NANOASPHALT – Optimierung der Gebrauchseigenschaften und der Beständigkeit von Asphaltstraßen unter Nutzung der Nanotechnologie

S 163: Uwe Beginn:
NANOASPHALT – Optimierung der Gebrauchseigenschaften und der Beständigkeit von Asphaltstraßen unter Nutzung der Nanotechnologie
146 S., 128 Abb., 33 Tab., ISBN 978-3-95606-639-9, 2021

Ziel des Forschungsvorhabens war die Herstellung von „Nanoasphalt“ aus mit polymerbeschichteten, plätchenförmigen Nanopartikeln dotierten Bitumenbindemitteln und die Untersuchung des Alterungsverhaltens der neuen materialklasse. Theoretische Voruntersuchungen zeigten, dass statistisch im Volumen verteilte, mplättchenförmige Partikel mit Aspekverhältnissn D/H > 100 als effektive Diffusionsbarrieren wirken und sowohl die oxidative Alterung als auch den Verlust weichmachender Bestandteile aus Bitumenbindemitteln um den Faktor 2 - 3 verlangsamen können. Es wurde eine lösemittelfreie Synthese für AlkylQuat-Primer-Polymere entwickelt und ein Verfahren ausgearbeitet, um Natrium-Montmorillonit (NaMMT) in einem einstufigen Verfahren zu exfoliieren und die entstehenden Silikatblättchen mit den Polymeren zu beschichten. Hochverzweigte Polymere auf Basis von Polyethylenimin mit einem Quarternisierungsgrad von ca. 5 mol% und einem Alkylierungsgrad von 80 mol% unter Verwendung von C12-Substituenten adsorbieren irreversibel auf Montmorrilonit und wirken zugleich als Dispergiermittel. Es konnten Nanopartikel-Bitumen-Komposite (NPBK) hergestellt werden, die bis zu 10 M.-% Nanopartikel mit Dicken von 10-50 nm und Durchmessern von ca. 1-10 µm enthielten. Zur Herstellung eines Demonstrators wurden die Synthesen in den Halbtechnikumsmaßstab hochskaliert (11 kg Polymer à 22 kg modifizierte Nanopartikel à 440 kg Nano-Bitumen à 6.200 kg Nano-Asphalt). Die Einmischung der Nanopartikel in das Bitumen erfolgte einmal mit dem bereits in der Pilotstudie eingesetzten Schnecken-Extruder und mit Blick auf eine spätere Hochskalierung des Herstellungsprozesses mittels Hochschermischer. Die auf diese Weise hergestellten NPBKs wurden in unterschiedlichen Alterungsstufen (frisch, kurz- und langzeitgealtert) anhand von konventionellen und rheologischen Prüfungen beurteilt. Mit ausgewählten NPBK-Varianten wurden auf Laborebene Asphalte hergestellt, die ebenfalls umfangreichen Testreihen unterzogen wurden. Den Projektabschluss bildete die großmaßstäbliche Mischgutherstellung in einer Asphaltmischanlage sowie das Anlegen und Beproben einer Demstratorfläche.