Bitumenanalyse mit FTIR/ATR

Sachgebiet Bau und Erhaltung von Verkehrswegen

Dr.-Ing. Konrad MollenhauerDipl.-Ing. Diana Simnofske

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Bitumen – das Bindemittel unserer Straßen

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• Verbrauch von Bitumen in Deutschland (2010): 2,4 Mio t– Asphaltstraßenbau: 80 %– Dach- und Dichtungsbahnen: 14 %– Sonstige Industrie: 6 %

• 115 Raffinerien in Europa, 74 produzieren Bitumen• Insgesamt 1.300 Rohöl-Typen, ca. 10 % geeignet für Bitumenherstellung• 3 - 4 % der gesamten Erdöl-Verarbeitung

Bitumen in Zahlen

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Luft

Destillations-bitumen

Oxidations-bitumen

230-290°CMineralöle FluxbitumenWasser & Emulgatoren

BitumenemulsionPolymere PmB

Straßenbau-bitumen

Bitumenproduktion

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Alkane

• CH4 Methan• C2H6 Ethan• C3H8 Propan• C4H10 Butan

– n-Butan (normal)– iso-Butan

• C5H12 Pentan– n-Pentan– iso-Pentan– Cyclo-Pentan (C5H10)

• C6H14 Hexan• C7H16 Heptan• C8H18 Octan• C9H20 Nonan

– 35 mögliche iso-Nonan-Varianten• C10H22 Decan• C16H34 Hexadecan• C35H72 …

Anst

ieg d

er S

iedet

emper

atu

r Hauptbestandteile von Erdgas

FlüssiggasButan: Feuerzeuge (95 % n-, 54 % Isobutan)

Flüssigbrennstoff (z. B. Benzin), nur iso-Alkane, um Frühzündung zu vermeiden.Octan-Zahl beschreibt das Verhältnis Iso-Octan: n-Heptan; je höher, desto geringer ist die Gefahr der Frühzündung

Flüssigbrennstoff(Diesel / Kerosin)bis C16H34

Schmierstoffe

Bitumenbestandteile

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• Gemisch aus ca. 20.000 organischen Verbindungen CcHhNnOoSs

• Hauptelemente (Rohöl)

• Unterteilung in Molekülgruppen– Asphaltene (feste Phase): – Maltene (flüssige Phase)

> Gesättigte Kohlenwasserstoffe

> Aromatische Kohlenwasserstoffe

> Harze

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Was ist Bitumen?

85 % Kohlenstoff

Wasserstoff

Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Spuren von Metall (Vanadium, Nickel, Eisen)

5 %

10 %

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asphaltenes(amorphous solids)

resins(solid or solved)

aromatic oils and saturated oils(viscous fluid and/or solid)

micelles(solids in fluid)

maltenes

‚gel‘(network-type

agglomerations)

‚sol‘(micelles fully

dispersed)

alkenes

• Maltene (85 bis 95 %): kontinuierliche (zusammenhängende, geschlossene) Phase aus hochsiedenden hellfarbigen Ölen,

• Asphaltene (5 bis 15 %): fein verteilte dunkelfarbige dispergierte Phase, die zusammen mit einer Schutzschicht aus Asphaltharzen die sogenannten Mizellen bildet

Was ist Bitumen?

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Bitumeneigenschaften – Visko-Elastizität

10.000

100.000

1.000.000

10.000.000

100.000.000

1.000.000.000

10.000.000.000

0,01 0,1 1 10

Komplexer Schub

mod

ul G* [Pa∙s]

Frequenz f [Hz]

5 °C10 °C20 °C30 °C40 °C50 °C

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Viskosität von Bitumen

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Technische Bitumeneigneschaften

• Nadelpenetration• Erweichungspunkt

Ring und Kugel• Brechpunkt nach

Fraass

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Bitumensorten

Sortenbezeichnung

Penetration [1/10 mm]

Erweichungs-punkt [°C]

Brechpunkt nach Fraass

[°C]

160/220 160 - 220 35 - 43 ≤ -15

70/100 70 - 100 43 – 51 ≤ -10

50/70 50 - 70 46 – 54 ≤ -8

30/45 30 - 45 52 - 60 ≤ -5

20/30 20 - 30 55 – 63 -

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• Adhäsion zwischen Gestein und BitumenGestein mach 95 % der Asphaltmasse aus Verwendung regional verfügbarer Gesteine

• Wasserempfindlichkeit• Alterung von Bitumen

– Kurzzeitalterung: Destillative Effekte– Langzeitalterung: Oxidation, temperatur- und UV-abhängig

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Dauerhaftigkeitsrelevante Bitumeneigenschaften

Bitumenchemie bestimmt die mechanisch relevanten Bitumeneigenschaften

Erfassung z. B. mittels IR-Spektroskopie

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IR-Spektroskopie von Bitumen

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IR-Spektroskopie: 1. Datenaufnahme (ALPHA + OPUS)

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IR-Spektroskopie: 2. Grundlinienkorrektur (OPUS)

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IR-Spektroskopie: 3. Mittelwertbildung (OPUS)

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IR-Spektroskopie: 4. Detail-Betrachtung (OPUS)

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IR-Spektroskopie: 5. Auswertung durch Integration (OPUS)

CarbonyleC=O

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IR-Spektroskopie: 6. Probenvergleich (EXCEL)

Wirkung der Alterung - Carbonyl-Peak (Wellenzahl 1601 1/cm)

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Nachweis von Polymeren (Unterscheidung der Bitumenart)

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FTIR/ATR: Erhöhung der Präzision

Bitumenprobe direkt aufgelegt

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FTIR/ATR: Erhöhung der Präzision

1. Bitumenprobe in Toluol lösen2. Bitumenlösung auf den Kristall auftropfen3. Toluol verdunsten lassen (Beobachtung in OPUS)4. Verbleibenden Bitumenfilm messen

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FTIR: Verfahrenspräzision

Mittelwert: 0,533Standardabweichung: 0,075

Mittelwert: 0,562Standardabweichung: 0,057

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IR-Spektroskopie von Bitumen: Schlussfolgerungen

• Bitumenanalyse mit geringem Aufwand (Probenvorbereitung, Durchführung) möglich

• Bekannte Proben-eigenschaften können identifiziert werden

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• Erstellung einer internen Datenbank – Bitumen unterschiedlicher Provenienz– Bitumen-Additive– Bitumen-Molekülgruppen (Kolloidsystem)

• Optimierung des Messverfahrens– Probenapplikation– Erfassung von Messeinflüssen (z. B. Temperatur)

• Erfassung der Verfahrenspräzision– Wiederholungsmessungen– Vergleichsmessungen mit Partnerinstituten– Vergleich ATR / Transmission

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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