Nanopartikel sollen Asphalt vor UV-Strahlung schützen Anti-Aging für Straßenbelag

Straßen haben ein vergleichbares Problem wie Haut: Sie altern unter Sonnenlicht schneller. UV-Strahlung beschleunigt das Auftreten von Rissen und Schlaglöchern im Asphalt. Nun haben Forscher der TU Braunschweig gezeigt, dass sich mithilfe von Nanopartikeln der Straßenbelag widerstandsfähiger machen lässt.

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Braunschweig – Große Risse, eingebrochene Fahrbahnränder, tiefe Schlaglöcher: Dieses Bild ist zum Leidwesen vieler Autofahrer auf mancher Asphaltstraße zu sehen. Denn der Straßenbelag hält nicht ewig. Beginnt er zu altern, bröckelt er, bis zur kompletten Zerstörung der Deckschichten. Grund hierfür ist der Verschleiß des Bindemittels Bitumen. Vor allem Licht, Sauerstoff und Wärme setzen diesem zu.

Wissenschaftler des Instituts für Straßenwesen der Technischen Universität Braunschweig haben jetzt herausgefunden, wie sie die UV-Alterungsbeständigkeit von Bitumen verbessern können. Sie nutzen dazu ein neues Nanokomposit aus Ton und pyrogener Kieselsäure, die als Füllstoff in Kunststoffen verwendet wird.

Sonnenschutzmittel für die Straße

Bitumen setzt sich aus verschiedenen organischen Stoffen zusammen – hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff – und wird aus Erdöl gewonnen. Durch wärmere Temperaturen und UV-Strahlung oxidieren diese organischen Verbindungen. Die UV-Strahlung kann die Bindungen der Bitumenmoleküle aufbrechen und freie Radikale erzeugen, die den Alterungsprozess beschleunigen. Deshalb ist für die Anwendung im Straßenbau besonders Bitumen interessant, das durch Anti-Aging-Materialien modifiziert wurde und somit etwa besser gegen UV-Strahlung geschützt ist.

Goshtasp Cheraghian und Prof. Michael P. Wistuba vom Institut für Straßenwesen zeigen in ihrer Studie, dass Nanopartikel aus Ton und pyrogener Kieselsäure in Asphaltbelägen eingesetzt werden können, um diese effizient von UV-Strahlen abzuschirmen. „Ton und pyrogene Kieselsäure sind kostengünstige Nanomaterialien, harmlos und ungiftig, und sie können als anorganische Abschirmung verwendet werden“, sagt Cheraghian. „Sie wirken also so ähnlich wie ein Sonnenschutzmittel.“

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Asphaltmaterialien haltbarer machen

Nanomaterialien können die mechanischen und rheologischen Eigenschaften, also die Elastizität von Bitumen sowie seine Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsschäden und Alterung potenziell verbessern. Bisher wurde aber noch keine Kombination aus Ton- und Kieselsäurematerialien in Form eines kombinierten Nanokomposits in Asphaltmischungen eingesetzt. Wie die aktuelle Studie gezeigt hat, lässt sich mit diesen Zutaten allerdings die Stabilität und die Reaktivität des Nanokomposits verbessern. So könnten Straßen zukünftig robuster gegen Alterungserscheinungen wie Schlaglöcher gemacht werden.

„Die Modifizierung von Bitumen durch Ton- und pyrogene Kieselsäure-Nanopartikel kann als eine interessante, kostengünstige Technik im Asphaltstraßenbau neue Perspektiven bieten, um Asphaltmaterialien haltbarer zu machen“, fasst Cheraghian zusammen. „Unsere Erkenntnisse über die molekularen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Bitumen können außerdem neue Wege für den Einsatz von Nanotechnologie im Asphalt öffnen.“

Originalpublikation: Cheraghian, Goshtasp , Wistuba, Michael P.: Ultraviolet aging study on bitumen modified by a composite of clay and fumed silica nanoparticles, Scientific Reports 10, 11216 (2020); DOI: 10.1038/s41598-020-68007-0

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