Bitumen – Das schwarze Gold

Christian Jacobi (Grisard): Nadelpenetration sowie Ring- und Kugelwert sind in der Tat sehr alte Prüfmethoden. Für die Klassifizierung von Normalbitumen sind diese Methoden durchaus ausreichend, stossen aber schnell an ihre Grenzen. Eine weitaus aussagekräftigere Methode ist die Analyse mit dem „Dynamischen Scherrheometer, DSR“. Diese Analysen geben tiefere Auskünfte und sind insbesondere bei der Be-wertung von polymermodifizierten Bitumen sehr aussagekräftig.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Neben den konventionellen Testmethoden würden insbesondere rheologische* und auf DSR-Geräten (Dynamic Shear Rheometer) basierende Testmethoden eine tiefere, grundlegende Charakterisierung der thermischen und mechanischen Eigenschaften von PmB und der spezifischen Reaktivität des Polymers ermöglichen.
(*Anmerkung der Redaktion: Rheologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft. Sie erforscht die Fluss- und Verformungseigenschaften von Materie. Sie umfasst Teilbereiche der Werkstoffkunde, Chemie, Physik, Bio- und Geowissenschaften.)

Christian Jacobi (Grisard): In der Regel ist das Bitumen im Ausbauasphalt gealtert, also „oxidiert“. Dieser Prozess ist chemisch bekannt und heutzutage bestehen zwei grundsätzliche Möglichkeiten: Erstens die Zugabe sehr weicher Frischbitumen, um die Verhärtung (Anmerkung der Red.: verursacht durch die Oxidation) zu kompensieren. Und zweitens die Zugabe sehr weicher und polymermodifizierter Bitumen. Letztere kompensieren die Verhär-tung und geben dem gealterten Bitumen zusätzlich Elastizität zurück.

M. Yvong Hung (TotalEnergies):  Zur Charakterisierung des Bindemittels aus recyceltem Asphalt werden leider noch immer konventionelle Prüfverfahren angewandt, die jedoch nicht ausreichen, um die Eigenschaften des neuen Bindemittels (des so- genannten Recyclingbindemittels) genau zu bestimmen, z. B. die kritischen Eigenschaften wie niedrige Temperaturen und den Einfluss von Polymeren auf das Recyclingmaterial.


Christian Jacobi (Grisard): Die speziell für hohe Recyclinganteile entwickelten Bitumen sind sehr unterschiedlich zu normalen Polymerbitumen und können nicht ohne Recyclinganteile verwendet werden. Diese Bitumen sind spezifisch darauf abgestimmt, die «Geschmeidigkeit» und «Elastizität» des gealterten Bitumens wiederherzustellen. Für den Einsatz in Neubelägen wären diese Bitumen generell zu «weich». Sie verfügen über wesentlich höhere Polymeranteile und auch das eingesetzte Polymer unterscheidet sich. Die Kriterien dieser Bitumen werden aus den Anforderungen am resultierenden Belag definiert. Hohe Recyclinganteile (Anmerkung der Red.: weit über 50 %) plus die gewünschten Eigenschaften des daraus produzierten Belags setzen die Parameter.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Zur Erzielung von optimalen Leistungen mit recycelten Materialien ist ein spezifisches Design von polymermodifiziertem Bitumen erforderlich. Ziel ist es, den Kompromiss der endgültigen Bindemittelmischung zu antizipieren und kritische Eigenschaften wie Niedrigtemperaturanfälligkeit, frühzeitige Spurrinnenbildung und dauerhafte mechanische Eigenschaften wie Ermüdung anzupassen. Zu diesem Zweck müssen die Eigenschaften des wiedergewonnenen Bindemittels aus dem wiedergewonnenen Asphaltbelag vertieft auch mithilfe der DSR-Analyse untersucht und die Eigenschaften des vorgesehenen Bindemittels genau definiert werden.

Christian Jacobi (Grisard): Die SARA-Analyse ergibt eine sehr gute Einschätzung über die „Grundzusammensetzung“ des Bitumens. Dabei werden die einzelnen vier Komponenten bestimmt (Anmerkung der Red.: S = Saturates (gesättigte Öle), A = Aromates (aromatische Öle), R = Resin (Harze), A = Asphaltene (feste Bestandteile, Kohlenstoff)). Je nach Verhältnis der einzelnen Komponenten lässt sich mit dieser Analyse die grundsätzliche Qualität des Bitumens gut bestimmen..

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Ja. Mehrere Fachbeiträge befassen sich mit derBeziehung zwischen Materialeigenschaften, kolloidaler* Mikrostruktur, Molekülverteilung und chemischer Struktur. Diese Vorgehensweise wird allgemein als chemisch-mechanische Analyse und multiskalige Strukturanalyse bezeichnet.(*Anmerkung der Redaktion: Als Kolloide werden feste Teilchen oder auch Tröpfchen bezeichnet, die in ihrem Dispersions- medium extrem feinst verteilt sind und Grössen von nur wenigen Nanometern haben können.)

Christian Jacobi (Grisard): Das ist eine sehr gute Frage und sie lässt sich nicht in einem Satz beantworten. Dazu muss man sich die verschiedenen Begrifflichkeiten im Vorfeld näher anschauen. Zunächst muss man verstehen, dass nur etwa 10 Prozent der weltweit verfügbaren Rohöle zur Herstellung von Bitumen geeignet sind. Eine Raffinerie kann somit die Menge an Bitumen steuern bzw. sie kann raffinieren, ohne dabei Bitumen zu erhalten. Innerhalb der 10 Prozent der geeigneten Rohöle gibt es auch wieder feine Unterschiede. Diese wiederum führen zu unterschiedlichen Bitumen-«Charakteren» (z. B. naphtenisch oder paraffinisch). Diese Unterschiede sind nicht sehr offensichtlich. Je nach Mischgut oder herzustellendem Produkt, z. B. Emulsionen, eignet sich der eine oder andere «Charakter» besser, z. B. bezüglich der Verarbeitbarkeit. Grundsätzlich resultieren aus geeigneten Rohölen auch geeignete Bitumen – mit leicht unterschiedlichen Charakteren, sofern sie auch korrekt hergestellt werden. Aus ungeeigneten Rohölen kann man meines Wissens kein «geeignetes» Bitumen herstellen, jedenfalls nicht ohne aufwendige Raffinerieprozesse, was die ganze Herstellung in puncto Kosten infrage stellt.

Auch die Raffinerie selbst hat je nach technischer Ausstattung die Möglichkeit, ihre Bitumen weiter zu behandeln (Anmerk. der. Red.: z. B. Vakuumdestillation, Oxidation, Cracker). Ganz grob lässt sich sagen: Je weniger das Bitumen in der Raffinerie behandelt wird, desto besser ist die Qualität für den Strassenbau (wenn die Raffinerie alles richtig macht). Unserer Erfahrung nach sind «straight run»-Bitumen (Anmerkung der Red.: «straight run» = Herstellung in einem Zug, ohne weitere Behandlung) von sehr guter Qualität, insbesondere die weicheren Sorten.

Um die Qualität des Bitumens besser beurteilen zu können, bedient man sich üblicherweise der SARA-Analyse. Diese Analyse bestimmt die vier Grundbestandteile des Bitumens. Die SARA-Analyse zeigt auf, in welchem Verhältnis diese vier Komponenten im Bitumen zueinander stehen. Je nach Weiterverarbeitung, zum Beispiel zu PmB oder Emulsion, muss man dieser Verteilung Rechnung tragen. Diese Analyse erlaubt zudem eine grobe Abschätzung, ob das Bitumen als Strassenbaubitumen geeignet ist.

Die Problematik für den Mischguthersteller besteht darin, dass er auf der Basis der Normkennwerte Penetration sowie Ring und Kugel keinerlei Rückschlüsse auf die eigentliche Bitumenqualität erhält. Diese Kennwerte erlauben lediglich die Einteilung in Hart-, Mittel- oder Weichbitumen – mehr nicht. Somit muss sich der Mischguthersteller auf den Bitumenlieferanten verlassen. Es gibt durchaus fragwürdige Bitumenqualitäten im Markt. So ist es z. B. möglich, ein 160/220-Bitumen aus einem härteren 70/100-Bitumen plus einem Anteil Öl zu mischen. Ein so «gemischter» 160/220 unterscheidet sich durchaus von einem «straight run»-160/220. Hinsichtlich Penetration sowie Ring-und-Kugel-Wert kann man diese Bitumen aber nicht unterscheiden. In der SARA-Analyse sieht man jedoch den Unterschied durchaus. In der Praxis kann sich das in einer verringerten Haltbarkeit des Belages äussern, also in verringerten Klebekräften, Rissen, Kornausbruch und frühzeitiger Alterung.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Die Unterscheidung hängt mit der Struktur der chemischen Moleküle und der Verteilung innerhalb der Bitumenmatrix sowie mit der gegenseitigen Interaktion der Moleküle zusammen. Rohölquellen und Raffinerieprozesse sind mit solchen Parametern verbunden.

Christian Jacobi (Grisard): Naturbitumen sind im Grunde Erdöle, die über Millionen von Jahren von der Natur „destilliert“ wurden. Bei ihrer Entstehung verlieren sie langsam die leichtflüchtigen Komponenten und zurück bleiben die schweren Anteile, das heisst die Aromate, gesättigte Öle, Harze und Asphaltene. Da diese Prozesse in der Natur stattfinden, ist in diesen Naturbitumen meist auch Staub (oder Füller) enthalten. Das muss bei der Belagsherstellung berücksichtigt werden. Qualitativ handelt es sich dabei um sehr gute Bitumen, da der Entstehungsprozess langsam und schonend abläuft.
Destillierte Bitumen durchlaufen den Prozess in wenigen Tagen, und mit den heutigen Methoden können die Raffinerien sehr viele Bestandteile aus dem Bitumen extrahieren, wesentlich mehr, als es die Natur tut. Ein kleiner Grundsatz zur Anmerkung: Je älter die Raffinerie (also weniger modern), desto besser das Bitumen.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Der Naturasphalt weist eine bestimmte chemische Struktur und eine kolloidale Mikrostruktur auf: eine grössere Populationsverteilung mit einer grösseren Population schwerer Moleküle. Solche Materialien sind im Vergleich zu Asphalt nur begrenzt verfügbar. Sie dienen hauptsächlich als Zusatzstoff und nicht als Hauptbestandteil des Bindemittels.

Christian Jacobi (Grisard): Auch hier ist die SARA-Analyse ein wertvoller Indikator und es müssen bestimmte Verhältnisse der vier Komponenten eingehalten werden. Hinzu kommt der Schwefelanteil des Bitumens, jener hat durchaus einen Einfluss auf die Polymerisierbarkeit bzw. Stabilität des polymerisierten Bitumens, zum Beispiel beim Lagerverhalten.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Durch verschiedene Charakterisierungsmethoden lassen sich die chemische Struktur und die kolloidale Mikrostruktur der Bitumenmatrix und ihre Modifizierungsmöglichkeiten bestimmen. Nach einer solchen Analyse werden Additive, Polymermodifikation und Prozessverfahren ausgewählt, um die Anforderungen an das Endprodukt zu erfüllen.

Christian Jacobi (Grisard): Grundsätzlich so viel wie möglich! Wie eingangs erwähnt, geben Penetration sowie Ring und Kugel nur einen groben Hinweis. So kann der Belagshersteller z. B. ein 70/100-Bitumen geliefert bekommen, bei dem Penetration sowie Ring und Kugel in der Norm liegen – ob es aber genügend Kle-bekraft, also Anteil an Harzen besitzt, ist mit diesen Werten nicht nachvollziehbar. Bei Polymerbitumen sollte die Analyse via DSR zum Standard werden – nur damit kann Polymer-bitumen umfassender beurteilt werden.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Hauptsächlich rheologische Angaben als ergänzende Datensätze.

Christian Jacobi (Grisard): Naturbitumen entstehen auf natürliche Weise: In Gesteinen eingelagerte Rohöle verdunsten mit der Zeit. Was der Mensch in wenigen Tagen in einer Raffinerie mit den Rohölen macht, macht die Natur in Millionen von Jahren. Diese Naturasphalte sind quasi «sehr schonend» raffiniert worden und haben in der Regel eine Vielzahl an mineralischen Anteilen (Füller). Diese Naturbitumen sind üblicherweise sehr hart mit einem hohen Anteil an Asphaltenen. Besonders im Bereich von Gussasphalt kann man mit diesen Bitumen sehr gute Eigenschaften erzielen. Sie eignen sich auch zum «Verhärten» von NB. Bei der Verarbeitung von Naturbitumen muss dem Füllergehalt Rechnung getragen werden (Mischgutrezeptur). Die Zugabe von Naturasphalten, zum Beispiel Trinidad, Gilsonite, Seleniza und andere, führt nicht zu einer «Modifizierung» im Sinne von Polymermodifizierung.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Strassenbaubitumen und PmB sind zwei eigenständige Klassen von Bindemitteln. Sie weisen unterschiedliche chemische und rheologische Strukturen auf. Ihre Kolloidstrukturen sind unterschiedlich ausgewogen. Bei PmB gibt es eine zusätzliche Polymernetzphase, die einzigartige mechanische Eigenschaften aufweist. Die Zugabe von Naturasphalt als Zusatzstoff oder Komponente in PmB erfordert eine ausgewogene Mischung und Interaktion von Naturasphalt, Bitumen- matrix und polymerer Netzphase, um die Vorteile der Performance aus den Synergien zu fördern und die nachteilhaften Folgen, wie z. B. die Erhöhung der Viskosität der Mischung, zu vermeiden. Das Ausmass der Ausgewogenheit erfordert ein genaues Verständnis des Effekts der einzelnen Komponenten und ihres Zusammenspiels.

Christian Jacobi (Grisard): Grundsätzlich eine gute Sache – wie oben erwähnt, besitzt Naturasphalt sehr gute Eigenschaften. Am Ende ist es aber immer eine Frage der Kosten.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Eine Modifizierung mittels Naturasphalt und eine Modifizierung mittels Polymeren, hauptsächlich SBS-Polymeren, sind grundverschieden und führen zu unterschiedlichen chemisch-mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus verhalten sich die Naturasphaltphase und die polymeren Netzwerkphasen in der Bitumenmatrix unterschiedlich.

Christian Jacobi (Grisard): Das ist heute bereits der Fall. Je nach Anforderung an das Mischgut kann der Hersteller mit ver-schiedenen frischen Bitumen arbeiten. Hier stehen wir gerne mit Rat und Tat zur Verfügung.

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Bei recyceltem Material ist
eine erweiterte Charakterisierung des wiedergewonnenen Bindemittels besonders wichtig. Die DSR-Charakterisierung ist ein erster Schritt über die konventionelle Analyse hinaus. Solche Informationen helfen dem Bindemittelhersteller bei der Feinabstimmung des richtigen Bindemittels für die entsprechenden Anforderungen, und zwar je nach Alterungsgrad des alten Bitumens, dem Prozentsatz des zurückgewonnenen Asphalts in den neuen Materialien und der Erfahrung des Herstellers. Bei starkem Verwendungszweck werden innovative Recyclingbindemittel zur Erfüllung der Anforderungen der Endproduktion benötigt. Hierbei helfen Testbaustellen, um die vorhandenen Erfahrungen zu erweitern.

Christian Jacobi (Grisard): Wir sehen diesen Trend ebenfalls und bieten gerne unsere Beratung an. Oft geht es in die Rich-tung „mehr Zusätze = besser“, was nicht unbedingt zutreffend ist. Wichtig ist das Zusammenspiel der Komponenten im Belag, also Mineral und Bitumen. Das Bitumen selbst dient nur als Kleb-stoff und kann, für sich allein gestellt, kaum Kräfte aufnehmen. Es ist in unseren Augen wichtig, dieses Zusammenspiel einschätzen zu können. Genau aus diesem Grund bieten wir gerne den Austausch mit unserem Labor an.. ◙

M. Yvong Hung (TotalEnergies): Ja. Alle Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette der Strassenbauindustrie sind aufgefordert, zusammenzuarbeiten, um Vorgaben für die
kritischen Eigenschaften festzulegen. Die Aktualisierung von Prüfverfahren zur Beschreibung der Anforderungen an Rohmaterial und Endprodukt ist eine dieser Aufgaben. ◙