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Charakterisierung von repräsentativen Sanden und Füllern für den Straßenbau und die Betonindustrie – Untersuchung der Auswirkungen von Ressourcenknappheiten auf die Ökonomie.

Zunehmende Ansprüche an Qualität und Diversifizierung von Produkten stellen die Baustoffindustrie vor neue Herausforderungen. Klimaschutz, Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit erlangen einen immer größeren Stellenwert. Dabei nehmen die Belastungen und der Reparaturbedarf deutscher Straßen durch das stetig wachsende Verkehrsaufkommen immer weiter zu. Es ist sinnvoll, geltende Prüfverfahren zur Qualitätssicherung von Baustoffen zu evaluieren und ggf. dem aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstand anzupassen.

Welche Gesteinsarten im Straßenbausektor zum Einsatz kommen dürfen und welche ausgeschlossen sind, wird in der „Technische Lieferbedingung TL-Gestein StB“ festgelegt. Hierbei spielen Faktoren wie Bruchfestigkeit und Abrieb eine entscheidende Rolle. Für den Bereich der Füller & Sande gelten darüber hinaus spezielle Anforderungen. Die Definition von „Qualitätsgerechten Materialien“ hat entsprechende Auswirkungen auf die Ressourcenverfügbarkeit. Die Anforderungen an das verwendete Bitumen sind in der TL Bitumen StB festgelegt. Dabei werden die Qualitätsanforderungen der beiden Baustoffkomponenten separat voneinander betrachtet, ohne auf das Performanceverhalten im Verbund einzugehen.

Asphaltmastix bezeichnet das Gemisch von Bitumen und Füller, dessen Korngröße überwiegender <0,063 mm beträgt. Es liegt auf der Hand, dass Analysen von Mastix wesentlich realitätsgetreuer sind als eine isolierte Betrachtung von Bitumen und Füller. Wechselwirkungen zwischen Bitumen und Füller werden bei einer isolierten Betrachtung zur Gänze ignoriert, obwohl diese einen wesentlichen Einfluss auf die Perfomance des Baustoffgemisches haben können. Das dynamische Scherrheometer (DSR) bietet eine adäquate Möglichkeit zur Analyse der rheologischen Eigenschaften von Asphaltmastix, wobei diese bis heute noch nicht im deutschen Regelwerk verankert sind.Betracht man den Parameter “Körnung“, können aus geologischer Sicht Eigenschaften identifiziert werden, die über die TL-Gestein hinausgehen. Bei Sanden/ Füllern sind neben anderen Faktoren vor allem die Kornverteilung und die Oberflächeneigenschaften entscheidend. Die Oberfläche von Körnern nimmt bei abnehmender Korngröße exponentiell zu. Bei Sanden und insbesondere Füllern („Gesteinsmehl“ < 63 µm) ist dieser Effekt besonders relevant.

• Wie versucht die Industrie dieser Tatsache zu begegnen?
• Welche Alternativlösungen stehen zur Diskussion?
• Wie kann Recycling von Baustoffgemischen zur Lösung des Problems beitragen und welche Herausforderungen sind damit verbunden?

In dieser Masterarbeit soll die Bedeutung von Sanden und Füllern und deren qualitätsgerechte Verfügbarkeit im Asphalt- und Betonbau herausgestellt werden. Dabei sollen die Qualitätsanforderungen kritisch und im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit betrachtet werden. Anhand von repräsentativen Gesteinsproben (Sand/Füller) sollen relevante geologische Eigenschaften identifiziert werden, wobei ein besonderes Augenmerk auf Kornverteilung und Kornform gelegt werden soll. Durch die Analyse von Asphaltmastix via DSR soll eine Aussage über das Performanceverhalten getroffen werden und dabei die Auswirkungen unterschiedlicher Füller untersucht werden.

Im Rahmen der Arbeit sollen im Einzelnen folgende Punkte bearbeitet werden:

1. Einarbeitung Thematik und Problemstellung

• Was ist Asphalt, welche Typen gibt es, wie erfolgt die Herstellung?
• Was ist Beton, welche Typen gibt es, wie erfolgt die Herstellung?  
• Welche Ressourcen werden eingesetzt, sind verfügbar und werden zukünftig verfügbar sein?
• Welche Rolle spielen Sande & Füller im jeweiligen Baustoffgemisch und wie erfolgt die   Qualitätsbewertung?
• Welche neuen Anforderungen an die Herstellung und den Einbau von Asphalt/Beton gibt es   bzw. sind in Europa in den nächsten Jahren vorgesehen, um einen Beitrag zur Nachhaltigkeit zu leisten?

2. Grundlagenbetrachtung

• Wie können Sande und Füller geologisch klassifiziert werden?
• Welche Verfahren und Analysemethoden werden zur Qualitätsbewertung an Gesteinen, Sanden und Füllern in der Asphalt-/Betonbrache angewandt?
• Welche Methoden werden zur Analyse der Wechselwirkungen einzelner Komponenten im Baustoffgemisch angewandt?
• Welche Aufgaben haben die unterschiedlichen Körnungen (grob, fein, Füller) im Asphaltmischgut?
• Welche ökonomischen Auswirkungen hat die zunehmende Ressourcenknappheit auf die Industrie?

3. Materialuntersuchung und Laborversuche

• Bestimmung der Kornverteilung von repräsentativen Sanden und Füllern Laserbeugung (Laser Particle Sizer)
• Bestimmung der Mineralzusammensetzung von repräsentativen Sanden und Füllern mit Röntgendiffraktometrie (XRD)
• Optische Analyse mit Polarisationsmikroskopie zur Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften von repräsentativen Sanden und Füllern (Kornform, Oberflächenbeschaffenheit, Diagenetische Ausprägungen)
• Prüfung der Sand und Füller gem. TL-Gestein StB (Dichte, Hohlraumgehalt, Wasseraufnahme, etc.)
• Überlegungen zur Bestimmung weiterer spezifischer Eigenschaften von Füllern & Sanden
• Analyse der rheologischen Eigenschaften von Asphaltmastix mit Dynamischem Scher- Rheometer

Bearbeitung:

Die Bearbeitung der Masterarbeit erfolgt in regelmäßigen Abstimmungen mit den Betreuern.

• Arbeitsaufteilung:  SAS / Uni
• Wochenstunden ~ 20 / 20
• Vergütung: 450 EUR / Monat
• Bearbeitungsbeginn: sofort

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• Georg-August Universität Göttingen
• Technische Universität Clausthal