03.05.2013 1 Bestimmung der Dynamischen Viskosität - FGSV

03.05.2013 

Workshop Dynamisches Scherrheometer 

30. April 2013 in Köln 

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Bestimmung der Dynamischen Viskosität 

Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Renken 

Motivation 

• Kennwerte für die Viskosität anzugeben nach den TL Bitumen-StB 

• für Straßenbaubitumen gemäß TL Bitumen-StB 

• kin. Viskosität bei 135 °C (DIN EN 12595) - NR 

• dyn. Viskosität bei 60 °C (DIN EN 12596) - NR 

• für Polymermodifizierte Bitumen 

• gemäß den TL Bitumen kein Prüfgegenstand 

• EVT 1000 

EVT 100, Äquiviskositätstemperatur 

• Viskosität unabdingbar zur Beurteilung viskositätsveränderter 

Bitumen 

Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Renken | DSR-Workshop Dynamisches Scherrheometer I 30. April 2013 Köln-Deutz I 2 

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Viskosität - Teil der Gebrauchseigenschaft 

Quelle: SHRP/Bellin 


Definitionen 

Viskosität 

• Eigenschaft eines Stoffes unter Einwirkung einer Spannung zu 

fließen und sich dabei irreversibel zu verformen. 

• Die bei der Verformung aufgenommene Spannung hängt von der 

Verformungsgeschwindigkeit ab. 

• Bei newtonschen Flüssigkeiten verhalten sich Scherspannung 

und Schergeschwindigkeit zueinander proportional. 

• Bei nicht-newtonschen Flüssigkeiten besteht keine 

Proportionalität zwischen Scherspannung und 

Schergeschwindigkeit. 


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Newtonsche Flüssigkeit – 

Dynamische Viskosität η 

Bitumen verhalten sich bei Temperaturen oberhalb des EP RuK 

im Regelfall wie newtonsche Flüssigkeiten 

Dyn. Viskosität η 

η = τ /D [Pa⋅s] es gilt: 1 Pa⋅s = 1 N⋅s/m² 

Kinematische Viskosität ν 

ν kinematische Viskosität ist dichtebezogen, wird nach 

Maxwell abgeleitet 

! 

ν=η/ρ [m²/s] ! Angabe meist in mm²/s 


Zusammenhang kinematischer ν 

und dyn. Viskosität η 

Beziehungen: ν=η/ρ [m²/s] bzw. η= ν⋅ ρ [Pa⋅s] 

100· 

100 

² 

Näherungsweise: 1.000 ν [mm²] ≈ 1 η [Pa·s] 


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Normen, die die Viskosität 

bitumenhaltiger Bindemittel zum Inhalt haben 

Nummer Titel Bitumenhaltige Bindemittel - Jahr 

DIN 1342-2 Viskosität – Teil 2: Newtonsche Flüssigkeiten 11/2003 

E DIN 52007-1 Bestimmen der Viskosität - Teil 1: Allgemeine Grundlagen 

und Auswertung 

4/2013 

Entwurf 

E DIN 52007-2 

Bestimmen der Viskosität-Teil 2: Messung mit dem 

Kugelzieh-Viskosimeter 

10/2012 

Entwurf 

E DIN EN 12595 Bestimmung der kinematischen Viskosität 02/2013 

Entwurf 

E DIN EN 12596 

DIN EN 13302 

DIN EN 13702 

DIN CEN/TS 

15324 

DIN CEN/TS 

15325 

Bestimmung der dynamischen Viskosität mit Vakuum- 

Kapillaren 

Bestimmung der dynamischen Viskosität mit einem 

Viskosimeter mit rotierender Spindel 

Bestimmung der dynamischen Viskosität von modifiziertem 

Bitumen mit dem Platte-Kegel-Verfahren 

Bestimmung der Äquiviskositätstemperatur basierend auf 

Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit mithilfe des 

DSR 

Bestimmung der Null-Scherviskosität mittels 

Schubspannungs-Rheometer 

02/2013 

Entwurf 

06/2010 

11/2010 

08/2008 

04/2008 


Genormte Viskosimeter n. E DIN 52007-1 (4/2013) 

nicht aufgeführt in der Liste sind: 


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Messgeräte: Auswahl kin. Viskosität E DIN 12595 

Cannon-Fenske- 

Viskosimeter 

Zeitfuchs-Kreuz- 

Viskosimeter 

BS/IP/RF- Rückfluss- 

Viskosimeter 


Messgeräte: Auswahl dyn. Viskosität E DIN 12596 

Kugelzieh-Viskosimeter 

Cannon-Manning- 

Vakuum-Kapillar- 

Viskosimeter 

Asphalt-Institut- 

Vakuum-Kapillar- 

Viskosimeter 


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Messgeräte – Familie: rotierende Spindel 

DIN EN 13302:2010 

Beispiele für Spindel und Koaxialkörper 

Quelle: Haake-Handbuch 


Dyn. Viskosität 

Platte-Kegel-Verfahren DIN EN 13702 


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Dyn. Viskosität – Platte-Kegel-Verfahren 

DIN EN 13702 

• Applizieren der Bitumenprobe auf die Platte 

• Anfahren des oberen Kegels bis zum Spitzenabstand 1,5 mm 

• Rotieren des Kegels durch Aufbringen einer Schergeschwindigkeit 

• Messen des Drehmoments 

• Berechnen der Scherspannung 

• Berechnen der dyn. Viskosität 

η=τ/γ 

mit: 

γ=Schergeschwindigkeit in s -1 

τ = Scherspannung in Pa 

τ= A x M d 

A der Kegelfaktor in m -3 

M d das Drehmoment in N⋅ m 


Komplexe Viskosität – 

Platte-Platte-Verfahren mittels DSR 

• 1 mm dicke Bitumenprobe zwischen einer festen und einer sich drehenden 

Scheibe 

• Aufbringen einer definierten Schergeschwindigkeit (Schergefälle, 

Scherrate) 

• dadurch bewegt sich der Punkt A in Richtung Punkt B und darüber hinaus 

• Messen des Drehmoments, Berechnen der Schubspannung 

• Berechnen der komplexen Viskosität 

Schergeschwindigkeit 

sich drehende 

Platte 


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Baupraktisch interessierende Viskositätsbereiche 

In der Praxis kann für die kinematische Viskosität mit 

folgenden Werten gearbeitet werden: 

Spritzen 

40 - 50 mm²/s 

Herstellen/Mischen 100 - 200 mm²/s 

Verdichten im Labor 500 bis 600 mm²/s 

(s. DIN 1996 T 4) 

Mindestgrenze für Einbau 1.000 mm²/s (* 

E DIN 52007:2013 


Viskositäten Straßenbaubitumen und PmB 

T V =135 °C 

Quelle: Shell Bitumen 

T V =145 °C 


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Was wird gemessen? 

Zeit TemperaturSoll-Scherrate Scherrate Abweichung 

Schubspannung 

Dyn. 

Viskosität 

Normalkaft 

(s) (°C) (1/s) (1/s) (%) (Pa) (Pa·s) (g) 

10 150,00 0,16 0,16 0,48 0,04 0,25 -0,10 

20 149,90 0,25 0,25 0,45 0,06 0,24 -0,04 

30 149,90 0,40 0,40 0,44 0,10 0,24 -0,20 

40 150,00 0,63 0,63 0,45 0,15 0,24 0,03 

50 150,10 1,01 1,00 0,45 0,23 0,23 -0,07 

60 150,10 1,59 1,58 0,45 0,37 0,23 0,05 

71 149,90 2,52 2,51 0,45 0,59 0,23 0,10 

81 149,9090 399 3,99 397 3,97 045 0,45 093 0,93 023 0,23 000 0,00 

91 150,10 6,32 6,29 0,45 1,46 0,23 0,20 

101 150,10 10,00 9,96 0,45 2,30 0,23 -0,20 


Protokollauszüge 50/70 bei 150 °C 

Temperature Shearstress 

(°C) (Pa) 

Shearrate 

(s‐¹) 

Dyn.viscosityNormal force 

(Pa s) (N) 

y [Pa*s] 

Shear viscosit 

150,01 1,08 2,571 0,42 ‐0,06787 

150 1,331 3,215 0,4139 ‐0,06815 

150,01 1,67 4,016 0,4158 ‐0,06818 

150,01 2,088 5,019 0,416 ‐0,06825 

150,01 2,609 6,273 0,416 ‐0,06815 

150 3,266 7,837 0,4167 ‐0,06798 

150 4,118 9,874 0,417 ‐0,06828 

150,01 5,14 12,36 0,4159 ‐0,06771 

150 6,435 15,44 0,4167 ‐0,06849 

150 8,043 19,3 0,4168 ‐0,06744 

1,E+00 150 10,05 24,11 0,4167 ‐0,06782 

150 12,67 30,36 0,4173 ‐0,06724 

150 15,86 37,94 0,4179 ‐0,06744 

150 19,89 47,41 0,4195 ‐0,06802 

150 24,73 59,24 0,4175 ‐0,06782 

150 30,97 74,44 0,4161 ‐0,0682 

150 38,67 93,01 0,4158 ‐0,06776 

1,E-01 

1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 

Shear rate(s-Â¹) 


9




(°C) ( Pa) 

Shearrate 

(s‐¹) 

Dyn.viscosity 

(Pa s) 

Normal 

force(N) 

89,92 0,5189 0,0222 23,37 ‐0,07894 

89,92 0,6484 0,0277 23,41 ‐0,07843, 

89,93 0,8108 0,03465 23,4 ‐0,07895 

89,93 1,014 0,04328 23,42 ‐0,07869 

89,93 1,268 0,05408 23,44 ‐0,07978 

89,94 1,585 0,06758 23,46 ‐0,07982 

89,94 1,983 0,08445 23,48 ‐0,07846 

89,94 2,48 0,1055 23,5 ‐0,07906 

89,94 3,102 0,1318 23,53 ‐0,07884 

89,95 3,879 0,1647 23,55 ‐0,07878 

1,E+02 89,95 4,847 0,2059 23,55 ‐0,07836 

89,95 6,151 0,2612 23,55 ‐0,07879 

Pa*s] 

Shear viscosity [P 

1,E+01 

1,E+00 

1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 





(°C) (Pa) 

Shea rrate 

(s‐¹) 

Dyn.viscosityNormal force 

(Pa s) (N) 

29,96 1,67E+03 0,01736 9,62E+04 ‐0,2015 

29,97 1,95E+03 0,02295 8,52E+04 ‐0,1934 

29,97 2,66E+03 0,02857 9,30E+04 04 ‐0,1604 

29,97 3,28E+03 0,03541 9,26E+04 ‐0,124 

29,97 4,22E+03 0,04466 9,45E+04 ‐0,06732 

29,98 5,28E+03 0,0554 9,53E+04 0,01352 

29,98 6,68E+03 0,06954 9,60E+04 0,1265 

29,98 8,38E+03 0,08672 9,66E+04 0,2836 

29,98 1,05E+04 0,1086 9,68E+04 0,5062 

29,98 1,31E+04 0,1358 9,64E+04 0,8142 

29,98 1,61E+04 0,1699 9,50E+04 1,231 

1,E+07 

29,98 1,97E+04 0,2122 9,27E+04 1,768 

[Pa*s] 

Shear viscosity 

1,E+06 

1,E+05 

1,E+04 

1,E+03 

1,E-02 1,E-01 1,E+00 



10


Protokollauszüge 50/70 

Temperatursweep, Auflösung 5 K bzw. 10 K 

y [Pa*s] 

Shear viscosit 

Temperature 

[°C] 

Dyn. viscosity 

[Pa∙s] 

150 0,41691 

140 0,65329 

130 1,1131711317 

120 2,06228 

115 2,90790 

110 4,18962 

105 6,18624 

1,E+05 

95 14,70194 

90 23,45467 

1,E+04 

80 66,76036 

1,E+03 

70 226,75000 

1,E+02 60 910,70625 

1,E+01 

50 3643,58824 

40 13491,17647 

1,E+00 

30 94165,00000 

1,E-01 

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 

Temperature [°C] 


Protokollauszüge 50/70 organischer 

Zusatz (Wachs) –bei 150 °C 


(°C) (Pa) 

Shearrate 

(s‐¹) 

Dyn.viscosity 

(Pa s) 

Normal 

force(N) 

150,1 0,7543 2,031 0,3715 8,54E‐03 

150,1 0,957 2,569 0,3724 0,01029 

150,09 1,174 3,215 0,3651 9,75E‐03 

150,09 1,467 4,017 0,3652 0,01109 

150,09 1,812 5,02 0,3609 9,88E‐03 

150,09 2,26 6,272 0,3603 0,01102 

150,08 2,824 7,838 0,3602 0,01141 

150,08 3,507 9,794 0,3581 0,01111 

150,08 4,388 12,36 0,355 0,01166 

150,08 5,474 15,44 0,3545 0,01159 

150,07 6,822 19,3 0,3535 0,0129 

150,07 8,527 24,11 0,3536 0,01293 

1,E+00 

Shear viscosity [Pa*s] 

1,E-01 

1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 



11



Zusatz (Wachs) - bei 80 °C 


(°C) ( Pa) 

Shearrate 

(s‐¹) 

Dyn.viscosity 

(Pa s) 

Normal 

force(N) 

79,86 4,52 6,67E‐03 677,3 0,01393 

79,86 10,22 0,01394 732,8 0,01326 

79,87 16,34 0,01975 827,1 0,01337 

79,88 20,84 0,02302 905,2 0,01358 

79,88 25,87 0,02957 874,9 0,01406 

79,89 29,68 0,03461 857,4 0,01557 

79,89 34,63 0,04463 775,9 0,01594 

79,9 38,87 0,05527 703,2 0,01898 

1,E+03 

sity [Pa*s] 

Shear viscos 

1,E+02 

1,E+01 

1,E+00 

1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 






(°C) (Pa) 

Shear rate 

(s‐¹) 

Dyn.viscosity Normal force 

(Pa s) (N) 

69,86 14,48 4,44E‐03 3,26E+03 ‐9,02E‐03 

69,86 28,56 0,01204 2,37E+03 ‐7,93E‐03 

69,87 56,5 ‐2,13E‐03 

69,87 52,99 0,01939 2,73E+03 3,13E‐03 

69,88 61,65 0,02775 2,22E+03 8,42E‐03 

69,89 74,24 0,03623 2,05E+03 0,01219 

69,89 82,99 0,04527 1,83E+03 0,0151 

69,89 92,8 0,05531 1,68E+03 0,01838 

1,E+04 

sity [Pa*s] 

Shear viscos 

1,E+03 

1,E+02 

1,E+01 

1,E+00 

1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 



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(°C) (Pa) 

Shearrate 

(s‐¹) 

Dyn.viscosity Normal force 

(Pa s) (N) 

29,97 4,21E+03 0,03416 1,23E+05 ‐0,01089 

29,97 5,44E+03 0,04488 1,21E+05 0,06831 

29,98 6,85E+03 0,05539 1,24E+05 0,1744 

29,98 8,59E+03 0,06913 1,24E+05 0,3171 

29,98 1,08E+04 0,08685 1,25E+05 0,5151 

29,98 1,35E+04 0,1083 1,24E+05 0,7894 

29,98 1,67E+04 0,1357 1,23E+05 1,159 

29,98 2,04E+04 0,1696 1,21E+05 1,646 

29,98 2,48E+04 0,2122 1,17E+05 2,258 

1,E+06 

[Pa*s] 


1,E+05 

1,E+04 

1,E-02 1,E-01 1,E+00 




Zusatz (Wachs) - Temperatursweep 

Temperature 

[°C] 


[Pa∙s] 

150 0,35876 

1,E+06 140 0,54472 

130 0,89713 

1,E+05 

1,E+04 

1,E+03 

120 

110 

100 

1,60694 

3,13138 

6,70192 

115 

105 

95 

2,21684 

4,54481 

10,28308 

90 15,97148 

1,E+02 

80 794,22500 

70 2306,2857128571 

1,E+01 

60 2498,91667 

50 6218,81250 

1,E+00 

40 

30 122400,00000 


S 

1,E-01 

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 



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Dyn. Viskositäten: Einfluss der Prüfgeometrie 

Koaxial (Spindel) - Platte/Kegel - Platte/Platte (DSR) 

1,E+06 

1,E+05 

1,E+04 


1,E+03 

1,E+02 

1,E+01 

1,E+00 

1,E-01 

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 


50/70_Kegel 50/70+Wachs A_Spindel 50/70+Wachs A_Kegel 50/70+Wachs A_Platte (DSR) 


Dyn. Viskosität 

Einfluss der Bitumenart und -sorte 

1,E+04 

1,E+03 


1,E+02 

1,E+01 

∆≈25 K 

1,E+00 

1,E-01 

70 80 90 100 110 120 130 140 150 


70/100_Z 30/45_Z 25/55-55_Z 


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Viskosität - Einfluss organischer Zusätze 

(Wachse) Beispiel 50/70 

1,E+04 

1,E+03 


1,E+02 

1,E+01 

1,E+00 

∆≈ 7K 

1,E-01 

70 80 90 100 110 120 130 140 150 


50/70_Z 50/70+Sasobit_Z + Wachs A 50/70+Licomont_Z + Wachs B 50/70+Asphaltan + Wachs C B_Z 


Viskosität - organischer Zusatz (Wachs) 

Wachs A_Z 

Zylinder (Spind) 

Temperature [°C] Shear viscosity [Pa*s] 

160,0 1,08E‐02 

155,0 1,11E‐02 

150,0 1,17E‐02 

145,0 1,24E‐02 

140,00 1,36E‐02 

135,0 1,46E‐02 

130,0 1,56E‐02 

120,0 1,82E‐02 

115,0 2,06E‐02 

110,0 1,94E‐01 

105,0 6,63E+00 

100,0 4,14E+02 

95,0 1,37E+07 

1,E+08 

1,E+07 

1,E+06 

1E+05 1,E+05 

Pa*s] 

Shear viscosity [P 

1,E+04 

1,E+03 

1,E+02 

1,E+01 

1,E+00 

1,E-01 

120 °C 

110 °C 

100 °C 

1,E-02 

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 



15


Viskosität eines Wachses 

und eines 50/70 mit 3% Wachs A 

1,E+04 

1,E+03 


1,E+02 

1,E+01 

1,E+00 

1,E-01 

1,E-02 

70 80 90 100 110 120 130 140 150 


Sasobit_Z Wachs A 

50/70+Sasobit_Z 

+ Wachs A 


Einfluss der Richtung der Temperierung 

Dynamische Viskosität an PmB 25/55-55 A – Wachs C 

Erwärmungs- und Abkühlungstrend von 60°C --> 130°C -->60° 

1,E+04 

dynam 

mische Viskosität η [Pas] 

1,E+03 

1,E+02 

1,E+01 

1,E+00 

Frisch Abkühlungstrend 

Frisch Erwärmungstrend 

Erwärmungstrend 

Frisch 

1,E-01 

60 70 80 90 100 110 120 130 

Temperatur [°C] 


16


Zusammenfassung 

• Bitumen besitzt viskose Elemente 

• Kinematische und dynamische Viskosität sind über die Dichte des 

Bitumens miteinander verknüpft 

• Wird nur von Viskosität gesprochen, ist meist die kinematische 

Viskosität gemeint 

• Zahlenwertmäßig unterscheidet sich die kin. Viskosität (mm²/s) 

mit Faktor 1.000 von der dyn. Viskosität (Pa·s) 

• Prüfgeometrie Spindel und Platte/Kegel sind anwendbar, sofern 

Gerätefaktoren bekannt sind und Gerät kalibriert wurde. 

• DSR-Gerät kann mit Spindel, Patte/Kegel und Platte/Platte- 

Geometrie bestückt werden 

• Platte/Platte Geometrie für Viskositätsmessungen nur mit 

Einschränkungen 

• Überprüfung des newtonschen Verhaltens immer erforderlich 

• Insbesondere bei viskositätsveränderten Bitumen sind 

Kenntnisse über die Viskosität äußerst hilfreich 


Kontakt 

p.renken@tu-bs.de 

Tel.: 0049 531- 62062 (Sek) 

Tel.: 0049 531- 62052 (D) 


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03.05.2013 1 Bestimmung der Dynamischen Viskosität - FGSV

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