[Back]

M. Wagner:
"Gebrauchsverhalten von mit Fischer-Tropsch Paraffinen modifizierten, niederviskosen Bitumen und Asphaltbetonen";
Supervisor: R. Blab, K. Stangl; Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung, 2006; final examination: 2006-10-20.

The motivation of this master´s thesis is the recent increase of use of low-temperature
asphalt in Germany, started in the middle of the last decade. These materials are
modified through the addition of waxes to the underlying bitumen. Particularly these
asphalts are supposed to show two effects, a significant viscosity reduction at high
temperatures, which enables paving at lower temperatures as well as an increase of
stiffness over the service temperature range.
An extensive testing program has been carried out at the Christian Doppler laboratory
of the institute of road construction and maintenance of Vienna University of
Technology. This program took place in cooperation with two business partners,
Terrag-Asdag AG (Vienna) and OMV AG (Schwechat), to verify these expertises and
estimate the performance properties. This testing program is divided in a bitumentesting
part and an asphalt-testing part.
Within the bitumen testing program five grades of bitumens were used as base
materials for the production of the wax bitumens in order to cover a wide range of
different bitumen characteristics. The used wax was Sasobit, a trademark product of
Sasol Wax Gmbh. Wax was added in three different contents, with 2, 4 and 6 %, to
the aforementioned bitumengrades. These bitumens were tested with conventional
and performance-based testing methods.
The asphalt testing program includes the asphalt type AB11 resp. pmAB11 used for
wearing course in Austria and three asphalt types BT22 resp. BT22HS for base
course. The five aforementioned basic-bitumens have been used for the production of
asphalt concrete. A very soft B 160/220 bitumen with a wax content of 3% was used
to produce the wax asphalt and this was compared to asphalt types made with
standard types of bitumen. A result of the performance based bitumen testing
program a wax content of 3 % can be recommended. Asphalt test methods were the
triaxial cyclic compression test (TRIAX) and the thermal stress restrained specimen
test (TSRST).
On the base of the results of the bitumen-testing program, a hardening of all bitumens
was investigated concurrent to an increase of the conventional high performance
grade. By contrast the conventional low performance grade remained unchanged. As
a conclusion of the performance based bitumen experiments a distinct reduction of
bitumen viscosity can be observed for the high temperature range of 90 °C to 180 °C
as result of wax modification. In the intermediate temperature regime of 46 °C to
82 °C the wax bitumens exhibit significant higher modulus values and at the same time
a reduction in phase angle δ indicating a more elastic material behaviour. At low
temperatures (-24 °C to -6 °C) an increase in bitumen stiffness as well as a reduced
tendency to creep is detected for wax bitumens leading to disadvantageous low
temperature behaviour. The bitumen tests reveal an increase of the high temperature
performance grade (high PG) and a decrease of the low temperature performance
grade (low PG), however an expansion of the service temperature range is observed.
The wax asphalts with a soft basis bitumen lead to an improved rutting resistance at
the high temperature range (wearing course at 50 °C and base course at 40 °C),
compared with the standard asphalts. Concurrent to this effect cryogen stress built up
slower at low temperatures leading to asphalt cracking at lower temperatures.
Thus the study shows promising results for wax modified bitumen and potential for the
produced asphalts. But further bitumen- and asphalt- tests are necessary, to verify
these results under servicelife conditions.

Hintergrund dieser Diplomarbeit ist der verstärkte Einsatz von sogenannten
Niedertemperatur-Asphalten in Deutschland, der Mitte der 90er begonnen hat. Diese
Asphalte zeigen vor allem zwei Effekte, eine deutliche Viskositätsreduktion im hohen
Temperaturbereich, womit eine Verarbeitbarkeit bei niedrigeren Einbautemperaturen
ermöglicht wird, sowie eine Erhöhung der Steifigkeit im Gebrauchstemperaturbereich.
Um diese Erkenntnisse zu verifizieren und darüber hinaus das Gebrauchsverhalten
besser einschätzen zu können, wurde am Christian Doppler Laboratorium des
Institutes für Straßenbau und Straßenerhaltung der Technischen Universität Wien
(ISTU), in Kooperation mit der Firma Terrag-Asdag AG (Wien) und OMV AG
(Schwechat), ein umfangreiches Prüfprogramm durchgeführt. Dieses Prüfprogramm
gliedert sich in einen Bitumenteil und einen Asphaltteil.
Im Zuge der Bitumenprüfungen wurden fünf Basisbitumen als Versuchsmaterialien
festgelegt, um ein breites Spektrum an gängigen Bitumen abzudecken. Als
Wachszusatz wurde Sasobit gewählt, welches mit jeweils 2, 4 und 6% zu den fünf
Grundbitumen beigemengt wurde. Die daraus hergestellten niederviskosen Bitumen
wurden mittels konventioneller und gebrauchsverhaltensorientierter Bindemittelprüfungen
evaluiert.
Bei den Asphaltprüfungen wurden als Versuchsmaterialien vier Deckschichten des
Asphalttypes AB11 bzw. pmAB11 und drei Tragschichten des Asphalttypes BT22
bzw. BT22HS ausgewählt. Als Bindemittel wurden dieselben Grundbitumen wie bei den
Bindemittelprüfungen verwendet. In dieser Versuchsreihe wurde nur das sehr weiche
Bitumen B 160/220 mit einem Wachsgehalt von 3% versetzt und alle anderen
Asphaltmischungen als Referenzmaterialen für diese wachsmodifizierten Mischungen
herangezogen. Der Wachsgehalt von 3% wurde aus den Versuchsergebnissen der
gebrauchsverhaltensorientierten Bindemittelprüfungen abgeleitet. Als Prüfverfahren
wurden der triaxiale Druckschwellversuch (TRIAX) und der Abkühlversuch (TSRST)
herangezogen.
Anhand der Ergebnisse der Bindemittelprüfungen zeigt sich eine Verhärtung des
Bitumens bei gleichzeitiger Erhöhung der oberen konventionellen Gebrauchsspanne mit
zunehmendem Wachsgehalt. Die konventionelle untere Gebrauchsspanne bleibt
hingegen nahezu unverändert. Bei den gebrauchsverhaltensorientierten Bindemittelprüfungen
kann im Hochtemperaturbereich (90 °C bis 180 °C) eine deutliche
Viskositätsreduktion festgestellt werden. Im mittleren Temperaturbereich
(46 °C bis 82 °C) erfährt das Bitumen eine deutliche Versteifung infolge Wachszugabe
bei gleichzeitiger Abnahme des Phasenverschiebungswinkels δ, welches ein weitaus
elastischeres Materialverhalten indiziert. Im Tieftemperaturbereich (-24 °C bis -6 °C)
tritt eine Versteifung sowie verminderte Kriechfähigkeit ein, welches zu einem
ungünstigeren Tieftemperaturverhalten führt. Aus den gebrauchsverhaltensorientierten
Bindemittelprüfungen resultieren eine Erhöhung des high Performance
Grade (high PG) sowie eine Reduktion des low Performance Grade (low PG), wobei die
Gebrauchspanne aufgeweitet wird.
Die niederviskosen Asphalte mit weichem Grundbitumen weisen im
Hochtemperaturbereich (Deckschicht bei 50 °C und Tragschicht bei 40 °C) eine
ähnliche oder sogar verbesserte Verformungsstabilität im Vergleich zu
Standardasphalten auf. Gleichzeitig bauen sich kryogene Spannung im Tieftemperaturbereich langsamer auf, und es kommt bei tieferen Temperaturen zum
Asphaltversagen.
Die im durchgeführten Versuchprogramm erhaltenen Ergebnisse sind sowohl im
Bereich der Bitumen, als auch bei den Asphalten vielversprechend. Jedoch sind
weitere Bindemittel- und Asphaltprüfungen sowie eine Verifikation in der Praxis zu
empfehlen, um eine fundierte wissenschaftliche Aussage treffen zu können.