Research and development of an isocyanate-based bitumen additive for asphalt mixtures : a novel chemical modification for temperature reduction and performance enhancement

• Erforschung eines Isocyanat-basierten Bitumenadditivs für Asphaltmischungen

Carreño Gómez, Nicolás Héctor; Oeser, Markus (Thesis advisor); Radenberg, Martin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Der Bau von flexiblen Belägen steht derzeit vor mehreren Herausforderungen. Das zunehmende Verkehrsaufkommen und die steigenden Temperaturen sowie die Notwendigkeit eines nachhaltigeren Ansatzes bei der Produktion, dem Bau, der Entsorgung und/oder der Wiederverwendung von Asphaltmischgut erfordern eine Neubewertung des Bauverfahrens und der verwendeten Materialien. Da Straßen und Autobahnen eine so entscheidende Rolle für die Gesellschaft und die nationale und internationale Wirtschaft spielen, ist der gesamte Straßenbausektor (d.h. Industrie, staatliche Behörden und Universitäten) gefordert, mögliche Lösungen zu finden. Die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Materialien wie Bitumen und Gesteinen und ihre hohen Produktions- und Einbautemperaturen sowie die durchgängige Verfügbarkeit der Straßen machen es notwendig, innovative Lösungen zu finden, um die derzeitigen wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Auswirkungen zu verringern. In dieser Arbeit wird die Forschung und Entwicklung eines Isocyanat-basiertes Bitumenadditivs im Detail vorgestellt. Sie fasst die Ergebnisse eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit BASF zusammen, bei dem ein chemisches Additiv unter verschiedenen Bedingungen getestet wurde, zunächst im Labor und anschließend in einer Asphaltmischanlage im realen Maßstab. Das Funktionsprinzip des Additivs besteht darin, dass es mit verschiedenen Bestandteilen des Bitumens (verschiedenen funktionellen Gruppen) reagiert und ein vernetztes Polymernetzwerk im Bitumen bildet. Dieses Netzwerk erhöht die Elastizität des Bitumens und verbessert so die Eigenschaften des Bitumens sowie die Leistungsfähigkeit von Asphaltmischgütern. Das Additiv kann in einem Inline-Mischprozess in der Mischanlage dosiert werden, wobei die Energie (und die Oxidation) des eigenen Asphaltmischprozesses zur Reaktion mit dem Bitumen genutzt wird. Darüber hinaus können die Produktions- und Einbautemperatur gesenkt werden, was effektiv dazu beiträgt, Bitumendämpfe und Aerosole während der Bauarbeiten zu reduzieren und die Sicherheit den Asphaltarbeitern/-innen zu erhöhen. Aufgrund der chemischen Beschaffenheit des Zusatzstoffs hat sich gezeigt, dass er auch in Mischungen mit einem hohen Anteil an Asphaltgranulat gut funktioniert. Ein besonderer Fokus wurde auf die angewandte Methodik gelegt, da in verschiedenen Phasen der hier vorgestellten Forschung Herausforderungen auftraten, die dazu aufriefen, die Forschungsziele neu zu definierten und/oder erweiterten. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Verwendung dieses Additivs auf Bitumen- und Asphaltebene sowie die Eigenschaften dieser modifizierten Materialien in den verschiedenen Phasen des Straßenbaus vorgestellt; während der Produktions- und Bauphasen sowie während der Nutzungsdauer. Es zeigte sich, dass das Isocyanat-basierte Additiv die Nutzungsdauer von Straßenbelägen verlängern kann und dass es aus chemischer und mechanischer Sicht ein ähnliches thermisches Alterungsverhalten aufweist wie polymermodifiziertes Bitumen. Die in diesem Dokument vorgestellte Analyse belegt das Potenzial, welches diese Art der Modifizierung bis zu einem gewissen Grad für die Entwicklung nachhaltigerer Straßen aus technischer, wirtschaftlicher, sozialer und ökologischer Sicht hat.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen [313410]