Hochmodifizierte Bindemittel – PmB HiM

Die Bezeichnung ist eine Abkürzung aus dem englischen Begriff „High Modified“. Grundlage für polymermodifizierte Bitumen (PmB) ist die EN 14023. Dieses Regelwerk ist eine Matrixnorm (Rahmenwerk). Die jeweiligen Anforderungen werden mit Klassen beschrieben und für jedes Produkt entsprechend aus dieser Norm ausgewählt.

Die Bezeichnung ist eine Abkürzung aus dem englischen Begriff „High Modified“.

1) Stand der Normung

Grundlage für polymermodifizierte Bitumen (PmB) ist die EN 14023. Dieses Regelwerk ist eine Matrixnorm (Rahmenwerk). Die jeweiligen Anforderungen werden mit Klassen beschrieben und für jedes Produkt entsprechend aus dieser Norm ausgewählt.
Jedes Land kann für ein PmB mit einer identischen Produktbezeichnung aber andere Eigenschaften (Klasse) gewählt haben, daher ist es für den Anwender wichtig die Leistungserklärungen des Herstellers zu vergleichen.

Für Österreich sind die Anforderungen an polymermodifizierte Bitumen in der nationalen Umsetzungsnorm der ON B 3613 zu finden.

Auszug der Prüfungen zur Beschreibung der Eigenschaften von PmB:
Elastische Rückstellung (ON EN 13398):

Entsprechend der Prüfnorm wird ein Probekörper des PmB mit einer Geschwindigkeit von 50 mm/min bis zu einer Ziehlänge von 20 cm gestreckt und mittig durchgeschnitten. Nach 30 Minuten wird die Länge zwischen diesen beiden Halbfäden gemessen und die elastische Rückstellung wird in Prozent zur Ausziehlänge berechnet.

Je größer der Wert (Ergebnis) der elastischen Rückstellung ist, desto höher ist die Modifizierung des Bitumens. In Österreich wird diese Anforderung zum Beispiel für das PmB 45/80-65 mit der Klasse 2 (> 80) beschrieben und entsprechend der EN 14023 ist das die höchste Anforderung. Das bedeutet, mittels elastischer Rückstellung kann eine höhere Modifizierung nicht weiter beschrieben werden.

Erweichungspunkt Ring und Kugel (ON EN 1427):
Zwei geschulterte Ringe werden mit Bitumen gefüllte und in einem Flüssigkeitsbad kontrolliert erwärmt. Als Auflast trägt jeder Ring eine Kugel. Durch die Änderung der Viskosität mit steigender Temperatur (Erweichung) bildet sich auf Grund der Kugel ein typischer Bitumensack aus. Wird das untere Ende der Messstrecke (2,54 cm) erreicht erfolgt die Ablesung der Temperatur im Flüssigkeitsbad. Der Erweichungspunkt beschreibt die Wärmeeigenschaften des Bitumens. Die Anforderung an den Erweichungspunkt entsprechend der ON B 3613 für ein PmB 45/80-65 ist die Klasse 5 (> 65). Auch bei dieser Prüfung kann davon ausgegangene werden, dass ein höherer Erweichungspunkt (bei identischer Härte und entsprechender elastischer Rückstellung) eine höhere Modifizierung anzeigt.

Entsprechend der EN 14023 besteht derzeit nur die Möglichkeit eine höhere Modifizierung durch die Anhebung der Anforderung an den Erweichungspunkt zu beschreiben. In Polen wurde für die Beschreibung des PmB HiM in das nationale Umsetzungsregelwerk das Produkt „PmB 45/80-80“ aufgenommen. Anforderung an den Erweichungspunkt ist die Klasse 2 mit mindestens 80°C.

2) Herstellung von Elastomer modifiziertem Bitumen

PmB‘s werden durch Vermischung eines Ausgangsbitumens mit einem Polymer (Kunststoff) hergestellt. Dadurch werden die rheologischen Eigenschaften (Fließverhalten) des Bitumens verändert. Der verwendete Kunststoff (Art und Menge) beeinflusst die Beschaffenheit des gebrauchsfertigen PmB’s.

Die EN 14023 (Rahmenwerk für die Spezifikation von polymermodifizierten Bitumen) ist eine Produktnorm und beschreibt daher nicht die Art der PmB-Herstellung. Die Hersteller erzeugen entsprechend den Anforderungen dieser Norm ihre Produkte. Das Regelwerk (ON B 3613) beschreibt lediglich die Mindestanforderungen an das jeweilige PmB wie z.B. Erweichungspunkt Ring und Kugel mit mindestens 65°C.

Bedingt durch die Verarbeitbarkeit am Mischwerk zur Herstellung und dem Einbau des Asphaltes auf der Baustelle ist die Höhe der Modifizierung begrenzt. Das bedeutet, dass für die Anwendung von PmB im Straßenbau nicht endlos Kunststoff zugesetzt werden kann.

3) Prüfung von modifizierten Bitumensorten

Seitens „Eurobitume“ (Interessensvertretung und gemeinsame Stimme der europäischen Bitumenhersteller und –händler) wurde im Mai 2009 eine Datensammlung hinsichtlich der Prüfmethoden für bituminöse Bindemittel publiziert. Eine wesentliche Erkenntnis daraus ist, dass normale Bitumen (z.B. Straßenbaubitumen entsprechend EN 12591) mit einfachen Prüfungen wie der Härte (Penetration) und mittels Erweichungspunkt Ring und Kugel beschrieben werden können. Bei modifizierten Bitumen ist die Verwendung des Erweichungspunktes zur Beschreibung der jeweiligen Produkteigenschaften nicht mehr ausreichend. Komplexe Produkte (z.B. PmB) erfordern weiterführende Prüfungen. In Januar 2012 wurde ein weiteres Positionspapier in Bezug auf gebrauchsverhaltensorientierte Anforderungen für Bitumen herausgegeben. Das Ergebnis zeigte, dass für die einfachen Bitumen ausreichende Aussagen hinsichtlich der Produkteigenschaften in den derzeitigen Regelwerken (EN 12591) definiert sind. Für die komplexen Bitumensorten wie PmB, sind aber weiterführende Prüfungen zur Unterscheidung der Qualitätsmerkmale der Produkte notwendig.

Auszug der Untersuchungsmethoden zur Beschreibung des Gebrauchsverhaltens

  • Bestimmung des komplexen Schermoduls und des Phasenwinkel mittels Dynamischem Scherrheometer (DSR) entsprechend EN 14770
  • Durchführung des „Multiple Stress Creep and Recovery Test“ (MSCRT) mittels DSR entsprechend EN 16659
  • Bestimmung der Biegekriechsteifigkeit im Biegebalkenrheometer (BBR) entsprechend EN 14771.

Bestimmung des komplexen Schermoduls und des Phasenwinkel entsprechend EN 14770:

Das rheologische Verhalten des Bitumens wird unter sinusförmiger Belastung bei verschiedenen Temperaturen mittels DSR geprüft. Die Verformung des Bindemittels als Reaktion auf die Spannung wird gemessen. Als Ergebnis erhält man dabei einen komplexen Schermodul und den Phasenwinkel.

Komplexer Schermodel [G*]:
Bild 2Wird aus dem elastischen Anteil (Speichermodul G‘) und dem viskosen Anteil (Verlustmodul G‘‘) berechnet und kann als Gesamtwiderstand des Bitumens gegen Verformung beschrieben werden.

Phasenwinkel [δ]:
Der Phasenwinkel ist die Phasenverschiebung zwischen der aufgebrachten sinusförmigen Spannung und der daraus resultierenden sinusförmigen Dehnung. Er kennzeichnet die Verzögerung der resultierenden Dehnung gegenüber der aufgebrachten Spannung und ist ein Maß ob sich ein Stoff eher elastisch (δ gegen 0°) oder eher viskos (δ gegen 90°) verhält.
Vergleichende Darstellung der Ergebnisse nach der Kurzzeitalterung (RTFOT) im Labor:

Bild 3Beschreibung:
Im Hochtemperaturbereich (ab 60°C) ist der der komplexe Schermodul des Bitumen 70/100 nach RTFOT deutlich geringer als bei den modifizierten Bitumensorten und daher hat ein PmB eine bessere Beständigkeit gegenüber bleibender Verformung (z.B.: Spurbildung).
Der Phasenwinkel des Bitumen 70/100 (nach RTFOT) steigt kontinuierlich an. Das Straßenbaubitumen verhält sich eher viskos. Beim PmB HiM (nach RTFOT) wird auf Grund der hohen Modifizierung der Phasenwinkel ab 40°C wieder geringer (zeigt ein eher elastisches Verhalten).

„Multiple Stress Creep and Recovery Test“ (MSCRT) entsprechend EN 16659

Bild 4Die elastischen Eigenschaften des Bitumens werden durch das Aufbringen einer Scherbeanspruchung für die Dauer von einer Sekunde und einer neun Sekunden dauernden lastfreien Phase (Rückstellung) ermittelt. Dieser Prüfzyklus wird 10-mal bei einem vorgegebenen Spannungsniveau und festgelegter Temperatur wiederholt. Daraus werden die Kennwerte der Rückformung [%R] und die Nachgiebigkeit [Jnr] berechnet (siehe Abbildung 4 und 5).

Rückformung [%R]:
Ist der Anteil der elastischen Dehnung eines Probekörpers nach einem Kriech- und Erholungszyklus.

Nachgiebigkeit [Jnr]:
Bild 5Ist die bleibende Dehnung nach einem Belastungszyklus bezogen auf die aufgebrachte Scherspannung.

Je höher die Rückformung ist, desto geringer ist die bleibende Dehnung (Nachgiebigkeit) und das Produkt ist in seinen Verhalten elastischer, sprich beständiger gegenüber bleibenden Verformungen (Spurbildung im Asphalt).

 

Vergleichende Darstellung der Ergebnisse nach der Kurzzeitalterung (RTFOT) im Labor:

Das Bitumen 70/100 (nach RTFOT) in Abbildung 6 zeigt keine Rückformung – nicht modifiziert. Die modifizierten Bitumensorten hingegen haben sehr hohe Rückformungen. Das PmB HiM (Abbildung 8) liegt mit Werten über 90% deutlich höher als das PmB 45/80-65 (Abbildung 6).

Die bleibende Dehnung ist beim Bitumen 70/100 in Vergleich zu den modifizierten Bitumensorten deutlich höher, wobei das PmB HiM auch einen geringeren Wert als das PmB 45/80-65 hat und sich deutlich elastischer verhält.

Bestimmung der Biegekriechsteifigkeit (BBR) entsprechend EN 14771.

Bild 9Das Tieftemperaturverhalten von Bitumen kann mittels BBR bestimmt werden. Dazu wird ein Bitumenbalken mit einer konstanten Last mittig beaufschlagt. Die entstehende Durchbiegung wird über die Zeit aufgezeichnet.

Die Steifigkeit wird nach einer Belastungszeit von 60 Sekunden aus der Biegespannung und –verformung berechnet. Entsprechend den Normvorgaben wird die Temperatur bei der Steifigkeit von 300 MPa angegeben.

Bei tiefen Temperaturen entstehen durch die Schrumpfung (Produkt zieht sich zusammen) Zugspannungen. Je größer die Kriechsteifigkeit bei einer tiefen Temperatur ist, desto spröder ist das Bitumen und umso wahrscheinlicher können Kälterisse in der Asphaltkonstruktion auftreten (kryogene Zugspannungen).

Als weiteres Merkmal wird der „m-Wert“ als Logarithmus der Steifigkeit gegen den Logarithmus der Zeit als Absolutwert der Kurvensteigung berechnet. Der m-Wert beschreib die Relaxation des Bitumens bei tiefen Temperaturen, je höher desto besser.
Bild 10Vergleichende Darstellung der Ergebnisse nach Kurz- und Langzeitalterung (RTFOT mit nachfolgendem PAV) im Labor:

Das Bitumen 70/100 (nach PAV) in Abbildung 9 hat eine deutlich höhere Temperatur bei 300 MPa und ist daher empfindlicher gegenüber dem Auftreten von Kälterissen. Das PmB HiM (nach PAV) hat mit -26°C den tiefsten Wert und zeigt somit eine hohe Beständigkeit gegenüber kryogenen Zugspannungen (siehe Abbildung 9, rote Linie).
Der m-Wert (siehe Abbildung 10) des Bitumen 70/100 (nach PAV) ist bei etwa -18°C am höchsten und beim PmB HiM (nach PAV) am höchsten und zeigt damit deutliche die Unterschiede in der Relaxationsfähigkeit der Produkte an (je höher desto besser ist die Erholung).

4) Prüfung von Asphalt – Gebrauchsverhaltensorientierter Ansatz nach RVS 08.16.06:

Diese Anforderungen an das Asphaltmischgut wurden seitens Gestrata beim Bauseminar 2011 präsentiert und daher verweise ich auf die Publikation im Gestrata Journal Folge 132 vom Mai 2011.

Die TU-Wien (Institut für Verkehrswissenschaften  Fachbereich für Straßenwesen) wurde seitens OMV zur Durchführung von GVO-Prüfungen an verschiedenen Asphaltsorten beauftragt, welche nicht hinsichtlich der Prüfbedingungen entsprechen der RVS 08.016.06 optimiert wurden, sondern nach der RVS 08.97.06 (empirisch).

Bestimmung des Tieftemperaturverhaltens mittels Abkühlversuch nach EN 12697-46:

Bild 11

Das Tieftemperaturverhalten der beiden SMA-Asphalte (Balken in rot und grün der Abbildung 12) liegt mit einer Bruchtemperatur (gerundet) von -35°C und -37°C auf einen vergleichbarem Niveau und beide erfüllen entsprechend der Tabelle 14 in der ON B 3584-2:2016-08 die höchste Anforderung für den Typ „R1“. Die Abbildung 11 zeigt den Aufbau der kryogenen Spannungen bis zum Bruch während des Abkühlversuchs.
Anmerkung: ein SMA Typ S1 hat normalerweise einen höheren Bitumengehalt als der Typ S2

Bestimmung des Hochtemperaturverhaltens mittels Druckschwellversuch nach EN 12697-25:

Bild 13

Das Verformungsverhalten des SMA mit PmB HiM (grünere Balken in der Abbildung 14) ist auf Grund des geringeren Wertes etwas besser als unter Verwendung eines PmB 45/80-65 (roter Balken in der Abbildung 14). Die Abbildung 13 zeigt den Verlauf der bleibenden axialen Verformung im Triax Versuch.

Bild 15

Auch bei der Binderschichte ist das Verformungsverhalten des AC 22 mit PmB HiM (grünere Balken in der Abbildung 16) ist auf Grund des deutlich geringeren Wertes besser als unter Verwendung eines PmB 45/80-65 (roter Balken in der Abbildung 16).

Bild 17Bestimmung des Ermüdungsverhaltens mittels Vierpunkt-Biegeprüfung nach EN 12697-24:
Die Bedeutung der Ermüdung wurde seitens Gestrata im Bauseminar 2015 behandelt und im Gestrata Journal Folge 144 im Juli 2015 publiziert – siehe Abbildung 17.

Der Ԑ6-Wert von 310μm/n (siehe Abbildung 17) unter Verwendung des Bitumens „A“ (PmB HiM) zeigt ein deutlich besseres Ermüdungsverhalten als das Bitumen „B“ (PmB 45/80-65). Hinsichtlich der zulässigen Lastwechsel bei gleicher Dehnungsamplitude zeigt das PmB HiM den 6-fachen Wert.

5) Verwendung der Ergebnisse aus den GVO-Prüfungen am Bitumen und Asphalt:

Bild 18Die OMV beauftragte das IBB Ingenieurbüro (Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Ronald Blab) zu einer Studie unter anderem hinsichtlich der Berechnung der strukturellen Lebensdauer und der zulässigen Normlastwechsel von Asphaltoberbauten.

Zur Anwendung kann das „Wiener Modell“ der österreichischen Methode zur rechnerischen Dimensionierung entsprechend der RVS 03.08.68 (Entwurf).

Dabei wurden Aufbauten (unterschiedliche Lastklassen) Bild 19entsprechend der RVS 03.08.63 unter Verwendung von verschiedenen Bitumensorten hinsichtlich der zulässigen Normlastwechsel (NLWzul) und die strukturelle Lebensdauer verglichen.

Als Berechnungsbeispiel der Aufbau für die Lastklasse LK 10 des Bautyps AS1 (siehe Abbildung 20).

Der bituminöse Oberbau hat eine Gesamtdicke von 23 cm. Die jeweiligen Eigenschaften der Asphaltschichten wurden mit den unterschiedlichsten Bitumensorten berechnet – siehe Abbildung 21.

Berechnung der zulässigen Normlastwechsel der LK 10 – siehe Abbildung 22

Bild 23Wie in der Darstellung 22 zu erkennen, können durch die Verwendung von einem PmB 45/80-65 in allen Asphaltschichten (Variante IVa) die zulässigen Normlastwechsel von etwa 10 Mio. des Modellasphaltes auf etwa 23 Mio. erhöht werden (Steigerung um etwa 220 %).

Wird die Asphaltbinderschichte etwas steifer unter Verwendung des PmB 25/55-65 (Variante IVb) ausgeführt, dann können die NLWzul auf etwa 25 Mio. gesteigert werden. Der derzeitig zur Anwendung kommende Aufbau unter Wiederverwendung von 20% Recyclingasphalt wird in der Variante IVc mit etwas weniger als die 25 Mio. NLWzul dargestellt. Wird in allen Schichten ein hochmodifiziertes PmB (PmB HiM  in der Variante V) verwendet, dann wurden die NLWzul mit etwa 30 Mio. berechnet, was eine Steigerung um etwa weitere 20% im Vergleich zur Variante IVb ergibt.

Berechnung der strukturellen Lebensdauer der LK 10 – siehe Abbildung 23:

Bild 23Die identischen Aufbauten zur Bestimmung der zulässigen Normlastwechsel wurden zur Berechnung der strukturellen Lebensdauer verglichen.

Abermals eine Steigerung um etwa 220 % in Vergleich zur Verwendung von PmB 45/80-65 in allen Schichten zum Modellasphalt (von 20 Jahre auf 45). Sowohl die Verwendung von PmB 25/55-65 und die Zugabe von 20 % Recyclingasphalt in der Binderschicht zeigen eine annähernd vergleichbare berechnete Lebensdauer mit um die 49 Jahre. Eine Erhöhung der berechneten Lebensdauer von fast 50 auf beinahe 60 Jahre (+20 %) ist durch die Verwendung von PmB HiM möglich.

Interpretation der Ergebnisse:

Wie schon bei den vergleichenden Bitumenuntersuchungen und auch durch die GVO-Prüfungen am Asphaltmischgut können deutliche Vorteile in Bezug auf die Verwendung von modifizierten Bitumensorten (PmB) hinsichtlich einer Erhöhung der zulässigen Normlastwechsel und der strukturellen Lebensdauer dargestellt werden.

6) Zusammenfassung:

Eine hinreichende Beschreibung der Eigenschaften von modifizierten Bitumen mit den derzeitigen Anforderungen der EN 14023 (befindet sich derzeit in Überarbeitung) ist nur bedingt möglich. Die „Eurobitume“ hat in den erwähnten Publikationen die Verwendung von komplexen Prüfmethoden (DSR, MSCRT, BBR, …) für Bitumen zur besseren Charakterisierung angesprochen. Durch diese GVO-Prüfungen des Bindemittels (hauptsächlich PmB) können die Produkte der verschiedenen Hersteller differenziert werden.
Mittels Berechnung der Beständigkeit der Asphaltkonstruktion mit dem „Wiener Modell“(zulässige Normlastwechsel und strukturelle Lebensdauer) können die Qualitätsunterschiede der verwendeten Bitumensorten anschaulich dargestellt werden.
Die Bitumenindustrie leistet Ihren Beitrag durch die fortwährende Weiterentwicklung der Produkte (z.B.: PmB HiM) und erfüllt Ihren Anteil zur Nachhaltigkeit der Straßenbauweise mit Asphalt für den Besitzer, den Benutzer (Verkehr) und in weiterer Folge auch die Möglichkeit zur Reduktion von Erhaltungskosten.

Literatur:

ÖNORM EN 14023  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Rahmenwerk für die Spezifikation von polymermodifizierten Bitumen

ÖNORM EN 13398  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der elastischen Rückstellung von modifiziertem Bitumen

ÖNORM EN 1427  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung des Erweichungspunktes - Ring- und Kugel-Verfahren

ÖNORM EN 12591  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Anforderungen an Straßenbaubitumen

ÖNORM EN 1426  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Nadelpenetration

ÖNORM EN 14770  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung des komplexen Schermoduls und des Phasenwinkels - Dynamisches Scherrheometer (DSR)

ÖNORM EN 12607-1  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Beständigkeit gegen Verhärtung unter Einfluss von Wärme und Luft - Teil 1: RTFOT-Verfahren

ÖNORM EN 16659  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - MSCR-Prüfung (Multiple Stress Creep and Recovery Test)

ÖNORM EN 14769  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Beschleunigte Langzeit-Alterung mit einem Druckalterungsbehälter (PAV)

ÖNORM EN 14771  Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Biegekriechsteifigkeit - Biegebalkenrheometer (BBR)

ÖNORM EN 12697-46  Asphalt - Prüfverfahren für Heißasphalt - Teil 46: Widerstand gegen Kälterisse und Tieftemperaturverhalten bei einachsigen Zugversuchen

ÖNORM EN 12697-25  Asphalt - Prüfverfahren - Teil 25: Druckschwellversuch

ÖNORM EN 12697-24  Asphalt - Prüfverfahren - Teil 24: Beständigkeit gegen Ermüdung

ÖNORM B 3613  Polymermodifizierte Bitumen für den Straßenbau - Anforderungen - Regeln zur Umsetzung der ÖNORM EN 14023

ÖNORM B 3584-2  Asphaltmischgut - Mischgutanforderungen - Splittmastixasphalt - Teil 2: Gebrauchsverhaltensorientierte Anforderungen

RVS 03.08.63: Straßenplanung  Bautechnische Details  Oberbaubemessung

RVS 03.08.68: Straßenplanung  Bautechnische Details  Rechnerische Dimensionierung von Asphaltstraßen (Entwurf)

RVS 08.16.06: Anforderungen an Asphaltschichten - Gebrauchsverhaltensorientierter Ansatz (April 2013)

Eurobitume  TF Data Collection  Position Paper on Test Methods used during the Data Collection (May 2009)

Eurobitume  Position Paper: Performance Related Specifications for Bituminous Binders (January 2012)

Gestrata Journal Folge 132 vom Mai 2011

Gestrata Journal Folge 144 vom Juli 2015

Gestrata Asphalthandbuch 4. Auflage

Kirschbaum Verlag Asphalt im Straßenbau 2. Auflage

Technische Universität Wien  Prüfung des Gebrauchsverhaltens von Asphaltmischgütern mit hochmodifiziertem Bitumen, Projektnummer 13420  (unveröffentlicht)

IBB Ingenieurbüro  Studie zur strukturellen Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit von bituminösen Oberbauten mit Destillations- und polymermodifizierten Bitumen, Projektnummer 1602IB  (unveröffentlicht)

Siegfried Kammerer
OMV Refining & Marketing GmbH
2320 Schwechat, Mannswörther Straße 28
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