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„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch -„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch -oxidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Basalt-Actien-GesellschaftAbteilung Asphalttechnologie und Qualitätswesen
Dipl.-Ing. Reha Çetinkaya
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Gliederung des VortragesGliederung des Vortrages
1. Problemstellung und Zielsetzung
2. Theoretische Grundlagen2. Theoretische Grundlagen
3. Untersuchungsmethodik
4. Bewertung der Untersuchungsergebnisse
5. Ausblick und weiterer Forschungsbedarf
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
ProblemstellungProblemstellung
Die national und international bereits durchgeführt e Forschung Die national und international bereits durchgeführt e Forschung auf dem Gebiet der Asphaltalterung konzentrierte si ch zumeist auf
einzelne Einflussfaktoren.
Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussfaktoren an identischen Ausgangs-materialien und Alterungsrandbedingungen
Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussfaktoren an identischen Ausgangs-materialien und Alterungsrandbedingungen
Die Arbeiten sind somit nur unzureichend miteinande r vergleichbar !
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
� Literaturrecherche zur Eingrenzung der maßgeblichen Einflu ssfaktoren aufdie Alterung von Bitumen im Asphalt
� Auswahl von geeigneten Ausgangsmaterialien und verschied enenAlterungsrandbedingungen für die gezielte Untersuchung de r Einfluss-faktoren
ZielsetzungZielsetzung
faktoren
� Eingrenzung und Quantifizierung der maßgeblichen Einflussf aktoren
� Vergleich der Untersuchungsergebnisse mit Angaben aus der Literatur (undnatürlich gealterten Asphalten)
� Abschätzung des Alterungsverhaltens anhand statistischer Methoden
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
ProblemstellungProblemstellung
Kohäsion
Bindungskräfte zwischen Atomen (Molekülen) innerhalbeines Stoffes (Bitumen)
Maßgebliche Eigenschaften des Werkstoffes Bitumen
Que
lle: w
ww
.sci
ence
phot
o.co
m
Adhäsion
Alterung (Bitumen)
Durch molekulare Wechselwirkungen in der Grenz-flächenschicht hervorgerufener Zusammenhalt vonzwei Medien (Gesteinsoberfläche-Bitumen)
Veränderung der chemischen, physikalischen undrheologischen Eigenschaften während Herstellung,Transport, Einbau und Nutzungsdauer
Que
lle: w
ww
.sci
ence
phot
o.co
m
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Typische chemische Zusammensetzungvon Bitumen
Bitumen als KolloidsystemQuelle: NÖSLER, 2000
Chemische Zusammensetzung von BitumenChemische Zusammensetzung von Bitumen
Quelle: READ; WHITEOAK, 2003
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Oxidative
Destillative
Abgabe von leicht siedenden Bitumenkomponenten an den Gren zflächen zu Luft undGestein (primär bei der Heißverarbeitung von Bitumen).
BitumenalterungBitumenalterung
Oxidative
Strukturelle
Reaktion zwischen Kohlenwasserstoffen mit dem Luftsauers toff. Langsam beginnendeAlterung beschleunigt sich mit dem Anwachsen der Anzahl an R adikalen (sehr reaktions-freudige Atome mit mindestens einem ungepaarten Elektron).Am Ende der Oxidations-Reaktionskette werden im Bitumen As phaltene gebildet.
Vergrößerung der kolloidal dispergierten Teilchen (Mizel len) in der öligen Phase.Übergang vom Sol-Zustand in den Gel-Zustand durch Aggregat bildung der Mizellen.
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
HochtemperaturbereichTieftemperaturbereich
Erweichungspunkt Ring und Kugel
Brechpunkt nach Fraaß
Bedeutung der Bitumenalterung für die Gebrauchseigenschaften eines Asphaltes
Bedeutung der Bitumenalterung für die Gebrauchseigenschaften eines Asphaltes
Plastizitätsspanne des BitumensPlastizitätsspanne des Bitumens
Plastizitätsspanne des BitumensPlastizitätsspanne des Bitumens
Rissbildung
Ausmagerung/Kornausbruch
Geringere Spurbildungsgefahr aufgrund höherer Bindemittelsteifigkeit
Verschiebung/Veränderung
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Viskosität gealtert / Viskosität frischdes Bitumens
Einteilung der Asphaltalterung in die Kurzzeit- und LangzeitalterungEinteilung der Asphaltalterung in die Kurzzeit- und Langzeitalterung
Quelle: READ; WHITEOAK, 2003
Der Verhältniswert ist exemplarisch zu betrachten!
Höhere (bzw. geringere) Alterungsneigung ist möglich!
Einflussfaktoren auf die Asphaltalterung
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Einflussfaktoren durch äußere Bedingungen
Bedingungen bei Herstellung, Lagerung, Transport und Einbau
Klimatische Randbedingungen:
mittlere jährliche Lufttemperatur
maximale monatliche Lufttemperatur
Die Asphaltalterung wird in der Literatur in die Ka tegorien „äußere Bedingungen“ und „Materialeigenschaften“ unterteilt:
äußere Bedingungen maximale monatliche Lufttemperatur
UV-Strahlung
Niederschlagswasser
Mat
eria
l-ei
gens
chaf
ten
Bitumen chemische und physikalische Eigenschaften
Additive chemische und physikalische Eigenschaften
Gesteinskörnungen chemische und physikalische Eigenschaften
Asphalt
Mischgutsorte
Anwendungsbereich (Deck-, Binder- oder Tragschicht)
Bindemittelgehalt (bzw. Bindemittelfilmdicke)
Hohlraumgehalt
Quelle: in Anlehnung an HOUSTON et al., 2005
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
UntersuchungsmethodikUntersuchungsmethodik
Eingrenzung der maßgeblichen Einflussfaktoren aus de r Literatur
Asphalt-mischgutsorte
Bindemittelsorte Bindemittelmenge/ Bindemittelfilmdicke70/100 und 20/30Diabas, Quarzporphyr und
Gesteinskörnungen
Auswahl der zu untersuchenden Einflussfaktoren bzw. R andbedingungen
Offenporiger Asphalt
Asphaltbeton
70/100 und 20/30Variierende BM-Gehalte
und BM-Filmdicken
Diabas, Quarzporphyr und Calciumhydroxid
Theoretische Ansätze
Neues Messverfahren
Bestimmung der Bindemittel- und Mastix-
filmdicke
Auswertung
Physikalische und rheologische Bindemitteluntersuch ungen
Ausgewählte Asphaltgemische für die Alterungsversuc he
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
PA 11 PA 11 PA 11 PA 11 AC 11 D S
Bindemittel-sorte
[-] 70/100 20/30 70/100 70/100 70/100
grobe Gesteins-körnungen
[-] Diabas Diabas Diabas Quarzporphyr Diabas
[-] Diabas Diabas75 M.-% Diabas
und 25 M.-% Diabas Diabas
Konstanter Hohlraumgehalt (ca. 26 Vol.-%) und variierende BM-Gehalte
Konstanter BM-Gehalt und variierende Hohlraumgehalt e (4,4 bis 23,5 Vol.-%) – Verdichtungsgrade von 80, 85, 90, 95 und 100 %
Füller [-] Diabas Diabas und 25 M.-% Calciumhydroxid
Diabas Diabas
Bindemittel-gehalt
[M.-%] 3,0 4,0 5,0 6,0 3,0 4,0 5,0 6,0 3,0 6,0 3,3 6,6 6,5
Folgende Einflussfaktoren wurden im Rahmen der Arbe it untersucht
Kurzzeitalterung = Zustand nach Mischgutherstellung (MGH)
Langzeitalterung = Zustand nach MGH und Laboralteru ng
Bindemittelgehalt
Anfangsviskosität des Bindemittels (Bindemittelsort e)
Einflussfaktoren zu denen im Folgenden
Ergebnisse vorgestellt
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Durchschnittliche Bindemittelfilmdicke und Mastixfi lmdicke
Anfangsviskosität des Bindemittels (Bindemittelsort e)
Porosität der groben Gesteinskörnungen
Calciumhydroxid-Füller
Mischgutsorte - dichtes und offenporiges Asphaltmisc hgut
Hohlraumgehalt
Ergebnisse vorgestellt werden!
Erweichungspunkt Ring und Kugel (DIN EN 1427)
Nadelpenetration (DIN EN 1426)
Kraftduktilität bei 25 °C (DIN EN 13589 bzw. 13703)
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Eingesetzte Prüfverfahren zur Bindemittelcharakteri sierung:
Dynamisches Scherrheometer von 30 bis 90 °C (DIN EN 14770)
Biegebalkenrheometer bei -16 °C (DIN EN 14771)
Kraftduktilität bei 25 °C (DIN EN 13589 bzw. 13703)
Bochumer Alterungsverfahren (BAV)
Entwicklung des BAV im Rahmen des FE 04.205/2006/AR B
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Quelle: WELLNER; RADENBERG; ASCHER; ÇETINKAYA, 2011
Einfluss des Bindemittelgehaltes
1000
10000
Rel
ativ
e Ve
ränd
erun
g de
r B
estim
mun
gsgr
öße
[%]
Erhöhung EP RuK
Verminderung Nadelpenetration
Erhöhung komplexer Schubmodul bei 60 ⁰⁰⁰⁰C
Verminderung Phasenwinkel bei 60 ⁰⁰⁰⁰C
Erhöhung Formänderungsarbeit
Erhöhung Kraftmaximum
Erhöhung Biegekriechsteifigkeit bei -16 ⁰⁰⁰⁰C
Verminderung m-Wert bei -16 ⁰⁰⁰⁰C
1016 % 2421 %
163 %
∆ 1405 %
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
1
10
100
nach MGH mit 6 M.-%
nach MGH mit 3 M.-%
nach Alterung mit 6 M.-%
nach Alterung mit 5 M.-%
nach Alterung mit 4 M.-%
nach Alterung mit 3 M.-%
Rel
ativ
e Ve
ränd
erun
g de
r B
estim
mun
gsgr
öße
[%] ⁰⁰⁰⁰
MGH: Mischgutherstellung; mit 6 M.-% : Herstellung des Asphaltes mit 6 M.-% Bindemittel-Anteil
PA 11 mit 70/100
112 %163 %
1000
10000
Rel
ativ
e V
erän
deru
ng d
er B
inde
mitt
elke
nnw
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de
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te 2
0/30
1000
10000
Rel
ativ
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te 2
0/30
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Einfluss der Bindemittelsorte (Anfangsviskosität)Einfluss der Bindemittelsorte (Anfangsviskosität)
1
10
100
1 10 100 1000 10000
Rel
ativ
e V
erän
deru
ng d
er B
inde
mitt
elke
nnw
erte
de
r Sor
te 2
0/30
Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der S orte 70/100
Erhöhung EP RuK
Verminderung Nadelpenetration
Erhöhung komplexer Schubmodul
Verminderung Phasenwinkel
Erhöhung Formänderungsarbeit
Erhöhung Kraftmaximum
Erhöhung Biegekriechsteifigkeit
Verminderung m-Wert
(R²=0,9907)(R²=0,9076)(R²=0,9826)(R²=0,9446)(R²=0,9558)(R²=0,9919)(R²=0,9242)(R²=0,9174)
1
10
100
1 10 100 1000 10000
Rel
ativ
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erän
deru
ng d
er B
inde
mitt
elke
nnw
erte
de
r Sor
te 2
0/30
Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der S orte 70/100
Erhöhung EP RuK
Verminderung Nadelpenetration
Erhöhung komplexer Schubmodul
Verminderung Phasenwinkel
Erhöhung Formänderungsarbeit
Erhöhung Kraftmaximum
Erhöhung Biegekriechsteifigkeit
Verminderung m-Wert
(R²=0,9907)(R²=0,9076)(R²=0,9826)(R²=0,9446)(R²=0,9558)(R²=0,9919)(R²=0,9242)(R²=0,9174)
Bindemittelsorte hat auf den Zustand nach MGH einen Einfluss, während bei
der Langzeitalterung ein ähnliches Verhalten beobachtet werden kann (Ausnahme Biegekriechsteifigkeit)!
1000
10000
Rel
ativ
e V
erän
deru
ng d
er B
inde
mitt
elke
nnw
erte
de
r Sor
te 7
0/10
0 im
PA
11
mit
porö
sem
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1000
10000
Rel
ativ
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0/10
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PA
11
mit
porö
sem
Ges
tein
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Einfluss von porösem GesteinEinfluss von porösem Gestein
1
10
100
1 10 100 1000 10000
Rel
ativ
e V
erän
deru
ng d
er B
inde
mitt
elke
nnw
erte
de
r Sor
te 7
0/10
0 im
PA
11
mit
porö
sem
Ges
tein
Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der Sorte 70/100 im PA 11 mit Diabas
Erhöhung EP RuK
Verminderung Nadelpenetration
Erhöhung komplexer Schubmodul
Verminderung Phasenwinkel
Erhöhung Formänderungsarbeit
Erhöhung Kraftmaximum
Erhöhung Biegekriechsteifigkeit
Verminderung m-Wert
(R²=0,7810)(R²=0,6777)(R²=0,8488)(R²=0,8636)(R²=0,9335)(R²=0,9433)(R²=0,5341)(R²=0,9970)
1
10
100
1 10 100 1000 10000
Rel
ativ
e V
erän
deru
ng d
er B
inde
mitt
elke
nnw
erte
de
r Sor
te 7
0/10
0 im
PA
11
mit
porö
sem
Ges
tein
Relative Veränderung der Bindemittelkennwerte der Sorte 70/100 im PA 11 mit Diabas
Erhöhung EP RuK
Verminderung Nadelpenetration
Erhöhung komplexer Schubmodul
Verminderung Phasenwinkel
Erhöhung Formänderungsarbeit
Erhöhung Kraftmaximum
Erhöhung Biegekriechsteifigkeit
Verminderung m-Wert
(R²=0,7810)(R²=0,6777)(R²=0,8488)(R²=0,8636)(R²=0,9335)(R²=0,9433)(R²=0,5341)(R²=0,9970)
Poröse Gesteinskörnungen führen zu einer stark beschleunigten Bitumenalterung (insbesondere
bei der Kurzzeitalterung)!
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
100.000
1.000.000
) be
i 60
ºC [P
a]
100.000
1.000.000
) be
i 60
ºC [P
a]
Weitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- GerätWeitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- Gerät
Gegenüberstellung des Verlust- und Speichermoduls, z ur Beurteilung ob überwiegend viskoses (Verlustmodul) oder elastisches (Speicherm odul) Materialverhalten vorliegt.
100
1.000
10.000
100 1.000 10.000 100.000
Ver
lust
mod
ul G
'' (=
G*
• si
n δ
) be
i 60
ºC [P
a]
Speichermodul G' (= G* • cos δ) bei 60 ºC [Pa]
PA 11 mit 70/100PA 11 mit 20/30PA 11 mit 70/100 mit porösem Gestein AC 11 mit 70/100Alle Wertepaare
(R² = 0,9991)(R² = 0,9971)(R² = 0,9951)(R² = 0,9952)(R² = 0,9913)
100
1.000
10.000
100 1.000 10.000 100.000
Ver
lust
mod
ul G
'' (=
G*
• si
n δ
) be
i 60
ºC [P
a]
Speichermodul G' (= G* • cos δ) bei 60 ºC [Pa]
PA 11 mit 70/100PA 11 mit 20/30PA 11 mit 70/100 mit porösem Gestein AC 11 mit 70/100Alle Wertepaare
(R² = 0,9991)(R² = 0,9971)(R² = 0,9951)(R² = 0,9952)(R² = 0,9913)
Reduzierung der relativen viskosen Anteile!G´´60 °C = 69,472 · G´60 °C
0,672 (R² = 0,9913)Allgemein: G´´60 °C = a · G´60 °C
b
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Mit dem Kennwert G*/sin δ bei 60 °C kann der voraussichtliche Verformungswide rstand und mit dem Verlustmodul die voraussichtliche Materialermüdung des Asphaltes beurteilt werden.
Weitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- GerätWeitergehende Auswertung der Kennwerte aus dem DSR- Gerät
(Vermutliche) Zunahme des Verformungs-widerstandes und der Materialermüdung!
G*60 °C /sinδ60 °C = 1 · 10-4 · G´´30 °C1,3415 (R2 = 0,9771)
Allgemein: G*60 °C /sinδ60 °C = a· G´´30 °Cb
50
60
70
80
Nad
elpe
netr
atio
n [1
/10
mm
]
Frischbindemittel 70/100
nach Mischgutherstellung (MGH)
nach MGH und Alterung (Hohlraumgehalt (HG) 4,4 Vol.-%;Verdichtungsgrad (VG): 100 %)
70/100
50/70
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Einfluss des Hohlraumgehaltes (Verdichtungsgrad)Einfluss des Hohlraumgehaltes (Verdichtungsgrad)
0
10
20
30
40
50
45 47,5 50 52,5 55 57,5 60
Nad
elpe
netr
atio
n [1
/10
mm
]
Erweichungspunkt Ring und Kugel [ ⁰⁰⁰⁰C]
AC 11 DS mit 70/100
30/45
(R² = 0,9835)
nach MGH und Alterung (HG: 9,2 Vol.-%; VG 95 %)
nach MGH und Alterung (HG 13,9 Vol.-%; VG: 90 %)
nach MGH und Alterung (HG 18,7 Vol.-%; VG: 85 %)
nach MGH und Alterung (HG: 23,5 Vol.-%; VG: 80 %)
Verdichtungsgrad (Hohlraumgehalt) hat einen sehr starken Einfluss auf die Alterungsprozesse!
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
y = 6,8484x0,5015
y = 2,5874x0,9718
100,0
EP
RuK
nac
h de
r Alte
rung
[ºC
]
y = 6,8484x0,5015
y = 2,5874x0,9718
100,0
EP
RuK
nac
h de
r Alte
rung
[ºC
]
Vergleich der ermittelten Prognose-Modelle (Methode der kleinsten Fehlerquadrate) mit Angaben aus der LiteraturVergleich der ermittelten Prognose-Modelle (Methode der kleinsten Fehlerquadrate) mit Angaben aus der Literatur
y = 2,3387x 0,4774
1,0
10,0
0 5 10 15 20 25 30 35
∆E
P R
uK n
ach
der A
lteru
ng [
ºC]
Hohlraumgehalt [Vol.-%]
AC 11 D S mit variierenden Hohlraumgehalten
Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang
Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 15 Jahren) [RADENBERG; LOUIS, 1999]
Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang
Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 18 Jahren) [AMORT; DORNER, 1991]
Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang
y = 2,3387x 0,4774
1,0
10,0
0 5 10 15 20 25 30 35
∆E
P R
uK n
ach
der A
lteru
ng [
ºC]
Hohlraumgehalt [Vol.-%]
AC 11 D S mit variierenden Hohlraumgehalten
Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang
Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 15 Jahren) [RADENBERG; LOUIS, 1999]
Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang
Natürlich gealterte Bindemittel (Liegedauern von ca . 18 Jahren) [AMORT; DORNER, 1991]
Mittels Schätzfunktion berechneter Zusammenhang
Natürlich und künstlich gealterte Asphalte zeigen ein vergleichbares Alterungsverhalten!
Schlussfolgerungen:
Verwendung von porösem Gestein erhöht die Alterungsgeschw indigkeiterheblich
Bindemittelgehalt, -filmdicke und Mastixfilmdicke haben einen eher geringenEinfluss
Zustand nach Mischgutherstellung
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
Einfluss
Höhere Bindemittelgehalte, -filmdicken und Mastixfilmdi cken weisen beibeiden Bindemittelsorten deutliche Vorteile auf
Verwendung von porösen Gesteinskörnungen bewirkte eine st arkbeschleunigte Alterung
Der Hohlraumgehalt hat als volumetrische Kenngröße den grö ßten Einflussauf die thermisch-oxidative Alterung
Zustand nach Mischgutherstellung und künstlicher Al terung
„Bewertung der Einflussfaktoren auf die thermisch-o xidative Alterung von Bitumen im Asphalt“
� Auswirkungen der untersuchten Einflussfaktoren auf die mechanischen Asphalt -
� Einfluss der chemischen Zusammensetzung der Ausgangsmate rialien
� Einfluss der klimatischen Randbedingungen
� Einfluss von Additiven (polymermodifizierte Bindemittel und „Verjüngungsmittel“)
Ausblick und weiterer ForschungsbedarfAusblick und weiterer Forschungsbedarf
� Auswirkungen der untersuchten Einflussfaktoren auf die mechanischen Asphalt -eigenschaften (Kälte-, Ermüdungs- und Steifigkeitsverha lten)
� Einfluss der Alterung auf die adhäsiven Eigenschaften des B itumens
Die genaue Kenntnis der stattfindenden Alterungspro zesse wird in Bezug auf die Verwendung von Ausbauasphalten, die angestrebten lä ngeren Nutzungsdauern und die höheren Wiederverwertungsraten in Zukunft a n Bedeutung gewinnen!