Zwei große Probleme von asphaltierten Straßen bei der Belastung durch den Straßenverkehr sind die Bildung von Spurrillen bei hohen Temperaturen sowie die Rissbildung bei tiefen Temperaturen. Seit einigen Jahren werden polymere Zusätze zum Bitumen eingesetzt, durch die die Prozesse der Spurrillenbildung verlangsamt und die Rissbildung möglichst verhindert werden sollen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie man mithilfe einer rheologischen Charakterisierung von polymermodifiziertem Bitumen (PmB) die Effizienz von unterschiedlichen polymeren Zuschlagstoffen im Hinblick auf eine Reduktion der Spurrillen- und Rissbildung evaluieren kann. Die hier als potenzielle Zuschlagstoffe zu Bitumen betrachteten Polymere sind thermoplastische Polymere wie z.B. ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), Reaktivpolymere wie Polyphosphorsäure und Polymere auf Basis Polymethacrylat und -butylacrylat, Kurzfasern auf Basis Poly(aramide) und Poly(arester), sowie Elastomere wie z.B. Styrol-Butadien-Styrol (SBS), Ethylenvinylacetat (EVA) und recyceltes Gummipulver. Die rheologische Charakterisierung der polymermodifizierten Bitumina erfolgte überwiegend im linear-viskoelastischen Bereich bei Variation von Temperatur und Frequenz sowie durch Kriecherholungsversuche. Der Einfluss der zugesetzten Polymere auf die Bitumeneigenschaften wurde durch diese Versuche bewertet. Einige auserwählte Rezepturen mit verbesserten rheologischen Eigenschaften wurden einem praxisnahen Spurrillenbildungstest unterworfen. Versuche zur Erlangung einer verbesserten Polymer-Bitumen-Dispersion zeigten, dass die zur Erzielung einer Dispersion von SBS in heißem Bitumen erforderliche Mischungszeit deutlich reduziert werden kann, wenn SBS durch Quellung in einem mit Bitumen kompatiblen Öl vorbehandelt wird. Der Effekt einer Devulkanisation von recyceltem Gummipulver vor der Mischung mit Bitumen ist ebenfalls untersucht worden. Eingehende Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Heißlagerstabilität der verschiedenen PmB-Proben zu charakterisieren. Diese Untersuchungen führten zum Vorschlag für zwei neue Stabilitätsindexe, der eine basierend auf den Werten des Verlustwinkels bei Variation der Temperatur, der andere basierend auf den Werten des Verlustwinkels bei Variation der Frequenz. Mit diesen Indexwerten ist es möglich, die Heißlagerstabilität von PmB quantitativ zu charakterisieren. Beide Indexe sind einfach zu erhalten und korrelieren miteinander. Des Weiteren wurden optische und thermische Analysen durchgeführt, um die Heißlagerstabilität von PmB zu untersuchen. Insbesondere die Differentialthermokalorimetrie (DSC) ist geeignet, die Heißlagerstabilität von Bitumina zu überprüfen, die mit thermoplastischen Polymeren modifiziert sind. Anstelle des in der Praxis häufig benutzten 'Rutting-Parameters', dessen Aussagekraft bei PmB mit hoher Polymerkonzentration eingeschränkt ist, wird ein neuer Parameter vorgeschlagen, der auf der komplexen Viskosität basiert und auch bei hoher Polymerkonzentration zuverlässig eine 'maximum temperature before rutting, T_Rut,' liefert. Das neue T_Rut-Konzept lässt sich in der Praxis durch einfache und schnelle rheologische Tests umsetzen.

Two of the most significant failures of asphalt roads are formation of ruts in the pavement surface due to highly concentrated loads at high temperatures, and cracking of the outer asphalt layer especially at low temperatures. In the last years, polymers are used as bitumen modifiers to delay the formation of ruts as well as for improving the resistance against cracking. In this work, by using rheological characterization of polymer modified bitumen (PmB), the efficiency of a multitude of different polymers and polymeric materials in retarding the rutting process and in decreasing the cracking susceptibility is reported. The polymer additives investigated include thermoplastics, e.g. ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE), polyethylene (PE), and polypropylene (PP), reactive polymers as e.g. polyphosphoric acid and co-polymers of polymethylacrylate and butylacrylate, chopped fibers of poly(aramide) and poly(arester), and elastomers such as e.g. styrene-butadiene-styrene (SBS), ethylene-vinyl-acetate (EVA) and ground rubber. Rheological characterization of polymer modified bitumen was carried out mostly within the linear viscoelastic regime, at different temperatures and frequencies, in addition to creep and creep recovery tests, and the results of the rheological tests were used to evaluate the modifying influence of polymer addition to bitumen. Selected formulations of PmB with improved rheological properties were analyzed by use of the Hamburg wheel testing equipment, simulating real asphalt applications. Experiments to improve polymer dispersion in bitumen showed that the time required dispersing SBS in hot bitumen and obtaining a storage stable dispersion can be significantly reduced by pregelling SBS in asphalt compatible oil. Additionally the effect of devulcanization of ground rubber from recycled tires before mixing with bitumen was studied. The storage stability of polymer modified bitumen samples was characterized experimentally, leading to the proposal of two storage stability indices. One index is based on the loss tangent obtained from temperature sweep experiments in oscillatory shear, and a second index is based on the loss tangent obtained by frequency sweep experiments. These indices allow characterizing quantitatively the storage stability of polymer-modified bitumen. Both indices can be obtained easily, showing excellent correlation between each other. Additional optical and thermal analyses were carried out to evaluate the storage stability of PmB. Differential scanning calorimetry is especially adequate to analyze the storage stability of bitumen modified with thermoplastic polymers. A new parameter is proposed for replacing the so-called 'rutting parameter' commonly used in field, which is reported to fail when high quantities of polymer are dispersed in bitumen. This newly proposed parameter is based on the complex viscosity, and allows obtaining a 'maximum temperature before rutting', T_Rut, even at high concentrations of polymer. This new concept of T_Rut based on rapid rheological testing can easily be used by industrial laboratories.