Induktive Erwärmung von Asphalt mit Stahlpartikeln

Induktive Erwärmung von Asphalt mit Stahlpartikeln
Sacha Bissig, Bürglen, Kantonale Mittelschule Uri, betreut von Etienne Jeoffroy, PhD, DMATL
ETHZ
Abstrakt
Wenn man den Asphalt mit einer kleinen Menge Stahlpartikel versetzt und anschliessend
einem elektromagnetischen Feld aussetzt, wird im Asphalt Wärme erzeugt. Durch das Erwärmen des Asphalts nimmt die Viskosität (Zähflüssigkeit) des im Asphalt enthaltenen Bitumens ab.
Einleitung
Asphalt ist das am häufigsten verwendete Material für Strassenbeläge. Er besteht aus Bitumen und Mineralstoffen: Füller (<0.063 mm), Sand (0.063 – 2 mm) und Splitt (2 – 16 mm).
Strassenasphalt ist jahrelang mechanischer und thermischer Beanspruchung ausgesetzt, was
einen Einfluss auf die Eigenschaften des Materials hat. Dies zeigt sich durch die Entstehung
von Mikrorissen, welche im grossen Massstab zur Zersetzung des Materials führen.
Um diese Mikrorisse im Bitumen zu schliessen, werden dem Asphalt Stahlpartikel zugegeben. Mit einer Induktionsmaschine kann nun im Asphalt Wärme erzeugt werden. Diese
Wärme kann genutzt werden, um die Mikrorisse im Asphalt zu schliessen1.
Wir präparieren nun Asphaltproben, die unterschiedlich grosse Stahlpartikel enthalten, und
setzen sie einem elektromagnetischen Feld aus. Wir analysieren dann den Einfluss der Partikelgrösse auf die produzierte Wärme und die Homogenität der Erwärmung.
Materialien und Methoden
Alle Versuche werden mit kompaktem Asphalt durchgeführt. Das Gemisch aus zerkleinertem
Basaltgestein (mit einer Grösse von 2 bis 8 mm, 2770 kg/m3), Sand (mit einer Grösse von
0.063 bis 2 mm, 2688 kg/m3) und Füller (mit einer Grösse von <0.063 mm, 2638 kg/m3) wird
bei einer Temperatur von 160°C mit unbehandeltem Bitumen 70/100 (1032 kg/m3) gemischt.
Drei Volumenprozente des Steingemisches werden durch Stahlpartikel (7600 kg/m3) mit
einer durchschnittlichen Grösse von 0.11, 0.28 bzw. 1.05 mm ersetzt. Anschliessend wird der
Einfluss der induktiven Erwärmung der Stahlpartikel auf die Asphaltmixtur untersucht.
Dazu werden drei Proben vorbereitet (Durchmesser 10 cm, 1190 g). Splitt, Sand und Füller
werden während 24 Stunden bei 160 °C getrocknet. Das unbehandelte Bitumen und die
Stahlpartikel werden nur während zwei Stunden auf 160 °C erhitzt, bevor alles während fünf
Minuten mit einem Labormixer gemixt wird. Anschliessend wird die Mixtur in einen Hohlzylinder gegeben und mit 50 Schlägen von beiden Seiten verdichtet. Danach werden drei kleinere Proben aus der vorher hergestellten Probe herausgebohrt (3 cm Durchmesser, 8 cm
hoch).
Die Messungen werden mit einer Induktionsmaschine (Ambrell EasyHeat) (285kHz, 400A)
durchgeführt.
Die Proben werden in der Mitte der Spule platziert, und die Oberflächentemperatur der Proben wird mit einer Infrarotkamera gemessen (Testo t885).
Abb. 2: Induktionsspule mit Asphaltprobe
Abb. 1: Asphaltprobe
Resultate
Grafik 1: Wärmeverteilung
160.0
Temperatur (°C)
140.0
120.0
100.0
1.05 mm
80.0
60.0
0.28 mm
40.0
0.11 mm
20.0
0.0
Distanz vom oberen Ende bis zur Mitte der Probe
Grafik 2: Temperatur an der wärmsten Stelle
Temperatur (°C)
120
100
80
60
1.05 mm
40
0.28 mm
20
0.11 mm
0
0
5000
Heizzeit (Millisekunden)
Abb. 3: Wärmebild eines Probezylinders mit
Partikelgrösse 1.05 mm
10000
15000
20000
Abb. 4: Wärmebild eines Probezylinders mit
Partikelgrösse 0.11 mm
Diskussion
Die Stahlpartikel mit der Grösse 1.05 mm erwärmen sich sehr schnell. Die Wärme ist jedoch
sehr unregelmässig verteilt. Dies hängt damit zusammen, dass Stahlpartikel nur eine kleine
Wärmekapazität haben und die Wärme schlecht auf den Rest der Probe übertragen. Durch
die übermässige Erwärmung der Stahlpartikel besteht zudem die Gefahr, dass sich das Bitumen zersetzt und der Asphalt dadurch noch mehr beschädigt wird.
Unser Ziel ist es daher, den Asphalt möglichst gleichmässig zu erwärmen.
Die beiden andern Proben mit den kleineren Stahlpartikeln (0.11 bzw. 0.28 mm) haben sich
zwar weniger schnell erhitzt, jedoch scheint die Wärmeübertragung von den Stahlpartikeln
auf das Bitumen viel besser zu funktionieren, denn die Wärme ist gleichmässiger verteilt.
Fazit
Um den Asphalt effizienter zu erwärmen, müssen wir entweder eine grössere Menge kleiner
Stahlpartikel zugeben oder neue Zusatzstoffe suchen.
Dank
Ich möchte an dieser Stelle meinem Betreuer Etienne Jeoffroy danken. Er hat mir während
der ganzen Woche einen guten Einblick in die Arbeit der Materialwissenschaftler ermöglicht,
mich stets tatkräftig bei meinen Versuchen unterstützt und mit Freude meine vielen Fragen
beantwortet.
Danken möchte ich auch dem DMATL der ETH Zürich und der Stiftung Schweizer Jugend
forscht, die mir diese interessante Studienwoche ermöglicht haben. Diese Woche hat meine
Studienwahl stark beeinflusst.
Quellen
Textquelle
Bildquellen
Abbildungen 1 – 4: Eigene Bilder