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Präsentation Heitkamp & Hülscher 1

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INGENIEURGESELLSCHAFT PTM Dortmund mbH

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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



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



Geltendes Regelwerk für Bitumen

Anforderungen an: Straßenbaubitumen Polymermodifizierte Bitumen

ElastomermodifizierteBitumen (PmB A)

Plastomermodifizierte Bitumen (PmB C)



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


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



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)




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)



Materialrecycling

Gummigranulat/-pulver

67 %

Stahl

18 %

Textilgewebe

14 %

Abfall

< 1 %



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



Quelle: EEP


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




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.



Trockenverfahren Sackzugabe



Alternativ: Trockenverfahren mit automatisierter Big Bag-Zugabe



Nassverfahren an Asphaltmischanlage



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)



Regelwerke



Regelwerke

Technische Lieferbedingungen für Gummimodifizierte BitumenTL RmB-StB ByAusgabe 2010

Herausgeber:Oberste Baubehördeim bayrischen Staatsministerium des Inneren



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.



Begriffbestimmungen der TL RmB-StB By



Anforderungswerte aus TL RmB-StB By 2010



Empfehlungen zu Gummimodifizierten Bitumen und Asphalten (E GmBA), Ausgabe 2012



Anforderungswerte aus E GmBAbeide Verfahren

= identische Richtwerte

=Gleichwertig einzustufen

Richtwerte für das Verhalten bei

tiefen Temperaturen

und Verformungs-verhalten bei

60 °C



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



Rheologische Kennwerte Gummimodifizierter Bindemittel



GG

G

G

G

G

G

G

G



G

G

G



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


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


RTFOT PAV

Was ist Alterung und warum ist sie für den Asphalt ein entscheidender Faktor?



G

G

G

Zustand: „Frisch“



G +

G +

G +

Zustand: „RTFOT“



G +

G +

G +

Zustand: „PAV“



Alterungsrate deutlich geringer bei den GmB als beim PmB A und beim entsprechenden Basisbitumen



Tendenz: Thermisch-oxidative Alterung nimmt mit steigendem Modifizierungsgrad ab.



Erfahrungen aus praktischen Anwendungen


• 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



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 %)



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



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



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



Kontrollprüfungen, Forschungund Ausblick


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



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



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



Zusammenfassung



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



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



Es gibt kein Bindemittel für jeden Zweck,aber es gibt für (fast) jeden Zweck ein Bindemittel.

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