Das Penetrationsbewertungssystem wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt, um die Konsistenz halbfester Asphalte zu charakterisieren. Bei dem Penetrationsbitumen handelt es sich um Raffineriebitumen, das mit unterschiedlichen Viskositäten hergestellt wird. Es handelt sich um ein Standardbitumen, das üblicherweise als Straßenbaubitumen verwendet wird und für den Straßenbau und die Herstellung von Asphaltbelägen mit hervorragenden Eigenschaften unerlässlich ist. Der Penetrationstest wird durchgeführt, um das Bitumen anhand der Härte zu charakterisieren. Daher trägt es den Namen Penetrationsbitumen.
Die Grundannahme bei der Eindringtiefe besteht darin, dass die Nadel umso tiefer eindringt, je weniger viskos der Asphalt ist. Bitumen, das während des Prozesses der Oxidation des Vakuumbodens (der Ausgangsstoff für die Bitumenproduktion, der aus Destillationsturmrückständen in Vakuumölraffinerien gewonnen wird) in der Bitumenproduktionsanlage entsteht, wird anhand seines Eindringpunkts klassifiziert. Die Eindringgrade werden als Bereich von Eindringeinheiten (eine Eindringeinheit = 0,1 mm) aufgeführt, beispielsweise 60/70. Die Einstufung von Bitumen hilft dabei, seine Eignung für verschiedene klimatische Bedingungen und Bauarten zu beurteilen. In wärmeren Regionen werden niedrigere Eindringgrade bevorzugt, um eine Erweichung zu vermeiden, während in kälteren Regionen höhere Eindringgrade wie 120/150 verwendet werden, um das Auftreten übermäßiger Sprödigkeit zu verhindern. Die in AASHTO M 20 und ASTM D 946 angegebenen Eindringgrade sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

• Bitumen 80/100: Die Eigenschaften dieser Sorte entsprechen denen der Sorte S 90 von IS-73-1992. Dies eignet sich für Straßen mit geringem Verkehrsaufkommen und wird weltweit immer noch häufig eingesetzt. Aufgrund seines relativ geringen Lufteinblas- und Eindringpunkts wird es in kalten Bereichen eingesetzt.

• Bitumen 60/70: Diese Sorte ist härter als 80/100 und hält höheren Verkehrsbelastungen stand. Die Eigenschaften dieser Sorte stimmen mit denen der Sorte S 65 von IS-73-1992 überein. Bitumen 60/70 bedeutet, dass die Penetration zwischen 60 dm (Dezimeter) und 70 dm liegt. Das bedeutet, dass die Nadel mindestens 60 dm und maximal 70 dm in die Bitumenprobe eindringt. Derzeit wird es hauptsächlich beim Bau von Autobahnen eingesetzt. Bitumen 60/70 ist eine der am häufigsten verwendeten Bitumensorten und ein Grundmaterial für alle anderen Bitumenprodukte. Es wird in milden Bereichen eingesetzt.

• Bitumen 40/50: Bitumen-Penetrationsgrad 40/50 bedeutet, dass der Penetrationswert bei Standardtestbedingungen im Bereich von 40 bis 50 liegt, was üblicherweise als Pflastersorte verwendet wird. Bitumen der Penetrationsklasse 40/50 ist ein halbhartes Penetrationsbitumen, das für den Straßenbau und die Reparatur geeignet ist. Diese Bitumensorte wird hauptsächlich bei der Herstellung von Heißasphalt für Tragschichten und Deckschichten verwendet.

• Bitumen 30/40: Dies ist die härteste aller Sorten und hält sehr hohen Verkehrsbelastungen stand. Die Eigenschaften dieser Sorte stimmen mit denen der Sorte S 35 von IS-73-1992 überein. Bitumen 30/40 wird in Spezialanwendungen wie Landebahnen von Flughäfen und auch auf stark befahrenen Straßen in Küstenstädten eingesetzt.

Cutback ist bei normalen Temperaturen eine frei fließende Flüssigkeit und wird durch Fluxen von Bitumen mit geeigneten Lösungsmitteln gewonnen. Die Viskosität von Bitumen wird durch die Zugabe von Kerosin oder einem anderen Lösungsmittel erheblich verringert. Cutback-Bitumen wird hergestellt, indem die Viskosität von gewöhnlichem Bitumen durch Zugabe von hauptsächlich erdölähnlichen Lösungsmitteln verringert wird. Für die Verwendung in Oberflächenbehandlungen, einigen Arten von Bitumenmakadam und zur Stabilisierung von Boden und Bitumen ist ein flüssiges Bindemittel erforderlich, das bei relativ niedrigen Temperaturen gemischt werden kann. Um die Fließfähigkeit des bituminösen Bindemittels bei niedrigen Temperaturen zu erhöhen, wird das Bindemittel daher mit einem flüchtigen Lösungsmittel vermischt. Nachdem die Rückschlagmischung bei Bauarbeiten verwendet wurde, verdampfen die flüchtigen Bestandteile und der Rückstand entwickelt seine bindenden Eigenschaften. Die Viskosität des Mörtels und die Geschwindigkeit, mit der es auf der Straße aushärtet, hängen von den Eigenschaften und der Menge des Bitumens und des ätherischen Öls ab, die als Verdünnungsmittel verwendet werden. Cutback-Bitumen wird verwendet, weil seine Viskosität niedriger ist als die von reinem Asphalt und daher für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen geeignet ist. Geschnittenes Bitumen kann für den Bau und die Instandhaltung von bituminösen Straßen bei kaltem Wetter verwendet werden.
Cutbacks werden nach der Zeit klassifiziert, die sie benötigen, um auszuhärten oder durch die Verdunstung des Verdünnungsmittels fest zu werden. Die Klassifizierungen sind schnelle Aushärtung (RC), mittlere Aushärtung (MC) oder langsame Aushärtung (SC). Das Verhalten einer Kürzung variiert je nach Art des Schneid- oder Flussmittels, das als Verdünnungsmittel verwendet wird, wobei Testbenzin üblicherweise für RC-Qualitäten, Kerosin für MC und Diesel für SC verwendet wird. Ein schnell härtendes (RC) Lösungsmittel verdunstet schneller als ein mittelhärtendes (MC) Lösungsmittel, das wiederum schneller aushärtet als ein langsam härtendes (SC) Lösungsmittel.
Die Standards für Schnittbitumen lauten wie folgt:
– ASTM D 2026, D 2027 und D 2028 für Slow, Medium und Rapid Curing Cutback
– AASHTO M 81, M 82 für Rapid und Medium Curing Cutback
– EN 15522, verschnittenes und gefluxtes Bitumenbindemittel

Cutback-Bitumen werden je nach Flüchtigkeit des zugesetzten Lösungsmittels im Allgemeinen in drei Gruppen eingeteilt:

• Langsam aushärtende Öle (SC-30, SC-70, SC-250, SC-800, SC-3000), oft als „Straßenöle“ bezeichnet, sind in der Regel ein Restmaterial, das bei der fraktionierten Destillation bestimmter Rohöle anfällt. Traditionell werden alle Arten von aromatischen, naphthenischen und paraffinischen Ölen verwendet. Langsam aushärtende flüssige Bitumenmaterialien können durch Mischen von Bitumen mit einer öligen Erdölfraktion hergestellt werden.

• Mittelhärtend (MC-70, MC-250, MC-800, MC-3000) sind eine Mischung aus Bitumen und leichteren Kohlenwasserstoffen wie Kerosin.

• Schnellhärtend (RC-30, RC-70, RC-250, RC-800, RC-3000), werden mit einem leichten, schnell verdunstenden Verdünnungsmittel wie Naphtha oder Benzin zubereitet.

In den frühen 1960er Jahren wurde ein verbessertes Bewertungssystem für Bitumen (Asphalt) entwickelt, das einen rationalen wissenschaftlichen Viskositätstest beinhaltete. Dieser wissenschaftliche Test ersetzte den empirischen Penetrationstest als wichtigste Charakterisierung des Bitumenbindemittels. Die Viskositätsklassifizierung quantifiziert die folgenden Bitumeneigenschaften:

– Viskosität bei 60°C (140°F)
– Viskosität bei 135 °C (275 °F)
– Die Eindringtiefe einer 100-g-Nadel, die 5 Sekunden lang bei 25 °C (77 °F) angewendet wird.
– Flammpunkttemperatur
– Duktilität bei 25 °C (77 °F)
– Löslichkeit in Trichlorethylen
– Dünnschicht-Ofentest (berücksichtigt die Auswirkungen kurzfristiger Alterung):
– Viskosität bei 60° C (140° F)
– Duktilität bei 25° C (77° F)

Viskositätsklassen Bitumen werden nach der Viskositätsklasse (Fließfähigkeitsgrad) kategorisiert. Je höher die Qualität, desto steifer ist das Bitumen. In der Viskositätsklasse werden Viskositätstests bei 60 °C und 135 °C durchgeführt, was der Temperatur der Straßenoberfläche im Sommer bzw. der Mischtemperatur entspricht. Die Durchdringung bei 25 °C, der jährlichen durchschnittlichen Fahrbahntemperatur, wurde ebenfalls in den Spezifikationen berücksichtigt.
Die Bitumenstandards für die Viskositätsklasse lauten wie folgt:
– AASHTO M 226
– ASTM D 3381
– IS73:2013

Die neuen Qualitäten basierend auf der Norm S73:2013 haben sich daher mit der Nomenklatur weiterentwickelt:

VG-10-BITUMEN: VG-10 wird hauptsächlich bei Spritzanwendungen wie Oberflächenbearbeitung und Pflasterarbeiten in sehr kalten Klimazonen anstelle von Bitumen der Sorte 80/100 Penetration verwendet. Es wird auch zur Herstellung von Bitumenemulsionen und modifizierten Bitumenprodukten verwendet.

VG-20 BITUMEN: VG-20 wird für den Straßenbelag in kalten Klimazonen und in hochgelegenen Regionen verwendet.

VG-30 BITUMEN: VG-30 wird insbesondere für den Bau von Bitumendecken mit besonders hoher Beanspruchung verwendet, die erheblichen Verkehrslasten standhalten müssen. Es kann anstelle eines Bitumens der Güteklasse 60/70 verwendet werden.

VG-40-BITUMEN: VG-40 wird in stark beanspruchten Bereichen wie Kreuzungen, in der Nähe von Mautstellen und LKW-Parkplätzen anstelle der Penetrationsstufe 30/40 verwendet. Aufgrund der höheren Viskosität können steifere Bitumenmischungen hergestellt werden, um die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und andere Probleme im Zusammenhang mit höheren Temperaturen und starker Verkehrsbelastung zu verbessern.

Bitumenemulsion ist bei Umgebungstemperatur eine frei fließende Flüssigkeit und besteht aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten, Bitumen und Wasser, stabilisiert durch eine dritte Komponente, den Emulgator. Das Bitumen ist in der kontinuierlichen wässrigen Phase in Form diskreter Tröpfchen mit einem typischen Durchmesser von 0,5 bis 5 Mikrometern verteilt, die durch elektrostatische Ladungen in Schwebe gehalten werden. Die Dispersion wird durch die Verarbeitung von Bitumen und Wasser unter kontrollierten Bedingungen in einer Kolloidmühle zusammen mit ausgewählten Additiven erhalten.
Der Bitumengehalt kann je nach Anforderung variiert werden und liegt typischerweise zwischen 30% und 70%. Das Hauptziel der Emulgierung von Bitumen besteht darin, ein Produkt zu erhalten, das ohne die bei der Verwendung von Verschnitt- und Straßenbaubitumen normalerweise erforderliche Erhitzung verwendet werden kann. Die Verwendung von Emulgatoren geeigneter Qualität ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Emulsion über einen längeren Zeitraum stabil bleibt und auch bricht und aushärtet, wenn sie auf Zuschlagstoffe/Straßenoberflächen aufgetragen wird. Bei Raumtemperatur ist es eine schokoladenbraune, frei fließende Flüssigkeit.
Bitumenemulsionen müssen anhand ihrer ionischen Ladung in kationische und anionische Ladungen eingeteilt werden. Da Wasserbitumenemulsionen als Bindemittel und Filmbildner im Bauwesen intensiv eingesetzt werden, kommen zwei Arten von Emulgatoren zum Einsatz: anionische und kationische. Anionische Bitumenemulsionen werden im Straßenbau in der Regel nicht eingesetzt, da im Straßenbau in der Regel silikatische Gesteinskörnungen zum Einsatz kommen. Anionische Bitumenemulsionen erbringen bei kieselhaltigen Zuschlagstoffen keine gute Leistung, wohingegen kationische Bitumenemulsionen bei diesen Zuschlagstoffen eine gute Leistung erbringen.
Kationische Emulsionen umhüllen die Aggregate aufgrund ihrer positiven Ladung effizienter und weisen daher bessere Haftungseigenschaften auf. Die kationische Emulsion ist sowohl beliebter als auch weiter verbreitet. Kationische Emulsionen beginnen mit einem „C“. Wenn kein C vorhanden ist, ist die Emulsion normalerweise anionisch. Die Ladung ist wichtig bei der Entwicklung einer Emulsion im Hinblick auf die Kompatibilität mit bestimmten Zuschlagstoffen. Der nächste Satz der Spezifikation beschreibt, wie schnell eine Emulsion aushärtet oder koalesziert. RS (Rapid Set), MS (Medium Set), SS (Slow Set) und QS (Quick Set) sind die Einstellungsstufen.
Bitumenemulsionen haben eine niedrige Viskosität und können bei Umgebungstemperaturen verarbeitet werden, was sie ideal für den Einsatz in Straßenbelägen und -belägen macht.
Die Standards für Emulsionsbitumen lauten wie folgt:
– USA Anionische Emulsionen: ASTM D 977 und AASHTO M 140
– USA Kationische Emulsionen: ASTM D 2397 und AASHTO M 208
– Europa: Harmonisierte Rahmennorm EN 13808

Die Hauptqualitäten für Bitumenemulsionen werden wie folgt klassifiziert:

Bitumenemulsion CSS-1: CSS-1 ist eine kationische, langsam abbindende Bitumenemulsion, die für den Einsatz als Haftbeschichtung, Grundstabilisierung, Nebelabdichtung, Staubbekämpfung und Spezialanwendungen entwickelt wurde. Kationische Bitumenemulsionen CSS-1 haben eine positive Ladung und daher ist eine direkte und sehr schnelle Reaktion zwischen der Emulsion und einem Zuschlagstoff oder einer Fahrbahndecke möglich. CSS-1-Emulsionen werden für verschiedene Zwecke verwendet. Langsam abbindende Emulsionen sind die stabilsten Emulsionen und können im Allgemeinen mit Wasser verdünnt und mit mineralischen Füllstoffen und Zuschlagstoffen gemischt werden. Bei allen Verwendungszwecken sollten die Luft- und Straßentemperaturen am Bau ausreichend hoch sein, damit die Emulsion vollständig aushärten kann.

Bitumenemulsion CMS-2: CMS-2 ist eine mittelhärtende kationische Asphaltemulsion auf Wasserbasis zur Verwendung in kalten und warmen Asphalt- und Zuschlagstoffmischungen, zur Untergrundstabilisierung und zur Rekultivierung in voller Tiefe. CMS-2 kann in einer zentralen Anlage kalt oder warm gemischt werden, mit einer tragbaren Handmühle auf der Baustelle oder vor Ort auf der Straße. Das gemischte Material kann sofort verwendet oder für eine spätere Verwendung gelagert werden. Es kann mit einem Pflasterstein verlegt oder mit einer Schaufel oder einem Reclaimer auf die Fahrbahn bearbeitet werden.

Bitumenemulsion CRS-2: CRS-2 ist ein kationischer emulgierter Asphalt auf Wasserbasis, der als bituminöses Bindemittel für Splittabdichtungen entwickelt wurde. Es wird in großen Mengen geliefert. CRS-2-Emulsionen sollten mit gut kalibrierten Verteilern aufgetragen werden. Die Verteilerdüsen und der Sprühbalken sollten so dimensioniert und eingestellt sein, dass sie die gewünschte Schussrate liefern. Die Schussrate sollte anhand eines Laborentwurfs zur Splitterversiegelung unter Berücksichtigung der Projektzuschlagstoffe und der Bedingungen des vorhandenen Belags ermittelt werden. CRS-2 sollte nicht angewendet werden, wenn die Lufttemperatur unter 60 °F liegt und sinkt. Die wasserbasierte Emulsion sollte keinen Gefriertemperaturen oder Überhitzung ausgesetzt werden. Da es sich bei der Emulsion um ein chemisch stabilisiertes System handelt, sollte darauf geachtet werden, dass das chemische Gleichgewicht nicht durch Verunreinigungen durch Chemikalien, übermäßige Einwirkung von Luft oder ungünstige mechanische oder thermische Bedingungen gestört wird.

Das Raffineriebitumen wird durch die Einleitung von aufbereiteter Luft weiter behandelt. Dadurch entsteht oxidiertes Bitumen, auch Blasbitumen genannt. Bei diesem Verfahren wird unter kontrollierter Temperatur heiße Luft mit einer Temperatur von 200 bis 300 Grad Celsius durch ein perforiertes Rohr in eine Kammer mit Bitumen geblasen und unter Druck in weiches Bitumen eingeleitet. Dieser Prozess verleiht dem Bitumen gummiartigere Eigenschaften als seine ursprüngliche Formel und es handelt sich einfach um härteres Bitumen. Das Einblasen von Luft durch die Bitumenmischung verleiht ihr eine höhere Viskosität und eine größere Beständigkeit gegen Erweichung (insbesondere für Straßenanwendungen) und Sekundärprozesse mit speziell entwickelten Additiven oder Emulgierung mit Wasser. Heutzutage verwenden große Asphalthersteller diese Zusatzstoffe in ihrer Produktion, um eine höhere Leistung für das Endergebnis zu erzielen. Diese härtere Mischung weist eine geringere Duktilität und Temperaturanfälligkeit auf.
Oxidiertes Bitumen weist einen höheren Weichheitsgrad und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen auf. Diese Art von Bitumen wird zur Herstellung von Dachbahnen, Autoreifen und Auskleidungen verwendet. Oxidierter Asphalt wird typischerweise bei Dachdeckerarbeiten, Rohrbeschichtungen, Unterbodenbelägen für Portlandzementbetondecken, hydraulischen Anwendungen und der Herstellung von Farben verwendet. Blasbitumen wird häufig als rutschfeste Schichtmasse in der Pfahlbauindustrie, zur Herstellung von Dachpappen, für schalldämmende Filze und Unterwagendichtmittel in der Automobilindustrie, zum Schutz von Elektrokabelverbindungen, als Fugenfüllmasse, als Dichtungsmasse usw. verwendet viele andere.
Das oxidierte Bitumen könnte in einer Plastiktüte, einem Bastelbeutel oder auch in Fässern verpackt und möglicherweise heiß in Tankwagen geliefert werden. Oxidiertes Bitumen (Blasbitumen) wird in kleine Stücke zerkleinert und langsam auf die Anwendungstemperatur von 220 °C bis 230 °C erhitzt.
Das Symbol für oxidiertes Bitumen ist R. R 80/25-Bitumen bedeutet beispielsweise geblasenes Bitumen mit einem Weichheitsgrad von 80 Grad Celsius und einem Penetrationsgrad von 25. Oxidiertes Bitumen wird in verschiedenen Qualitäten hergestellt, darunter:

• Oxidiertes Bitumen 150/5
• Oxidiertes Bitumen 115/15
• Oxidiertes Bitumen 105/35
• Oxidiertes Bitumen 95/25
• Oxidiertes Bitumen 90/40
• Oxidiertes Bitumen 90/10
• Oxidiertes Bitumen 90/15
• Oxidiertes Bitumen 85/25
• Oxidiertes Bitumen 85/40
• Oxidiertes Bitumen 85/25
• Oxidiertes Bitumen 75/25

Normalerweise wird Bitumen in neuen Stahlfässern verpackt und exportiert. Die Kapazität der Trommelbitumen reicht von 150 kg bis 200 kg. Die von fast allen Bitumenkonsumenten weltweit am häufigsten genutzte Fassverpackungskapazität beträgt 180 kg.
180-kg-Fässer werden von Bitumenverbrauchern häufiger verwendet, da sie für sie am vorteilhaftesten sind. Bitumenimporteure können durch den Einsatz von 180-kg-Fässern Kosten sparen. Zu den Einsparungen zählen unter anderem die Kosten für die Trommelproduktion sowie die Bearbeitungs- und Versandkosten.
Bitubags und Jumbo Bags können eine kostengünstige Alternative zu Bitumenfässern sein. Es gibt zwei Arten von Bitubags: 1000 kg und 300 kg

Die 300-kg-Bitubags enthalten eine zweilagige Hülle, die zum einen aufreißt und zum anderen im Zieltanker (Reservoir) verbrennt und schmilzt.

Der überwiegende Teil des Bitumens wird in der Bauindustrie verwendet. Hauptsächlich dient es der Verwendung in Pflaster- und Dachanwendungen. 85% Bitumen werden als Bindemittel in Asphalt für Straßen, Landebahnen, Parkplätze und Fußwege verwendet. Kies und Schotter werden mit dickem Bitumen vermischt, um es zusammenzuhalten, und dann auf Straßen aufgetragen.

Hervorragende wasserabweisende Eigenschaften und thermoplastisches Verhalten machen es ideal für ein breites Anwendungsspektrum. Bei erhöhten Temperaturen (typischerweise zwischen 100 und 200 °C) verhält es sich wie eine viskose Flüssigkeit und kann mit anderen Komponenten gemischt und je nach Bedarf manipuliert und geformt werden. Nach dem Abkühlen ist es ein inerter Feststoff, der haltbar und hydrophob (wasserabweisend) ist.

10% des weltweit verwendeten Bitumens werden in der Dachdeckerindustrie verwendet, da seine wasserdichten Eigenschaften dazu beitragen, dass Dächer gut funktionieren. 5% Bitumen werden zu Dichtungs- und Isolierzwecken in verschiedenen Baumaterialien wie Teppichfliesenträgern und Farben verwendet.

Neben diesen Hauptverwendungszwecken gibt es für Bitumen auch viele Nebenanwendungen. Weitere Beispiele sind Schallschutz, Sprengstoffe, Schimmelschutz, Bindemittel in Briketts, Spiegelträger, Schuhsohlen, Zaunpfostenbeschichtung und Bodenstabilisierung.