Einfluss von Zinc-Diethyldithiocarbamat als Antioxidans auf die Alterung von Bitumen

Abstract

Bitumen ist ein Material, das durch die Einwirkung verschiedener Umweltfaktoren wie Sonnenlicht, hohe Temperaturen, reaktive Sauerstoffspezies (ROS), Feuchtigkeit und Witterung einem fortschreitenden Alterungsprozess unterliegt. Dieser chemische Prozess führt zu einer Zunahme der Sprödigkeit und zu einem Verlust der Flexibilität, wodurch die Rissanfälligkeit steigt und die Lebensdauer eines Straßenaufbaus reduziert werden kann. Die daraus resultierenden Schäden erhöhen die Instandhaltungsfrequenz und verursachen höhere Wartungskosten.Ein vielversprechender Ansatz zur Verlangsamung oxidativer Prozesse, welche zur Bitumenalterung führen, ist die Modifikation des Bindemittels mit Antioxidantien. In dieser Arbeit wurde Zink-Diethyldithiocarbamat (ZDEC) als Antioxidans eingesetzt, da es in vorausgehenden Untersuchungen vielversprechende Ergebnisse gezeigt hat. Um einen fundierten Einblick in die Wirkungsweise von ZDEC zu erlangen, wurden zwei Referenzbitumen unterschiedlicher Herkunft jeweils mit 3 % und 5 % ZDEC modifiziert.Untersucht wurde, (1) ob ZDEC das mechanische Verhalten des ungealterten Bitumens verändert, (2) in welchem Ausmaß es die Alterungsbeständigkeit verbessert, (3) welche Alterungsmethoden den größten Einfluss zeigen und (4) ob der höhere ZDEC-Gehalt von 5 % gegenüber 3 % einen zusätzlichen Nutzen bringt. Dazu wurden die Proben im Labor verschiedenen Alterungsverfahren unterzogen: der Kurzzeitalterung mittels Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) und Pre Viennese Binder Aging (PreVBA) Methode sowie der Langzeitalterung durch das standardisierte Pressure Aging Vessel (PAV). Die PAV-Alterung erfolgte in drei Stufen: 20 h (PAV), 40 h (2PAV) und 60 h (3PAV). Zusätzlich kamen die nicht standardisierten Methoden Viennese Binder Aging (VBA) und lichtinduzierte Alterung (LLA) zum Einsatz.Nach der Alterung erfolgte eine chemische Analyse mittels Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Spektroskopie und SARA-Fraktionierung sowie eine rheologische Charakterisierung mit dem Dynamic Shear Rheometer (DSR) und dem Bending Beam Rheometer (BBR). Die Ergebnisse zeigen, dass ZDEC keinen Einfluss auf die Steifigkeit des frischen Bitumens hat, jedoch die Alterungsrate deutlich verringert. Besonders bei den langzeitgealterten Proben mit 5 % ZDEC wurden geringere Steifigkeiten und niedrigere Carbonylindizes festgestellt. Der stärkste antioxidative Effekt zeigte sich bei der standardisierten 3PAV-Methode, während die LLA die geringste Wirksamkeit aufwies. Der Einsatz von ZDEC in Deckschichten, die Sonnenlicht besonders stark ausgeliefert sind, ist dementsprechend besonders zu hinterfragen. ZDEC hat insbesondere auf den Einfluss thermischer Alterung ein großes Potential das Alterungsverhalten von Bitumen zu verbessern, wobei der zusätzliche Nutzen der höheren Dosierung kritisch im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Materialeinsatz zu bewerten ist.

Bitumen is a material that undergoes a progressive aging process under the influence of various environmental factors such as sunlight, high temperatures, reactive oxygen species (ROS), moisture, and weathering. This chemical process leads to increased brittleness and a loss of flexibility, which makes the material more prone to cracking and can reduce the service life of pavements. The resulting damage increases the maintenance frequency and consequently leads to higher repair costs.A promising approach to slowing down oxidative processes that lead to bitumen aging is the modification of the binder with antioxidants. In this study, zinc diethyldithiocarbamate (ZDEC) was used as an antioxidant, as previous investigations have shown promising results. To gain a deeper understanding of the mechanism of action of ZDEC, two reference bitumen samples of different origins were each modified with 3% and 5% ZDEC.The investigation focused on (1) whether ZDEC affects the mechanical behavior of unaged bitumen, (2) to what extent it improves aging resistance, (3) which aging methods have the greatest influence, and (4) whether the higher ZDEC content of 5% compared to 3% provides an additional benefit. For this purpose, the samples were subjected in the laboratory to various aging procedures: short-term aging using the Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) and the Pre-Viennese Binder Aging (PreVBA) method, as well as long-term aging using the standardized Pressure Aging Vessel (PAV). The PAV aging was performed in three stages: 20 h (PAV), 40 h (2PAV), and 60 h (3PAV). In addition, the non-standardized methods Viennese Binder Aging (VBA) and Light Aging (LLA) were applied.After aging, a chemical analysis was carried out using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and SARA fractionation, as well as a rheological characterization with the Dynamic Shear Rheometer (DSR) and the Bending Beam Rheometer (BBR). The results show that ZDEC has no influence on the stiffness of the fresh bitumen but significantly reduces the aging rate. In particular, the long-term aged samples with 5% ZDEC exhibited lower stiffness values and reduced carbonyl indices. The strongest antioxidant effect was observed in the standardized 3PAV method, whereas LLA showed the lowest effectiveness. The use of ZDEC in surface layers that are highly exposed to sunlight should therefore be critically reconsidered. Overall, ZDEC shows great potential in mitigating the effects of thermal aging and improving the aging performance of bitumen, although the additional benefit of higher dosage levels should be critically evaluated in terms of cost-effectiveness and material efficiency.