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Optimierung der Gebrauchseigenschaften und der Beständigkeit von Asphaltstraßen unter Nutzung der Nanotechnologie

Schematische Darstellung der Herstellung von [MMT/PEI]-Addukten durch direkte Interkalation und Exfoliation von MMT mit PEI Urheberrecht: isac

Vor dem Hintergrund der seit Jahren durch Zunahme des Schwerverkehrsaufkommens und den Folgen des Klimawandels stark gestiegenen und ständig wachsenden Beanspruchungen stoßen herkömmliche Asphalte mehr und mehr an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Plastische Ver-formungen, meist in Gestalt von Spurrinnen sowie Risse infolge von Materialermüdung oder Käl-teeinwirkung prägen das straßenbauliche Bild und verursachen jährlich Kosten in Milliardenhöhe.

Bereits vor Jahrzehnten wurde damit begonnen, diesen Problemen durch den Einsatz von Polymer-modifizierten Bitumen (PmB) zu begegnen, was auch eine deutliche Performanceverbesserung der mit diesen Bindemitteln hergestellten Schichten mit sich brachte. Als Konsequenz werden heute stark belastete Deckschichten nahezu ausnahmslos mit PmB gebaut. Das Potential dieser Art der Bitumenmodifizierung ist jedoch weitestgehend ausgereizt, so dass zur Bewältigung zukünftiger Herausforderungen neue, innovative Ansätze verfolgt werden müssen.

In diesem Zusammenhang verspricht der Einsatz von Nanotechnologie eine erhebliche Verbesse-rung. Die Wirkungsweise der Nanopartikel beruht im Wesentlichen auf ihre extrem große spezifische Oberfläche, die für nahezu alle Asphalteigenschaften einen positiven Effekt erwarten lässt. Die Zugabe von Nanopartikeln hat sich u.a. bereits bei zementgebundenen Baustoffen bewährt.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Zugabe von Nanopartikeln in Bitumen zur Bildung von nano-kompositartigen Strukturen führt, wie sie aus der Polymerchemie bekannt sind: Sowohl die Assoziationspolymere des reinen Bitumens als auch die zugesetzten Makromoleküle können auf der Oberfläche von Nanopartikeln mit geeignet kompatibler Oberfläche stark adsorbieren und dadurch eine Adsorptionsgrenzschicht ausbilden, deren mechanische und thermische Eigenschaften die des Bulkmaterials übertreffen. Dank der großen Oberfläche der Nanopartikel genügt ein kleiner Volumenanteil der Partikel im Material um hinreichend viel Adsorptionsgrenzschichtphase auszu-bilden, so dass die makroskopischen Eigenschaften der entstehenden Komposite, wie Viskosität, Zähigkeit, Festigkeit verbessert werden. Die Viskosität des Materials wird allein schon durch die Anwesenheit harter Partikel erhöht. Da anorganische Nanopartikel impermeabel für Lösungsmittel und Gase sind, werden auch die Barriereeigenschaften der Komposite verbessert, sodass das Ma-terial weniger anfällig gegen Oxidation und dem Angriff von auf die Straßenoberfläche gebrachten Lösungsmitteln (Öl, Benzin, Chemikalien) wird. Ein Straßenbelag, der auf einem solchen Komposit basiert, sollte somit wesentlich beständiger und langlebiger sein als konventionelle Straßenbeläge.

Forschungsansatz:

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von neuartigen Kompositen aus anorganischen Nanopartikeln und Bitumen zur Verwendung in Asphaltstraßenbelägen mit verbesserter Beständigkeit. Es wird angestrebt, die Gebrauchseigenschaften von Asphalt zu verbessern, die Dauerhaftigkeit von Asphaltstraßen zu erhöhen und einen Beitrag zur Verbesserung der Umweltbedingungen, z.B. durch Energie- und Ressourceneinsparung, zu leisten. Hauptaufgabe des Vorhabens ist es, Nanopartikel-Bitumen-Komposite (NPBK) zu entwickeln, herzustellen sowie durch analytische und ingenieurtechnische Bitumenprüfungen hinsichtlich des Gesamtziels zu beschreiben. Dabei ist zu untersuchen, wie und welche NPBK zur Verbesserung des Gebrauchsverhaltens sowie zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit von Asphalt eingesetzt werden können. Die erfolgreich getesteten NPBK sind dann in Asphaltgemischen als Kompositasphaltmischgut im Labor zu untersuchen und zu optimieren. Das optimierte Mischgut wird großmaßstäblich hergestellt, eingebaut und beurteilt. Die Herstellungstechnik und Qualitätssicherung der NPBK für die im Straßenbau notwendigen erheblichen Mengen stellen ebenso ein begleitendes Arbeitsziel dar, wie die Arbeits- und Produktsicherheit, um nachteilige Folgen für die Gesundheit, sowohl bei der Herstellung und Verarbeitung als auch ggf. während der Nutzung infolge Abrieb zu vermeiden.

Aus wissenschaftlicher und technischer Sicht bringt die Durchführung des Projektes wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Synthese neuartiger funktioneller Polymere, des Verhaltens und der Ei-genschaften der neuartigen Polymere und der Wechselwirkung zwischen Polymeren, Nanopartikeln und dem Lösungsmittel Bitumen. Des Weiteren können anhand der mechanischen Eigenschaften der neuartigen Baustoffe Stoffmodelle erstellt werden, die Eingang in Dimensionierungs- und Prognoseberechnungen finden und damit die analytische Bemessung voranbringen.

Jahr der Fertigstellung:

in Bearbeitung

Bearbeiter:

Dipl.-Ing. Lukas Renken, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. André Meyer

Publikationen:

bisher keine Publikationen