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Präsentation Heitkamp & Hülscher 1
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Gummimodifizierung- Möglichkeiten und Grenzen -
Dr.-Ing. Daniel Gogolin
Asphaltanwendungen in der Praxis
Asphaltanwendungen in der PraxisGummimodifizierung ‐Möglichkeiten und Grenzen
März / April 2014 Referent: Dr.‐Ing. Daniel Gogolin 2
Inhalt
Grundlagen der Gummimodifizierung Regelwerke Rheologische Kennwerte gummimodifizierter Bindemittel Erfahrungen aus praktischen Anwendungen Kontrollprüfungen, Stand der Technik und Ausblick Zusammenfassung
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Grundlagen der Gummimodifizierung
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Warum modifiziert?
In Deutschland werden ca. 23% Prozent des gesamten für den Straßenbau verwendeten Bitumens modifiziert. (Quelle: EAPA)
Erweiterung der Plastizitätsspanneo Verformungsbeständigkeit bei
Wärmeo Verminderte Rissbildung bei Kälte
Haftung am Gestein (Adhäsion) Kohäsion Ermüdungsverhalten
Modifizierung von Bitumen
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Geltendes Regelwerk für Bitumen
Anforderungen an: Straßenbaubitumen Polymermodifizierte Bitumen
ElastomermodifizierteBitumen (PmB A)
Plastomermodifizierte Bitumen (PmB C)
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Vielzahl von Bindemitteln nach TL Bitumen-StB 07 zur Auswahl– Wofür weitere?
Steigende Verkehrs-belastungen
Hochbelastete Sonderflächen
Klimatische Veränderungen
Wirtschaftlicher Druck Arbeitsschutz Umweltschutz etc.
Standardbindemittel nachTL Bitumen- StB 07 nicht immer
ausreichend
Neue Bindemittelkonzepte
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Gründe der Gummiverwendung für bautechnische Zwecke
Gummi ist eine weitere Möglichkeit der Modifikation von Bitumen
Begrenzte Verfügbarkeit anderer Polymerarten
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
Kostenstabilität der Rohstoffe
Nachhaltigkeit / Schonung natürlicher Ressourcen
Umweltschutz
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ModifikationenPolymere
Elastomere
Plastomere
Duroplaste
Styrol-Butadien-Styrol (SBS)
Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)
Ethylvinylacetat (EVA)
Polyoctenamer-Kautschuk (TOR)
Recycling-Gummi
Polyethylen (PE)
Polypropylen (PP)
Naturkautschuk (NR)
Isoprenkautschuk (IR)
Polychloropren-Kautschuk (CR)
Acrylat-Kautschuk (ACM)
Ethylen-Acrylester-Kautschuk (AECM)
Ethylen-Propylen-Dien-Copolymere (EPDM)
Polyepoxide
Polyester
Polyurethane (PUR)
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Altreifen als hochwertiger Zusatz für Bitumen/Asphalt
600.000 Tonnen Reifen pro Jahr in Deutschland demontiert (Stand 2010)
Quelle: Genan
In Europa jährlich ca. 1,2 Mio Tonnen CO2-Einsparung durch Recycling der Reifen, d.h. Aufbereitung statt Verbrennung (fester Brennstoff für Kohle-kraftwerke und Zementfabriken)
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Materialrecycling
Gummigranulat/-pulver
67 %
Stahl
18 %
Textilgewebe
14 %
Abfall
< 1 %
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Herstellverfahren Gummimehl/ -granulat
Kryogenes Verfahren Stickstoff zum Abkühlen Zerkleinern durch
Brechvorgang Sehr glatte Oberflächen
Ambientes Verfahren Kühlung durch Luft Zerkleinern durch Mahlprozess Raue Oberflächenstrukturen
Ambientes Verfahren Zerreißen durch extreme Scher-
und Druckkräfte („Popcorn-Effekt“) Extrem raue Oberflächenstrukturen
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Quelle: EEP
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Möglicher Reaktionsablauf der Gummimodifikation
1. Reaktion zwischen Maltenendes Bitumens und den Elastomeren der Gummipartikel
2. Quellen der Gummipartikel bis zum Doppelten der Ausgangsgröße
3. Gelbildung aus Elastomeren, Maltenen und Asphaltenen
4. Teile vom Gummi verbleiben als reine Gummipartikel in der Bitumenmatrix
⇒ Anstieg der Viskosität
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Gummimodifizierte BindemittelGummimehl Additiv(e)
Additiviertes Gummimehl
NassverfahrenZugabe zum Bitumen Trockenverfahren
Zugabe zum Bitumen
Granulieren
Gummimodifiziertes Bitumengranulat
Zugabe in Mischer
Zugabe von Bitumen
ggf. weitere Zugabe
Gesteinskörnungen etc.
Gummimodifizierter Asphalt
Gummimodifiziertes Bitumen
Zugabe in Mischerggf. weitere Zusätze
Gesteinskörnungen etc.
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Trockenverfahren Sackzugabe
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Alternativ: Trockenverfahren mit automatisierter Big Bag-Zugabe
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Nassverfahren an Asphaltmischanlage
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Nassverfahren an Asphaltmischanlage
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Hinweise für die Herstellung und Verarbeitung gummimodifizierter Asphalte
Hohe Viskosität des Bindemittels (Dosierung der Pumpenleistung anpassen)
Erhöhte Entmischungsneigung (Lagerdauer beachten)
Maximale Verarbeitungstemperatur (≤ 170 °C)
Lagerung von Gummigranulat in Sackware (Stapelhöhe – Verklumpungen)
Heißsilierung bei Trockenverfahren („Reifen“ – Quellen – Anlösen)
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Regelwerke
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Regelwerke
Technische Lieferbedingungen für Gummimodifizierte BitumenTL RmB-StB ByAusgabe 2010
Herausgeber:Oberste Baubehördeim bayrischen Staatsministerium des Inneren
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TL RmB-StB By 2010
Gummimodifizierte Bindemittel können alternativ zu PolymermodifiziertenBindemitteln eingesetzt werden. Die „Technische Lieferbedingungen fürGummimodifiziertes Bitumen und Gummimodifiziertes Bitumengranulat für denStraßenbau in Bayern“ (TL RmB-StB By 10) wurden gemeinsam von Vertretern ausWirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung erarbeitet.
Die TL RmB-StB By 10 stehen auch unter http://www.stmi.bayern.de als pdf-Datei zur Verfügung. Den Autobahndirektionen und den Staatlichen Bauämtern wirddie Anwendung der TL RmB-StB By 10 als technische Mindestbedingung ingeeigneten Bauverträgen empfohlen. Zur Erfahrungssammlung ist die ObersteBaubehörde über die Anwendung der TL RmB-StB By 10 bei Ausschreibungen zuinformieren.
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Begriffbestimmungen der TL RmB-StB By
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Anforderungswerte aus TL RmB-StB By 2010
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Empfehlungen zu Gummimodifizierten Bitumen und Asphalten (E GmBA), Ausgabe 2012
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Anforderungswerte aus E GmBAbeide Verfahren
= identische Richtwerte
=Gleichwertig einzustufen
Richtwerte für das Verhalten bei
tiefen Temperaturen
und Verformungs-verhalten bei
60 °C
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Arbeitsschutz und Umwelt
• Nach bisherigen Erkenntnissen weist der Gummimodifizierte Asphalt keine unterschiedlichen Expositionen von Dämpfen und Aerosolen im Vergleich zu herkömmlichen Asphalten auf
• Bei der Herstellung von Asphalten entstehen grundsätzlich Emissionen. Erste Messungen bei der Herstellung von Gummimodifiziertem Asphalt und dessen Wiederverwertung machen deutlich, dass die Emissionen am Kamin des Asphaltmischwerkes in derselben Größenordnung liegen wie bei der Herstellung und Wiederverwendung von konventionellen Asphalten
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Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel
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Was ist Alterung und warum ist sie für den Asphalt ein entscheidender Faktor?
Alterung führt zu Versprödung des Bitumens (Steifigkeit nimmt zu)
Reduzierung der Nutzungsdauer
Ausmagerung/Kornausbruch
Rissbildung
Alterung erfolgt primär durch wärme, UV-Licht und Sauerstoff ausgelöste Oxidationsreaktionen des Bitumens
Verlust der Klebkraft (Adhäsion) Gesteinskörnungen lösen sich
aus der Asphaltmatrix
Sprödrisse im Winter
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Alterung nach 8 Jahren in Betrieb
Alterung während Lagerung, Transport und Einbau
Alterung während des Mischvorganges Kurzzeitalterung
Langzeitalterung
Alter (Jahren)
Alte
rung
sind
ex
1
2
3
4
5
6
7
2 40 6 8 10 12
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RTFOT PAV
Was ist Alterung und warum ist sie für den Asphalt ein entscheidender Faktor?
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G
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Zustand: „Frisch“
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G +
G +
G +
Zustand: „RTFOT“
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G +
G +
G +
Zustand: „PAV“
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Alterungsrate deutlich geringer bei den GmB als beim PmB A und beim entsprechenden Basisbitumen
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Tendenz: Thermisch-oxidative Alterung nimmt mit steigendem Modifizierungsgrad ab.
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Erfahrungen aus praktischen Anwendungen
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• Offenporige Asphalte
• Splittmastixasphalt
• Asphaltbinder
• Asphaltbetone
• Lärmoptimierte Asphalte (LOA, SMA LA, PMA)
Durch die hohe Viskosität des Bindemittels sind keine stabilisierenden Zusätze erforderlich
Zusätzliche Reduzierung des Lärms durch erhöhte elastische Anteile
Verwendung wie ein PmB
Recyclinggedanke (Altreifen), Wirtschaftlichkeit (günstiger als vergleichbare PmB), Lärmreduzierung
Bisherige Anwendungsgebiete Gummimodifizierter Bindemittel
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Beispiel: Deckenerneuerung der Detmolder Straße in Paderborn (11/2012 und 10/2013)
Aufgabenstellung:Lagenweises Fräsen und Wiedereinbau des abgefrästen Materials (SMA) als hochwertige Verwertung im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetzes
Asphaltdeckschicht mit einer möglichst hohen Wiederverwertungsrate des Asphaltfräsguts(hier umgesetzt 50 %)
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UmsetzungBindemittelkenndaten Altbestand Deckschicht Detmolder Straße EP RuK 74 °C; B. n. F. -3 °C Nadelpenetration 17 1/10mm
Frischbindemittelzugabe bei 50 % Asphaltgranulat mit 70/100 und 15 % Gummimehl BBR bei -16 °C
o S = 185 [MPa]o m-Wert = 0,306 [-]
Hartes versprödetes Altbitumen -> Aufgrund der hohen Steifigkeit des Bitumens erhöhte Gefahr von Sprödrissen
Gerade der kritische Tieftemperaturbereich konnte durch die gewählte Bindemittelvariante deutlich aufgewertet werden
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Beispiel: Liebherr Rostock AC 8 D S nach 4,5 Jahren Liegezeit
Prinzip:3 cm AC 8 D S splittreich hergestellt 30/45 mit 18 % Gummimehl
(GmB 25/55-65)8 cm AC 16 B HSF enggestufte KVL GmB 25/55-65
Nach 4,5 Jahre keine nennenswerten Rissbildungen
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BBR bei -16 °C S [Mpa]
m-Wert [-]
30/45 443 0,28810/40-65 A 372 0,26430/45+ 18 % G 184 0,267
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Kontrollprüfungen, Forschungund Ausblick
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Kontrollprüfungen sind in Anlehnung an die ZTV Asphalt-StB 07,Abschnitt 5.3, durchzuführen.
Kontrollprüfung - Probleme und Lösung
Erfassung der ungelösten Gummipartikel über das Dekantierverfahren
Extraktion des verbleibenden gelösten Bindemittels nach TP-Asphalt StB07, Teil 1
Gesamtbindemittelgehalt:
o Rückgewonnenes Bindemittel (Bindemittel + gelöste Gummipartikel)
o Masse der unlöslichen Gummipartikel
Ergänzung:Bestimmung des Bindemittelgehaltes nach Anhang C der E GmBA
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Kontrollprüfung - Probleme und Lösung
Bei der Herstellung von Gummimodifizierten Asphalt lösen sich die Gummipartikel nicht vollständig im Bitumen auf
Der lösliche Bindemittelgehalt schwankt in Abhängigkeit von der Lagerdauer, der Lagertemperatur und dem Gummianteil des Bindemittels
Genaue Erfassung der ungelösten Anteile bei der Extraktion momentan nicht möglich
Keine zutreffende Ermittlung des Bindemittelgehaltes bei Kontrollprüfungen nach TP Asphalt-StB, Teil 1
Entwicklung einer Prüfanweisung zur Bestimmung des Bindemittelgehaltes von Gummimodifizierten Asphalten unter Berücksichtigung des unlöslichen Gummianteils an der Ruhr-Universität Bochum
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Stand der Technik
„Modifizierte Erstprüfung“ als bauvertraglicher Bestandteilo Extraktion und Bestimmung des ungelösten Gummianteils schon bei der
Erstprüfungo Aufschlag des ungelösten Gummianteils auf den rückgewonnenen
Bindemittelgehalt der Kontrollprüfung
Nach momentaner Erfahrung ist der rückgewonnene Bindemittelgehalt (ohne ungelöste Gummianteile) bei der Kontrollprüfung nach der Extraktion um ungefähr 0,5 M.-% zum Erstprüfungswert reduziert
Methode der „Veraschung“o Erfassung der genauen Anteile an ungelösten Gummianteilen durch zusätzliche
Veraschung der feinen Gesteinskörnungen, aus denen die Gummipartikel nicht vollständig extrahiert werden können
o Ermittlung eines Faktors als Aufschlag auf den rückgewonnenen Bindemittelgehalt und den ungelösten Gummianteil
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Zusammenfassung
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Im Labormaßstab konnte zusätzlich abgeleitet werden, dass die Alterungsneigung (Versprödung) des Bindemittels, besonders in Hinblick auf die Langzeitalterung mittels PAV, signifikant gehemmt wird.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Zugabe von Gummimehl (hier: 8, 10 und 12 %) eine deutliche Steigerung der Performance Eigenschaften des Basisbitumens zur Folge hat.
Zusammenfassung
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Zusammenfassung
Bisherige Vorgehensweise bei Kontrollprüfung nicht zielführend. Es bedarf dringend einer Lösung dieser Problematik.o Maschinentechnik -> Separation ungelöster
Gummipartikelo Genaue Kenntnis über Anteil gelöster/ungelöster
Gummipartikel (Bindemittelgehalt)
Forschungsbedarf / „modifizierte Erstprüfung“
Gute Praxiserfahrungen in Hinblick auf hochstandfeste Konzepte (18%) und im Bereich von hohen Zugaben von Asphaltgranulat
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Es gibt kein Bindemittel für jeden Zweck,aber es gibt für (fast) jeden Zweck ein Bindemittel.