Heft 27 - Komplexe Charakterisierung bitumenhaltiger Bindemittel anhand temperatur-, frequenz- und belastungsabhängiger Kennwerte

Jahr: 2017
Autor: Michael Gehrke

Kurzfassung

Die Analyse bitumenhaltiger Bindemittel beruht in Deutschland seit Jahrzehnten auf einfachen physikalischen Prüfverfahren. Dabei stehen Messgeräte zur präzi-sen, physikalisch komplexen und praxisnahen Untersuchung der Bindemittelrheo-logie zur Verfügung – an erster Stelle das Dynamische Scherrheometer (DSR).
Vor allem modifizierte Bitumen werden durch die herkömmlichen Prüfverfahren un-zureichend charakterisiert. Dabei ist eine detaillierte Analyse der für den Asphalt-straßenbau wesentlichen Kälte- und Wärmeeigenschaften nach den allgemein an-erkannten Regeln der Technik selbst mittels DSR bisher nicht vorgesehen.
Das Ziel dieser Arbeit bestand somit darin, Prüfverfahren bzw. Analysemethoden zur gezielten Charakterisierung der Bindemitteleigenschaften bei niedrigen und hohen Gebrauchstemperaturen mittels DSR zu entwickeln. Hierauf aufbauend wa-ren frische sowie gealterte unmodifizierte Bitumen und die in Deutschland genorm-ten Polymer-, wachs- und Gummimodifizierten Bitumen zu charakterisieren.
Zur Analyse des Kälteverhaltens wurden im Rahmen dieser Arbeit Scher- und Zug-Relaxations-Versuche mittels DSR entwickelt. Bei der Temperatur von -10 °C wer-den die Bindemittelsteifigkeit und vor allem deren Relaxationsverhalten im niedrigen Gebrauchstemperaturbereich ermittelt. Im Gegensatz zu den genormten Untersuchungsverfahren erfolgt durch die entwickelten Versuche eine direkte Ansprache der für die Asphalt-Performance bei Kälte elementaren Materialeigenschaften.
Aufgrund des viskoelastischen Verhaltens bitumenhaltiger Bindemittel ist deren Materialverhalten bei hohen Gebrauchstemperaturen entscheidend von dem jewei-ligen Belastungszustand abhängig. Ausgehend von der genormten DSR-Analytik wurden daher bei der Temperatur von 60 °C Prüf- und Analyseverfahren unter nie-derfrequenten, quasistatischen und hochfrequenten, der Verkehrsbelastung auf Autobahnen entsprechende Belastungen entwickelt. Diese beinhalten sowohl dem üblichen Straßenverkehr entsprechende als auch die unter stehenden Schwerver-kehr (Stau) möglichen Belastung. Als Ergänzung zu den genormten Untersu-chungsverfahren wird durch die entwickelten Verfahren die für die Spurrinnenbil-dung des Asphalts maßgebende Bindemittelsteifigkeit und -elastizität bei hohen Gebrauchstemperaturen unter allen praxisrelevanten Frequenz- und Lastbedin-gungen charakterisiert.
Durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte DSR-Analytik können wichtige, komplexe rheologische Kenndaten für unterschiedliche modifiziere Bitumen vorge-legt werden, mit denen das Gebrauchsverhalten von Asphalten präziser beschrie-ben werden können.


Abstract

In Germany, the analysis of bituminous binders is based for decades on simple physical test procedures. While doing so, measuring devices are available for precise, physically complex and performance-related examination of the binder rheology – above all the Dynamic Shear Rheometer (DSR).
In particular modified bitumens are insufficiently characterized with the conventional test procedures. But at the same time a precise analysis of the properties at low and high service temperatures is not possible in accordance with the generally recognized rules of technology even when using a DSR.
The objective of this work was therefore to develop test procedures and methods of analysis to precisely characterize the binder properties at low and high service temperatures using a DSR. On this basis fresh as well as aged unmodified bitumens and the modified bitumen standardized in Germany – polymer-, wax- and rubber-modified – were to be characterized.
To analyse cold temperature behaviour, shear and tensile relaxation tests have been developed using DSR, as part of this work. At a temperature of -10°C, the binder’s stiffness and particularly the relaxation behaviour are determined. Unlike the standardised test methods, the tests developed take a direct approach to the ma-terial properties that are fundamental for asphalt performance in situ.
Because of the viscoelastic behaviour of bituminous binders, their material behaviour at high service temperatures is critically dependent upon the respective load status. Based upon the standardised DSR analytics, testing and analysis methods at a temperature of 60°C have therefore been developed under low-frequency and high-frequency loads. These include the possible load both corresponding to dynamic and under stationary heavy traffic (congestion). In addition to the standard-ised test methods, the methods developed characterise the stiffness and elasticity causal for the asphalt to form ruts at high operating temperatures under all performance-related frequency and load conditions.
With the DSR analytics developed as part of this work, important complex rheological key data can be presented for different modified bitumens, with which the performance behaviour of asphalts can be described more accurately.