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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Härtegrades
von halbfesten Materialien.
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Halbfeste
Materialien wie Asphalte und/oder Bitumen finden unter Anderem im
Straßenbau
Anwendung. Asphalte sind bis auf wenige natürliche Vorkommen technisch
hergestellte Gemische aus Bitumen und Mineralstoffen. Durch Veränderung
der Bindemittel- und Mineralstoffsorten sowie deren Zugabemenge
können
Asphalte mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie z.B. unterschiedlichen
Härtegraden
für diverse
Anforderungsprofile hergestellt werden.
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Dabei
sollen Asphalte jene Anforderungen erfüllen, die von Auftraggebern,
Auftragnehmern, von Verkehrsteilnehmern, Steuerzahlern und von Anwohnern
gestellt werden. Dies sind insbesondere Sicherheit und Fahrkomfort,
d.h. Ebenheit, Griffigkeit, Helligkeit der Asphaltdecke, Wirtschaftlichkeit,
d.h. Haltbarkeit, Rißsicherheit,
Verformungsbeständigkeit,
Alterungs- oder Ermüdungsbeständigkeit,
leichte und kurze Instandsetzung, günstige Rohstoffe, Mischung – Einbau
und Verdichtung mit üblichen
einfachen Methoden und darüber
hinaus Lärmminderung.
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Das
Bitumen im Asphalt unterliegt erheblicher Beanspruchung durch Temperatur
und Verkehrsbelastung. Asphaltdecken in heimischen Regionen kühlen in
Folge von Salzstreuung im Winter auf –30°C ab und erreichen durch Sonnneneinstrahlung im
Sommer +50°C.
Eine wichtige Kenngröße zur Charakterisierung
der Eigenschaften des Bitumens ist der Härtegrad. Weicheres Bitumen
neigt im Sommer eher zur Spurrillenbildung, härteres Bitumen neigt im Winter
eher zur Rißbildung.
Daher ist die genaue Bestimmung des Härtegrades von Bitumen ein wichtiges
Mittel zur Qualitätskontrolle.
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Zur
Härtebestimmung
von halbfesten Prüfmaterialien
wie Bitumen findet international das Verfahren der Penetration gemäß ASTM D
5, IP 49, DIN EN 1426, früher:
DIN 52010 Anwendung. Hierbei dringt ein nach Gewicht und Abmaßen spezifizierter Messkörper – bestehend
aus Fallstab und Eindringkörper – für kurze
Zeit unter Eigengewicht in das zu untersuchende Material ein. Die
hiernach gemessene Eindringtiefe in das Prüfmaterial ist ein Maß für dessen
Härte,
die sich bei Bitumensorten in der entsprechenden Bezeichnung niederschlägt („B80" bedeutet hier 80/10
mm Eindringtiefe). Die Vorrichtung zum Positionieren und Auslösen des
Messkörpers und
zum Messen der Eindringung ins Prüfmaterial wird Penetrometer,
das Messverfahren Penetration genannt.
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Voraussetzung
für die
Vergleichbarkeit von Messergebnissen ist die Einhaltung der Spezifikationen
und das genaue Positionieren des Messkörpers in der Startposition
vor der eigentlichen Penetration. Dies bedeutet, dass der Eindringkörper (z.B.
eine Eindringnadel) direkt über
der Oberfläche
positioniert wird, also im Idealfall genau einen unendlich kleinen Berührungspunkt
mit dem zu vermessenden Material aufweist. Diese Startposition wird
bei den bekannten Vorrichtungen unter Beobachtung eines Benutzers durch
vorsichtiges Absenken des Messkörpers
mittels einer Höhenverstellung
bis zur Berührung
der Eindringkörper-Spitze mit der Prüfmaterial-Oberfläche erreicht.
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Aus
dieser Startposition wird die Penetration durch Freigabe des bis
dahin im Penetrometer gehaltenen Messkörpers (bestehend Fallstab und
Eindringkörper)
gestartet. Dabei dringt der Messkörper in das Prüfmaterial
unter Eigengewicht ein. Nach einer vorgegebenen Eindringzeit wird
der Messkörper in
der neuen Stellung arretiert. Nach ASTM D 5, IP 49, DIN EN 1426
beträgt
die Eindringzeit 5 Sekunden. Der Eindringweg bzw. die Eindringtiefe
ist das Ergebnis der Penetration und dient als Maß für den zu
ermittelnden Härtegrad.
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Die
erforderliche Einstellung der Startposition ist mit den bekannten
Vorrichtungen zwangsläufig mit
Fehlern behaftet. Grund dafür
ist die manuelle Einstellung der Startposition unter (subjektiver)
Beobachtung eines Benutzers. Dabei wird der Messkörper mit
einem Handrad abwärts
bewegt. Durch die Beobachtung des Benutzers wird dann der Aufsetzpunkt
gefunden.
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Erschwerend
kommt hinzu, dass z.B. nach DIN EN 1426 unter einer Temperierflüssigkeit
gemessen wird und damit der Aufsetzpunkt „unter Wasser" gefunden werden
muss. Handelt es sich bei dem zu messenden Material um Bitumen,
wird das einfallende Licht nur geringfügig reflektiert. Die schlechten Sichtverhältnisse
führen
zu einer eingeschränkten bzw.
verschlechterten Wahrnehmung des Benutzers.
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Zur
Verbesserung der Sichtverhältnisse
werden beim Stand der Technik Spiegel, Lichtquellen (Lampen) und
optische Hilfen verwendet. Zum Beispiel können Lupen und Punktleuchten
zur Schattenbildung der sich der Prüfoberfläche nähernden Spitze verwendet werden.
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Diese
gewährleisten
jedoch keine exakte Bestimmung des Aufsetzpunktes, wodurch die Bestimmung
des Härtegrades
des zu vermessenden Materials ebenfalls fehlerbehaftet ist.
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Ein
fehlerhafte Startposition (Aufsetzfehler) wirkt sich auf das Messergebnis
zur Bestimmung des Härtegrades
aus:
- – erreicht
die Spitze des Messkörpers
die Oberfläche
des Prüfmaterials
nur scheinbar, d.h. das Aufsetzen wird zu früh gestoppt, dann wird der Messkörper bei
der nachfolgenden Penetration durch die zu große Fallhöhe zu tief ins Prüfmaterial
eindringen.
- – dringt
die Spitze des Messkörpers
in der Startposition bereits in die Oberfläche des Prüfmaterials ein, d.h. das Aufsetzen
wird zu spät
gestoppt, dann wird der Messkörper
bei der nachfolgenden Penetration zu gering eindringen.
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Eine
objektivierte Möglichkeit
besteht durch den Einsatz von kraftauslösenden, empfindlichen Federkontakten
im Bereich des Messkörpers.
Die hiermit verbundenen Nachteile, wie ständig erforderliche Nachjustierung
der „Nullkraft", Schwimmeffekte
im Temperiermedium, Erfassung nur statischer Grenzkräfte und
sehr große
Erschütterungsempfindlichkeit lassen
jedoch einen praktischen Einsatz kaum zu.
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Prinzipiell
bestünde
die Möglichkeit
einer unmittelbaren Kraftmessung mittels Sensoren am Messkörper. Bei
der erforderlichen Empfindlichkeit des Systems ist die Erschütterungsempfindlichkeit zwar
kleiner als im Falle der Federkontakt-Auslösung, kann aber dennoch nicht
ignoriert werden. Ein weiteres Problem stellt hier die endliche
Auflösung des
Sensorsignals dar, die erst beim ersten sicher auswertbaren Messwert
der detektierten Materialberührung
zum Anhalten des absinkenden Messkörpers führen kann. Diese Position würde aufgrund
der endlichen Auflösung
zu spät
erkannt werden und damit das Messergebnis verfälschen. Vor allem weisen Eindringkörper wie Bitumennadeln
aufgrund ihrer geringen Berührungsfläche zur
Prüfoberfläche nur
sehr kleine Kraftwerte auf. Hierdurch müßte bis zu einer Erkennung
des Kraftanstiegs unakzeptabel tief in das Prüfmaterial eingedrungen werden.
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Weiterhin
ist aus
DE 40 21 178
A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Härtegrades von halbfesten Materialien
durch Messung der Eindringtiefe eines in das zu untersuchende Material „fallenden Messkörpers" bekannt, wobei der
Messkörper
mittels des Elektromotors
34, der Hubstange
36 und
anderen Elementen zur vertikalen Abwärtsbewegung gebracht wird.
Eine Vorabmessung zur Bestimmung des Nullpunktes (Startpunktes),
um den Messkörper in
eine vordefinierte Startposition (d.h. in eine vordefinierte Fallhöhe) zu bringen,
ist nicht beschrieben und auch nicht notwendig, da die Fallhöhe nur unwesentlich
zur Eindringkraft des Messkörpers
beiträgt. Vielmehr
soll der Messkörper
40 knapp über der
Probe
20 angeordnet sein, was den Einfluss des Fallweges
minimiert.
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Darüber hinaus
ist aus
DE 38 30 815
A1 ein Messverfahren zur Prüfung der Härte eines Prüfkörpers bekannt,
bei dem der Messkörper
12,
14 ebenfalls
nicht unter Eigengewicht auf die Probe
10 fällt; vielmehr
wird die Probe
10 durch den Messkörper
12,
14 mittels
der Prüfkräfte F1 und
F2 beaufschlagt. Dazu ist es vorgesehen, zunächst eine relative hohe Vorlast
(bis zu 20 %) der Prüflast
aufzubringen und nach Aufbringen der Vorlast den Nullpunkt über Extrapolation
mathematisch zu ermitteln. Ein Aufbringen einer solchen Prüflast würde jedoch
zu einer Verfälschung
des Messergebnisses bei der Messung des Härtegrades von halbfesten Materialien
führen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und
Verfahren anzugeben, mit welchem der Härtegrad von halbfesten Prüfmaterialien
gegenüber
dem Stand der Technik genauer bestimmt und subjektive Einflussgrößen minimiert
werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 im Zusammenwirken
mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
enthalten.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der
Härtegrad
von halbfesten Prüfmaterialien
genauer als nach dem Stand der Technik bestimmt werden kann.
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Dazu
wird vor der eigentlichen Messung des Härtegrades der mit einem Kraft-Weg-Sensor
verbundene Messkörper
derart in das zu vermessende Material abgesenkt wird, dass das zu
untersuchende Material beim ersten Aufsetzen des mit dem Sensor verbundenen
Messkörpers
lediglich eine elastische Verformung erfährt, mittels mindestens zweier Kraft-Weg-Messwerte des Sensors
die exakte Startposition für
den Messkörper über oder
auf dem zu vermessenden Material bestimmt und danach der Messkörper auf
diese Startposition eingestellt wird. Nachfolgend wird die Eindringtiefe
des unter Eigengewicht in das zu untersuchende Material fallenden Messkörpers bestimmt
und aus der Eindringtiefe der Härtegrad
des zu untersuchenden Materials bestimmt.
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Da
es sich beim vorliegenden Verfahren um halbfeste Materialien handelt,
wird das erste gemessene endliche Kraft-Weg-Signal des Sensors beim Absenken
nach der ersten (nicht erfassten) Oberflächenberührung erfolgen: Der Anstieg
der Meßsignalwerte
aufeinander folgender Messwerte hängt unter Anderem von der Prüfmaterialhärte und
der Kraftsensor-Empfindlichkeit ab.
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Durch
Auswertung, z.B. Extrapolation der gemessenen Weg-/Kraftwerte läßt sich
der erste Berührungspunkt,
also die Startposition für
den Messkörper
nachträglich
bestimmen. Der Messkörper
wird nach Erfassung mindestens zweier Messwerte des Sensors aus
dem Prüfmaterial
herausgezogen und in die errechnete Startposition zurückgesetzt.
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Der
Messkörper
wird nur soweit abgesenkt, dass das zu vermessende Material beim
Aufsetzen des Sensors lediglich eine elastische Verformung erfährt.
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Vorteilhafterweise
können
durch Analyse der Messwerte des Sensors störende Schwimmeffekte beim Durchfahren
der über
der zu vermessenden Prüfmaterialoberfläche befindlichen
Temperierflüssigkeit
ausgefiltert werden. Weiterhin können
durch Analyse der Messwerte des Sensors Störsignale, die ihren Ursprung
in mechanischer Beeinflussung Sensors oder in der elektrischen Beeinflussung
der Messwerte haben, ausgefiltert werden.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines zumindest teilweise in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 :
ein Penetrometer nach dem Stand der Technik,
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2 :
Darstellung eines Messkörpers
bestehend aus Fallstab und Eindringkörper (Eindringnadel) nach dem
Stand der Technik,
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3 :
ein Penetrometer mit Kraft-Weg-Sensor und einer Einheit zur Auswertung
der mindestens zwei Messwerte des Kraft-Weg-Sensors,
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4 :
ein Diagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit genauer Ermittlung der Penetrations-Startposition.
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1 zeigt
ein Penetrometer für
die Bestimmung des Härtegrades
von halbfestem nach dem Stand der Technik. Das Penetrometer wird
zur Messung über
dem zu vermessenen Prüfmaterial
aufgestellt. Als halbfeste Materialien kommen insbesondere Erdölprodukte,
wie z.B. Bitumen in Betracht. Andere halbfeste Materialien können aber
zum Beispiel Produkte der Lebensmittelindustrie, der Verpackungsindustrie,
der Kosmetikindustrie, der chemischen Industrie und ähnliche
Materialien sein. Das Penetrometer verfügt über einen Fallstab 5 mit
Eindringnadel 8 (Eindringkörper), welche in diesem Beispiel
für die
Bitumenmessung ausgeführt
sind. Zur Bestimmung des Härtegrades
wird der Fallstab 5 mit der Eindringnadel 8 mittels
der Handräder
2,4 zum Aufsetzen auf die Oberfläche
des zu vermessenden Prüfmaterials
abwärts
bewegt, bis die Nadelspitze das Prüfmaterial kontaktiert. Diese
Position ist die sog. Startposition der Messung. Dabei ist die zu
bestimmende Startposition (Aufsetzpunkt) deshalb schwer zu ermitteln,
weil einerseits die Sichtverhältnisse
im Bereich des Aufsetzpunktes relativ schlecht sind und andererseits
die subjektive Betrachtung des Benutzers, der das Gerät bedient,
fehlerhaft ist oder zumindest fehlerhaft sein kann. Zur Verbesserung der
optischen Verhältnisse
verfügt
ein Penetrometer nach dem Stand der Technik über eine Lampe 1 und eine
Lupe 7. Der Aufsetzpunkt kann mit der vorliegenden Anordnung
nicht durch Gegendruck des zu vermessenden Prüfmaterials bestimmt werden,
da der in 2 dargestellte Messkörper 5, 8 bereits
bei geringen Drücken
in das zu vermessende Prüfmaterial
eindringen würde,
was die Startposition der Messung und damit die nachfolgende Messung
selbst verfälschen
würde.
Diese Messfehler bei der Bestimmung des Härtegrades von halbfestem Prüfmaterial können mit
einer erfindungsgemäßen Anordnung
eliminiert werden.
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Ein
Penetrometer zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 3 schematisch dargestellt. Die mit einem Kraft-Weg-Sensor 20 gemessenen
Kräfte
werden während
des Absenkens des Messkörpers 5, 8 vor
der eigentlichen Messung des Härtegrades
registriert. Gleichzeitig werden zu diesen Messwerten die Daten
der jeweils zurückliegenden
Wegstrecken gespeichert. Trifft die Spitze des Eindringkörpers 8 auf
die Prüfmaterial-Oberfläche 22,
nehmen die Kraftwerte endliche Werte an, welche mit zunehmender
Wegstrecke ansteigen. Dabei wird das Prüfmaterial 22 aufgrund
seiner Eigenschaften zunächst
nur elastisch, später
jedoch auch irreversibel verformt. Ist die Messanordnung entsprechend
empfindlich, wird sich das Prüfmaterial 22 aufgrund
seiner nur elastischen Verformung bei Entlastung, d.h. bei Zurückziehen
des Messkörpers 5, 8 auf die
errechnete Startposition 21 der ersten theoretischen Oberflächen-Berührung in
seinen Ursprungszustand zurückbilden.
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Erfindungsgemäß wird der
Messkörper 5, 8 nach
Vorliegen mindestens zweier Messwerte auf die von einem Datenverarbeitungsgerät errechnete Startposition 21 eingestellt.
Das Datenverarbeitungsgerät
ist aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht in 3 dargestellt. Diese errechnete
Startposition 21 liegt aufgrund der endlichen Messwertauflösung vor dem
ersten gemessenen, endlichen Kraftwert des Kraft-Weg-Sensors 20. Über Extrapolation
oder sonstige mathematische Verfahren läßt sich die exakte Startposition 21 bestimmen.
Entsprechend 4 ist eine lineare Berechnung
aus zwei Messwerten möglich.
Dieses weitgehend lineare Verhalten beruht auf der elastischen Verformung,
die nur in einem bestimmten Anfangsbereich (materialabhängig) vorliegt.
Zur Eliminierung der Messungenauigkeiten des Sensors 20 kann
die oben genannte Extrapolation mit mehr als zwei Messwerten erfolgen.
Hierdurch wird die Auswirkung eines Sensor-Messfehlers verringert.
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Durch
eine Auswertung mehrerer Kraft-Weg-Messwerte lassen sich die Daten
hinsichtlich verschiedener Störeinflüsse genauer
im Hinblick auf die Startposition 21 auswerten, so dass
hierdurch weitere Verbesserungen erzielt werden können.