des Erweichens wird dabei durch einen komplexen Schermodul G* von 15 kPa abgebildet, bei dem alle Bitumen äquivalente rheologische Materialeigenschaften haben. Für die Herleitung dieses Zielwertes wird auf [3] und [7] verwiesen. Beim BTSV wird eine Platte-Platte-Geometrie mit einem Durchmesser von 25 mm und einem Plattenabstand von 1 mm gewählt [4]. Eine Bitumenprobe wird in den entstehenden Spalt eingebaut und mit einer konstanten Scherspannung von 500 Pa und mit einer Frequenz von 1,59 Hz oszillatorisch beansprucht. Durch die kraftgeregelte Versuchssteuerung und die gewählten Regelungsparameter ist sichergestellt, dass die Oszillationsmessung stets innerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs (LVE) erfolgt [7]. Während der Beanspruchung wird die Prüftemperatur im DSR kontinuierlich von 20 °C bis maximal 90 °C mit einer Änderungsrate von 1,2 K/min erhöht. Die Prüfdauer betragt dadurch ca. 60 min. Gemäß Arbeitsanleitung [4] werden mindestens alle 2,5 s die Werte des komplexen Schermoduls, des Phasenwinkels und der Temperatur aufgezeichnet. Die Prüfung kann beendet werden, sobald der komplexe Schermodul den Wert von G* = 14 kPa unterschreitet [4]. Aus den Messdaten kann der temperaturabhängige Verlauf von G* und des zugehörigen Phasenwinkels δ dargestellt werden (Abbildung 1). Als Ergebnis des BTSV wird die Temperatur bestimmt, bei der der komplexe Schermodul den Wert G* = 15 kPa erreicht. Diese Temperatur wird als „Äqui-Modul-Temperatur“ T BTSV bezeichnet, weil sie einen rheologisch äquivalenten Zustand hinsichtlich des komplexen Schermoduls beschreibt. Als zweite Kenngröße wird der zu dieser Temperatur korrespondierende Phasenwinkel δ BTSV bestimmt (Abbildung 1). Gemeinsam bieten die beiden Parameter die Möglichkeit zur eindeutigen rheologischen Differenzierung von Bitumen im Bereich der oberen Gebrauchstemperatur. In Abbildung 2 sind die BTSV-Kennwerte für insgesamt 205 in Deutschland handelsübliche Bitumen dargestellt, die den Spezifikationen des deutschen Regelwerks TL Bitumen entsprechen [8]. Die Kästchen repräsentieren jeweils die Spannweite aller ermittelten Kombinationen von T BTSV und δ BTSV je Bitumenart und -sorte. Die Temperatur T BTSV ist ein Indikator für die Härte des Bitumens und kann zur Differenzierung von Straßenbaubitumen verwendet werden. Für Straßenbaubitumen ist T BTSV mit guter Näherung ein Äquivalent zum Erweichungspunkt Ring und Kugel [3]. komplexer Schermodul G* [kPa] 1,E+04 90 δ BTSV = 82,6° 80 1,E+03 70 60 1,E+02 50 G* = 15 kPa 40 1,E+01 30 1,E+00 komplexer Schermodul 20 Phasenwinkel T BTSV = 54,3 °C 10 1,E-01 0 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatur T [°C] Phasenwinkel δ [°] Abbildung 1: BTSV-Ergebnisdiagramm: Beispiel zur Ableitung von T BTSV und δ BTSV für ein Straßenbaubitumen 50/70 aus den BTSV-Ergebnissen [7] 5|2018