Bitumenanalyse mit FTIR/ATR

Bitumenanalyse
mit FTIR/ATR
Sachgebiet Bau und Erhaltung
von Verkehrswegen
Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer
Dipl.-Ing. Diana Simnofske
Bitumen – das Bindemittel unserer Straßen
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Bitumen in Zahlen
• 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
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Bitumenproduktion
Straßenbaubitumen
Mineralöle  Fluxbitumen
Wasser & Emulgatoren 
Bitumenemulsion
Polymere  PmB
230-290°C
Oxidationsbitumen
Destillationsbitumen
Luft
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Anstieg der Siedetemperatur
Alkane
• CH4
Methan
Hauptbestandteile von Erdgas
• C2H6
Ethan
• C3H8
Propan
Flüssiggas
• C4H10 Butan
Butan:
– n-Butan (normal)
Feuerzeuge (95 % n-, 54 % Isobutan)
– iso-Butan
• C5H12 Pentan
Flüssigbrennstoff (z. B. Benzin), nur
– n-Pentan
iso-Alkane, um Frühzündung zu
– iso-Pentan
vermeiden.
– Cyclo-Pentan (C5H10) Octan-Zahl beschreibt das Verhältnis
Iso-Octan: n-Heptan; je höher, desto
• C6H14 Hexan
geringer ist die Gefahr der
• C7H16 Heptan
Frühzündung
• C8H18 Octan
• C9H20 Nonan
Flüssigbrennstoff
– 35 mögliche iso-Nonan-Varianten (Diesel / Kerosin)
bis C16H34
• C10H22 Decan
• C16H34 Hexadecan
Schmierstoffe
• C35H72 …
Bitumenbestandteile
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Was ist Bitumen?
• Gemisch aus ca. 20.000 organischen Verbindungen CcHhNnOoSs
• Hauptelemente (Rohöl)
Wasserstoff
10 %
5%
Sauerstoff, Stickstoff,
Schwefel, Spuren von
Metall (Vanadium,
Nickel, Eisen)
85 % Kohlenstoff
• Unterteilung in Molekülgruppen
– Asphaltene (feste Phase):
– Maltene (flüssige Phase)
> Gesättigte Kohlenwasserstoffe
> Aromatische Kohlenwasserstoffe
> Harze
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Was ist Bitumen?
• 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
‚gel‘
(network-type
agglomerations)
‚sol‘
(micelles fully
dispersed)
asphaltenes
(amorphous solids)
resins
(solid or solved)
micelles
(solids in fluid)
aromatic oils and saturated oils
(viscous fluid and/or solid)
maltenes
alkenes
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Bitumeneigenschaften – Visko-Elastizität
10.000.000.000
1.000.000.000
Komplexer Schubmodul G* [Pa∙s]
5 °C
10 °C
100.000.000
20 °C
30 °C
40 °C
50 °C
10.000.000
1.000.000
100.000
10.000
0,01
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0,1
Frequenz f [Hz]
1
10
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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
Sortenbezeich
nung
Penetration
[1/10 mm]
Erweichungspunkt [°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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Dauerhaftigkeitsrelevante Bitumeneigenschaften
•
•
•
Adhäsion zwischen Gestein und Bitumen
Gestein mach 95 % der Asphaltmasse aus
Verwendung regional verfügbarer Gesteine
Wasserempfindlichkeit
Alterung von Bitumen
– Kurzzeitalterung: Destillative Effekte
– Langzeitalterung: Oxidation, temperatur- und UV-abhängig
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)
Carbonyle
C=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.
2.
3.
4.
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Bitumenprobe in Toluol lösen
Bitumenlösung auf den Kristall auftropfen
Toluol verdunsten lassen (Beobachtung in OPUS)
Verbleibenden Bitumenfilm messen
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FTIR: Verfahrenspräzision
Mittelwert: 0,533
Standardabweichung: 0,075
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Mittelwert: 0,562
Standardabweichung: 0,057
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IR-Spektroskopie von Bitumen: Schlussfolgerungen
• Bitumenanalyse mit
geringem Aufwand
(Probenvorbereitung,
Durchführung) möglich
• Bekannte Probeneigenschaften können
identifiziert werden
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Nächste Schritte
•
•
•
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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