CD-Labor für Chemo-Mechanische Analyse von bituminösen Stoffen

01.10.2020 - 30.09.2027
Forschungsförderungsprojekt

Das beantragte CD Labor beschäftigt sich mit Bitumen und bituminösen Materialien. Diese Materialien werden hauptsächlich als Bindemittel im Straßenbau und für Dachbahnen zur Abdichtung eingesetzt. Bitumen als Erdölderivat zeigt eine komplexe chemische Zusammensetzung, ein temperaturabhängiges, viskoelastisches mechanisches Verhalten und Mikrostrukturen, die einerseits von der Zusammensetzung abhängen und andererseits das mechanische Verhalten wesentlich beeinflussen. Zudem ist es aufgrund der organischen Herkunft anfällig für Oxidation und andere Alterungseinflüsse, die zu einer Veränderung der chemischen Zusammensetzung, der Struktur und des Verhaltens führen. Die technische Lebensdauer und Rezyklierbarkeit werden wesentlich durch diese Veränderungen beeinflusst.

Aktuell wird Bitumen für die Produktklassifizierung und Qualitätskontrolle mit makroskopischen, mechanischen Prüfmethoden beschrieben. Alterung wird nur bedingt berücksichtigt. Die angewandten Prüfmethoden können weder Änderungen in der chemischen Zusammensetzung, noch in der Struktur abbilden. Für Bitumenproduzenten und -verarbeiter besteht daher ein erhebliches Risiko, Bitumen zu verarbeiten, da die Eignung und vor allem die langfristige Entwicklung von Bitumen nur begrenzt oder gar nicht kontrolliert werden können.

Wesentliches Ziel des CD Labors ist es daher, ein grundlegendes Verständnis des Zusammenspiels zwischen Zusammensetzung, Struktur und mechanischem Verhalten zu gewinnen und darauf aufbauend ein umfassendes chemo-mechanisches Analysetool zu entwickeln. Dazu soll zunächst ein bestehendes mikrostrukturelles Model von Bitumen validiert und auf polymermodifizierte Bindemittel erweitert werden, um Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung, Struktur, und Mechanik und dem Einfluss von Alterung auf der Mikroebene zu verstehen. Dafür werden Proben unterschiedlicher Provenienz mit einer breiten Palette an mikroskopischen, spektroskopischen und mechanischen Analysenmethoden untersucht.

Zudem soll eine effiziente Alterungssimulation für Bitumen auf Laborebene entwickelt werden, die bei realistischen Randbedingungen in Bezug auf Temperatur und Druck, beschleunigte Oxidation durch erhöhte Konzentrationen an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), UV Strahlung und Feuchtigkeit erreicht. Der Einfluss von einzelnen ROS, sowie die Wirkungsweise von kombinierten ROS, UV Strahlung und Feuchtigkeit werden untersucht. Im Anschluss wird die Methode anhand von feldgealterten Proben validiert. 

Auf Basis des Modells und der Alterungssimulation wird ein chemo-mechanisches Tool Bitumen unter Feldbedingungen rascher und einfacher auf wesentliche Parameter hin untersuchen können. Hier spielt vor allem die Entwicklung eines Viskositätssensors auf MEMS (Mikrochip) Ebene in Kombination mit einem Fluoreszenz-Scanner eine wesentliche Rolle. Diese Tools ermöglichen die lückenlose Qualitätskontrolle von Bitumen über die gesamte Prozesskette und geben Informationen über mögliche Bitumenadditivierung um Eigenschaften für verschiedene Anwendungsgebiete zu verbessern.

Im weiteren Verlauf können mit diesem Analyse-Set auch bestehende Additive, vor allem Rejuvenatoren und Oxidationsinhibitoren, auf ihre Wirkungsweise und Effektivität in unterschiedlichen Bitumen hin untersucht werden.

Die Ergebnisse des CD Labors tragen dazu bei, die Risiken der Industriepartner in der Auswahl und der Verarbeitung von Bitumen zu verringern und gezielte Optimierung von Bitumen mit effektiven Additiven zu ermöglichen.

Personen

Projektleiter_in

Institut

Förderungsmittel

  • CDG Christian Doppler Forschungsgesellschaft (National) Programm Christian Doppler Labors Christian Doppler Forschungsgesellschaft (CDG) Fördergeber Typ Forschungsförderungsinstitutionen

Forschungsschwerpunkte

  • Information and Communication Technology
  • Energy and Environment
  • Materials and Matter