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Die Wiederverwendung von zurückgewonnenen Asphaltbelägen, auch als Asphaltgranulat oder Recyclingasphalt bezeichnet, für die Herstellung neuer Asphaltmischungen hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dieses Recycling reduziert den Verbrauch neuer Rohstoffe, wie aus Steinbrüchen gewonnenen Mineralstoffen und aus Rohöl hergestelltem Bitumen. Neben dem damit verbundenen Umweltschutz können auch wirtschaftliche Einsparungen erreicht werden.
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Am Ende der Nutzungsdauer des alten Asphaltbelags wird dieser von der Oberfläche abgetragen, auf die passende Partikelgröße gebrochen und mit frischen Mineralstoffen und Bitumen oder modifizierten Bitumen in die Asphaltmischanlage gegeben. Der Recyclingasphalt kann unbeheizt oder nach Erhitzen in einem Paralleltrommelofen hinzugegeben werden.
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Während der Nutzungsdauer von Asphaltbelägen erhärtet das bituminöse Bindemittel darin auf Grund von Alterungsprozessen, wie z. B. Oxidation. Im Folgenden wird diese Form von Bindemittel als gealtertes bituminöses Bindemittel bezeichnet. Diese Alterung muss bei der Konzipierung von Asphaltmischungen bei Verwendung von recyceltem Asphalt berücksichtigt werden. Um die gewünschten Eigenschaften des aus frischen und gealterten Bitumenanteilen resultierenden Bindemittels zu erhalten, wird in einigen Fällen weiches Frisch-Bitumen verwendet. Wenn das bituminöse Bindemittel im Recyclingasphalt zu stark gealtert ist oder große Mengen Recyclingasphalt verwendet werden, kann das allerdings nicht ausreichend sein. In solchen Fällen können Verjüngungsmittel hinzugefügt werden, um die Härte des Bitumens zu verringern.
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Heutzutage werden unterschiedliche flüssige Materialien als Verjüngungsmittel eingesetzt, am häufigsten Fluxöle basierend auf recycelten Automobil-Schmierölen.
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WO 2008026811 A1 beschreibt den Einsatz von naphthenischen und aromatischen Basisölen in Recyclingasphalt für Straßenbeläge.
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US 8608845 B2 beschreibt den Einsatz von Tallölen, um die Viskosität von recyceltem Bindemittel während der Verarbeitung zu senken.
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Da Fluxöle einige Nachteile bezüglich Logistik (wassergefährdend) und Gesundheits- und Sicherheitsbedenken aufweisen, ist es von Interesse neue Verjüngungsmittel ohne die genannten Nachteile zu entwickeln.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Wachse oder Kombinationen aus Wachs und Öl ebenfalls die Bitumen- und Asphalteigenschaften beeinflussen können.
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Wachse sind dabei definiert als chemische Zusammensetzungen, die ein Tropfschmelzpunkt über 40°C haben, unter leichtem Druck polierbar sind, knetbar und hart bis spröde sind, bei 20°C transparent bis opak aussehen, über 40°C ohne Zersetzung schmelzen, typischerweise zwischen 50 und 90°C, in Ausnahmefällen bis 200°C und Pasten oder Gele bilden sowie schlechte Leiter von Hitze und Elektrizität sind.
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Wachse können weiter nach unterschiedlichen Kriterien klassifiziert werden, wie z. B. nach ihrer Herkunft. Dabei können Wachse in zwei Gruppen unterteilt werden: natürliche und synthetische Wachse. Natürliche Wachse können weiter unterteilt werden in fossile Wachse (z. B. Erdölwachs) und nicht-fossile Wachse (z. B. tierische und pflanzliche Wachse).
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Erdölwachse werden unterteilt in Makrokristalline Wachse und Mikrokristalline Wachse, abhängig von ihrer chemischen Struktur (z. B. n- und iso-Anteil der Kohlenwasserstoffe) und ihren physikalischen Eigenschaften (z. B. Erstarrungspunkt).
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Synthetische Wachse können in teil-synthetische Wachse (z. B. Amidwachse) und voll-synthetische Wachse (z. B. Polyolefin- und Fischer-Tropsch-Wachse) unterteilt werden.
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Paraffine oder Paraffinwachse sind Gemische aus acyclischen Alkanen (gesättigten) Kohlenwasserstoffen mit der allgemeinen Summenformel CnH2n+2. Die Zahl n liegt zwischen 18 und 52 und die mittlere molare Masse damit zwischen 275 und 600 Gramm per Mol. Hartparaffin schmilzt zwischen 50 und 60°C, Weichparaffin bei etwa 45°C. Sie sind damit bei Raumtemperatur fest.
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Paraffine können entweder aus der Entparaffinierung der sogenannten Schmierölschnitte der Vakuumdestillation von Erdöl und anschließender Aufarbeitung (Entölung, Bleichen, Hydrieren etc.), durch Extrahieren aus Braunkohle oder durch direkte Synthese z. B. mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren gewonnen werden.
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Durch das Entölen, Bleichen oder Hydrieren der Paraffine kann eine sehr hohe Reinheit erhalten werden.
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Synthetische Fischer-Tropsch-Wachse oder Paraffine können durch die katalysierte Fischer-Tropsch-Synthese von Synthesegas (CO und H2) zu Alkanen erhalten werden. Eine andere Quelle für synthetische Paraffine sind Produkte erhalten aus der Oligomerisierung/Polymerisierung von olefinischen Monomeren, eventuell gefolgt von einer Hydrierung.
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Paraffine sind je nach Herkunft des Bitumens in unterschiedlichen Mengen bereits im Bitumen enthalten. Da sie störende Nebeneffekte wie eine verschlechterte Adsorption der Asphaltene an die Mineralstoffe im Asphalt zeigen können und damit die Viskosität des Bitumen erhöhen, werden Bitumina mit hohen Paraffingehalten meist nicht als Bindemittel verwendet (
GB 2234512 A ).
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Hochschmelzende synthetische Fischer-Tropsch-Wachse werden seit einiger Zeit allerdings als Bitumenadditive eingesetzt, um die Verarbeitung und Stabilität von Asphaltbelägen, die daraus hergestellt werden, zu verbessern.
EP 1017760 B1 beschreibt den Einsatz solcher Wachse mit einem Anteil von größer 90 Gew.-% linearer Kohlenwasserstoffe und einem Erstarrungspunkt von bis zu 105°C in Asphaltmischungen. Es wurde gefunden, dass 0,5 Gew.-% oder mehr Fischer-Tropsch-Wachs im Bitumenbindemittel der Asphaltmischungen eine höhere Verdichtung des Asphalts erlauben und gleichzeitig die Viskosität des flüssigen Bitumens während der Asphaltherstellung verringern.
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EP 2058056 B1 beschreibt die Verwendung synthetischer Paraffinwachse als Härter in Recyclingasphalt zusammen mit Ölen als Weichmachern, um die Alterung des Bitumens in daraus hergestellten Asphaltmischungen zu verringern.
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DE 20 2005 003 108 U1 beschreibt Bitumenzusammensetzung bestehend aus Bitumen, zumindest einem tierischen und/oder pflanzlichen Öl und/oder Fett und zumindest einem Wachs. Ein Beispiel ist die Verwendung einer Kombination aus Fischer-Tropsch-Wachs und Rapsöl, um eine Bitumenmischung mit erhöhter Dauerfestigkeit zu erhalten.
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Einige der bekannten Wachsmischungen besitzen zwar keinen der Nachteile der Verwendung von Fluxölen in Recyclingasphalt, versteifen das bituminöse Bindemittel in der Asphaltzusammensetzung allerdings auch, so dass sie nicht als Verjüngungsmittel geeignet sind.
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Ziel der Erfindung ist es daher weiche, niedrigschmelzende Paraffinmischungen zu entwickeln, die die Härte des bituminösen Bindemittels bei üblichen Nutzungstemperaturen von Asphaltbelägen reduzieren und gleichzeitig einen verjüngenden Effekt auf den Bitumenanteil besitzen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es wurde überraschend gefunden, dass eine Asphaltzusammensetzung enthaltend:
- – 10 bis 95 Gew.-% recycelter Asphaltbelag enthaltend gealtertes bituminöses Bindemittel,
- – 5 bis 90 Gew.-% frische Mineralstoffe, frische Füllstoffe und frisches bituminöses Bindemittel, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge der Asphaltzusammensetzung; und
- – 0,5 bis 10 Gew.-% eines Verjüngungsmittels, bezogen auf die Gesamtmenge an bituminösem Bindemittel in der Asphaltzusammensetzung,
wobei das Verjüngungsmittel eine Paraffinmischung ist, die folgenden Eigenschaften hat: - – einen Erstarrungspunkt gemäß DIN ISO 2207 von 40 bis 60°C,
- – eine Nadelpenetration bei 25°C gemäß DIN 51579 von 30 bis 200 1/10 mm,
- – einen Ölgehalt gemäß DIN 51531 von 0,1 bis 30 Gew.-%, und
- – eine Viskosität bei 100°C gemäß ASTM D7042 von 2 bis 8 mm2/s;
sehr gute Bitumeneigenschaften aufweist.
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Die erfindungsgemäße Paraffinmischung als Verjüngungsmittel zeigt einige Vorteile gegenüber den bekannten Fluxölen. Sie ist nicht wassergefährdend und weist keine Gesundheits- oder Umweltrisiken auf.
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Vorteilhafterweise beträgt die Gesamtmenge an bituminösem Bindemittel in der Asphaltzusammensetzung 0,5 bis zu 9 Gew.-%.
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Das gealterte und das frische bituminöse Bindemittel machen gemeinsam die Gesamtmenge an bituminösem Bindemittel in der Asphaltzusammensetzung aus.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind 3 bis 5 Gew.-% eines Verjüngungsmittels bezogen auf die Gesamtmenge an bituminösem Bindemittel in der Asphaltzusammensetzung enthalten.
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Weiter bevorzugt ist, dass die Paraffinmischung einen Erstarrungspunkt gemäß DIN ISO 2207 von 45 bis 55°C besitzt.
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Ebenfalls bevorzugt ist, dass die Paraffinmischung eine Nadelpenetration bei 25°C gemäß DIN 51579 von 50 bis 100 1/10 mm besitzt.
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Die Paraffinmischung besitzt bevorzugt einen Ölgehalt gemäß DIN 51531 von 0,5 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1 bis 5 Gew.-%.
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In einer weiteren Ausführungsform besitzt die Paraffinmischung eine Viskosität bei 100°C gemäß ASTM D7042 von 2 bis 5 mm2/s.
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Die Paraffinmischung besteht bevorzugt ganz oder teilweise aus Fischer-Tropsch-Paraffinen.
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Darüber hinaus liegt die Paraffinmischung vorzugsweise hydriert vor.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Verwendung eines Verjüngungsmittels in einer Asphaltzusammensetzung umfassend bituminöses Bindemittel zur Erniedrigung des Erweichungspunktes und/oder Erhöhung der Nadelpenetration des bituminösen Bindemittels beansprucht, wobei das Verjüngungsmittel eine Paraffinmischung ist, die folgenden Eigenschaften hat:
- – einen Erstarrungspunkt gemäß DIN ISO 2207 von 40 bis 60°C,
- – eine Nadelpenetration bei 25°C gemäß DIN 51579 von 30 bis 200 1/10 mm,
- – einen Ölgehalt gemäß DIN 51531 von 0,1 bis 30 Gew.-%, und
- – eine Viskosität bei 100°C gemäß ASTM D7042 von 2 bis 8 mm2/s;
und die Asphaltzusammensetzung enthält: - – 10 bis 95 Gew.-% recycelter Asphaltbelag enthaltend ein gealtertes bituminöses Bindemittel, bezogen auf die Gesamtmenge der Asphaltzusammensetzung,
- – 5 bis 90 Gew.-% frische Mineralstoffe, frische Füllstoffe und frisches bituminöses Bindemittel, bezogen auf die Gesamtmenge der Asphaltzusammensetzung;
und das Verjüngungsmittels zu 0,5 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge an bituminösem Bindemittel in der Asphaltzusammensetzung eingesetzt wird.
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Bevorzugt ist die Verwendung eines Verjüngungsmittels, wobei der Erweichungspunkt Ring und Kugel gemäß DIN EN 1427 des bituminösen Bindemittels um mindestens 3% pro 1 Gew.-% zugesetztem Verjüngungsmittel bezogen auf die Gesamtmenge des bituminösen Bindemittels erniedrigt wird.
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Weiter bevorzugt ist die Verwendung eines Verjüngungsmittels, wobei die Nadelpenetration gemäß DIN EN 1426 des bituminösen Bindemittels um mindestens 35% pro 1 Gew.-% zugesetztem Verjüngungsmittel bezogen auf die Gesamtmenge des bituminösen Bindemittels erhöht wird.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Asphaltzusammensetzung umfassend die folgenden Schritte:
- – Erhitzen von frischen Mineralstoffen und frischen Füllstoffen in einem Asphaltmischer,
- – Hinzugeben von frischem bituminösem Bindemittel im flüssigen Zustand,
- – Hinzugeben von dem oben beschriebenem Verjüngungsmittel im flüssigen oder festen Zustand, vorzugsweise im flüssigen Zustand,
- – Hinzugeben von kaltem oder vorzugsweise in einem Paralleltrommelofen vorgeheiztem recycelten Asphalt, und
- – Homogenisieren der Zusammensetzung bei 150 bis 250°C, vorzugsweise bei 150 bis 190°C;
wobei der Anteil an recyceltem Asphalt zwischen 10 und 90 Gew.-%, vorzugsweise über 30 Gew.-%, liegt.
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Das Verjüngungsmittel kann dabei vor und nach der Zugabe des frischen bituminösen Bindemittels hinzugefügt werden.
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Der recycelte Asphalt wird vorzugsweise aus alten Asphaltbelägen durch Abtragen der Oberfläche und Brechen auf die passende Partikelgröße erhalten.
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Die Asphaltzusammensetzung kann bevorzugt für Straßenbeläge, Flughafenbeläge, Tankstellenbeläge, Parkplatzbeläge, Fahrradweg- und Fußwegbeläge sowie Beläge für Gewerbegebiete, Ladezonen oder landwirtschaftliche Bereiche eingesetzt werden.
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Beispiele
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Basierend auf den Anforderungen an Weichheit und Erstarrungspunkt der Paraffinmischung wurden vier verschiedene Mischungen entwickelt und getestet (siehe Tabelle 1). Tab. 1: Eigenschaften verschiedener Paraffinmischungen
| | Vaseline | Paraffinwachs 1 | Paraffinwachs 2 | Paraffinwachs 3 |
| Erstarrungspunkt [°C] | 48–58 | 46.5 | 46–48 | 44–48 |
| Pen (25°C) [1/10 mm] | 140–190 (Konus) | 147 (Nadel) | 50–70 (Nadel) | 60–100 (Nadel) |
| Ölgehalt [%] | 20–25# | 15 | 0–1.5 | 1–3 |
| Farbe Saybolt [-] | Lovibond 0–1 | n. a.* | 29–30 | 27–30 |
| Viskosität (100°C) [mm2/s] | 5.0–8.0 | 4.1 | 2.0–4.0 | 2.0–5.0 |
#: Berechnet, basierend auf der Zusammensetzung
*: Nicht hydriert
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Vaseline ist eine paraffinische Mischung aus Mineralöl und mikrokristallinen Wachsen. Paraffinwachs 1 basiert auf einem erdölbasiertem Paraffin aus dem mittleren Vakuumdestillationsschnitt und einem Paraffin aus der Fischer-Tropsch-Synthese. Die Paraffinwachse 2 und 3 basieren auf Neutralöl-Vakuumdestillationsschnitten.
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Die Paraffinmischungen wurden mit den folgenden Methoden charakterisiert: Erstarrungspunkt – DIN ISO 2207, Nadelpenetration – DIN 51579, Konuspenetration – DIN 51580, Saybolt-Farbe – ASTM 0156, Lovibond-Farbe – IP 17/52, Viskosität – ASTM D7042, Ölgehalt – DIN 51531.
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Die ersten drei Paraffinmischungen wurden mit Bitumen der Penetrationsklasse 30/45 gemischt, um den Einfluss auf relativ harte Bindemittel zu bestimmen. Tabelle 2 zeigt die erhaltenen Effekte auf den Erweichungspunkt und die Nadelpenetration. Tab. 2: Einfluss auf Bitumeneigenschaften
| | EP RuK
[°C]* | Pen (25°C)
[1/10 mm]# |
| B 30/45 | 56.2 | 31 |
| + 2.5 Vaseline | 53,1 | 49 |
| + 5% Vaseline | 49.8 | 70 |
| + 2.5% Paraffinwachs 1 | 51.4 | 55 |
| + 5% Paraffinwachs 1 | 47.6 | 75 |
| + 2.5% Paraffinwachs 2 | 50.8 | 63 |
| + 5% Paraffinwachs 2 | 46.6 | 81 |
*: Erweichungspunkt Ring und Kugel (RuK) gemäß
DIN EN 1427 #: Nadelpenetration (Pen) gemäß
DIN EN 1426 -
Die Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen, dass alle Paraffinmischungen mit steigendem Anteil einen erweichenden Effekt auf das Bitumen haben. Paraffinwachs 2 hat den stärksten Effekt auf den Erweichungspunkt und die Nadelpenetration, obwohl es den niedrigsten Ölgehalt besitzt. Ohne an diese Theorie gebunden zu sein haben offensichtlich die Viskosität und Molekülgröße der Paraffinmischung einen entscheidenden Einfluss auf die Fließeigenschaften des Bitumens. Zusätzliche Messungen wurden durchgeführt, um den Einfluss von Paraffinwachs 3 auf den Erweichungspunkt von Bitumen zu bestimmen und mit dem Einfluss von typischem Fluxöl, welches aus recyceltem Automobilschmieröl stammt, zu vergleichen (siehe Tabelle 3).
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Im Vergleich zum Fluxöl zeigt Paraffinwachs 3 einen viel stärkeren Einfluss auf den Erweichungspunkt RuK sowie die Nadelpenetration des Bitumens und zusätzlich einen deutlich stärkeren Einfluss auf die Viskosität des Bindemittels. Tab. 3: Einfluss von Paraffinwachs 3 und Fluxöl auf Bitumeneigenschaften
| | EP RuK [°C] | Δ RuK [%] | Pen (25°C) [1/10 mm] | Δ Pen [%] | Viskosität (135°C) [mPa s] | Δ Visk. [%] |
| B 30/45 (Batch 2) | 53.1 | - | 43 | - | 760 | - |
| + 2.5% Paraffinwachs 3 | 47.6 | –10 | 86 | +100 | 460 | –39 |
| + 5% Paraffinwachs 3 | 42.0 | –21 | 134 | +212 | 340 | –55 |
| + 2.5% Fluxöl | 51.9 | –2 | 58 | +35 | 605 | –20 |
| + 5% Fluxöl | 45.6 | –14 | 98 | –128 | 420 | –45 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008026811 A1 [0005]
- US 8608845 B2 [0006]
- GB 2234512 A [0017]
- EP 1017760 B1 [0018]
- EP 2058056 B1 [0019]
- DE 202005003108 U1 [0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN ISO 2207 [0023]
- DIN 51579 [0023]
- DIN 51531 [0023]
- ASTM D7042 [0023]
- DIN ISO 2207 [0028]
- DIN 51579 [0029]
- DIN 51531 [0030]
- ASTM D7042 [0031]
- DIN ISO 2207 [0034]
- DIN 51579 [0034]
- DIN 51531 [0034]
- ASTM D7042 [0034]
- DIN EN 1427 [0035]
- DIN EN 1426 [0036]
- DIN ISO 2207 [0043]
- DIN 51579 [0043]
- DIN 51580 [0043]
- ASTM 0156 [0043]
- ASTM D7042 [0043]
- DIN 51531 [0043]
- DIN EN 1427 [0044]
- DIN EN 1426 [0044]