Alterung von Asphalt Warum schattige Straßen länger halten

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Straßen und Schweizerkäse haben oft mehr gemein als einem lieb ist. Dass Löcher in den Asphalt kommen, ist unvermeidbar. Die Frage ist: Wie lange bleibt die Straße intakt, bevor nachgebessert werden muss? Hier zählt nicht nur UV-Strahlung, sondern schon Licht im sichtbaren Spektrum, wie neue Ergebnisse von Wiener Materialforschern zeigen.

Wien/Österreich – Die Haltbarkeit von Asphalt hängt entscheidend vom Bitumen ab – dem schwarzen Bindemittel, das die Steinchen im Asphalt zusammenhält. Wenn das Bitumen in der Straße altert, kann es seine Eigenschaften verändern und spröde werden, wodurch letztendlich der Asphalt Risse bildet. An der TU Wien arbeiten die Forscher im „Christian-Doppler-Labor für Chemo-Mechanische Analyse von bituminösen Materialien“ daran, diese Prozesse besser zu verstehen und Asphalt langlebiger zu machen.

Durch Zufall stieß der Materialforscher Johannes Mirwald dort nun auf einen überraschenden Effekt: Anders als bisher gedacht, kann sichtbares Licht im blauen und grünen Bereich das Bitumen verstärkt altern lassen – und zwar innerhalb kürzester Zeit. Diese lichtbedingte Veränderung im Bitumen wurde nun an der TU Wien genau untersucht. Bei künftigen Forschungen und Lebensdauer-Abschätzungen muss demnach auch die Sonneneinstrahlung mitberücksichtigt werden.

Alterung auch ohne UV-Strahlung

„Das Forschungsprojekt begann mit einigen merkwürdigen Beobachtungen, die sich zunächst niemand erklären konnte“, sagt Prof. Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien. „Bei uns im Labor lagen Bitumen-Proben in Glasbehältern herum – und bei näheren Untersuchungen stellen wir fest, dass sich ihre Oberfläche nach sehr kurzer Zeit verändert hatte.“

Solche Veränderungen hätte man vielleicht bei hohen Temperaturen erwartet – nicht aber bei Zimmertemperatur im Labor. Zwar käme auch intensive UV-Strahlung als Erklärung für solche Veränderungen in Betracht, doch das Glas sollte einen Großteil der UV-Strahlung absorbieren und nur den sichtbaren Anteil des Sonnenlichts durchlassen. „Wir beschlossen also, uns diese merkwürdige Sache mit Spezialmikroskopen näher anzusehen“, fährt Hofko fort.

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Die Wissenschaftler beleuchteten Bitumen-Proben gezielt mit unterschiedlichen, genau definierten Lichtfarben – vom langwelligen Rot bis in den kurzwelligeren UV-Bereich. „Bisher nahm man an, dass das hochenergetische UV-Licht den stärksten Einfluss auf die Alterung von Bitumen hat. Von sichtbarem Licht erwartete man keinen nennenswerten Effekt“, sagt Materialforscher Mirwald.

Doch die Messungen zeigten deutlich: Bei allen untersuchten Lichtwellenlängen waren bereits nach 15 bis 20 Minuten Veränderungen der Bitumen-Oberfläche nachzuweisen. Der stärkste Effekt tritt zwar tatsächlich im UV-Bereich auf, doch die Auswirkungen von sichtbarem Licht sind ähnlich drastisch – mit einem zusätzlichen Maximum im Wellenlängenbereich von blauem und grünem Licht. Berücksichtigt man nun die Lichtbedingung auf der Erdoberfläche und den Einfluss der Atmosphäre, wodurch UV-Licht deutlich stärker abgeschwächt wird als blaues oder grünes Licht, zeigt sich, dass blaues Licht die meiste Alterung auf den Straßenoberflächen verursacht.

Der Anstoß für den Zerfallsprozess

Das Licht beschleunigt die Oxidation des Materials – und wenn Bitumen oxidiert, verändern sich seine mechanischen Eigenschaften. Es wird steifer und damit auch rissanfälliger. „Die Oxidation unter Einwirkung von Licht findet zunächst nur in den obersten Schichten des Materials statt – in den äußersten Mikrometern der Bitumen-Probe“, sagt Mirwald. „Doch das ist bloß die Initialzündung für einen weitreichenden Effekt: Kleine Risse sorgen dafür, dass Sauerstoff tiefer in das Material eindringen kann, im Inneren des Materials entstehen Spannungen, die Risse werden tiefer und schließlich kann das zu einer nachhaltigen Schädigung des Asphalts führen.“

Bisher wurden Alterungsexperimente mit Bitumen hauptsächlich im Dunkeln durchgeführt – das wird sich nun ändern. „Unsere Messungen zeigen: Wenn man die Haltbarkeit von Asphalt vorhersagen möchte, dann muss man jedenfalls auch die Sonneneinstrahlung berücksichtigen“, sagt Verkehrswissenschaftler Hofko. Wo die Sonneneinstrahlung besonders hoch ist, hat man es außerdem meist auch mit hohen Temperaturen zu tun – das verstärkt den Effekt zusätzlich. Für die Wissenschaft vom Straßenbau wird diese neue Erkenntnis den Forschern zufolge wichtige Änderungen mit sich bringen.

Originalpublikation: J. Mirwald et al., Impact of UV–Vis light on the oxidation of bitumen in correlation to solar spectral irradiance data, Construction and Building Materials Volume 316, 17 January 2022; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.125816

* Dr. F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien

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