Rheology and engineering parameters of bitumen modified with poyolefins, elastomers and reactive polymers

Zwei große Probleme von asphaltierten Straßen bei der Belastung durch den

Straßenverkehr sind die Bildung von Spurrillen bei hohen Temperaturen sowie die

Rissbildung bei tiefen Temperaturen. Seit einigen Jahren werden polymere Zusätze zum Bitumen eingesetzt, durch die die Prozesse der Spurrillenbildung verlangsamt und die Rissbildung möglichst verhindert werden sollen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie man mit Hilfe einer rheologischen Charakterisierung von polymermodifiziertem Bitumen (PmB) die Effizienz von unterschiedlichen polymeren Zuschlagstoffen im Hinblick auf eine Reduktion der Spurrillen- und Rissbildung evaluieren kann. Die hier als potentielle Zuschlagstoffe zu Bitumen betrachteten Polymere sind thermoplastische Polymere wie z. B. ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP)), Reaktivpolymere wie Polyphosphorsäure und Polymere auf Basis Polymethacrylat und -butylacrylat, Kurzfasern auf Basis Poly(ar-amide) und Poly(ar-ester), sowie Elastomere wie z. B. Styrol-Butadien-Styrol (SBS), Ethylenvinylacetat (EVA) und recyceltes Gummipulver.

Die rheologische Charakterisierung der polymermodifizierten Bitumina erfolgte überwiegend im linear-viskoelastischen Bereich bei Variation von Temperatur und Frequenz sowie durch Kriecherholungsversuche. Der Einfluss der zugesetzten Polymere auf die Bitumeneigenschaften wurde durch diese Versuche bewertet. Einige auserwählte Rezepturenmit verbesserten rheologischen Eigenschaften wurden einem praxisnahen Spurrillenbildungstest unterworfen. Versuche zur Erlangung einer verbesserten Polymer-Bitumen-Dispersion zeigten, dass die zur Erzielung einer Dispersion von SBS in heißem Bitumen erforderliche Mischungszeit deutlich reduziert werden kann, wenn SBS durch Quellung in einem mit Bitumen kompatiblen Öl vorbehandelt wird. Der Effekt einer Devulkanisation von recyceltem Gummipulver vor der Mischung mit Bitumen ist ebenfalls untersucht worden.

Eingehende Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Heißlagerstabilität der

verschiedenen PmB–Proben zu charakterisieren. Diese Untersuchungen führten zum Vorschlag für zwei neue Stabilitätsindexe, der eine basierend auf den Werten des Verlustwinkels bei Variation der Temperatur, der andere basierend auf den Werten des Verlustwinkels bei Variation der Frequenz. Mit diesen Indexwerten ist es möglich, die Heißlagerstabilität von PmB quantitativ zu charakterisieren. Beide Indexe sind einfach zu erhalten und korrelieren miteinander. Des Weiteren wurden optische und thermische Analysen durchgeführt, um die Heißlagerstabilität von PmB zu untersuchen. Insbesondere die Differentialthermocalorimetrie (DSC) ist geeignet, die Heißlagerstabilität von Bitumina zu überprüfen, die mit thermoplastischen Polymeren modifiziert sind. Anstelle des in der Praxis häufig benutzten „Rutting-Parameters“, dessen Aussagekraft bei PmB mit hoher Polymerkonzentration eingeschränkt ist, wird ein neuer Parameter vorgeschlagen, der auf der komplexen Viskosität basiert und auch bei hoher Polymerkonzentration zuverlässig eine “maximum temperature before rutting, TRut” liefert. Das neue TRut – Konzept lässt sich in der Praxis durch einfache und schnelle rheologische Tests umsetzen.