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Bitumen is a crucial building material in road construction, which is exposed to continuously higher stresses due to higher traffic loads and changing climatic conditions. Therefore, various additives are increasingly being added to the bitumen complicating the characterisation of the bituminous binder, especially concerning the reuse of reclaimed asphalt.
Therefore, this work aimed to demonstrate that the combination of Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy with attenuated total reflexion (ATR) technique and multivariate evaluation is a very wellsuited method to reliable identify and quantify additives in bituminous binders. For this purpose, various unmodified and modified binders, directly and extracted from laboratory and reclaimed asphalts, were investigated with FTIR-ATR spectroscopy. The determined spectra, pre-processed by standard normal variate (SNV) transformation and the determination of the 1st derivation, were evaluated using factor Analysis (FA), linear discriminant analysis (LDA) and partial least square regression (PLSR). With this multivariate evaluation, first, a significant model with a very high hit rate of over 90% was developed allowing for the identification of styrene-butadiene copolymers (SBC), ethylene-copolymer bitumen (ECB) and different waxes (e.g. amide and Fischer-Tropsch wax) even if the additives do not show any additional peaks or the samples are multi-modified. Second, a quantification of the content is possible for SBC, ECB, and Amide wax with a mean error of RMSE B 0.4 wt% and a
coefficient of determination of R2[90%. Based on these results, FTIR identification and quantification of additives in bituminous binders is a very promising method with a great potential.
Verlässliche Funktionsfähigkeit und planbare Lebensdauerzyklen sind entscheidend für die Weiterentwicklung der Betonbauweise im Straßenbau. Aus Forschungsergebnissen zur Fugenproblematik in hochbeanspruchten Betonfahrbahnen unter Diskussion regelungsspezifischer Erfordernisse erfolgt ein Plädoyer für eine funktionsanalytische Untersuchung von Fugensystemen. Mit aktuellen Projekten werden die Datengrundlage zu maßgebenden Einwirkungen und eine innovative versuchstechnische Infrastruktur als methodische Voraussetzungen zur Erhöhung zuverlässiger Funktionsfähigkeit von Bauwerksfugen bereitgestellt.
Im Straßen- und Ingenieurbau sind neben dem Baustoff Beton auch bitumenhaltige Materialien in Flächenab-dichtungen, Dehnfugenkonstruktionen und Asphaltbelägen von entscheidender Bedeutung. Die bestehende Erdölabhängigkeit dieser Materialien fordert jedoch ein dringendes Umdenken, wobei langfristig die Substitu-tion des Bitumens durch nachhaltige, biobasierte Alternativmaterialien angestrebt werden sollte. Durch eine partielle Substitution wäre zudem bereits kurz- bis mittelfristig eine Reduzierung der Erdölabhängigkeit mög-lich, wobei sich z.B. Rückstände der Mikroalgenaufbereitung oder Lignin als Substitutionsprodukte eignen.
This paper presents laboratory experiments on repeated bitumen aging and rejuvenation processes to assess multiple reuse feasibility. Three 50/70 penetration-graded bitumen samples were reused with four different rejuvenators without adding virgin binder. The experiments continued until significant material changes, such as inhomogeneities and increased stickiness, prevented reliable characterization. After each rejuvenation and aging process, physical and chemical properties were analyzed, resulting in a comprehensive dataset. Results indicate that the reuse of pure rejuvenators, without incorporating virgin binder, is limited. Cyclic reuse depends heavily on the rejuvenator and its interaction with the binder. Of the four rejuvenators tested, two bio-based products enabled the maximum reuse of four cycles. Therefore, the rejuvenators used in this project are more suitable as additives to improve the physical properties of the bitumen for reuse rather than as substitutes for the binder. The datasets were further evaluated using multivariate analysis methods to construct statistical models for two use cases: In the first use case, the samples are classified by their aging condition. In the second use case, the samples are differentiated according to the rejuvenators. The models were successfully validated, providing a promising framework for the classification of unknown bitumen samples for reuse.
Development of a test system for identifying the bitumen type and the modifier used in a reclaimed asphalt Da Polymer-, Gummi-, wachs- und mehrfachmodifizierte Bitumen seit Jahren im Asphaltstraßenbau eigesetzt werden, kommen diese vermehrt im Ausbauasphalt vor. Zur Bewertung des Ausbauasphalts ist es daher notwendig, die Modifizierungen an der Mischanlage zu identifizieren. Die Ausbildung des Bindemittelsacks beim Erweichungspunkt Ring und Kugel ist charakteristisch für die Modifizierung. Hierdurch können wachsmodifizierte Bitumen (WmB) recht präzise und Polymermodifizierten Bitumen (PmB) teilweise identifiziert werden. Mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) werden die Schmelztemperaturen der Wachse erfasst. Hierdurch können WmB identifiziert und die Wachsarten unterschieden werden. Die Analytik mittels Dynamischem Scherrheometer (DSR) startet mit der Bestimmung der Äquisteifigkeitstemperatur EG*T. Bei EG*T werden Frequenz-, Amplituden- und MSCR-Tests durchgeführt. Die Grenze des LVE-Bereichs dient der Identifizierung von WmB. Anhand der Kennwerte bei 0,1 Hz können PmB erkannt werden. Die Rückformung (MSCRT) dient der Identifizierung von Mehrfachmodifizierungen. Da Gummimodifizierte Bitumen (GmB) bei der Extraktion erkannt werden, können alle Modifizierungsarten identifiziert werden. In den FTIR-Spektren (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) der modifizierten Bitumen verursachen einige Polymere und Wachse charakteristische Banden, wodurch diese erkannt werden. Die Identifizierung der übrigen Additive erfolgt mithilfe einer multivariaten Auswertung, wodurch mit Ausnahme der GmB (nicht erforderlich) alle Additive erkannt werden. An Stichproben konnte zudem eine Abgrenzung von Mehrfachmodifizierungen sowie eine Abschätzung der Zugabemenge erreicht werden. DSR und FTIR ermöglichen beide eine schnelle, einfache und zielsichere Identifizierung der Bitumenmodifizierungen. Durch die FTIR-Analytik können die Modifizierungen mit der größtmöglichen Präzision bestimmt werden. Die DSR-Analytik erlaubt dafür zusätzlich eine baupraktische Bewertung der Bindemittel.
As polymer, rubber, wax and multi-modified bitumen are used for asphalt road construction since many years, they increasingly occur in reclaimed asphalt. To assess the reclaimed asphalt, it is therefore necessary to identify the modifications in the mixing plants. The formation of the binder bag at softening point ring and ball is characteristic for modification. In this way, wax modified bitumen (WmB) can be identified rather precisely and to a less extent polymer modified bitumen (PmB) can also be identified. Differential scanning calorimetry (DSC) is used to record the melting temperatures of the waxes. In this way, WmB can be identified and a differentiation can be made between the wax types. The analysis by means of the dynamic shear rheometer (DSR) starts with the determination of the equi-stiffness temperature EG*T. Frequency-, amplitude- and MSCR-tests are performed at EG*T. The limit of the LVE range is used to identify WmB. PmB can be identified based on the characteristic values at 0.1 Hz. Creep recovery (MSCRT) is used to identify multi-modifications. As rubber modified bitumen (GmB) is identified on extraction, all types of modification can therefore be identified. Several polymers and waxes cause characteristic bands in the FTIR spectra (Fourier Transform Infrared spectroscopy) of modified bitumen, which enables the identification of these additives. The other additives except the GmB (not necessary) can be identified by means of multivariate model. Further, due to random evaluations, the differentiation between single- and multi-modification as well as the estimation of the content of some additives is possible. DSR and FTIR both enable fast, simple and accurate identification of the bitumen modification. The modification can be determined with the greatest possible precision by using FTIR analysis. On the other hand, DSR analysis allows additional practical assessment of the binder on site.
Im Straßen- und Ingenieurbau sind neben dem Baustoff Beton auch bitumenhaltige Materialien in Flächenabdichtungen, Dehnfugenkonstruktionen und Asphaltbelägen von entscheidender Bedeutung. Die bestehende Erdölabhängigkeit dieser Materialien fordert jedoch ein dringendes Umdenken, wobei langfristig die Substitution des Bitumens durch nachhaltige, biobasierte Alternativmaterialien angestrebt werden sollte. Durch eine partielle Substitution wäre zudem bereits kurz- bis mittelfristig eine Reduzierung der Erdölabhängigkeit möglich, wobei sich z.B. Rückstände der Mikroalgenaufbereitung oder Lignin als Substitutionsprodukte eignen.
In Germany, the reuse of asphalt has a long tradition. Since the 1980s, the reclaimed asphalt has been recycled achieving a reuse rate of around 90% and thus a very high value in the last years. In the future, instead of the amount, the quality of the reclaimed asphalt will be more important because the recycled asphalt will be reused again and again. Thus, these asphalt mixes are in the second or even third cycle of reuse. Concerning this situation, the question arises if asphalt can be reused several times without any loss in quality. An important factor affecting the asphalt quality is the binder bitumen. During the production, construction and service life, the ageing of this binder occurs causing a hardening of the bitumen. To compensate this hardening, additives for the reclaimed asphalt in terms of rejuvenation agents (rejuvenators) gain in importance. With these rejuvenators, the physical properties of bitumen can be modified e.g. the hardness and the stiffness reduced. However, the mechanism of the rejuvenation agents and the effects of the bitumen chemistry are largely unknown because the composition of the products varies very strongly. But with growing knowledge about these mechanisms and effects of the rejuvenation agents, the chemical composition and thus the physical and ageing behavior of bitumen can be targeted modified by the use of suitable rejuvenators. In this work, the actual results of the project Postcarbone road should be presented including investigations about the chemical and physical mechanisms as well as the efficiency of different rejuvenators.
Further, a model for the cyclic reuse of bitumen should be developed. Based on this model, the choice of a suitable rejuvenation agent for the considered bitumen or rather asphalt should be possible. The project Postcarbone road (392670763) is funded by the German Research Foundation (DFG).
Die Klimakrise sowie die damit verbundene Distanzierung vom Erdöl und die aktuelle geopolitische Situation in Europa erfordern, dass die Asphaltbranche sowohl lang- als auch kurzfristig einen erdölunabhängigen Weg einschlägt.
Langfristig sollte dabei ein vollständiger Ersatz des Bitumens durch biobasierte, nachhaltige Alternativmaterialien erfolgen, während kurz- bzw. mittelfristig ein teilweiser Ersatz bzw. eine Wiederverwendung von Asphalt mit biobasierten Alternativmaterialien eine Reduzierung der Erdölabhängigkeit erlauben würden. In diesem Zusammenhang wurden in dem Projekt „Möglichkeiten der vollständigen oder teilweisen Substitution von Bitumen als Bindemittel im Asphaltstraßenbau“ in einer umfassenden Literaturrecherche Erfolg versprechende Alternativbindemittel zur Bitumensubstitution und Bindemittelverjüngung identifiziert. Eine vielversprechende Eignung zeigen dabei vor allem verschiedene auf pflanzlicher Biomasse basierende Materialien (z. B. Lignine in Kombination mit öligen Komponenten, Bioöle, Zuckerrohrmelasse/-bagasse), aber auch Produkte basierend auf tierischer Biomasse (z. B. aufbereitete Schweinegülle), aquatischer Biomasse (z. B. Rückstände der Mikroalgenaufbereitung) oder aus Abfällen (z. B. gebrauchtes Speiseöl).
Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR-Spektroskopie) stellt eine innovative und wirkungsvolle Methode zur Charakterisierung von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln dar. So erlaubt die FTIRCharakterisierung nicht nur eine Bewertung des Alterungsfortschritts eines Bindemittels, sondern zudem auch die Identifizierung von im Bitumen enthaltenen Additiven und Schadstoffen wie z. B. polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die Ableitung verschiedener physikalischer und chemischer Kennwerte sowie weiterhin eine Klassifizierung von Bindemitteln nach verschiedenen übergeordneten Eigenschaften wie der Raffinerie, dem Alterungszustand und auch der Alterungsempfindlichkeit.
Das erdölstammige Bindemittel Bitumen weist eine so komplexe Struktur auf, dass diese mit den derzeit eingesetzten Verfahren nur eingeschränkt erfasst werden kann. Eine innovative und vielversprechende Möglichkeit bietet in diesem Zusammenhang die FTIR-Spektroskopie in Kombination mit einer chemometrischen Auswertung, mit der schnell und einfach Aussagen über die Zusammensetzung sowie verschiedenste physikalische und chemische Eigenschaften von bitumenhaltigen Materialien möglich werden.
