Das Haftverhalten zwischen Bindemittel und Mineralstoff wird durch unterschiedliche Einflussgrößen beider Stoffe beeinflusst. Das Anhaften zweier Stoffe aneinander wird als Adhäsion beschrieben. Diese chemische und physikalische Verbindung entsteht aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den beiden Haftpartnern. 2.1 Bitumen 2.2 Mineralstoffe 2.1 Bitumen 2.1.1 Viskosität Die Viskosität des Bitumens ist temperaturabhängig und wird durch den Härtegrad der Bitumensorte beeinflusst. Mit zunehmender Temperatur steigt die Beweglichkeit der Moleküle innerhalb des Bitumens an. Dabei nehmen die zwischenmolekularen Anziehungskräfte ab, wodurch die Oberflächenspannung sich verringert und die Benetzungsfähigkeit zunimmt. Bitumen mit hoher Viskosität zeigen eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber der Verdrängung am Gestein bei Wasserlagerung. [18] 2.1.2 Chemische Zusammensetzung Im Bitumen besteht eine kolloidale Struktur, die in eine zerstreute (disperse) Phase (Asphaltene) und eine zusammenhängende (kohärente), dispergierende Phase (Maltene) eingeteilt wird: · Die Asphaltene (feste Phase) sind mit Erdölharzen umgeben und bilden im Kolloidsystem sie sogenannten Mizellen. · Die Maltene (ölige Phase) setzen sich aus den Erdölharzen und Ölen zusammen. 
Abb.1: Schema der
Bitumen-Struktur [5]
Bei zunehmender Temperatur vergrößern die Maltene ihr Volumen, wobei sich das Volumen der Asphaltene verringert. Die Asphaltene sind durch die Maltene getrennt und haben keinen Verbund mehr. Es entsteht Solbitumen. Solbitumen
 Bei niedriger Temperatur entsteht ein Verbund zwischen den Asphaltenen. Dabei wird die Maltenphase eingeschlossen. Dieser Zustand wird als Gelbitumen bezeichnet. Gelbitumen
Die chemische Zusammensetzung des Bitumens wird durch die Provenienz beeinflusst. Bitumen besteht im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen, Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff. Zusätzlich sind geringe Mengen anderer Elemente, wie z.B. Nickel, Natrium, Eisen und Vanadium vorhanden. Die prozentualen Anteile sind nach BREUER 1985:
Tab.1: Chemische
Zusammensetzung des Bitumens [9]
Die Atome der Kohlenwasserstoffverbindungen können sich kettenförmig, verzweigt oder ringförmig ausbilden. Grundsätzlich unterscheidet man die Kohlenwasserstoffe in: · Kettenkohlenwasserstoffe (aliphatische Kohlenwasserstoffe), geradkettige und verzweigtkettige Kohlenwasserstoffe · Ringkohlenwasserstoffe (aromatische Kohlenwasserstoffe) Wenn die Kohlenstoffatome einfach verbunden sind, nennt man sie gesättigte Kohlenwasserstoffe. Bei den ungesättigten Kohlenwasserstoffen sind die Kohlenstoffatome doppelt oder dreifach gebunden. Erdöl besitzt eine Vielzahl verschiedenartiger Verbindungen, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Je nach Art der Bindung der Kohlenwasserstoffe unterscheidet man bei der Erdölverarbeitung vier Hauptgruppen: Paraffine, Olefine, Naphthene und Aromate.  Tab.2: Einteilung
der Kohlenwasserstoffe
Paraffine (Alkane) Paraffine sind gesättigte Kohlenwasserstoffe. Bei ihnen sind die C-Atome entweder in einer geraden Kette (Normal-Paraffine) oder in einer Kette mit Verzweigungen (Iso-Paraffine) miteinander verbunden. Die Olefine Olefine (chemische Nomenklatur: Alkene) sind im Erdöl von Natur aus nicht vorhanden. Sie entstehen, teilweise gewollt, bei weiterverarbeitenden Prozessen wie den Crack-Verfahren. Der einfachste ungesättigte Kohlenwasserstoff ist das gasförmige Ethen. Die nächst höheren Olefine heißen Propen, Penten usw.. Die Naphthene Die Naphthene (auch Cycloalkane genannt) sind, obwohl gesättigt, weitaus reaktionsfähiger als die Paraffine. Am häufigsten sind Ringe mit fünf, sechs oder sieben Kohlenstoffatomen. Es gibt auch Naphthene mit zwei oder mehreren Ringen und solche, bei denen am Ring eine oder mehrere Seitenketten hängen. Naphthenische Kohlenwasserstoffe zeichnen sich durch Kältebeständigkeit aus. Aromate Das Grundgerüst der Aromaten ist ein besonders stabiler Ring (Benzolring) aus sechs Kohlenstoffatomen, der abwechselnd drei C-C-Doppel- und drei C-C-Einfach- Bindungen enthält (Benzolring). Mit dem aromatischen Ring können weitere Ringsysteme oder auch Seitenketten verbunden sein. 2.1.3 Rohölprovenienz Die chemische Zusammensetzung und die damit verbundenen Eigenschaften des Bitumens ist von der Erdölprovenienz abhängig. Bei Rohölen unterscheidet man in Abhängigkeit ihrer Provenienz paraffinbasische und naphtenbasische Grundöle. Im Verhalten dazwischen liegende Öle werden als gemischtbasische oder paraffin-naphtenbasische Öle bezeichnet. Während bei naphtenbasischen Ölen Naphthene und Aromaten überwiegen, enthalten paraffinbasische Öle wesentlich mehr Paraffin-Kohlenwasserstoffe und zeigen eine geringere Dichte. Aus der Literatur ist zu entnehmen, dass aromaten- und paraffinhaltige Bitumen unterschiedlichen Einfluss auf die Adhäsionvermögen haben: · Das Adhäsionsvermögen steigt mit der Aromatizität des Bitumens an. [21] · Paraffine in höheren Konzentrationen bedeutet eine Verschlechterung der Adhäsion und Benetzung der Mineralstoffe Der genormte Höchstwert im Bitumen beträgt: 2,0 Gew.- %. [16], [9]
Tab.3:
Klassifizierung der Erdöle nach ihrer Provenienz [17]
In einer Forschungsarbeit von BUTZ, RAHIMIAN und HILDEBRAND wurden vier Grundbitumen unterschiedlicher Provenienz auf ihren Asphalten-, Harz-, Aromaten- und Paraffingehalt untersucht. Die Bestimmung des Asphalten- und Harzgehaltes wurde nach NEUMANN mit einer kolloidchemischen Analyse durchgeführt. [1]  Tab.4: Asphalten-,
Erölharz, und Dispersionsmittelgehalt von Grundbitumen [1]
Die Paraffingehalte der vier Grundbitumen wurden nach DIN 52015 ermittelt. Das paraffinbasische Bitumen aus Russland überschreitet den zulässigen Höchstwert mit 2,8 % (> 2,0 Gew.: %).
Tab.5: Paraffingehalt
nach DIN 52015 von Grundbitumen [1]
Des weiteren wurden die Anteile an Aromaten, gesättigten Kohlenwasserstoffen, sowie polare Anteile mittels einer automatischen Dünnschichtchromatographie analysiert.  Tab.6:
Strukturtypenanalyse der Grundbitumen [1]
2.1.4 Polarität Bitumina enthalten polare Komponenten, die durch unterschiedliche Bestandteile im Bitumen beeinflusst werden. Mit der Dielektrizitätskonstante e (e = 2,6 – 3,0; T = 5°C – 80°C) kann die Polarität von Stoffen charakterisiert werden. Sie gibt an, um welchen Faktor die Anziehungskraft zweier elektrisch geladener Platten abnimmt, wenn anstelle von Vakuum der betreffende Stoff zwischen die Platten eingesetzt wird. Die Polarität des Bitumens ist um so größer, je höher die Dielektrizitätskonstante ist. Aromate besitzen im Bitumen große und Paraffine kleine Dielektrizitätskonstanten. Somit nimmt die Polarität mit steigender Aromazität zu. Die Polarität der Kohlenstoffverbindungen erhöht sich durch Bildung von Heteroatomen, auch Heteroaromaten genannt. Bei dieser Art der Ringkohlenwasserstoffe wird mindestens ein Kohlenstoffatom durch ein anderes Element, wie z.B. Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff oder verschiedener Metalle, ersetzt. Die Heteroverbindungen lagern sich an den Grenzflächen des Bitumens an und vergrößern das Adhäsionsvermögen. Nach NEUMANN sind die polaren Heteroverbindungen ionenaktiv. Die anionenaktiven Substanzen sind saure Sauerstoff- und Schwefelverbindungen, die in den Asphaltenen stark angereichert sind. Diese sind besonders gegen Wasser, höherer pH-Werte und basischen Mineralstoffen grenzflächenaktiv. Daraus resultiert eine nur begrenzte Benetzung der Asphaltene an sauren Gesteinen. Die kationenaktiven Verbindungen der Bitumen bestehen aus basischen Stickstoffverbindungen und befinden sich in den Erdöl – Harzen. Gegenüber sauren pH-Werten und sauren Mineralstoffen sind die basischen Verbindungen stark grenzflächenaktiv. Daraus resultiert eine Abnahme der Grenzflächenspannung, so dass eine Benetzung von sauren Mineralstoffen möglich wird. Nach NEUMANN besitzt daher das Mittelost-Bitumen, das einen hohen Gehalt an Erdöl-Harzen aufweist, eine gute Haftung gegenüber silikatischen Mineralstoffen. [16], [17]
Tab.7: Ionenaktive
Stoffe im Bitumen [16]
Über die polaren Anteile der Bitumen gibt es unterschiedliche Angaben. In einer Analyse nach BUTZ, RAHIMIAN, HILDEBRANDT wurden Grundbitumen unterschiedlicher Provenienz nach ihren polaren Anteilen untersucht. Wie in Kapitel 2.1.3 bereits aufgeführt, wurden in einer Strukturtypenanalyse mittels automatischer Dünnschichtchromatographie und quantitativer FID-Auswertung vier Grundbitumen betrachtet. Es ergaben sich zwei polare Fraktionen. Die erste Fraktion (Polare 1) wurde mit Dichlormethan / Methanol entwickelt. Die zweite Fraktion (Polare 2) bildete die am Startpunkt verbliebene unlösliche Fraktion. [1]
Tab.8: Polare
Anteile der Grundbitumen unterschiedlicher Provenienz [1]
2.1.5 Alterungsbeständigkeit Die Alterung des Bitumens lässt sich in drei Formen, die miteinander kommunizieren, einteilen: · Verdunstungsalterung (destillative Alterung) · Oxidative Alterung · Strukturalterung Die Verdunstungsalterung beruht auf physikalischen Vorgängen. Es werden leichtflüchtige Ölanteile durch thermisch-destillative Vorgänge abgedampft. Es kommt zu einer Konzentrationserhöhung der Asphaltene. Mit zunehmender Bitumenhärte nimmt dabei die Neigung zu diesem Vorgang ab. Die oxidative Alterung ist eine chemische Alterung. Der wesentliche Auslöser dieser Alterungsform ist der Luftsauerstoff. Die Oxidation greift die C-H – Bindungen an und führt zu einer höheren Konzentration der Asphaltene. Werden die Asphaltene und die Erdöl - Harze vergrößert, kommt es zu einer Strukturalterung. Das gealterte Bitumen führt zu einer Verschlechterung des Gebrauchsverhaltens des Asphaltbelages. Die chemische Veränderung des Stoffes hat die Verhärtung des Bindemittels und den Abbau der Klebefähigkeit zur Folge. Dies wirkt sich negativ auf das Haftverhalten aus. Positive Auswirkungen zeigt die erhöhte Viskosität des Bitumens, wodurch der Haftverbund verstärkt wird. 2.2 Mineralstoffe 2.2.1 Mineralogische Zusammensetzung Die mineralogische Zusammensetzung der Gesteine spielt bei Hafterscheinungen eine wichtige Rolle. Gesteine besitzen unausgeglichene Oberflächenladungen, die für Gesteinsarten unterschiedliche Oberflächenenergien ausbilden. Wird ein Mineralstoff gespalten, so gehen den Atomen der neuen Oberfläche Bindungspartner verloren. Die frei gewordenen Bindungskräfte ziehen daraufhin Bestandteile der Umgebung, wie z.B. Wasser, an. Andererseits richten sich die neuen Bindungskräfte nach innen, wodurch eine Störung des Kristallgitters entsteht. Kommt das Gestein mit einer Flüssigkeit entgegengesetzter Polarität in Kontakt, deckt das Gestein seinen Energiebedarf. Es entsteht eine Haftverbindung zwischen Flüssigkeit und Gestein. Folgend haftet die Flüssigkeit besser, die den benötigten Energiebedarf des Gesteins besser abdecken kann. Mineralstoffe werden in hydrophobe (wasserabstoßende) und hydrophile (wasseranziehende) Gesteinsarten unterschieden. Bei hydrophoben Mineralstoffen wird das Bitumen, bei Anwesenheit von Wasser, auf der Oberfläche schlechter verdrängt. Untersuchungen mit verschiedenen Gesteinen zeigen ein differentes Haftverhalten. Bei Mineralstoffen mit einem erhöhten Anteil an Quarz kann es zu einer mangelhaften Verbindung zwischen Korn und Bitumen kommen. [4], [18] Saure Mineralstoffe bestehen hauptsächlich aus Quarz, d. h. Siliciumdioxid – SiO, und sind durch „haftkritische“ Eigenschaften charakterisiert. Basische Mineralstoffe bestehen dagegen hauptsächlich aus Calcit, d.h. Calciumcarbonat – CaCO und werden durch haftunkritische Eigenschaften charakterisiert, wie z.B.: · Schlechtes Haftverhalten: Quarz, Quarzit, Hornblende, Biotit, Orthoklas · Gutes Haftverhalten: Basalt, Augit, Olivin  Tab.9: Gliederung
magmatischer Gesteine anhand ihres Chemismus [25]
2.2.2 Oberflächenrauhigkeit Die Rauhigkeit der Gesteinsoberfläche beeinflusst das Benetzungsverhalten und das Adhäsionsvermögen des Bitumens. Eine große Oberflächenrauhigkeit des Gesteins hat aufgrund der vergrößerten Kontaktoberfläche einen positiven Einfluss auf die Adhäsion. Es hat eine niedrigere Zugspannung an der Grenzfläche zur Auswirkung. Die Benetzung kann dagegen durch vorhandene Poren bzw. feine Oberflächenrisse, die eingeschlossene Luft oder Feuchtigkeit enthalten, gestört werden. [18] 2.2.3 Porosität Die Porosität des Gesteins kann sich positiv auf den Haftverbund Bitumen - Gestein auswirken. Bei Anwesenheit von Poren, Rissen und Kapillaren kann das Bitumen in das Gestein eindringen und somit eine physikalische Verzahnung bewirken. Entscheidend beeinflusst wird dieser Vorgang durch die Temperatur bei der Herstellung der Verbindung. Hat das Gestein und das Bindemittel bei der Fertigung eine hohe Temperatur, wird das Volumen der in den Poren eingeschlossenen Luft bei der Abkühlung verringert. Infolgedessen wird das Bitumen in die Poren eingesaugt und es entsteht eine gute Haftverbindung. Wird dagegen bei der Herstellung nicht ausreichend erwärmtes Bitumen eingesetzt, führt dies zu einer Ausdehnung des Luftvolumens in den Poren und zur Bindemittelablösung am Gestein. [18] 2.2.4 Oberflächenüberzug Mit dem Oberflächenüberzug am Gestein ist eine Verstaubung oder Benetzung mit Wasser der Oberfläche gemeint. Dies hat eine Verminderung des Spreitens (Ausbreitung) und der Benetzungsfähigkeit zur Folge. Ist die Benetzung bzw. die Umhüllung des Gesteins gestört, kann es an der Grenzfläche durch Unterwanderung zur Ablösung des Bitumens kommen. Die Trockenheit der Gesteinsoberfläche spielt dabei eine wichtige Rolle. Die Adsorption von Wasser wird im Wesentlichen durch die Oberflächenenergie der Mineralstoffe hervorgerufen. Frisch gebrochene Steine adsorbieren an der Luft umgehend Wassermoleküle, die einen Wasserfilm bilden. Damit tritt eine Absättigung der freien Valenzen auf der Oberfläche ein. Erst bei hohen Temperaturen kann das Wasser auf der Oberfläche verdunsten. [7], [18], [22] 2.2.5 Polarität Ein polares Verhalten der Gesteine wird auf das Dipolmoment zurückgeführt. Die Polarität ist proportional zum Dipolmoment, das wiederum von der Elektronegativitätsdifferenz zweier in Wechselwirkung stehender Elemente abhängig ist. Eine polare Atombindung entsteht dadurch, dass einer der beiden Bindungspartner mehr Anziehungskraft auf das gemeinsame Elektronenpaar ausüben kann als der andere. Dadurch kommt es zu einer Ladungsverschiebung oder Ungleichverteilung des gemeinsamen Elektronenpaares: es entsteht ein Dipol. 
Abb.3: Modell: Polare und unpolare
Bindungen [6]
Hervorgerufen wird dieser Effekt durch bestimmte Eigenschaften eines Bindungspartners, die in dem Begriff der Elektronegativität zusammengefasst werden. Die Elektronegativität gibt an, wie stark ein Partner einer Molekülbindung das gemeinsame Elektronenpaar zu sich verschieben kann. Das Ausmaß der Ladungsverschiebung wird dann durch die Elektronegativitätsdifferenz deutlich. [6] Besonders silikathaltige Gesteine zeigen ein hohes Dipolmoment und werden daher von polaren Flüssigkeiten, wie Wasser, gut benetzt. Im Gegensatz dazu stehen Mineralstoffe aus Calciumkarbonat, denen ein geringes Dipolmoment zugeschrieben wird. Der Haftpartner Bitumen besitzt ebenfalls polare Verbindungen. Kommt es zur Annäherung zweier Atome entgegengesetzter Polarität, sind diese Atome bestrebt ihren Energiebedarf zu decken. Sie bilden eine Haftverbindung, die durch die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Molekülen entsteht. Polare Stoffe zeigen damit eine höhere Adhäsion als unpolare Stoffe auf. Die Polarität bestimmt zusätzlich die Oberflächenspannungsenergie. Es konnte festgestellt werden, dass frisch gebrochene Mineralstoffe im Vergleich zu Mineralstoffen längerer Lagerzeit, eine höhere Oberflächenenergie besitzen. Nach dem Brechen tritt ein Prozess der Reorganisation der polaren Anteile auf der Oberfläche ein. Durch zusätzliche Adsorption von Bestandteilen aus der Luft (Wasser, Staub) verringert sich die Oberflächenenergie, bis sich nach einigen Monaten ein annähernd stabiler Zustand einstellt. [7], [22] |
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