Unerwarteter Effekt: Der Asphalt unserer Straßen wird auch durch sichtbares Licht überraschend stark geschädigt, wie nun ein Experiment enthüllt. Demnach setzt nicht nur energiereiches UV-Licht dem Bitumen im Asphalt zu, sondern auch das Tageslicht. Vor allem die blauen und grünen Wellenanteile des Tageslichts führen zu einer Oxidation der Kohlenwasserstoffverbindungen im Bitumen und machen es so porös und rissig. Dieser Effekt des Tageslichts wurde jedoch erst jetzt erkannt, wie die Forscher berichten.
Asphalt gehört zu den Materialien, die die moderne Stadtlandschaft prägen. Das Gemisch aus feinem Kies und dem dunklen Bitumen ist der heute gängigste Straßenbelag. Das klebrige Bitumen – eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffverbindungen – sorgt dabei für die nötige Bindung des Asphalts. Schon länger ist bekannt, dass sich Bitumen bei intensiver Sonneneinstrahlung mit der Zeit verändert: Es oxidiert und gibt Luftschadstoffe in Form flüchtiger organischer Verbindungen ab.
Verantwortlich für diese Bitumen-Alterung sind vor allem die Hitze und das UV-Licht der Sonne – so jedenfalls glaubte man bisher. Die energiereiche UV-Strahlung verändert die Bindungen in den Kohlenwasserstoffen und macht das Material dadurch porös und rissig.
Alterung trotz Glas
Doch das ist offenbar nicht alles, wie ein Forscherteam der Technischen Universität Wien herausgefunden hat. „Unser Forschungsprojekt begann mit einigen merkwürdigen Beobachtungen, die sich zunächst niemand erklären konnte“, berichtet Studienleiter Bernhard Hofko. „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.“
Das Merkwürdige daran: Solche Veränderungen hätte man bei hohen Temperaturen erwartet, aber nicht bei Zimmertemperatur im Labor. Zudem filterte das Glas einen Großteil der UV-Strahlung aus dem einfallenden Tageslicht heraus. Auch sie kam daher als Alterungsgrund nicht in Frage. „Wir beschlossen also, uns diese merkwürdige Sache näher anzusehen“, sagt Hofko.
Für ihre Studie bestrahlten die Forscher Bitumenproben mit unterschiedlichen genau definierten Lichtfarben – vom langwelligen Rot bis in den kurzwelligeren UV-Bereich. Mithilfe einer speziellen Spektroskopie analysierten sie anschließend den Effekt auf das Material.
Oxidation auch durch blaues und grünes Licht
Die Tests enthüllten: Bei allen untersuchten Wellenlängen führte die Bestrahlung schon nach 15-20 Minuten zu messbaren Veränderungen der Bitumen-Oberfläche. Anders als bisher gedacht bewirkt demnach nicht nur das energiereiche UV-Licht eine verstärkte Oxidation des Materials, sondern auch das langwelligere und energieärmere sichtbare Licht. In den Messdaten war dies als zusätzliches Maximum im Bereich des blauen und grünen Lichts erkennbar.
Unter den realen Bedingungen beispielsweise eines Straßenbelags wirkt das blaue und grüne Licht sogar noch stärker auf das Bitumen als UV-Licht, wie die Forscher erklären. Denn die Erdatmosphäre filtert einen Großteil des ultravioletten Anteils der Sonneneinstrahlung heraus, lässt das sichtbare Licht aber fast vollständig durch. Damit trägt das normale, sichtbare Tageslicht weitaus stärker zur Alterung des Asphalts bei als bislang gedacht.
„Absolut verblüffend“
„Das ist ein absolut verblüffendes Ergebnis, mit dem niemand gerechnet hatte – so etwas passiert in der Forschung nicht oft“, sagt Hofko. Denn bisher wurde dieser Lichteinfluss weitgehend vernachlässigt, viele Tests zur Haltbarkeit von Asphalt wurden sogar im Dunkeln durchgeführt. „Unsere Messungen zeigen jedoch: Wenn man die Haltbarkeit von Asphalt vorhersagen möchte, dann muss man auch die Sonneneinstrahlung berücksichtigen.“
Denn wie die Tests ergaben, kann die lichtbedingte Oxidation des Bitumens seine mechanischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigen. 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 Erstautor Johannes Mirwald. „Doch das ist bloß die Initialzündung für einen weitreichenden Effekt.“
Im Laufe der Zeit sorgen die kleinen oxidationsbedingten Risse dafür, dass Sauerstoff tiefer in das Bitumen eindringen kann. „Im Inneren des Materials entstehen dadurch Spannungen, die Risse werden tiefer und schließlich kann das zu einer nachhaltigen Schädigung des Asphalts führen“, erklärt Mirwald. Für den Straßenbau haben die neuen Erkenntnisse daher nach Ansicht des Forscherteams eine potenziell weitreichende Bedeutung. (Construction and Building Materials, 2021; doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.125816)
Quelle: Technische Universität Wien
