Einführung, Klassifizierung, Normen, Verwendung von Bitumen

Bituminöse Materialien

Asphalt besteht aus hochkomplexen Polymerkohlenwasserstoffen und nichtmetallischen Derivaten (Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff). Es handelt sich um schwarze oder schwarzbraune, feste, halbfeste oder flüssige Gemische. Asphalt ist hydrophob, dicht, nahezu vollständig wasserunlöslich und nimmt kein Wasser auf. Daher ist er sehr wasserdicht und wird im Tiefbau häufig zur Abdichtung gegen Feuchtigkeit und Sickerwasser eingesetzt. Asphalt zählt zu den organischen Bindemitteln und verbindet sich sehr gut mit Sand, Kies und anderen Mineralien. Der so hergestellte Asphaltbeton ist der wichtigste Fahrbahnbelag für moderne Straßenbauprojekte.

Zusammensetzung und Struktur von Erdölasphalt

1. Elementzusammensetzung

Erdölasphalt besteht aus einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen und nichtmetallischen Derivaten (Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff) des Gemisches. Die elementare Zusammensetzung besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff (80 % ~ 87 %), Wasserstoff (10 % ~ 15 %); der Rest sind Nicht-Kohlenwasserstoff-Elemente wie Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff usw. (< 3 %); außerdem sind Spuren von Metallen enthalten.

2. Zusammensetzung der Komponenten

Asphalt wird üblicherweise in einige wenige chemische Komponenten unterteilt, deren chemische Eigenschaften mit ihrer chemischen Zusammensetzung und seinen technischen Eigenschaften zusammenhängen. Diese Komponentengruppen werden als „Komponenten“ bezeichnet. Die aktuellen chinesischen Vorschriften sehen zwei Analysemethoden vor: die Drei-Komponenten-Analyse und die Vier-Komponenten-Analyse.

Dreikomponentenanalyse von Erdölasphalt, der in die drei Komponenten Öl, Harz und Asphalten getrennt wurde.

(1) Öl ist eine hellgelbe, transparente Flüssigkeit, die Asphalt seine Fließfähigkeit verleiht. Der Ölgehalt beeinflusst direkt die Weichheit, Rissbeständigkeit und Verarbeitungseigenschaften des Asphalts. Chinesischer Asphalt enthält häufig Wachs im Öl, das bei der Analyse vom Öl getrennt werden muss. Wachs führt bei hohen Temperaturen zu einer Erweichung des Asphalts und damit zu Fließverhalten; bei niedrigen Temperaturen hingegen zu Sprödigkeit und Härte, was Rissbildung zur Folge hat. Da Wachs ein schädlicher Bestandteil ist, wird es häufig zur Verbesserung der Asphalteigenschaften durch Entwachsung eingesetzt.

(2) Harze sind rotbraune, viskose, halbfeste Stoffe mit hoher Temperaturempfindlichkeit und einem Schmelzpunkt unter 100 °C. Sie umfassen neutrale und saure Harze. Neutrale Harze verleihen Asphalt eine gewisse Plastizität, Mobilität und Haftung; mit steigendem Gehalt erhöhen sich Haftung und Dehnung des Asphalts. Saure Harze sind zwar in geringen Mengen vorhanden, weisen aber eine hohe Aktivität auf. Sie verbessern die Haftung von Asphalt und anderen Materialien, erhöhen die Benetzbarkeit des Asphalts und ermöglichen dessen Emulgierung.

(3) Asphaltene bilden dunkelbraune Feststoffpartikel, die beim Erhitzen nicht schmelzen. Sie bestimmen die Haftung, Viskosität, Temperaturstabilität, Härte und den Erweichungspunkt des Asphalts. Mit steigendem Asphaltengehalt erhöhen sich Viskosität, Haftung, Härte und Temperaturstabilität.

Technische Normen für Erdölasphalt

Die technischen Normen für Erdölasphalt werden zur besseren Auswahl in verschiedene Asphaltarten und -qualitäten unterteilt. Derzeit wird Erdölasphalt hauptsächlich in drei Kategorien eingeteilt: Straßenasphalt, Bauasphalt und Normalasphalt.

Die Klassifizierung von Asphaltsorten basiert auf der Penetration, Duktilität, dem Erweichungspunkt und weiteren Indikatoren. Die Nadelpenetration ist einer der Hauptindikatoren für die Asphaltsorten. Bei gleicher Erdölbitumensorte gilt: Je höher die Sorte, desto geringer die Viskosität (je höher der Penetrationswert), desto besser die Duktilität (je höher die Plastizität) und desto höher die Temperaturempfindlichkeit (je niedriger der Erweichungspunkt).

Auswahl von Erdölasphalt

Die Auswahl von Erdölasphalt sollte sich nach der Art des Projekts (Wohnungsbau, Straßenbau, Korrosionsschutz), den lokalen Klimabedingungen, der Lage des Projektstandorts (oberirdisch, unterirdisch) und weiteren zu berücksichtigenden Faktoren richten. Da hochwertiger Asphalt im Vergleich zu minderwertigem Asphalt einen höheren Ölgehalt aufweist und alterungsbeständiger ist, sollte zur Erfüllung der jeweiligen Anforderungen ein hochwertiger Erdölasphalt gewählt werden, um eine längere Lebensdauer zu gewährleisten.

(1) Straßenbauasphalt wird in verschiedene Kategorien unterteilt: Asphalt für stark befahrene Straßen, Asphalt für leicht befahrene Straßen, emulgierter Asphalt, flüssiger Asphalt und modifizierter Asphalt. Bei der Auswahl des Asphaltmaterials für Straßenbauprojekte sind die Verkehrs- und Klimabedingungen zu berücksichtigen. In südlichen Regionen mit hohen Temperaturen empfiehlt sich hochviskoser Asphalt, um die Stabilität der Asphaltdecke im Sommer zu gewährleisten und Spurrinnenbildung zu vermeiden. In nördlichen Regionen mit niedrigen Temperaturen ist hingegen niedrigviskoser Asphalt besser geeignet, um auch bei niedrigen Temperaturen eine gewisse Verformbarkeit der Asphaltdecke zu gewährleisten und Risse zu verhindern.

2) Erdölbasierte Asphaltmischungen weisen eine geringere Nadelpenetration (viskos) und einen hohen Erweichungspunkt (bessere Hitzebeständigkeit) auf, jedoch eine geringere Dehnung (geringere Plastizität). Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von Ölpapier, Linoleum, Abdichtungsbeschichtungen und Asphaltfugen verwendet. Sie kommen vorwiegend bei Dach-, Untergrund-, Graben-, Korrosionsschutz- und Rohrleitungsabdichtungsprojekten zum Einsatz. Durch die Verwendung dickerer Asphaltschichten erhöht sich die Temperaturempfindlichkeit. Gleichzeitig absorbiert die schwarze Asphaltoberfläche Wärme gut, sodass die Oberflächentemperatur von Asphaltbedachungen im Vergleich zu anderen Materialien in derselben Fläche in der Regel höher ist. Asphaltbedachungen erreichen eine Oberflächentemperatur, die 25 °C bis 30 °C über der höchsten lokalen Lufttemperatur liegt. Um ein Fließen im Sommer zu vermeiden, sollte der Erweichungspunkt von Asphaltmaterialien für allgemeine Dachabdichtungen über der maximalen Dachtemperatur (20–25 °C) liegen. Hierfür eignen sich Asphalt der Güteklassen 10 oder 30. In Wuhan und Changsha beispielsweise, wo die Dachtemperatur bei etwa 68 °C liegt, sollte der Erweichungspunkt des Asphalts bei etwa 90 °C liegen. So kann es im Sommer leicht zu Fließen kommen, aber der Wert darf nicht zu hoch sein, da der Asphalt sonst im Winter bei niedrigen Temperaturen hart und spröde wird und sogar reißen kann. Für Bereiche, die weniger temperaturempfindlich sind oder in denen niedrigere Temperaturen herrschen, wie z. B. unterirdische Abdichtungen oder Dampfsperren, kann Asphalt höherer Güteklassen wie 60 oder 100 verwendet werden. Die Wahl des Asphalts richtet sich daher nach der Region, den Gegebenheiten des Projekts und den jeweiligen Anforderungen.

(3) Normales Erdölbitumen: Normales Erdölbitumen enthält bis zu 20–30 % Wachs. Beim Erreichen des Erweichungspunktes neigt es leicht zum Fließen. Durch das Eindringen von Paraffin in das Bitumen werden zudem die Hitzebeständigkeit und die Haftfestigkeit der Bitumenbindeschicht verringert. Daher ist die Verwendung von normalem Erdölbitumen in diesem Projekt generell ungeeignet.

Kohle-Asphalt

Kohlenasphalt ist ein Produkt der Kohlendestillation (Kohlenteer), das durch Wiederaufbereitung gewonnen wird. Je nach Anwendungsbereich und Projektanforderungen wird er nach Konsistenz in zwei Kategorien unterteilt: weichen Kohlenasphalt (flüssig, halbfest) und harten Kohlenasphalt (fest).

Kohlenasphalt besteht aus aromatischen Kohlenwasserstoffen und deren Sauerstoff-, Schwefel- und Kohlenstoffderivaten. Die Hauptbestandteile sind C, H, O, S und N. Kohlenasphalt zeichnet sich durch ein deutlich höheres Kohlenwasserstoffverhältnis als Erdölasphalt aus. Die chemische Zusammensetzung von Kohlenasphalt lässt sich ähnlich wie die von Erdölasphalt analysieren und in fünf Komponenten unterteilen: Öl, weiches Harz, hartes Harz, freies C1 und freies C2. Das Öl enthält Naphthalin, Anthracen, Phenol und andere Schadstoffe, deren Gehalt begrenzt werden muss.

Kohlenasphalt und Erdölasphalt unterscheiden sich in ihren technischen Eigenschaften durch folgende Merkmale: geringere Temperaturstabilität; bessere Haftung an mineralischen Zuschlagstoffen; geringe Klimastabilität und schnelle Alterung; Korrosionsbeständigkeit, wodurch Kohlenasphalt für die Oberflächenbehandlung von Holz und anderen Materialien geeignet ist. Zu den wichtigsten technischen Kennwerten von Kohlenasphalt zählen Viskosität, Destillationsprüfung, Wassergehalt, Gehalt an toluolunlöslichen Bestandteilen, Naphthalingehalt und Phenolgehalt. Die Viskosität ist dabei der wichtigste Indikator für die Qualitätsbewertung von Kohlenasphalt. Die Einteilung in verschiedene Kohlenasphaltklassen erfolgt ähnlich wie bei Erdölasphalt anhand der Prüfmethoden.

Die wichtigsten technischen Eigenschaften von Kohleasphalt sind schlechter als die von Erdölasphalt, weshalb er bei Bauprojekten weniger Verwendung findet; seine Korrosionsschutzeigenschaften sind jedoch gut, daher eignet er sich für unterirdische Abdichtungsschichten oder als Korrosionsschutzmaterial.

Modifizierter Asphalt

Moderne Tiefbauprojekte erfordern nicht nur leistungsfähigeren Asphalt, sondern auch eine längere Lebensdauer. Asphalt altert jedoch aufgrund von Umwelteinflüssen. Durch verschiedene technische Maßnahmen werden dem herkömmlichen Asphalt weitere Materialien beigemischt, um seine Eigenschaften zu verbessern. Dieses sogenannte modifizierte Asphaltmaterial dient der Verbesserung der rheologischen Eigenschaften, der Verlängerung der Lebensdauer und der Haftung zwischen Asphalt und Gesteinskörnung. Bei Anwendungen im Bereich der Bauwerksabdichtung sind die ersten beiden Punkte die wichtigsten Ziele der Modifizierung.

Methode zur Verbesserung der rheologischen Eigenschaften von Asphalt

Die rheologischen Eigenschaften von Asphalt lassen sich auf vielfältige Weise verbessern; die Modifizierungswirkung ist mit folgenden Arten von Modifikatoren am besten:

(1) Harzmodifikatoren

Als Asphaltmodifizierungsmittel werden hauptsächlich thermoplastische Harze verwendet, üblicherweise Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), ataktisches Polypropylen (APP), Phenolharze, natürliches Kolophonium usw. Sie verbessern die Viskosität und Hochtemperaturstabilität von Asphalt und erhöhen dessen Zähigkeit; die Verbesserung der Tieftemperatureigenschaften ist jedoch nicht signifikant.

(2) Gummimodifikator

Gummi ist ein wichtiger Modifikator für Asphalt. Asphalt und Gummi sind gut mischbar, wodurch Asphalt mit vielen Vorteilen ausgestattet werden kann, wie z. B. geringe Verformung bei hohen Temperaturen und Flexibilität bei niedrigen Temperaturen. Zu den gängigen gummimodifizierten Asphalten zählen: Chloropren-, Butyl-, Recycling- und Styrol-Butadien-Kautschuk-modifizierter Asphalt. Letzterer zeichnet sich durch besonders gute Eigenschaften aus und verbessert die Elastizität, Dehnung, Hochtemperaturstabilität, Tieftemperaturflexibilität, Ermüdungs- und Alterungsbeständigkeit sowie weitere Eigenschaften des Asphalts signifikant. Er wird hauptsächlich zur Herstellung von Dachbahnen oder Abdichtungsbeschichtungen verwendet.

(3) Modifikatoren für Gummi- und Harzmischungen

Gleichzeitig werden durch die Beimischung von Gummi und Harz die Eigenschaften von Erdölasphalt verbessert. Asphalt kann so sowohl Eigenschaften von Gummi als auch von Harz aufweisen und gleichzeitig die Kosten senken. Je nach Herstellungsverfahren, Art und Verhältnis der verwendeten Rohstoffe sowie dem Produktionsprozess lassen sich viele verschiedene Produkte herstellen, hauptsächlich Spulen, Platten und Dichtungsmaterialien.

(4) Mikrofüllstoffmodifikatoren

Um die Haftungseigenschaften und die Hitzebeständigkeit von Asphalt zu verbessern und seine Temperaturempfindlichkeit zu verringern, werden üblicherweise mineralische Mikrofüllstoffe in bestimmter Menge zugesetzt. Häufig verwendete Füllstoffe sind Flugasche, Vulkanasche, Schieferpulver, Talkum, Kalkpulver, Glimmerpulver, Kieselgur usw.

(5) Fasermodifikatoren

Durch die Beimischung verschiedener Faserstoffe zu Asphalt lässt sich die Hochtemperaturstabilität deutlich verbessern und gleichzeitig die Zugfestigkeit bei niedrigen Temperaturen erhöhen. Häufig verwendete Faserstoffe sind verschiedene synthetische Fasern (wie Polyethylen- und Polyesterfasern) sowie mineralische Asbestfasern.

Möglichkeiten zur Verlängerung der Haltbarkeit von Asphalt

Zur Verbesserung der Haltbarkeit von Asphalt werden derzeit hauptsächlich teure chemische Zusätze wie Antioxidantien verwendet. Der Einsatz von Antioxidantien muss jedoch durch Technologietests auf seine Wirksamkeit hin überprüft werden. Aktuell gelten spezielle Ruß-Vorbehandlungen als die effektivsten Zusätze zur Verbesserung der Asphalthaltbarkeit. Dadurch kann „rußmodifizierter Asphalt“ hergestellt werden.