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Bitumen und Chemometrie
innovative Wege der Bitumencharakterisierung mittels FTIR-Spektroskopie und multivariater Analysemethoden
Weigel, Sandra
Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass mithilfe der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und der Anwendung multivariater Analysemethoden eine umfassende Charakterisierung von Bitumenproben möglich ist. Als Grundlage dienten 90 Straßenbaubitumen unterschiedlicher Herkunft, Alterungsstufe und Sorte, die mithilfe verschiedener chemischer und physikalischer Verfahren untersucht wurden. Bezüglich der FTIR-Spektroskopie erfolgte die Analyse der Bitumen nach der Methode der abgeschwächten Totalreflexion, während die gewonnenen Spektren mithilfe einer Standard Normal Variate Transformation und der Bildung der 1. Ableitung vorverarbeitet wurden.
Diese vorverarbeiteten Spektren erlauben eine umfassende Charakterisierung der Straßenbaubitumen. Dabei ist zum einen eine Unterscheidung der Bitumenproben nach den übergeordneten Eigenschaften in Form der Raffinerie, des Alterungszustands und der Sorte möglich, wobei zur Erstellung der zugrunde liegenden Modelle die Diskriminanzanalyse mit vorgeschalteter Faktorenanalyse herangezogen wurde.
Darüber hinaus konnten mithilfe der Methode der Partial Least Square Regression Modelle zur Beschreibung und Abschätzung des Asphaltengehalts, der Molmassen der niedermolekularen Bestandteile, des Erweichungspunkts Ring und Kugel, der Nadelpenetration sowie des komplexen Schermoduls und des Phasenwinkels aus den Untersuchungen mittels Dynamischen Scherrheometer erstellt werden. Anhand der Spektren der nicht gealterten Bitumenproben ist weiterhin eine Bewertung der rheologischen Alterungsempfindlichkeit möglich. Eine Beschreibung der Molmassen der höhermolekularen Bestandteile, der Gehalte der Maltenfraktionen, der Biegekriechsteifigkeit und des m-Werts aus der Untersuchung mittels Biegebalkenrheometer sowie der Affinität gelang hingegen nicht.
Über die erarbeiteten Modelle hinaus konnten weiterhin Abhängigkeiten zwischen dem Aufbau des Bitumens und unterschiedlichen Eigenschaften bzw. Kennwerten gefunden werden. So ließen sich für die Bitumen der verschiedenen Raffinerien Unterschiede in der molekularen Zusammensetzung und Struktur der aliphatischen sowie der aromatischen Verbindungen nachweisen. In Bezug auf das
Alterungsverhalten des Bitumens konnte mit steigendem Alterungsfortschritt eine Zunahme von sauerstoffhaltigen und aromatischen Verbindungen festgestellt werden, während sich für die Unterscheidung der Sorten ebenfalls ein steigender Gehalt an sauerstoffhaltigen Verbindungen mit zunehmender Härte einstellt. Entsprechend dieser Abhängigkeiten konnten mit steigenden Gehalten an sauerstoffhaltigen und aromatischen Verbindungen eine Zunahme des Asphaltengehalts, der Viskosität, der Steifigkeit sowie des elastischen Verformungsverhaltens und eine Abnahme der Kriechrate festgestellt werden.
Nach den Ergebnissen dieser Arbeit stellt die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie in Kombination mit der chemometrischen Auswertung eine geeignete Methode zur schnellen Bitumenanalyse dar, mit der sowohl eine umfassende Charakterisierung bezüglich verschiedener relevanter Eigenschaften als auch Untersuchungen der Zusammensetzung und Struktur möglich sind.
In this work could be shown that the Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and the application of multivariate analysis methods allow a comprehensive characterisation of bitumen. The results were based on investigations of 90 pavement bitumen from different refineries belonging to
various ageing states and grades. Further, these samples were analysed by different chemical and physical methods. Concerning the FTIR spectroscopy, the method of the attenuated total reflection was carried out. The gained spectra were pre-processed with the Standard Normal Variate Transformation and the formation of the 1st derivation allowing a comprehensive characterisation of bitumen.
On the one hand, the bitumen samples can be differentiated according to the refinery, the ageing state and the grade using the Linear Discriminant Analysis and the prior Factor Analysis. On the other hand, the Partial Least Square Regression allow the creation of models describing the asphaltene content, the molar mass of the less molecular bitumen components, the softening point (ring and ball), the needle penetration as well as the complex shear modulus and the phase angle determined with the Dynamic Shear Rheometer. Furthermore, the rheological ageing sensitivity can be evaluated by the spectra of the unaged bitumen samples. In contrast, the molar mass of the higher molecular components, the content of the maltene fractions, the flexural stiffness and the m-value determined with the Bending Beam Rheometer as well as the affinity could not be captured by the FTIR spectra.
Furthermore, relationships between the bitumen structure and different properties of the binder could be found. Thereby, bitumen of various refineries show differences in the composition of the molecules of the aliphatic and aromatic compounds. Ageing causes growing contents of oxygen and aromatic compounds while the oxygen contents also increase in harder grades. Corresponding to these results, growing contents of the oxygen and aromatic compounds are associated with an increase of the asphaltene content, the viscosity, the stiffness and the elastic deformation behaviour as well as with a decrease of the creep rate. According to the results of this work, the Fourier Transform Infrared spectroscopy combinated with the chemometrics represents a very good method for the bitumen
analysis allowing the characterisation of bitumen and the investigation of the binder’s composition.
