mini|Aus Erdöl gewonnenes Bitumen ist bei Hitze flüssig mini|Natürlich entstandenes Bitumen (Naturasphalt)
Bitumen (von , eine vulgärlateinische Erweiterung von *betu, aus indogermanisch *gṵetu in Anlehnung an alumen wohl verwandt mit „Kitt“;Alois Walde: Lateinisches etymologisches Wörterbuch. 3. Auflage, besorgt von Johann Baptist Hofmann. Band 2. Winter, Heidelberg 1954, S. 107 (bitūmen). lateinisch auch pix tumens, „aufwallendes Pech“)Martin Meschede, Hans Murawski, Wilhelm Meyer: Geologisches Wörterbuch. 13. Auflage. Springer Spektrum, Berlin 2021, S. 449 (bitumen). ist (gemäß DIN EN 12597 / ÖNORM C9201) die Bezeichnung für die bei der schonenden Aufbereitung von Erdölen gewonnenen, dunkelfarbigen, halbfesten bis harten, klebrigen Kohlenwasserstoff-Gemische. Es ist auch in Naturasphalt vorhanden. Bitumen haben wegen ihres geringen Gehalts an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) den früher eingesetzten Steinkohlenteer ersetzt und werden heutzutage mit dem gleichen Zweck vor allem im Straßenbau und für Abdichtungsarbeiten eingesetzt. Bei Bitumen handelt es sich um ein kolloidales System aus einem Dispersionsmittel, den Maltenen, und den darin dispergierten Anteilen Asphaltene und Erdölharze.
Begriffsabgrenzung Nach der ÖNORM B 3636 bzw. nach DIN 55946 sind Rückstände, die bei der Pyrolyse kohlenstoffreicher Substanzen zurückbleiben, nicht als Bitumen, sondern als Teer zu bezeichnen. Da Teer, außer seinem typischen Teergeruch, durch die schwarze Farbe und die in erhitztem Zustand zähflüssige Konsistenz Bitumen äußerlich sehr ähnlich ist, werden beide Stoffe häufig miteinander gleichgesetzt oder verwechselt. So wird oft davon gesprochen, dass eine Straße „geteert“ wird, wenn die Fahrbahn eine neue Asphaltdecke erhält. Teer unterscheidet sich allerdings in der Herstellung und chemischen Zusammensetzung deutlich von Bitumen. Teer wird nicht aus Erdöl, sondern vorwiegend aus Braunkohle und Steinkohle gewonnen und enthält einen hohen Anteil an polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK). Da diese sehr gesundheitsschädlich sind, dürfen Teerprodukte in Deutschland nicht mehr als Baustoffe verwendet werden. Gemische aus Teer und Bitumen werden bereits seit den 1980er Jahren nicht mehr im Straßenbau genutzt.
Die Gleichsetzung oder Verwechslung von Teer und Bitumen rührt nicht zuletzt daher, dass bis 1983 sowohl Bitumen als auch Teer, Pech und Asphalt unter dem Oberbegriff bituminöse Stoffe zusammengefasst wurden. Heute wird eindeutig zwischen Bitumen und Steinkohlenteerpech unterschieden, da es sich um grundverschiedene Stoffgruppen handelt. Der Oberbegriff für Bitumenprodukte lautet gemäß EN 12597 „Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel“. Auch mit „Asphalt“ dürfen nur bitumenhaltige, also teerfreie Gemische bezeichnet werden.
Vorgeschichte und Geschichte Die Nutzung von Bitumen begann bereits in der Vorzeit in der Levante durch Neandertaler vor über 50.000 JahrenEric Boëda, Jacques Connan, Sultan Muhesen: Bitumen as hafting material on Middle Paleolithic artifacts from the El Kowm Basin, Syria. In: Takeru Akazawa, Kenichi Aoki, Ofer Bar-Yosef (Hrsg.): Neandertals and Modern Humans in Western Asia. New York 2002, ISBN 0-306-47153-1, S. 181–204. (accesbib.uqam.ca)Thomas C. Hauck, Jacques Connan, Armelle Charrié-Duhaut, Jean-Marie Le Tensorer, Heba al Sakhel: Molecular evidence of bitumen in the Mousterian lithic assemblage of Hummal (Central Syria). In: Journal of Archaeological Science. Band 40, Nr. 8, August 2013, S. 3252–3262, doi:10.1016/j.jas.2013.03.022. und moderne Menschen als Klebemittel zur Schäftung. Es wurde schon früh zu einem Handelsgut.J. Connan: Use and trade of bitumen in antiquity and prehistory: molecular archaeology reveals secrets of past civilizations. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences. Band 354, Nr. 1379, Januar 1999, S. 33–50, doi:10.1098/rstb.1999.0358. Im Gebiet des Fruchtbaren Halbmondes wurde seit 12.000 Jahren Getreide in geflochtenen, mit Gips oder Bitumen verdichteten Körben transportiert.Tom Standage: Sechs Getränke, die die Welt bewegten. Patmos, Düsseldorf/Zürich 2006, ISBN 3-538-07234-5, S. 19 und S. 20. mini|Relieffragment mit Spinnerin. Relief aus Bitumen Archäologen entdeckten in as-Sabiyah (Kuwait) Bitumenreste als Fragmente von Dichtmaterial, die mehr als 3000 Jahre älter sind als die in Ra’s al-Jins in Oman (2400–2300 v. Chr.) gefundenen. In einem neolithischen Dorf am Rand einer Lagune fanden sie neben den zu erwartenden arabischen Artefakten auch solche der mesopotamischen Obed-Kultur. 3000 v. Chr. wurde es in der Stadt Hīt an natürlichen Austrittsstellen gefördert. Zahlreichen Beschreibungen zufolge muss der Ort ein Zentrum der damaligen Asphaltindustrie gewesen sein. Im 26. Jahrhundert v. Chr. entstand im Irak eine Kalksteintafel, umrahmt mit Muscheln und Bitumen in Tell Asmar. In Assyrien wurde 2200 v. Chr. der Altar im Mausoleum von Bur-sin mit Bitumen bestrichen. Fast ausschließlich nur aus Susa, Hauptort des Reiches von Elam (heute in Iran), sind Bitumenobjekte bekannt. Bitumen wurde erhitzt und formte dann eine harte Mastix-artige Masse, in die Szenen und Figuren geritzt wurden.Daniel T. Potts, in: Touraj Daryaee (Hrsg.): The Oxford Handbook of Iranian History. Oxford / New York 2012, ISBN 978-0-19-973215-9, S. 49.
Die hängenden Gärten sollen mit Bitumen abgedichtet gewesen sein. Herodot beschreibt 500 v. Chr. Fördermethoden von „Erdpech“ aus erdölhaltigen Brunnen auf Zakynthos. Strabo schreibt 100 v. Chr. über die Gewinnung von „Erdpech“ am Toten Meer. Zur gleichen Zeit erwähnt Diodor die antike Bitumenindustrie. Nach dieser Blütezeit geriet Naturasphalt über Jahrhunderte hinweg in Vergessenheit. Die Griechen hatten kein besonderes Interesse an dem Werkstoff, die Römer besaßen kaum Asphaltvorkommen. Bis ins Mittelalter spielten bituminöse Stoffe praktisch nur in der Magie, in der Heilkunde und in der Einbalsamierung von Mumien eine Rolle. Mit der Zeit der Aufklärung und der Entdeckungsreisen (15. Jahrhundert) wurde Naturasphalt wiederentdeckt. In der Zeit der Renaissance waren Dachgärten populär und diese wurden mit Bitumen abgedichtet.Manfred Hegger, Volker Auch-Schwelk, Matthias Fuchs, Thorsten Rosenkranz: Construction Materials Manual. Birkhäuser, 2006, ISBN 3-7643-7570-1, S. 62.
Früher wurden Bitumen asphaltum und Bitumen judaicum vom Toten Meer unterschieden.Otto Zekert (Hrsg.): Dispensatorium pro pharmacopoeis Viennensibus in Austria 1570. Hrsg. vom österreichischen Apothekerverein und der Gesellschaft für Geschichte der Pharmazie. Deutscher Apotheker-Verlag Hans Hösel, Berlin 1938, S. 135 (Asphaltos). Im Jahr 1556 schreibt Georgius Agricola in Deutschland über die Eigenschaften von Bitumen und seine Gewinnung in bitumenhaltigen Quellen. 1704 beschreibt Michael Bernhard Valentini die Eigenschaften des Juden-Leim, Juden-Pech oder Asphaltum. Die Destillationsanlage der Gebrüder Dubinin liefert in Russland 1823 neben Petroleum kleine Mengen an Bitumen.
Mit der erfolgreichen Erdölbohrung im US-Staat Pennsylvania 1859 begann der erste große Erdölboom des 19. Jahrhunderts. Aus dem Erdöl gewann man zunächst durch Destillation Leuchtöle für Lampen. Etwas später führte man weitere Destillationen durch und erkannte, dass die Destillationsrückstände verschiedene positive Eigenschaften haben. Im Jahr 1873 wurde mit der Anwendung der so genannten Blasendestillation die kontinuierliche Gewinnung von Bitumen industriell möglich. Im Jahr 1888 wurde schließlich mit dem Penetrationstest durch H. C. Bowen ein erstes Prüfverfahren für Bitumen entwickelt.
1906 wurde in Deutschland ein Patent auf die erste „Bitumenemulsion“ angemeldet. Bitumen fand sich wenige Jahre später als Isolation in elektrischen Anlagen, zur Abdichtung von Zündschnüren und Hausdächern. Auch im Wasserbau wurde das Bitumen zur Abdichtung von Staudämmen verwendet.
Im Jahr 1936 wurde erstmals die Prüfung für den Erweichungspunkt RuK, im folgenden Jahr die für den Brechpunkt nach Fraaß entwickelt. Zudem fand es Verwendung als Klebstoff bei der Brikettherstellung und als Bestandteil von Isolierbändern. Im Jahr 1957 kam es zur Entwicklung von Schaumbitumen. Zehn Jahre später wurde das für die heutige Anwendung sehr wichtige „polymermodifizierte Bitumen“ entwickelt und getestet.
Die wichtigste Anwendung finden Bitumen im Straßenbau, in den 2000er Jahren lag der Anteil von Straßenbaubitumen bei ca. 75 %. Vor allem als in den 1970er Jahren die Verwendung von Teer im Asphalt in Westdeutschland verboten wurde und stattdessen Bitumen eingesetzt wurden, stieg die Nachfrage an Straßenbaubitumen rasant an.
Eigenschaften Bitumen sind kolloide Systeme aus drei unterschiedlichen Molekültypen. Ölige niedermolekulare Anteile, sogenannte Maltene, mit molaren Massen von 500 bis 1500 g/mol bilden das Dispersionsmittel. Darin sind zum einen schmelzbare, lösliche Erdölharze mit guter Klebfähigkeit und einer Teilchenmasse von 1000 bis 1500 g/mol, und zum anderen sogenannte Asphaltene – unschmelzbare, unlösliche Bestandteile mit Teilchenmassen von 5000 bis 9000 g/mol – dispergiert.
Bitumen besteht hauptsächlich aus vielen verschiedenen langkettigen Kohlenwasserstoffen (aliphatische sowie aromatische) und Kohlenwasserstoffderivaten. Der Massenanteil von Kohlenstoff liegt bei 80–85 %, von Wasserstoff bei 7–10 %. Weitere Bestandteile sind in geringen Anteilen Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff und einige Spuren von Metallen.
Bitumen ist in Wasser praktisch unlöslich (hydrophob) und auch gegen Wasserdampf weitgehend undurchlässig. Es wird daher beispielsweise verwendet, um empfindliche Stoffe und Bauteile gegen Wasser zu schützen. Es lassen sich in der Praxis jahrelange Wassereinwirkungen nur an der Oberfläche nachweisen.
Die Eigenschaften des Bitumens beruhen auf der kolloiden Systemstruktur. Die Struktur ändert sich bei Erwärmung von einem Gel- zu einem Solzustand. Daher sind die meisten Eigenschaften von der Temperatur abhängig. So gehört Bitumen zu den thermoplastischen Stoffen, das heißt, auch seine Viskosität ist temperaturabhängig: Bei Abkühlung wird es spröde, bei Erwärmung durchläuft es stufenlos alle Zustände von fest (glasartig) über zähflüssig und zwischen 150 °C und 200 °C dünnflüssig. Bei steigenden Temperaturen fängt es an, langsam zu altern, die Ölanteile verdampfen und das Bitumen verhärtet sich. Bitumen verfügt über keinen festen Schmelzpunkt wie z. B. Wasser, sondern es hat einen Schmelzbereich, weil die zahlreichen Komponenten der Kohlenwasserstoffmischung verschiedene Schmelzpunkte besitzen.
Auch das Verhalten gegenüber Chemikalien und chemischen Einflüssen ist bei Bitumen teilweise von der Temperatur abhängig. Bei Raumtemperatur ist Bitumen gegenüber den meisten Chemikalien praktisch resistent. Dazu gehören organische und anorganische Salze, stark polare Lösungsmittel wie Alkohol oder aggressive Wasser, sowie Basen und schwache Säuren wie z. B. Kohlensäure. Einige starke Säuren wie Schwefelsäure und Salpetersäure können jedoch bei erhöhten Temperaturen Bitumen chemisch angreifen. Löslich ist Bitumen in Kohlenwasserstoffen gleicher Herkunft, also Benzin, Öl, Diesel, und auch in vielen anderen organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Schwefelkohlenstoff, Trichlorethan, Toluol und so weiter. Bitumen gilt als schwer entflammbar. Der Flammpunkt liegt generell oberhalb von 220 °C. Im Gegensatz zu Straßenpech (Teer) enthält Bitumen wesentlich weniger cancerogene, polycyclische Kohlenwasserstoffe und gilt im festen Zustand als biologisch unschädlich.
Die Eigenschaften bitumenhaltiger Baustoffe werden von folgenden typischen Merkmalen bestimmt:Roland Benedix: Bauchemie für das Bachelor-Studium: Springer Vieweg, 2014, ISBN 978-3-658-05423-6.Konrad Zilch, Claus Jürgen Diederichs, Rolf Katzenbach, Klaus J. Beckmann (Hrsg.): Konstruktiver Ingenieurbau und Hochbau. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-41839-6, S. 1031.
Schwerflüchtiges, schwarzes, hoch-molekulares Kohlenwasserstoffgemisch