Chemische Zusammensetzung und Eigenschaften

Die Bitumenbestandteile, die beim Losen mit dem 30fachen Volumen n-Heptan ausfallen, also nicht loslich sind, nennt man Asphaltene. Die tiefschwarzen Asphaltene besitzen rela­tive Molektilmassen tiber 1000, durch Micellbildung konnen sie sich auf tiber 50 000 erho – hen.

Die in n-Heptan loslichen oligen, niedermolekularen Bestandteile werden als Maltene be – zeichnet. Bitumen sind kolloide Systeme, in denen Bestandteile hoher Molektilmasse in einer fltissigen Phase aus Bestandteilen niedrigerer Molektilmasse dispergiert sind. Das

Dispersionsmittel besteht aus gesattigten KW und partiell hydrierten, kondensierten aroma – tischen Ringsystemen in dem hochmolekulare Asphaltene und Erdolharze kolloidal verteilt sind. Sie bilden die disperse Phase. Die dispergierten Teilchen liegen als Micellen (s. Кар. 6.2.2.3) vor.

Подпись: Abbildung 10.5 Struktur der Asphaltene; Mr = relative MolekQlmasse.
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Bitumen sind kolioide Systeme (meist Sole), die in oligen Maltenen dispergierte Asphaltene und Erdolharze enthalten.

Auch Asphaltene bestehen aus hochmolekularen unpolaren und polaren Molekulteilen bzw. – gruppen, wenngleich die Verhaltnisse aufgrund des komplizierten Aufbaus und der an – spruchsvollen sterischen Struktur ungleich komplexer sind. Die unpolaren Molekiilteile konnen kondensierte Aromaten, gesattigte Ringe oder Ketten sein. Die Anordnung der Asphaltene in den Micellen ist in Abb. 10.5 gezeigt. Die Stabilisierung der Asphalten-Mi – cellen in der oligen Maltenphase erfolgt durch polare Aromaten niedriger Molekulmasse (Erdolharze). Die Erdolharze bilden eine Schutzschicht um die Asphalten-Micellen und bewahren sie auf diese Weise vor dem Ausflocken.

Durch Einblasen von Luft (Oxidationsbitumen, s. u.) wird infolge einsetzender chemischer Reaktionen und Aggregationsvorgange die Schutzschicht um die Asphaltene zerstort und die polaren Aromaten wandeln sich teilweise in Asphaltene um. Es bildet sich ein Asphal – tengeriist aus, in dessen Hohlraume die Maltene eingelagert sind. Das Bitumen geht dabei aus dem Solzustand in eine gelartige Konsistenz hoherer Harte iiber.

Eigenschaften. Bitumen zeigen thermoplastisches Verhalten. Unterhalb des sog. Brech – punktes (BP) liegen sie in einem festen, sproden Zustand vor, oberhalb des Erweichungs – punktes (EP) werden sie zunehmend flussig. Im Temperaturbereich zwischen BP und EP weisen sie zahplastisches Verhalten auf. Dieser Bereich wird deshalb auch als Plastizitats-
bereich oder,,Plastizitatsspanne“ bezeichnet. Fur die Praxis ist es wimschenswert, dass der Gebrauchsbereich eines Bitumens mit seiner Plastizitatsspanne weitgehend ubereinstimmt. EP und BP sind wichtige Temperaturpunkte fur die praktische Anwendung von Bitumen, sie werden mittels spezieller PrufVerfahren bestimmt (s. Lehrbucher der Baustoffkunde).

• Bitumen sind in Wasser praktisch unloslich. Bei intensivem Kontakt mit Wasser oder Wasserdampf liegt die Loslichkeit von Bitumen zwischen 0,001…0,1%. Bitumen kann Wasser also nur in Spuren aufnehmen. Hinsichtlich seiner Wasserundurchlassigkeit ubertrifft es eine Reihe von Kunststoffen, die sich als Korrosionsschutzstoffe bereits be» wahrt haben. Da Bitumen auch gegenuber Lufteinwirkung (O2) bestandig ist, gilt es als ideales Abdicht – und Korrosionsschutzmittel.

• Gegenuber Losungen von Salzen, aggressiven Wassem, Sauren und Laugen ist Bitumen, zumindest bei Normaltemperatur, weitgehend bestandig. Seine Widerstandsfahigkeit ge – gen Chemikalien erhoht sich mit zunehmender Harte.

• Bitumen sind in organischen Losungsmitteln wie Schwefelkohlenstoff (CS2), Chloralka – nen (z. B. CC14, CHCI3), Benzol und Toluol sowie in Benzinen und Olen loslich. Loslich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich das zugesetzte Losungsmittel mit den oli – gen Maltenen vermischt, d. h. in die kolloide Struktur,,eingebaut“ wird.

Die Loslichkeit der Bitumen in gesattigten Kohlenwasserstoffen wie den Benzinen fuhrt zu Zerstorungen der Asphaltdecke durch auslaufendes oder tropfendes Benzin auf Stra» Ben oder an Tankstellen.

Physikalische Kenndaten der Bitumen. Niedrige Dichten: p = 1,07…1,10 g/cm3 (25°C), die Dichte nimmt mit steigender Harte des Bitumens zu; niedrige Warmeausdehnungskoef – fizienten: 6 • 10"4 K_1 im Temperaturbereich 15…200°C; niedrige spezifische Warmekapa- zitaten: 1,7 J/g-K (0°C), 1,9 J/g-K (100°C); sehr geringe Warmeleitfahigkeiten (im Tempe­raturbereich 0…70°C betragt die Warmeleitfahigkeit X = 0,16 W/m K). Die auBerordentlich niedrigen Warmeleitfahigkeiten sind fur die hervorragende Isolierwirkung des Bitumens verantwortlich.

Bitumensorten und Haupteinsatzbereiche. Nach der Herstellungsweise oder ihren An – wendungsgebieten werden verschiedene Bitumensorten unterschieden: Destillationsbitu – men werden durch Destination von Erdol in mehreren Stufen unter vermindertem Druck bei Temperaturen zwischen 350…380°C erhalten. Es handelt sich um weiche bis mittelharte Bitumensorten, die bevorzugt als Bindemittel im StraBenbau Verwendung finden. Hochva- kuumbitumen entsteht bei der Weiterbehandlung von Destillationsbitumen in einer zusatzlichen Bearbeitungsstufe im erhohten Vakuum. Es weist eine harte bis sprode Kon- sistenz auf und findet vor allem als Bindemittel fiir Gussasphalt (Estriche) und bei der Pro – duktion von Lacken, Gummiwaren sowie Isoliermaterial Verwendung.

Oxidationsbitumen (geblasenes Bitumen) stellt man in speziellen Reaktoren her, indem man weiche Destillationsbitumen bei Temperaturen zwischen 230…290°C durch Einblasen von Luft oder Wasserdampf weiterbehandelt. Je nach eingesetztem Produkt, Temperate und Blaszeit werden Bitumensorten mit verbesserter Kalte – und Warmebestandigkeit herge – stellt (hoherer Erweichungspunkt). Verwendung: Dach- und Dichtungsbahnen, Klebemas – sen, Isoliermaterial.

Hartbitumen sind spezielle Oxidationsbitumen mit der harten bis springharten Konsistenz von Hochvakuumbitumen. Verwendung: siehe Hochvakuumbitumen. Polymermodifizierte Bitumen (PmB) werden durch chemische Vemetzung von Destillationsbitumen und Poly – meren (z. B. Ethylenvinylacetat, Ethylenbutylacrylat, Styrol-Copolymerisate) hergestellt. Dabei verandem sich das thermo – und das elastoviskose Verhalten beider Komponenten. Anwendungsfelder sind besonders beanspruchte Verkehrsflachen im Strafien – und Flugha – fenbau sowie Dach – und Dichtungsbahnen. Durch den groBeren Plastizitatsbereich der PmB verbessem sich bei ihrer Verwendung als Trank – und Deckmassen solche Eigenschaften wie das Kaltbiegeverhalten und die Warmestandfestigkeit der Bahnen. Besonders interes – sant ist der Einsatz von Tragereinlagen in Polymer-Bitumendachdichtungsbahnen und Po- lymer-BitumenschweiBbahnen. Neben den iiblichen Tragereinlagen wie Jute – und Glasge – webe werden auch Bahnen mit Polyesterfaservlies hergestellt. Dadurch kann die Zugfestig – keit vergroBert und das Dehnverhalten verbessert werden.

Die Verwendung von Bitumen als Baustoff reicht ca. 6000 Jahre zurtick. Bereits die Su – merer, Babylonier und Assyrer benutzten Sand-Bitumen-Mischungen fur unterschiedlichste Anwendungen. Ein gezielter industrieller Einsatz begann im 19. Jahrhundert mit der Zu – nahme des motorisierten Verkehrs.

Hinsichtlich der Anwendbarkeit von Bitumen unterscheidet man die Heifi – und die Kaltverarbeitung. So wird z. B. bei der Herstellung von Bitumenbahnen das Bitumen mit Zuschlagstoffen bei etwa 160°C vermischt und bei Temperaturen zwischen 180 und 190°C auf das Tragermaterial aufgebracht. Der Einbau auf den Baustellen kann dann durch SchweiBen mittels Propangasbrenner (Verarbeitungstemperatur ~200°C, Bitumenbahn wird angeschmolzen und mit Untergrund verklebt) oder durch Einlegen in HeiBbitumen (180 bis 230°C) erfolgen. HeiBflussige Bitumenmassen werden zum Verkleben von Dammstoffen oder zum VerschlieBen von Fugen verwendet. Der mit Abstand groBte Bitumenanteil (75 bis 80%) wird fur die Herstellung von Walzasphalt fur den StraBenbau verwendet. Daneben finden auch Gussasphalte als Estriche fur Werkhallen, Parkdecks, im Wohnungsbau sowie fur Deckschichten im StraBen – und BrUckenbau Anwendung.

Fur die Kaltverarbeitung wird Bitumen entweder in Olen oder organischen Losemitteln gelost (Bitumenlosungen) oder in Wasser dispergiert (Bitumenemulsionen).

Bitumenlosungen. Bitumen konnen mit anderen Komponenten vermischt (,,verschnitten“ oder technisch korrekt: ,,gefluxt“) werden. In Frage kommen bestimmte Fluxole, friiher: Verschnittole (Erdoldestillate), oder niedrig siedende Losungsmittel wie Benzine oder Ben­zol, die mit den Bitumenmaltenen mischbar sind. Im ersten Fall erhalt man Fluxbitumen (fruher: Verschnittbitumen). Die Fluxbitumen werden unter Zusatz schwer fluchtiger Flu­xole in Raffinerien neben der Produktion von Bitumen hergestellt, indem weiche StraBen – baubitumen mit bestimmten Erdoldestillaten bei etwa 100°C vermischt werden. Durch das Verschneiden wird die Viskositat der eingesetzten Bitumen deutlich herabgesetzt, so dass sie bei nur leichter Erwarmung verarbeitet werden konnen (Einbautemperatur: ~60°C). Verwendung finden die Fluxbitumen im StraBenbau bei hohlraumreichen Decken (Ver – dunsten der Fluxole muss gewahrleistet sein!). Da diese Decken nur noch selten gebaut werden, ist die Anwendung von Fluxbitumen deutlich zuriickgegangen.

Werden zum Verschneiden von weichem bis mittelharten StraBenbaubitumen niedrig sie­dende Losemittel wie Benzine verwendet, erhalt man Kaltbitumen oder Bitumenanstrich – mittel (Bautenschutz). Kaltbitumen sind schnell abbindend und dienen zur Herstellung von StraBenbaugemischen fur den Soforteinbau (Bitumenanteil ca. 70 – 80%).

Bitumenemulsionen. Obwohl nicht wasserloslich, verteilt sich in heiBes Wasser einge – riihrtes Bitumen tropfchenformig. Es bildet sich eine Bitumenemulsion. Sind der wassrigen Losung vorher keine Emulgatoren zugesetzt worden, kommt es sofort nach Beendigung des Ruhrvorganges zu einer Koagulation der Bitumentropfchen. Sie flieBen ineinander und bilden wieder eine zusammenhangende Masse. Zugesetzte Emulgatoren reichem sich an der Grenzflache Bitumen/Wasser an und verhindem die Koagulation.

Nach der Art der Emulgatoren wird zwischen einer kationischen und einer anionischen Bitumenemulsion unterschieden. Als kationische Emulgatoren kommen hochmolekulare Ammoniumsalze R-NH3+ СГ und als anionische Emulgatoren Alkalisalze von Fett – bzw. Harzsauren zur Anwendung. Die hochmolekularen Ammoniumsalze lagem sich an die Bitumentropfchen an. Die geladenen NH3+-Gruppen sind vom Bitumentropfen weg zur wassrigen Losung gerichtet und vermitteln die Wasserloslichkeit der Tropfchen. Durch die positive Aufladung der Bitumenkugelchen und die daraus resultierende AbstoBung werden sie im Schwebezustand gehalten. Alkalische Emulgatoren (anionische Emulsionen) fuhren zu einer negativen Aufladung der Oberflache der Bitumenteilchen und damit ebenfalls zur elektrostatischen AbstoBung.

Nach dem Verarbeitungsschritt (Vermischen mit Mineralstoffen) muss die Emulsion zer – fallen (Brechen), damit die Bitumenteilchen so dicht wie moglich an die Gesteinsoberflache gelangen und den Bitumenfilm ausbilden konnen. Der Brechvorgang wird sowohl durch die chemische Natur des Emulgators als auch durch die mineralische Zusammensetzung und Oberflachenbeschaffenheit des Untergrunds beeinflusst. Kationische Emulsionen sind besonders fur den Einsatz auf einem silicatischen sauren Untergrund (z. B. Quarzit, Kiese) geeignet. Die sich ausbildenden elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den positiv geladenen Ammoniumgruppen und den nicht abgesattigten, negativ geladenen Sauerstoff – atomen der Si04-Tetraeder des silicatischen Untergrunds sind die Ursache fur die ausge – zeichnete Haftung des Bitumenfilms auf der Gesteinsoberflache. Die Fettsaurereste der anionischen Emulgatoren konnen durch basische Gesteine gebunden werden. Deshalb wer­den anionische Emulsionen bevorzugt ftir basische Gesteine, wie z. B. Kalksteine, verwen – det. Darliber hinaus tragen noch Adsorptionsprozesse zur Filmbildung bei. Die Filmbildung ist dann abgeschlossen, wenn das Emulsionswasser vollstandig verdunstet ist.

Ein wichtiger Anwendungssektor fur kaltverarbeitbare Bitumenprodukte ist die Abdichtung von Kellerwanden mit Bitumendickbeschichtungen vor allem im Wohnungsbau. Oft wer­den Bitumenvoranstriche zur Haftverbesserung vor dem Aufbringen von Bitumenbahnen aufgetragen. Bitumenhaftkleber werden zum Verkleben von Dachpappen, Dammstoffplat – ten usw. eingesetzt. Fur die Verarbeitung von losemittelhaltigen Bitumenprodukten wie auch von Bitumenemulsionen wurde auf Anregung des Gesprachskreises BITUMEN vom Industrieverband Deutsche Bauchemie e. V. die Verwendung geeigneter Schutzhand – schuhe empfohlen.

Mogliche gesundheitliche Auswirkungen bei der Verarbeitung von Bitumen. In ihrer MAK-Liste des Jahres 2001 hat die Senatskommission zur Prufung gesundheitsschadlicher Arbeitsstoffe der Deutschen Forschungsgemeinschaft Bitumen (Dampf und Aerosol) als hautresorptiv (wird durch die Haut aufgenommen) und krebserzeugend (Kategorie 2) ein- gestuft. Begriindet wird diese Bewertung vor allem damit, dass im Bitumen polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) enthalten sind. Hier ist allerdings zu beriicksichti – gen, dass der Gehalt an Benzo[a]pyren (BaP, Abb. 10.6), das als Leitsubstanz fur die poly – cyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe gilt, mit 2-3 mg/kg im Bitumen deutlich unter den 50 mg/kg liegt, ab denen Substanzen laut GefahrstoffVerordnung als krebserzeugend gelten. Zum Vergleich: Teer enthalt 5 g/kg BaP! Zudem werden die PAK nur bei Tempe – raturen deutlich iiber 100°C freigesetzt.

Die Bewertung in der MAK-Liste stellt die Meinung der MAK-Kommission dar und ist rechtlich nicht bindend. Rechtlich bindend ist dagegen der Luftgrenzwert von 10 mg/m3 fur Dampfe und Aerosole aus Bitumen fur die HeiBverarbeitung, ausgenommen sind Arbeiten mit Gussasphalt (TRGS 900). Aus festem Bitumen im StraBenbelag, aus Dachbahnen, aus Isolieranstrichen u. a. treten bei normalen Temperaturen praktisch keine Emissionen auf. Die MAK-Kommission bezeichnet ihre Empfehlung zur obigen Einstufung vor allem als VorsorgemaBnahme. Sie soli solange Gultigkeit besitzen, bis endgiiltige Daten vorliegen, die eine Schadwirkung von Bitumendampfen bestatigen – oder eben nicht. Fur die Zukunft wird eine weitere Verringerung der Emissionen aus Bitumen bei der HeiBverarbeitung er – wartet, da gegenwartig groBe Anstrengungen untemommen werden, die Misch – und Ein- bautemperatur von Asphalt bei gleichbleibender Qualitat zu verringem. Dies wiirde daruber hinaus nicht nur den Energieverbrauch senken, sondem hatte auch geringere C02-Emissio – nen zur Folge.

Alterung von Bitumen. Alterungsprozesse sind immer auf das komplexe Zusammenwir – ken unterschiedlicher Witterungs – und Umwelteinflusse zurUckzufiihren (s. a. Кар. 10.4.7). Im Fall der Bitumen bzw. bitumenhaltigen Bindemittel sind in erster Linie UV-Strahlung, Luftsauerstoff und hohe Temperaturen verantwortlich. Vor allem bei Lichteinwirkung er – folgt in Gegenwart von Luftsauerstoff eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe, was zu einer chemischen Veranderung der Oberflachenschicht fuhrt („chemische Verhartung“). Zu einer Bindemittelverhartung kann es auch durch geringfugiges Verdampfen der leicht fluchtigen Olanteile bei erhohten Gebrauchstemperaturen kommen („physikalische Verhartung“). So kann sich bei der HeiBaufbereitung von Asphalt infolge von Oxidationsprozessen der Anteil an leichten Maltenen zugunsten hohermolekularer Asphaltene verringem. Die Folge ist eine ungiinstigere Adhasion des Bitumens an der Mineralstoffkomung.