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Forschungs-Qualität Welche Potenziale Bitumen bietet und wie Labor und Forschung sie noch weiter ausschöpfen

BP Bitumen entwicklungen

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Auf die Sorte kommt es an Viele betrachten Bitumen als Restprodukt aus Raffinerien, doch das Bindemittel ist ein Multitalent für Spezialeinsätze

Gesamtkunstwerk Asphalt Asphalt mit polymermodifiziertem Bitumen hält Hitze und Kälte besser stand und trotzt stärksten Belastungen

Härtetest im Labor Das Bitumen-Technologiezentrum der BP in Gelsen­kirchen treibt die Entwicklung des Baustoffs voran

Wissen für den Straßenbau Außendienstberater und Gelsenkirchener Zentrallabor der BP arbeiten bei Bauprojekten Hand in Hand

IMpressum Redaktion und Layout: Content Company – Agentur für Kommunikation GmbH Fotos: Unclesam – Fotolia.com (S. 3); Friedrich Stark (S. 3, 7, 9, 10); iStockphoto/fajean (S. 6)

Forschung für die Welt Die BP Bitumen Forschung wirkt von Deutschland aus rund um den Globus BP hält Anteile an 22 Raffinerien rund um den Globus, gut jede zweite davon stellt Bitumen her: 13 Raffinerien in Europa und Russland, in Nordamerika, Afrika und Australien produzieren das zähe Erdölprodukt. Vier dieser Raffinerien stehen allein in Deutschland. Hier konzen­ triert BP auch die Forschung und Qualitätssicherung für seine globalen Bitumenaktivitäten: im Technologiezentrum auf dem Gelände der Raffinerie Gelsenkirchen. Der drittgrößte private Mineralölkonzern der Welt misst dem Forschungs­standort Deutschland einen so hohen Stellenwert bei, weil hierzulande in der Bitumenbranche „die Musik spielt“: Das Transitland Deutschland stellt höchste Anforderungen an den Straßenbau. Hier wird hochwertiges Bitumen hergestellt. Und nirgendwo sonst ist der Wettbewerb so stark.

Herstellung: In vier deutschen Raffinerien stellt BP das Rohölprodukt Bitumen her.

Forschung: In Gelsenkirchen erforscht BP den Bau- und Werkstoff Bitumen.

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„Asphaltkleber“: Rund 80 Prozent des Bitumens kommen als Bindemittel für Asphalt zum Einsatz.

bis springharten Bitumensorten werden zum Beispiel für die Herstellung von Gussasphalt­ estrichen im Hoch- und Indus­ triebau sowie bei der Produktion von Lacken, Gummiwaren und Isoliermaterial eingesetzt. Oxidationsbitumen werden in speziellen Reaktoren (Oxidationsanlage) hergestellt. Durch Einblasen von Luft bei hohen Temperaturen in ein definiertes Gemisch aus geeignetem Fluxöl und Bitumen stellt man aus dem weichen Destillationsbitumen gezielt Bitumensorten mit gewünschten Eigenschaften her. Durch

Auf die Sorte kommt es an Bitumen gilt als Restprodukt. Bei näherem Hinsehen überraschen jedoch Qualität und Vielfalt

die Beschaffenheit des eingesetzten Bitumens, durch die Merkmale der Rezeptur mit dem zugesetzten Fluxöl und zusätzlich durch den Oxidationsvorgang selbst werden die naturgegebenen Eigenschaften des Bitumens in bestimmte Richtungen gelenkt: zu mehr Dauerhaltbarkeit oder zu mehr Klebekraft, zu höherer Beständigkeit in der Wärme oder zu besserer Flexibilität bei Kälte. Es werden demnach bestimmte Eigenschaften des Bitumens „eingestellt“. Oxidbitumen findet vielfältige Verwendung in der Industrie, meist in Form von Dach- und Dichtungsbahnen.

Das ist drin im Rohöl Kohlenstoffatome im Kohlenwasserstoffmolekül

Fraktion Bitumen ist ein Naturprodukt, das aus organischen Substanzen besteht. Es ist in schweren, geologisch alten Rohölen enthalten, wie sie überwiegend in Venezuela, dem Mittleren Osten und in Russland gefördert werden. Leichte Rohöle hingegen, beispielsweise aus Nahost, den USA oder der Nordsee, eignen sich sehr viel besser für die Destillation von Benzin und Dieselkraftstoffen. Das

schwerflüchtige Bitumen wird in Raffinerien von den leichteren, destillierbaren Anteilen des Rohöls getrennt und aufgearbeitet. Grundsätzlich unterscheidet man dabei vier Bitumensorten: Destillationsbitumen erhält man nach atmosphärischer Destillation und anschließender Vakuum-Destillation von Rohöl bei 300 bis ca. 400 °C. Dabei werden weiche bis mittel-

harte Sorten gewonnen, die vor allem als Bindemittel für Asphalt im Straßenbau verwendet werden. In Deutschland unterscheidet man fünf genormte Sorten unterschiedlicher Härte (DIN EN 12 591). Hochvakuum- und Hart­bitumen werden durch weitere Verarbeitungsschritte aus Destillationsbitumen erzeugt. Diese harten

Polymermodifiziertes Bitumen (PmB) sind Bitumen, die heißlagerstabil mit Polymeren (Kunststoffen) vernetzt werden. So lässt sich gezielt ihr thermoviskoses und elastoviskoses Verhalten ändern, also das Fließverhalten bei hohen und das elastische Verhalten bei tiefen Temperaturen. Meist wird PmB als Bindemittel eingesetzt, um Asphalt für besonders stark beanspruchte Straßen herzustellen.

Siedebereich (in °C)

Flüssiggas

3– 4



Benzin

5 –10



15–150

12–18



150–260

Dieselkraftstoff

18 –24



230–370

Schmierstoffe

24 –40



370–525

Kerosin

Schweres Heizöl Bitumen





–10–15

24–300+

370+

40 –300+

525+

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Gesamtkunstwerk Asphalt

Bitumen im Labor: Die Weiterentwicklung von Polymerbitumen interessiert die Forscher besonders. Spurrinnen ade: PmB (l.) verringert die Temperaturempfindlichkeit des Asphalts und macht ihn im Sommer standfester.

Polymere verleihen Bitumen und Asphalt neue Eigenschaften

VorzeigeRecyclingprodukt: Asphalt wird zu über 80 Prozent wiederverwertet.

Im Straßenbau werden heute in Deutschland bereits mehr als 20 Prozent polymermodifizierte Bitumen (PmB) eingesetzt. Diese Bindemittel finden zumeist im Asphalt vielbefahrener Straßen sowie auf Industrieflächen Anwendung. Der Hintergrund: Straßenasphalt wird immer stärker belastet − durch das steigende Verkehrsaufkommen, durch höhere Achslasten, durch zunehmenden Reifendruck aufgrund von Super-Single-Reifen und durch extremere klimatische Verhältnisse. Das stellt auch das Bindemittel Bitumen vor größere Herausforderungen. Denn Bitumen gehört zu den

viskoelastischen Stoffen, seine Viskosität ist also temperaturabhängig. Bei Abkühlung wird es hart und spröde, bei Erwärmung durchläuft es stufenlos alle Zustände von fest über zähflüssig bis dünnflüssig. Mit dem Einsatz von PmB kann Asphalt nun auch bei höheren Temperaturen standfester ausgelegt werden und zeigt selbst nach höherer Belastung und längerer Liegezeit kaum Verformungen. Auch der Widerstand gegen kälteinduzierte Risse ist bei der Wahl des richtigen Bindemittels deutlich höher. So trägt elastomermodifiziertes Bitumen von BP dazu bei, dass Asphalte auch bei tiefen Temperaturen eine höhere Lebensdauer ohne Risse und Schlaglöcher aufweisen.

Elastizität Vs. Viskosität Das BP Labor in Gelsenkirchen entwickelt neue Rezepturen und neue Sorten von PmB. Dafür müssen geeignete Polymere identifiziert und in Bitumen eingearbeitet werden. Anschließend prüfen die Ingenieure deren anwendungstechnische Eigenschaften. Mit rheologischen Prüfungen testen sie sowohl das elastische als auch das viskose Verhalten des modifizierten Bitumens. Und auch der fertige Asphalt muss bei Druck- und Zugprüfungen seine Eignung unter Beweis stellen. Mithilfe der Ergebnisse ist es gelungen, das Spannungsver-

hältnis zwischen Elastizität und Viskosität des Bitumens zu verbessern und in ein ausgewogenes Mitein­ander zu verwandeln: Der Asphalt bleibt im Winter elastisch, im Sommer standfest. Überdies arbeiten Fachleute von BP ständig an weiteren Verbesserungen. Lärmbremse asphalt Der Spagat zwischen der im Winter notwendigen Flexibilität und der im Sommer geforderten Steifigkeit gelingt, weil Chemiker von BP die Polymere in einem eigenen Verarbeitungsschritt heißlagerstabil mit der Bitumenmatrix vernetzen konn-

ten. Das Ergebnis beeindruckt: Im Splittmastixasphalt, einer Regel-Deckschicht für Autobahnen, kommt „Standard-PmB“ als Bindemittel zum Einsatz. Im offenporigen Asphalt hingegen haben sich höher modifizierte PmB u. a. von BP mit den Produktnamen Olexobit SMA und Olexobit MP bewährt, die über außergewöhnlich große Klebekraft verfügen. Sie machen größere Hohlräume im Asphalt möglich, die sowohl Abrollgeräusche der Reifen als auch Regenwasser „schlucken“ und so für Lärmminderung und mehr Sicherheit auf der Straße sorgen. Ein echtes Gesamtkunstwerk eben.

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härtetest im Labor Forschung und Qualitäts­ sicherung: das BP Technologie­ zen­trum in Gelsenkirchen

Dynamischer Druckversuch: Die Standfestigkeit einer im Labor hergestellten Asphaltmischung wird überprüft.

Auch wenn man mit normalem Straßenbaubitumen hervorragende Verkehrswege bauen kann, spielen Kunststoffe im Bitumen eine immer größere Rolle. Sie sorgen mit dafür, dass in Deutschland mit die besten Bitumen weltweit hergestellt werden. Die Vorteile des polymermodifizierten Bitumens (PmB) kommen insbesondere auf vielbefahrenen Straßen zum Zuge. Und die Entwicklung geht weiter. Im Gelsenkirchener Zentrallabor arbeiten BP Ingenieure daran, ihr „Standard-PmB“ technisch und wirtschaftlich weiter zu verbessern. Jenseits des Standards entwickeln sie ebenfalls unter dem Markennamen Olexobit höher modifizierte Produkte, die zu noch besserer Leistung im Stande sind. So werden immer wieder neue

Kunststoffentwicklungen auf ihre Eignung für den Einsatz im PmB überprüft. Ebenso könnte sich der Polymergehalt sowie der Grad und die Art der Verteilung (Dispersion) ändern. Generell gilt die Daumenformel: Über die Art der Polymere und ihre Konzentration lässt sich die Kältebeständigkeit des Bindemittels steuern. Wegen ihres geringeren spezifischen Gewichts wollen Polymere im Bitumen aufsteigen, wodurch PmB seine positiven Eigenschaften verliert. Um das zu verhindern, müssen die Kunststoffteile heißlagerstabil mit dem Bitumen vernetzt, in der Matrix „festgenagelt“ werden. Auch Qualität und Chemie des Grundbitumens bieten noch weiteres Entwicklungspotenzial. Polymere „festnageln“ Neben der reinen Forschung kümmert sich das größte Bitumenlabor in Deutschland um die Qualitätssicherung für alle Bitumen produzierenden Standorte der BP weltweit. Etwa mit der Vorab-Prüfung von Rohölen vor der Anlieferung. In einer „Raffinerie im Labormaßstab“ destillieren Forscher das Rohöl und prüfen es auf seine Bitumen-Tauglichkeit. Und für die Herstellung von PmB tüfteln die Gelsenkirchener Fachleute das für das jeweilige Rohöl passende Polymergemisch aus. Das Labor überwacht auch alle

qualitätsrelevanten Komponenten des Bitumens. Dabei werden neben den konventionellen Prüfverfahren wie Nadelpene­tration und Erweichungspunkt Ring und Kugel auch rheologische Prüfverfahren zur genaueren Charakterisierung des Bitumens eingesetzt.

Vergleich Härte/Viskosität Temperatur, °C

Rheologische tests Mit dem Dynamischen Scherrheometer (DSR) zum Beispiel kann man über einen weiten Temperaturbereich den jeweils elastischen und plastischen Anteil von Verformungen in Bitumen erfassen. So wird die Steifigkeit oder auch die Elastizität und das Fließverhalten des Bitumens bei sommerlicher Hitze analysiert. Messungen am Biege-Balken-Rheometer (BBR) bestimmen die Steifigkeit bei winterlichen Temperaturen. Hintergrund der beiden Prüfmethoden: Je steifer Bitumen bei Kälte wird, desto eher neigt es zum Reißen. Und je steifer das Bindemittel bei sommerlicher Hitze bleibt, desto eher bleibt die Asphaltoberfläche von Verformungen verschont. Fazit: Erst diese nicht von allen Labors durchgeführten anwendungsbezogenen Prüfungen zeigen, wie sich Bitu­men im täglichen Einsatz verhält. Hinzu kommen Ermüdungstests, die eine mehr­ jährige Be­­an­spruchung des Asphalts im Zeitraffer nachstellen.

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Komplexer Schermodul, Pa

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Frequenz, Hz

Beispiel für die Auswertung der rheologischen Untersuchungen: Die Masterkurve repräsentiert den komplexen Modul bei einer Referenztemperatur. Sechs verschiedene Temperaturbereiche werden gezeigt.

Prüfung der elastischen Rückstellung: Hier wird die Elastizität von PmB bestimmt.

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Qualifizierte Labor­ arbeit: Sie ist unerlässlich für anspruchsvolle Straßenbauprojekte.

Wissen für den StraSSenbau Ohne Labor geht’s nicht: Bevor ein Straßenbauprojekt startet, sind viele technische Fragen zu klären

Straßen müssen konkrete Anforderungen erfüllen, die der Auftraggeber, beispielsweise Bund, Land oder Kommune, in einem Leistungsverzeichnis ausschreibt. Das Asphaltteam des Gelsenkirchener BitumenTechnologiezentrums der BP unterstützt Kunden bei der Rohstoffauswahl, Rezepturentwicklung und Produktionsplanung.

So wird sichergestellt, dass ein technisch und wirtschaftlich optimales Asphaltmischgut zur Baustelle gelangt. Das BP Labor führt außerdem Erstprüfungen durch. Grösstes deutsches Bitumenlabor Auf dem Gelände der BP Raffinerie Gelsenkirchen ist das größte Bitumenlabor in Deutschland angesiedelt. Hochqualifizierte und erfahrene Mitarbeiter haben dort ihren Arbeitsplatz, darunter Physiker, Mineralölingenieure, Bauingenieure, Chemiker, Chemietechniker und Laboranten. Beispiel Erstprüfung: Hier überprüfen die Mitarbeiter des Tech-

nischen Kundendienstes des Bitumenlabors zunächst die vorgesehenen Mineralien, ihre Art und Zusammensetzung. Dann erstellen sie eine Rezeptur aus den zu mischenden groben und feinen Gesteinskörnungen und legen Art und Menge des verwendeten Bitumens fest. Dann folgt der Praxistest. Wie die Gesteinskörnungen aus dem vorgesehenen Steinbruch sich tatsächlich mit der geforderten Bitumensorte vertragen, lässt sich nur experimentell überprüfen. Im Labor wird deshalb die vorgesehene Asphaltrezeptur in einer Mischanlage in kleinem Maßstab hergestellt. Anschließend wird der fertige Asphalt getestet. Erst dann lässt sich absehen, ob die vorgesehene Asphaltmischung der erwarteten Belastung der Straße standhält und eingebaut werden kann. berater von behörden und baufirmen Den Kontakt zwischen Baufirma und Labor stellen in aller Regel die Ingenieure im Außendienst von BP Bitumen her. Sie sind vor Ort bei Bedarf auch auf der Baustelle als Berater der Behörden und beauftragten Ingenieurbüros tätig, häufig

auch als technische Berater der Mischanlagenbetreiber, die den Asphalt für die Straßenbauprojekte herstellen. Der größte Nutzen für die Kunden besteht oft in der engen Zusammenarbeit aller Baubeteiligten mit dem BP Zentrallabor. Das gilt für die Behörden, aber auch für die Baufirmen etwa bei wichtigen Qualitätssicherungsmaßnahmen. Beispielsweise dann, wenn in einer Mischanlage Asphaltproben entnommen werden müssen, um sie im Labor auf ihre Zusammensetzung zu überprüfen. Oder wenn auf einer Baustelle sogenannte Sonderbindemittel benötigt werden. Um solche speziellen Bitumen für Problemfälle zu entwickeln, wird häufig das Gelsenkirchener Bitumenlabor eingeschaltet. Denn die Ingenieure und Chemiker des BP Zentrallabors bringen das detaillierte Wissen und die nötige Erfahrung für beinahe jede Pro­blemstellung mit.

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