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16 Schwerpunkt: Temperaturabsenkung – Teil 1 Steifigkeit [MPa] 700 600 500 400 300 200 100 Spurtiefe [mm] Bild 2: Versteifende Wirkung am Beispiel AC B 16 S mit Fischer-Tropsch- Wachs, mit Spurbildungsversuch nach TP Asphalt-StB, Teil 22, 2007 Abb. 2: Versteifende Wirkung am Beispiel AC B 16 S mit Fischer-Tropsch-Wachs, mit Spurbildungsversuch nach TP Asphalt-StB, Teil 22, 2007 Abb. 3: Steifigkeit von Bitumen 50/70 ohne und mit 3 % temperaturabsenkenden Additiven, BBR-Werte aus [4] entnommen 7 6 5 4 3 2 1 0 50/70 50/70 + 2 % 50/70 + 3 % 50/70 + 4 % 50/70 + 5 % Grenzwert nach SHARP: < 300 MPa Wachs eine Kettenlänge von 40 bis 100 C-Atomen, sodass der Schmelzbereich oberhalb des Temperaturbereichs für den Nutzungsbereich des Bitumens liegt. Das ist im Übrigen auch die Voraussetzung für die temperaturabsenkenden Additive Montanwachs und Fettsäureamid. Als Schmelzbereiche werden für Fischer-Tropsch-Wachs zwischen 115 °C und 140 °C, für Montanwachs zwischen 110 °C und 140 °C und für Fettsäureamid oberhalb 140 °C berichtet. Die wesentliche Funktion dieser temperaturabsenkenden Additive ist die Bildung von Kristallen während des Abkühlvorganges, die das Bitumen praktisch armieren und somit versteifen. Bitumen bildet mit Paraffinen keine feste Lösung, wie es z.B. von zwei Komponenten bekannt ist, die zusammen ein Kristallgitter bilden. Diese zwei Komponenten ergeben in einer Legierung eine neue Komponente mit anderen Eigenschaften als die der verwendeten, wie z. B. Eisen mit einem geringen Kohlenstoffanteil zu Stahl wird oder Kupfer mit Zink legiert Messing ergibt. Das System Bitumen und Paraffin kann aber als mögliche Vereinfachung dennoch als ein binäres System angenommen werden, da das Paraffin in der erstarrten Form auskristallisiert. In Abb. 1 ist eine schematische Darstellung für das System Bitumen und Paraffin gezeigt. 50/70 50/70 + 3 % Fischer-Tropsch-Wachs 50/70 + 3 % Montanwachs 50/70 + 3 % Fettsäureamid 0 -26 -21 -16 -11 Temperatur [°C] Bild 3: Steifigkeit von Bitumen 50/70 ohne und mit 3 % temperaturabsenkenden Additiven, BBR-Werte aus [4] entnommen Dabei stellen der Punkt E B den „Festpunkt“ des paraffinfreien Bitumens im gebrauchsfertigen Zustand und der Punkt E P den Erstarrungspunkt des Paraffins dar. Oberhalb dieser Punkte liegt ein flüssiges Gemisch aus Bitumen und Paraffin vor. Bei der Temperatur t 1 wird die Konode E – E P bei einer bestimmten Zusammensetzung des Bitumen-Paraffin-Gemisches, dargestellt durch die senkrechte Linie, geschnitten, das Paraffin beginnt auszukristallisieren. Mit weiter abnehmender Temperatur als t 1 verarmt das Gemisch an flüssigem Paraffin zugunsten der Zunahme an Paraffinkristallen. Mit dem Erreichen der Horizontalen im Punkt E ist das Bitumen im gebrauchsfertigen Zustand und das Paraffin vollständig auskristallisiert. Bei dieser Betrachtung ist zu bedenken, dass die additivierten Paraffine keinen reinen Schmelzpunkt, sondern aufgrund ihrer Zusammensetzung einen Schmelzbereich aufweisen. Damit ergeben sich sehr viele Punkte EP, die von der Zusammensetzung der einzelnen Paraffine abhängen und die letztlich auch eine Vielzahl von Horizontalen als Punkt-E-Temperaturen beziehungsweise Bereiche für das Kristallisieren oder das „Festwerden“ des Paraffins generieren. Das Paraffin bildet ein Kristallgitter, das das Bitumen armiert und versteift. Damit wird ein höherer Verformungswiderstand des Bitumens und in der Folge des Asphaltes eingeleitet (Abb. 2). Es wird an diesem Beispiel deutlich, dass der Effekt der versteifenden Wirkung bereits bei einer Additivierung von 2 %, bezogen auf das Bindemittel, einsetzt und weitere Zugabemengen keine wesentliche Verbesserung zeigen. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass das Verhalten bei tiefen Temperaturen negativ beeinflusst wird (Abb. 3). In diesem Bild wird gezeigt, dass die temperaturabsenkenden Varianten mit einem Anteil von 3 % ein vergleichsweise ungünstigeres Tieftemperaturverhalten, gemessen am SHARP-Grenzwert für die Steifigkeit von kleiner 300 MPa, als das Ausgangsbitumen aufweisen. Ein entsprechendes Bild zeigt die Duktilität für die Variante Bitumen 50/70 ohne und mit Fischer-Tropsch- Wachs (Abb. 4). Während bei der Prüftemperatur von 25 °C bei allen Mengenverhältnissen die Duktilität von mehr als 100 cm erst bei einer Zugabe von 7 % Fischer- Tropsch-Wachs eine Duktilitätsabnahme zu verzeichnen ist, ergibt dieser Test bei der Prüftemperatur von 13 °C ein anderes Bild. Auch wenn die Bezugsgröße Bitumen 50/70 bei dieser Temperatur eine Duktilität von mäßigen 20 cm aufweist, so ist bei der Ergänzung mit Fischer-Tropsch- Wachs bereits bei der Zugabe von 1 % nur noch eine minimale Duktilität vorhanden, die bei tiefen Temperaturen auf ein Sprödbruchverhalten des Bindemittels hinweisen kann. Der Effekt der Temperaturabsenkung der Paraffinadditive wird unterschiedlich angegeben. Sehr verbreitet ist die Angabe der Temperaturabsenkung zwischen 20 und 30 K. Dagegen hat Renken in [4] festgestellt, dass sich die Temperaturen zur Erzielung gleicher Viskositäten im Bereich der Verdichtungstemperatur (Tv = 135 °C bei Bitu- 2|2023
Schwerpunkt: Temperaturabsenkung – Teil 1 17 Abb. 4: Duktilität bei 25 °C und 13 °C in Abhängigkeit von der Fischer-Tropsch-Wachs- Additivierung men bzw. Tv = 145 °C bei PmB) je nach Paraffinart und Bindemittelart und -sorte in einer Größenordnung bis zu höchstens 10 K unterscheiden. Chemische Zusätze Bei der Temperaturabsenkung mit chemischen Zusätzen handelt es sich um grenzflächenaktive Additive, die bereits seit vielen Jahren als Haftvermittler – sie reduzieren die Oberflächenspannung des Bitumens – eingesetzt werden. Im Wesentlichen handelt es sich um kationische Tenside, die, wie alle Tenside, sowohl hydrophobe als auch hydrophile Eigenschaften aufweisen. Der hydrophile Teil ist durch eine positive Ladung durch eine quartäre Ammoniumgruppe geprägt. Für die Verbesserung des Haftverhaltens wird eine Dosierung von etwa 0,3 % eingesetzt. Bei einer höheren Dosierung von rund 0,5 bis 0,6 % wirken die chemischen Zusätze zusätzlich temperaturabsenkend. Als Größenordnung für die Temperaturabsenkung werden etwa 30 K im Vergleich zu einem konventionell hergestellten Asphalt angegeben. Eine deutliche Veränderung des Basisbindemittels erfolgt jedoch nicht. Während in den USA die chemischen Zusätze in erster Linie eingesetzt werden, tritt diese Art der Anwendung in Deutschland in den Hintergrund, da es für die Temperaturabsenkung vonseiten der Auftraggeber bisher keinen Markt gegeben hat. • (Dieser Fachartikel wird in den kommenden Ausgaben von asphalt fortgesetzt.) AUTOR Dipl.-Ing. Lothar Drüschner DC Drüschner Consult UG drueschner@hotmail.de LITERATUR [1] Grosshans, D.: Wachsmodifizierung von Guss- und Walzasphalt, asphalt 8, 2014, S. 19–23 [2] Fachveröffentlichung der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Hrsg.: Erfahrungssammlung über die Verwendung von Fertigprodukten und Zusätzen zur Temperaturabsenkung von Asphalt [3] FE 07.203/2002/CRB „Absenkung der Produktions- und Verarbeitungstemperatur von Asphalt durch Zugabe von Bitumenverflüssiger“, Schlussbericht, Anlagenband und Nachuntersuchungsberichte [4] Renken, P.: Walzasphalte mit viskositätsabsenkenden Additiven – Entwicklung und Optimierung der Eignungsund Kontrollprüfungsverfahren und Bestimmung der Einflüsse auf die performance-orientierten Asphalteigenschaften, AIF-Vorhaben 15589 N ASPHALT-TRENNMITTEL Qualität Made in Germany by Seifen-, mineralöl- oder pflanzenölbasiert Gebrauchsfertig oder als Konzentrat NADLER STRASSENTECHNIK GMBH FRAUNHOFERSTR. 3 - 85301 SCHWEITENKIRCHEN +49 (0) 84 44 - 92 400 - 15 MAIL STRASSENTECHNIK.DE STRASSENTECHNIK.DE 2|2023
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