Tieftemperatur-Charakterisierung von Bitumen mit dem 4mm-DSR und Zusammenhang mit der chemischen Zusammensetzung

Abstract

Bitumen, das bei der Aufbereitung von Erdöl gewonnen wird, ist als Bindemittel ein Bestandteil von Asphaltstraßen. Durch Umwelteinflüsse wie Sauerstoff und andere reaktive Sauerstoffspezies (ROS)in der Atmosphäre, UV-Licht, großen Temperaturspannen und mechanische Beanspruchung erfährt dieses eine Alterung über die jeweilige Lebensdauer. Diese Alterung kann im Labor mittels dem Rolling thin film oven test (kurz RTFOT) und dem Pressure ageing vessel (PAV) simuliert werden. Bei gealterten Bitumenproben tritt ein Versagen hauptsächlich bei tiefen Temperaturen auf. In den letzten Jahren ist das Interesse entstanden die mechanischen Kennwerte von Bitumen im Tieftemperaturbereich mit dem dynamischen Scherrheometer (DSR) anstatt des Biegebalkenrheometers (BBR) zu prüfen, da diese Methode zeit- und materialsparender ist. Im letzten Jahrzehnt wurde versucht BBR-Daten in DSR-Daten umzuwandeln. Diese Umwandlung gestaltet sich aufgrund der Komplexität des Problems und des Zeitaufwands als schwierig. Eine Forschungsgruppe von der University of Texas in Austin forscht deshalb an einer Methode der direkten Umwandlung von BBR in DSR-Werten. Erste Untersuchungen deuten auf eine starke Korrelation zwischen den Ergebnissen des BBR (S und m-Wert) und des DSR (|G*| und δ). Aufgrund eines mangelhaften Messgerätes konnten die BBR-Ergebnisse in dieser Arbeit jedoch nicht mehr weiterverwendet werden.Neben den mechanischen Eigenschaften ist auch die chemische Zusammensetzung ein wichtiger Bestandteil der Charakterisierung von Bitumen. Dafür bieten sich zwei Methoden an: Durch ein chromatographisches Verfahren namens SARA-Analyse und ein Infrarotspektroskopieverfahren (FTIR) werden die chemischen Eigenschaften und die Einflüsse der Alterung auf die Bitumen untersucht. Die SARA-Analyse macht es möglich Bitumen in verschiedene Fraktionen mit unterschiedlichen Polaritäten aufzutrennen. Saturates, Aromatics, Resins und Asphaltenes werden die vier Gruppen genannt. Zudem kann der in den letzten Jahren immer öfter verwendete Wert des Colloidal Instability Index berechnet werden, der für die Anfälligkeit zu Ablagerungen in Verarbeitung und Transport verwendet wird. Durch erhöhte Lichtabsorption kann der alterungsbedingte Sauerstoffeintrag in den Infrarotspektren untersucht werden. Mittels Auswertung der Spektren lässt sich ein dimensionsloser Alterungsindex berechnen, der einen weiteren Hinweis auf Alterung geben könnte. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, die mechanischen Eigenschaften mit der jeweiligen chemischen Zusammensetzung in Verbindung zu bringen. Die Entwicklung der 4mm-DSR-Messmethode war erfolgreich. Es wurden Messungen bei verschiedenen Temperaturen und Frequenzen durchgeführt. Dabei wurde gezeigt, dass bei sinkender Prüftemperatur der komplexe Schubmodul |G*| steigt und der Phasenverschiebungswinkel sinkt. BBR-Messungen zeigen, dass die Biegekriechsteifigkeit mit sinkender Temperatur steigt und der m-Wert sinkt. Eine gute Korrelation zwischen diesen Daten ist vorhanden, doch aufgrund des Messgerätdefekts nicht brauchbar. Durch Alterung konnte ein Anstieg in den stark polaren Fraktionen der Resins und As-phaltenes und eine Reduktion in der Fraktion der Aromatics beobachtet werden. Die Saturates zeigten keinen eindeutigen Trend. Die erhaltenen Infrarotsprektren zeigen den erhöhten Sauerstoffeintrag durch eine erhöhte Absorption vor allem in den Wellenzahlbereichen der Carbonyl- und Sulfoxidenbande. Durch Auswertung der Spektren erhält man den Alterungsindex, welcher als Indiz für die Alterungsanfälligkeit herangezogen werden könnte. Es konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der SARA-Fraktionen und der FTIR-Auswertung gefunden werden. Lediglich deutet ein Anstieg der polaren Fraktionen bzw. eine Reduktion der Aromatics auf einen Anstieg des Alterungsindex hin. Weiters konnten Unterschiede in derselben Penetrationsklasse gefunden werden: Bitumen, die derselben Klasse zugeordnet sind, altern nicht gleich stark.

Bitumen, which is a product of crude oil processing is a component and the binder of as-phalt mix roads. Due to environmental influences such as oxygen in the atmosphere, UV light, large temperature ranges and mechanical stress, it undergoes ageing over its respective service life. This ageing can be simulated in the laboratory using the rolling thin film oven test (RTFOT) and the pressure ageing vessel (PAV). In aged bitumen specimens, failure occurs mainly at low temperatures. In recent years, interest has arisen in testing the mechanical properties of bitumen at low temperatures using the dynamic shear rheometer (DSR) instead of the bending beam rheometer (BBR), as this method is more time and material efficient. In the last decade, attempts have been made to convert BBR data into DSR data. This conversion is proving difficult due to the complexity of the problem and the time required. Therefore, a research group from the University of Texas at Austin is conducting research on a method of directly converting BBR to DSR values. Initial inves-tigations indicate a strong correlation between BBR (S and m-value) and DSR (|G*| and δ) results. However, due to a defective measuring device, the BBR results could not be fur-ther used in this work.In addition to the mechanical properties, the chemical composition is also an important part of the characterization of bitumen. Two methods can be used for this purpose: By a chromatographic method called SARA analysis and an infrared spectroscopy method (FTIR), the chemical properties and the influences of ageing on the bitumen are investi-gated. SARA analysis makes it possible to separate bitumen into different fractions with different polarities. Saturates, Aromatics, Resins and Asphaltenes are the four groups. In addition, the Colloidal Instability Index value, which has been used more and more in re-cent years, can be calculated. This index is used for the susceptibility to deposits in pro-cessing and transport. Increased light absorption can be used to investigate the age-re-lated oxygen ingress in the infrared spectra. By evaluating the spectra, a dimensionless ageing index can be calculated, which could give a further indication of ageing. Another goal of this work is to relate the mechanical properties to the respective chemical compo-sition.The development of the 4mm DSR measurement method was successful. Measurements were performed at different temperatures and frequencies. It was shown that as the test temperature decreases, the complex shear modulus |G*| increases and the phase shift an-gle decreases. BBR measurements show that the flexural creep stiffness increases and the m-value decreases with decreasing temperature. A good correlation between these data exists but is not useful due to defect of the BBR.Ageing showed an increase in the highly polar fractions of resins and asphaltenes and a reduction in the fraction of aromatics. The saturates did not show a clear trend. The ob-tained infrared spectra show the increased oxygen incorporation by an increased absorp-tion especially in the wavenumber regions of the carbonyl and sulfoxide bands. By evalu-ating the spectra, the ageing index is obtained, which could be used as an indication of the susceptibility to ageing. No clear correlation could be found between the SARA fractions and the FTIR evaluation. Only an increase of the polar fractions or a reduction of the aro-matics indicates an increase of the ageing index. Furthermore, differences in the same penetration class could be found: Bitumens assigned to the same class do not age to the same extent.