Weiterentwicklung der Prüfung des Kälteverhaltens von Stra

Weiterentwicklung der Prüfung des Kälteverhaltens von Straßenbaubitumen und PmB mit dem Bending Beam Rheometer
Wissenschaftlicher Kurzbericht Nr. 14 (2008)
Dipl.-Ing. Manuela Stütz, Dr.-Ing. Bernd Wallner, Ltd. Akad. Dir. Dr.-Ing. Thomas Wörner
Arbeitsgruppe 5: Bitumenhaltige Baustoffe und Gesteine
Basisförderung: Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, vertreten durch die
Bundesanstalt für Straßenwesen
Einleitung
Um das Kälteverhalten von Bitumen und PmB
als Ersatz für den Brechpunkt nach Fraaß besser
beurteilen zu können, wurden national und international verschiedene Prüfverfahren entwickelt,
die sich durch die Art der Belastung unterscheiden. Auf europäischer Ebene hat sich das aus
dem amerikanischen SHRP hervorgegangene
Bending-Beam-Rheometer (BBR) durchgesetzt.
Mittlerweile liegt eine europäische Norm für die
Prüfung mit dem BBR vor. Die Prüfbedingungen
und die Auswertungssystematik wurden unverändert aus der amerikanischen Norm übernommen, obwohl sich das europäische Prüfkonzept
grundlegend vom amerikanischen unterscheidet,
da es feste Prüfbedingungen vorschreibt, während das amerikanische System auf festen Anforderungswerten bei unterschiedlichen Prüfbedingungen beruht (performance-grades).
Die festen Prüfbedingungen der europäischen
Norm lassen jedoch keine umfassende Beurteilung der Bindemittel zu, da durch die Randbedingungen weitere Eigenschaften der Bindemittel
unterdrückt werden. Daher sollte das Prüfverfahren mit dem BBR zur Untersuchung des Kälteverhaltens von Straßenbaubitumen und PmB so
modifiziert werden, dass eine wesentlich bessere
Beurteilung der Bindemittel möglich wird.
3
Ergebnisse
Jeder Punkt der Abbildungen 1 und 2 stellt den
Mittelwert aus 6 geprüften Balken dar. Drei Punkte nebeneinander sind die Ergebnisse der drei
Belastungen (links 1230 mN, Mitte 980 mN,
rechts 780 mN). Diese befinden sich auf dem
gleichen Niveau, da die Steifigkeit unabhängig
von der Belastungsgröße ist. Die drei großen
Blocks beziehen sich auf die Ablesezeit (v.l.n.r.
240 s, 120 s, 60 s). In jedem Block befinden sich
vier Säulen, die jeweils die Prüftemperatur von
-24 °C auf der linken Seite bis -12°C auf der
rechten Seite kennzeichnen.
1200
240 s
120 s
B01
60 s
B02
B03
1000
1230 - 980 - 780 mN
-24°C
B04
B05
B06
800
Steifigkeit [MPa]
1
B07
-20°C
B08
PmB09
600
-16°C
PmB10
PmB11
PmB12
-12°C
400
PmB13
PmB14
PmB15
HPmB16
200
HPmB17
HPmB18
HPmB19
0
BR
- 24/ 1230
- 24/ 980
- 24/-780
20/ 1230
- 20/ 980
- 20/-780
16/ 1230
- 16/ 980
- 16/ 780
- 12/ 1230
- 12/ 980
- 12/ 780
- 24/ 1230
- 24/ 980
- 24/ 780
- 20/ 1230
- 20/ 980
- 20/ 780
- 16/ 1230
- 16/ 980
- 16/ 780
- 12/ 1230
- 12/ 980
- 12/ 780
- 24/ 1230
- 24/ 980
- 24/ 780
- 20/ 1230
- 20/ 980
- 20/-780
16/ 1230
- 16/ 980
- 16/-780
12/ 1230
- 12/ 980
- 12/ 780
Abbildung 1:
Sämtliche Ergebnisse zur Steifigkeit
B01
0,700
240 s
120 s
B02
60 s
B03
-12°C
Untersuchungsprogramm
Die Versuchsdurchführung erfolgte sowohl nach
DIN EN 14771 (TL PmB) bei einer Temperatur
von -16 °C und einer Belastung von (980±50)
mN als auch zusätzlich bei -12, -20 und -24 °C
sowie bei 780 und 1230 mN. Es wurden 19 Bindemittel von vier Herstellern untersucht. Als Ergebnis sind gem. DIN EN 14771 die Werte für
Steifigkeit und m-Wert bei 8,0 s, 15,0 s, 30,0 s,
60,0 s, 120,0 s und 240,0 s anzugeben.
-16°C
B04
0,600
B05
-20°C
-24°C
B06
B07
0,500
B08
0,400
m-Wert [-]
2
PmB09
PmB10
PmB11
PmB12
0,300
PmB13
PmB14
PmB15
0,200
HPmB16
HPmB17
1230 - 980 - 780 mN
0,100
HPmB19
BR
- 24/ 1230
- 24/ -980
24/-780
20/ 1230
- 20/ -980
20/-780
16/ 1230
- 16/ 980
- 16/-780
12/ 1230
- 12/ 980
- 12/-780
24/ 1230
- 24/ -980
24/-780
20/ 1230
- 20/ -980
20/-780
16/ 1230
- 16/ 980
- 16/-780
12/ 1230
- 12/ 980
- 12/ -780
24/ 1230
- 24/ -980
24/-780
20/ 1230
- 20/-980
20/-780
16/ 1230
- 16/ 980
- 16/-780
12/ 1230
- 12/ 980
- 12/ 780
Abbildung 2:
HPmB18
Sämtliche Ergebnisse zum m-Wert
Herausgeber: cbm Centrum Baustoffe und Materialprüfung, Baumbachstr. 7, D-81245 München
unter Leitung von: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter Schießl und Prof. Dr.-Ing. Detlef Heinz
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Die Betrachtung der Steifigkeiten für alle Bindemittel ergibt die geringsten Steifigkeiten für die
höher polymermodifizierten Bitumen. Straßenbaubitumen und polymermodifizierte Bitumen
überschneiden sich im mittleren Bereich. Die
Ergebnisse der m-Werte liegen linear in Abhängigkeit der Temperatur. Den höchsten m-Wert
besitzen die höher polymermodifizierten Bitumen, die auch die geringste Steifigkeit aufweisen. Destillationsbitumen und polymermodifizierte Bitumen überschneiden sich auch hier. Während die Steifigkeit für alle Bindemittel bei kälterer Prüftemperatur weiter gespreizt ist und somit
die Bindemittel besser differenziert werden können, liefert der m-Wert für alle Prüftemperaturen
Ergebnisse auf gleichem Niveau. Alle Ergebnisse
sind unabhängig von der Belastung. Die Kenntnis von Werten für Steifigkeit und m-Wert reicht
nicht aus, um zwischen Straßenbaubitumen und
polymermodifizierten Bitumen zu unterscheiden.
4
Optimierungsmöglichkeiten
Hinsichtlich der Tieftemperaturanforderung gemäß SHRP könnten für jede Bindemittelsorte
zwei Grenztemperaturen angegeben werden, mit
denen die schadfrei aufzubringende Minimaltemperatur leicht bestimmt werden kann. Bei höher
polymermodifizierten Bitumen liegt diese Temperaturspanne etwa 10°C tiefer als bei Straßenbaubitumen.
In Abbildung 4 sind die Steifigkeit und der mWert bei einer Ablesung von 60 s für ein 50/70
angetragen. Für die Ermittlung der Tieftemperaturanforderung gem. AASHTO ist der m-Wert
größer 0,3 bzw. die Steifigkeit kleiner als 300
MPa relevant. Bei dem 50/70 kann somit eine
Temperatur von -18°C abgelesen werden.
Nach dem Tieftemperaturkriterium (m-Wert > 0,3,
Steifigkeit < 300MPa) wurde die jeweilige Mindesttemperatur ermittelt. Mit Kenntnis dieser
Minimaltemperatur lassen sich für jede Bindemittelsorte Temperaturbereiche festlegen, innerhalb
derer die Tieftemperaturkriterien auf jeden Fall
erfüllt sind.
1,6
5
Verformung [mm]
1,4
1,2
20/30
1,0
25/55-55 A
0,8
120 s
0,6
40/100-65 A
60 s
0,4
0,2
0,0
0
50
100
150
200
250
Zeit [s]
Abbildung 3:
Verlauf der Durchbiegung im BBR
0,700
700,0
0,600
600,0
0,500
500,0
0,400
400,0
0,300
300,0
0,200
200,0
0,100
100,0
0,000
Steifigkeit [MPa]
m-Wert [-]
Abbildung 3 zeigt, dass erst zu einem späteren
Zeitpunkt als t = 60 s, zu dem normgemäß die
Berechnung von S und m stattfindet, linear viskoses Verhalten erreicht wird, so dass auch bei
der Versuchsauswertung Optimierungsmöglichkeiten vorhanden sind, welche die Aussagekraft
und die Präzision der Ergebnisse des BBR steigern können.
Zusammenfassung
Eine Auswertung mittels multivariater Varianzanalyse bestätigte die Ergebnisse und Schlussfolgerungen: die Prüftemperatur hat den größten
Einfluss auf das Ergebnis, gefolgt von der Ablesezeit und dem Bindemittel. Eine Änderung der
Belastung wirkt sich nicht auf das Ergebnis aus.
Daher sind die Temperatur und die Ablesezeit zu
fixieren.
Da ideal-viskoses Verhalten der Bindemittel erst
nach einer Belastungsdauer von über 120 s auftritt, sollte von dem Bestimmungszeitpunkt
t = 60 s abgegangen werden. Hierdurch wird
zudem die Genauigkeit der Daten erhöht.
Um die schadfrei zu ertragende Mindesttemperatur von Bitumen zu ermitteln, können die TL Bitumen durch Angabe von zwei Prüftemperaturen
für jede Bindemittelsorte ergänzt werden.
Es wird zudem vorgeschlagen, künftige Prüfungen bei einer Belastung von mindestens 980 mN
durchzuführen, da insbesondere kleine Belastungen zu ungenauen Ergebnissen führen können.
Steifigkeit (60s)
m-Wert (60s)
0,0
-24
-20
-16
-12
Tempe ratur [°C]
Abbildung 4:
Graphische Ermittlung der Minimaltemperatur für ein Straßenbaubitumen 50/70
Herausgeber: cbm Centrum Baustoffe und Materialprüfung, Baumbachstr. 7, D-81245 München
unter Leitung von: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter Schießl und Prof. Dr.-Ing. Detlef Heinz
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