Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Tieftemperatureigenschaften, Bruchzähigkeit, Bitumen, DSR
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Low temperature properties, fracture toughness, bitumen, DSR
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Schweizer Klima ist geprägt durch ein breites Temperaturspektrum, welche hohe Anforderung an die richtige Wahl bitumenhaltiger Bindemittel im Strassenbau stellt. Diese müssen den heutigen wie auch den künftigen Beanspruchungen sowohl im Sommer als auch im Winter vollumfänglich genügen. Die globale Erwärmung darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass sporadisch, wie im Jahre 2008/2009, immer wieder extrem harte Winter mit tiefen Temperaturen auftreten können, wodurch die Strassen verspröden und thermische induzierte Risse erleiden können.
Die bisher übliche Beurteilung der Tieftemperatureigenschaften von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln ist häufig unzutreffend und führt daher immer wieder zu kostspieligen Fehlentscheiden und Schäden. Die normierte Prüfung "Brechpunkt nach Fraass" weist eine schlechte Reproduzierbarkeit auf, weshalb schon seit längerer Zeit nach einer Alternative gesucht wird. Das vor einigen Jahren als Ersatz vorgeschlagene Biegebalken-Rheometer (BBR) hat die Erwartungen nur teilweise erfüllt, da es sich um eine Kriechprüfung handelt. Bei tiefen Temperaturen treten aber vor allem Risse als Schäden auf, weshalb diese besser mit einer Bruchprüfung simuliert werden können. Mögliche Alternativmethoden sind:
a) Die Bestimmung der Bruchzähigkeit im statischen Biegeversuch (Fracture Toughness Test)
b) Die Bestimmung des DSR-Bruchpunktes im Ermüdungstest mit dem Dynamic Shear Rheometer (DSR).
Die erste Prüfmethode, der statische Fracture Toughness Test (SFTT) wurde aus dem Bereich der Kunststoffprüfung übernommen und wurde durch eine Arbeitsgruppe der Normierungskommission CEN TC 336 WG1 für bitumenhaltige Bindemittel adaptiert und verbessert. Diese Methode ist nun soweit fortgeschritten, dass sie in einem breiteren Umfeld im Rahmen eines europäischen Ringversuches getestet werden soll, bevor sie als Standardprüfung durch die CEN normiert wird. Um den Anschluss an die Europäische Normung nicht zu verpassen, ist es für die Schweiz sehr wichtig, im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes die gebotene einmalige Gelegenheit zu nutzen und an diesem unmittelbar bevorstehenden europäischen Ringversuch teilzunehmen.
Die zweite Prüfmethode beruht auf einer Ermüdungsprüfung am Bindemittel mit dem DSR bei sinkender Temperatur bis zum Bruch, wo die bei Bruch erreichte Temperatur als DSR-Bruchpunkt bezeichnet wird. Prinzipiell geht es darum, diese Prüfmethoden weiterzuentwickeln und zu validieren, damit diese zuverlässige und wiederholbare Resultate liefert. Erst wenn dies gewährleistet ist, können diese auf ihre Aussagekraft hin überprüft werden.
Die CEN TC 336 WG hat in der letzten Sitzung im Februar 2009 beschlossen, dem SFTT hohe Priorität einzuräumen. Deshalb ist geplant, schon in der zweiten Hälfte 2009 einen Ringversuch durchzuführen, der für die Bestimmung der Messunsicherheit benötigt wird. Eine schweizerische Teilnahme am europäischen Ringversuch ist aber nur möglich, wenn das vorliegende Projekt noch im Juni bewilligt wird.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The Swiss climate is characterized by a broad spectrum of temperatures, making high demands on the right choice of bituminous binders for road construction. They have to fully comply with current and future demands on road pavements in winter as well as in summer. Global warming must not hide the sporadic occurrence of strong winters with extreme low temperatures like in 2008/2009, which lead to embrittled pavements and thermally induced cracks.
The conventional assessment of the low temperature properties of bitumen and bituminous binders is often insufficient and repeatedly results in costly misjudgements and damaged roads. Because the standardized test method “Fraass breaking point” shows a low reproducibility, the search for an alternative test method was initiated. Some years ago, the determination of the flexural creep stiffness with the bending beam rheometer (BBR) was proposed. As this was a creep test, the expectations have only partly been satisfied. At low temperatures mainly crack induced failures were observed, which are better simulated by a fracture test. Possible alternative test methods are:
a) determination of the fracture toughness by a static fracture toughness test
b) determination of the DSR-breaking point in a fatigue test with the dynamic shear rheometer (DSR).
Originally, the static fracture toughness test (SFTT) was adopted from the polymer science and was improved and adapted lately to bituminous binders by a task group of the standardization committee CEN TC 336 WG. Meanwhile the test method is ready to be evaluated in a European round robin test, before it will become a European standard. In order not to be entirely left out of the European standardization process, it is very important for Switzerland to use this unique opportunity to participate in the imminent European round robin test.
The second test method is based on a binder fatigue test on a DSR at decreasing temperatures until fracture occurs. This temperature at fracture is defined as DSR-breaking point. In principle, the goal of this project consists in refining and validating the test method to obtain reliable and repeatable values. Only afterwards, the significance of the results can be verified. In the last meeting of CEN TC 336 WG in February it was decided to give SFTT a high priority. Therefore, it is planned to carry out a round robin test already in the second half of 2009, to collect the mandatory precision data. A Swiss participation in the European round robin test is only possible, if the
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Projektbeschreibung
(Deutsch)
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Die Tieftemperatureigenschaften von Bindemitteln sind für die Schweiz von Bedeutung, da im Winter in vielen Regionen die Temperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen. Eine aussagekräftige Prüfung liegt deshalb sehr im Interesse der Schweiz. Deshalb ist es entscheidend an der Vorbereitung der Einführung von neuen Prüfmethoden mitzuarbeiten, um schon frühzeitig Erfahrungen mit in der Schweiz verwendeten bitumenhaltigen Bindemittel zu sammeln und vor allem Einfluss zu nehmen auf die Prüfmethoden und -bedingungen sowie auf die zukünftigen Anforderungswerte der bitumenhaltigen Bindemittel.
Die Bestimmung der Tieftemperatureigenschaften von Bitumen inklusive PmB führt regelmässig zu hitzigen Diskussionen, denn die normierte Prüfung "Brechpunkt nach Fraass", die seit vielen Jahren für die Bestimmung der Tieftemperatureigenschaften von Bitumen verwendet wird, weist gravierende Mängel auf [8]. Die Wiederholbarkeit innerhalb eines Labors ist bei Normalbitumen relativ gut, die Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Laboratorien jedoch ungenügend, insbesondere bei PmB. Deshalb wird seit längerer Zeit nach einer alternativen Prüfung für die Beurteilung der Tieftemperatureigenschaften von bitumenhaltigen Bindemitteln gesucht.
Im amerikanischen Forschungsprojekt SHRP wurde deshalb die Prüfung "Biegesteifigkeit mit dem Biegebalken-Rheometer" (BBR) entwickelt, die heute auch in Europa normiert ist. Das Prinzip der Prüfmethode ist jedoch vollkommen unterschiedlich. Während der Brechpunkt nach Fraass eine Bruchprüfung darstellt, ist die Biegesteifigkeit eine typische Kriechprüfung. Bei tiefen Temperaturen treten aber vor allem Risse als Schäden auf. Deshalb erscheint es besser anstelle einer Kriech- eine Bruchprüfung zur Simulation der Beanspruchung zu verwenden. Die Resultate der Biegesteifigkeit weisen wohl eine bessere Reproduzierbarkeit auf, die Korrelation mit Tieftemperaturschäden ist aber vor allem bei PmB ungenügend und für wachsmodifizierte Bitumen noch nicht bekannt.
Aus diesem Grunde wurde nach alternativen Prüfmethoden gesucht. Bei der ersten vorgeschlagenen Prüfmethode, dem statischen Fracture Toughness Test, handelt es sich um eine statische Biegeprüfung bei welcher die Brucharbeit bzw. Bruchzähigkeit (sogenannte Fracture Toughness) ermittelt wird [1]. Bei diesem Versuch wird der Prüfkörper in Form eines Biegebalkens mit konstanter Geschwindigkeit bis zum Bruch verformt. Der Test ist aus der Kunststoffprüfung bekannt [6,7] und wurde durch eine Arbeitsgruppe des CEN TC 336 in den letzten Jahren für Bitumen adaptiert und verbessert. Insbesondere wurden die Anforderungen and die Temperaturkonstanz erhöht und die Probenherstellung neu entwickelt. Inzwischen ist diese Methode soweit gereift, dass sie in einem breiteren Umfeld im Rahmen eines europäischen Ringversuches getestet werden kann [9]. Die CEN TC 336 WG1 hat grosses Interesse daran diese Prüfung voranzutreiben und hat deshalb hat an der letzten Sitzung im Februar 2009 kurzfristig beschlossen, den für die Bestimmung der Messunsicherheit notwendigen Ringversuch in der zweiten Hälfte 2009 durchzuführen, bevor die Norm publiziert wird. Um den Anschluss an die Europäische Normung nicht zu verpassen, ist es für die Schweiz sehr wichtig, im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes die gebotene einmalige Gelegenheit zu nutzen und an diesem kurz bevorstehenden europäischen Ringversuch teilzunehmen. Dies bedingt aber, dass dieses Projekt bis Ende Juni 2009 bewilligt wird, ansonsten eine Teilnahme am Ringversuch kaum mehr möglich sein wird.
Die zweite vorgeschlagene Prüfmethode ist neu und basiert auf einer Ermüdungsprüfung am bitumenhaltigen Bindemittel bei tiefen Temperaturen. Da die Prüfung Brechpunkt nach Fraass in gewissem Sinne auch eine Ermüdungsprüfung darstellt (wiederholtes Biegen des bitumenbeschichteten Plättchens), könnte dies durch einen Ermüdungsversuch mit dem DSR ersetzt werden, indem eine Probe bei sinkenden Temperaturen dynamisch belastet wird, bis ein Bruch auftritt. Dieser DSR-Bruchpunkt, das heisst die Temperatur bei welcher der Bruch stattfindet, könnte unter Umständen die Tieftemperatureigenschaften von Bitumen und PmB besser beschreiben. Die Idee für diese Prüfmethode ist neu, wurde aber von einer im Rahmen der RILEM entwickelten Ermüdungsprüfung bei konstanter Temperatur abgeleitet. Verschiedene Parameter wie Frequenz, Verformungsamplitude und Temperaturgradient müssen deshalb noch ausgetestet werden. Im direkten Vergleich zum Fracture Toughness Test sowie zur bisherigen Prüfung „Brechpunkt nach Fraass“ werden so erste wertvolle Erfahrungen im direkten Vergleich mit gleichen Bindemitteln gesammelt. In diesem Forschungsprojekt sind erste Erfahrungen mit diesen beiden neuartigen Prüfmethoden zu sammeln, um beurteilen zu können, ob sie sich für einen Ersatz des Brechpunktes nach Fraass eignen. Dazu werden verschiedene in der Schweiz verwendeten bitumenhaltige Bindemittel getestet und mit den Resultaten Brechpunkt nach Fraass verglichen. Obwohl keine direkte Korrelation erwartet wird, macht dies doch Sinn um vorhandene Erfahrungswerte interpretieren zu können. Insbesondere sollen auch Bindemittel nach der RTFOT- und PAV-Alterung geprüft werden, um herauszufinden, ob die thermische Alterung mit diesen Prüfmethoden beobachtet und zutreffend beurteilt werden kann.
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Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser
(Deutsch)
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Bessere Bestimmung der Tieftemperatureigenschaften von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln
Nutzniesser sind: Eigentümer der Strassen, da die Lebensdauer der Strassen erhöht werden kann, durch Elimination von ungeeigneten Bindemitteln, wodurch die Unterhaltskosten reduziert werden können.
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Methoden
(Deutsch)
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Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sind die folgenden Arbeiten geplant:
- Inbetriebnahme und Validierung der adaptierten Prüfeinrichtung für statischen Fracture Toughness Test
- Teilnahme am europäischen Ringversuch
- Einfache Charakterisierung der Bindemittel im Anlieferungszustand mittels Penetration, Ring und Kugel
- Untersuchung von 9 Bindemitteln im Anlieferungszustand mittels SFTT und „DSR-Brechpunkt“ (Ermüdung) inkl. Vergleich mit Brechpunkt nach Fraass
- Untersuchung von 9 Bindemitteln nach Alterung mit RTFOT und PAV mittels SFTT und „DSR-Brechpunkt“ (Ermüdung) inkl. Vergleich mit Brechpunkt nach Fraass
- Auswertung der Resultate mit Berücksichtigung des Berichtes zum europäischen Ringversuch
- Verfassen des Forschungsberichtes
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Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
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Prüfformen für die Prüfkörperherstellung, Adaption der Prüfeinrichtung (Prüfkörperhalterung, Kühlung).
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Allgemeiner Stand der Forschung
(Deutsch)
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Die Prüfmethode Bruchzähigkeit ist für andere Baustoffe wie Kunststoffe, Metalle schon seit längerem bekannt [6,7]. Für bitumenhaltige Bindemittel musste die Methode adaptiert werden. Erste Versuche in Kanada zeigten eine schlechte Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Laboratorien, die auf eine zu ungenaue Beschreibung der Prüfmethode zurückzuführen war [3,4]. Vor einigen Jahren hat eine Task Group des CEN TC 336 sich der Methode angenommen und verschiedene Verbesserungen verwirklicht. In Vergleichsversuchen wurden deutlich bessere Resultate erzielt, weshalb die Methode Anfang dieses Jahres als neue Technische Spezifikation vorgeschlagen wurde. Es fehlen aber noch Ringversuche mit einer grösseren Anzahl an Teilnehmern. Insbesondere fehlen auch Vergleiche mit anderen Bindemittelprüfungen. In den letzten Jahren hat sich das DSR als wertvolles Prüfmittel herausgestellt und verschiedene neue Prüfmethoden wurden mit diesem Gerät entwickelt und teilweise auch normiert, wie beispielsweise die Zero Shear Viscosity. Mit der zunehmenden Zahl an möglichen Prüfmethoden rechtfertigen sich auch die relativ hohen Anschaffungskosten des Prüfgerätes. Während bisher vor allem Methoden für die Beschreibung der Bitumeneigenschaften bei mittleren und hohen Temperaturen entwickelt wurden, lässt die neue Generation von DSR-Geräten Prüfungen bis – 30° zu. Dies ist insbesondere für die Charakterisierung von PmB interessant, die auch bei tiefen Temperaturen noch elastische Eigenschaften aufweisen. Die neue Methode DSR-Bruchpunkt, die bisher in der Literatur nicht beschrieben ist, erscheint deshalb für die Bestimmung dieser Eigenschaften als nützlich.
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Projektziele
(Deutsch)
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Das Forschungsprojekt hat zum Ziel die bisher übliche, für moderne polymermodifizierte Bindemittel (PmB) aber schlecht geeignete technologische Prüfung durch eine neue leistungsorientierte Prüfung zu ersetzen, um eine zuverlässigere, aussagekräftigere und universellere Beurteilung der Tieftemperatureigenschaften von Bitumen und polymermodifizierten Bitumen (PmB) zu ermöglichen. Die vorgesehene Teilnahme am kurz bevorstehenden europäischen Ringversuch erlaubt ein Abgleichen der Resultate. Ziel ist somit eine neue Prüfmethode für bitumenhaltige Bindemittel (PmB, nicht modifizierte und wachsmodifizierte Bitumen):
o mit erweiterter Anwendbarkeit
o welche massgebende grundlegende mechanisch-physikalische Kennwerte basierend auf einer Bruchprüfung liefert
und insbesondere eine höhere Vergleichspräzision aufweist.
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Projektziele
(Englisch)
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The main purpose of the research project is the replacement of the current test method, which has been proved to be insufficient for the assessment of the low temperature behaviour of bitumen and polymer modified binders. The new test method should be performance related und give more accurate and reliable results. The intended participation in the imminent European round robin test gives the opportunity to verify the results. Hence, the goal is a new test method for bituminous binders (PmB, non-modified and wax-modified bitumen):
o with an extended application field
o giving proper and fundamental results with mechanical and physical characteristics based on a fracture test
o and particularly, give improved precision data.
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Forschungsplan
(Deutsch)
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siehe Tabelle1.pdf unten
Materialien:
Prüfen von in der Schweiz gebräuchlichen bitumenhaltigen Bindemitteln mit diesen Methoden vor und nach Alterung im RTFOT und PAV:
1 Bitumen 10/20
1 Bitumen 50/70
1 Bitumen 70/100
1 Bitumen 160/220
3 PmB
1 PmB mit Wachszusatz
3 Bitumen für europäischen Ringversuch (noch nicht festgelegt)
Prüfplan
Anzahl Prüfungen Anlieferungs- nach RTFOT- nach PAV- Ring-
zustand Alterung Alterung versuch Total
Fracture Toughness (SFTT) 9 9 9 3x3* 36
Fraass 9 9 9 27
DSR Bruchpunkt (Ermüdungsversuch) 9 9 9 3 30
Penetration 9
Erweichungspunkt Ring und Kugel 9
RTFOT-Alterung 9
PAV-Alterung 9
* unter Wiederholungsbedingungen mit 3 Wiederholungen
Zugehörige Dokumente
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die gewonnen Erfahrungen werden in die künftige europäische Normierung einfliessen, insbesondere für die performance orientierten Anforderungen. Die Schweiz kann so aktiv in der europäischen Normierung Einfluss nehmen und die benötigten nationalen Anforderungen an die Tieftemperatureigenschaften von Bitumen einbringen.
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Berichtsnummer
(Deutsch)
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1493
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Berichtsnummer
(Englisch)
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1493
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Literatur
(Deutsch)
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1] Determination of the low temperature bitumen cracking properties: fracture mechanics principle applied to a three point bending test using a non homogeneous geometry. E Chailleux, V Mouillet, Proceedings, ICAP, August 2006, Quebec
[2] Eckmann B., Mazé, M., Hir, Y. L., Harders, O. , Gauthier, G. «The future of Fraass», 3rd Eurasphalt & Eurobitume Congress, 2004.
[3] Chailleux E., Gaillet, L., Hamon, D. , Mouillet, V. «Development and interpretation of a test to discriminate between the cracking behavior of normal bitumen binders and polymer modified binders», 10th International Conference on Asphalt Pavements ICAP, 2006, .
[4] Chailleux E., Gaillet, L., Hamon, D. , Mouillet, V. “Towards a better understanding of the three points bending test performed on bituminous binders”, International Conference on Advanced Characterisation of Pavement and Soil Engineering Materials, Athens, GREECE, 2007, p. 1075-1084.
[5] Stroup Gardiner M., Newcomb, D. E., Adedeji, A., Macosko, C. , Bates, F. S. “Evaluation of low temperature properties of polymer modified asphalts”, 5th International RILEM Symposium on Mechanical Tests for Bituminous Materials (MTBM LYON 97), Lyon, France, 1997, p. 153-160.
[6] ASTM D 5045-96, Plane Strain Fracture Toughness and Strain Energy Release Rate of Plastic Materials. Annual Book of ASTM Standards, Vol. 08.03
[7] ASTM E 399-90, Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Standards Vol. 03.01
[8] EN 12593:2007, Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung des Brechpunktes nach Fraaß [9] prCEN/TS 16XXX:2009, Determination of the fracture toughness temperature by a notched three point bending test
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