Mit dem AiF-Forschungsprojekt (AiF/IGF-Vorhaben Nr.: 21769 N/1), das über das Deutsche Asphaltinstitut, DAI (AiF-Forschungsvereinigung) eingereicht und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wird, soll ein Nachweis erbracht werden, dass ein hinreichender Absenkungseffekt der Misch- und Verdichtungstemperatur durch den Einsatz von Schaumbitumen auch bei einer Zugabe von Asphaltgranulat in praxisüblichem Umfang erreicht werden kann. Dazu werden Temperaturbereiche angestrebt, die dem sogenannten Warmasphalt (100 bis 150 °C) zugeordnet werden. Der Nachweis wird im Labor und im großtechnischen Maßstab erbracht. Die Untersuchungen erfolgen an Asphalttrag-, Asphaltbinder- und Asphaltdeckschichtmischgut im Labormaßstab und im großtechnischen Einsatz. Die bisherigen Erkenntnisse zeigen, dass im Vergleich zu den jeweiligen Referenzasphalten die bei abgesenkter Temperatur hergestellten Warmasphaltmischungen mit Schaumbitumen ein Absenkungspotenzial von 10 bis 30 Kelvin aufweisen. Selbst bei einem Asphaltgranulat-Gehalt von 80 M.-% in einem Asphalttragschichtmischgut lässt sich noch ein positiver Effekt des dann nur sehr geringen Schaumbitumenanteils nachweisen. Dabei scheint der Effekt insbesondere bei den Schaumbitumenvarianten vorzuliegen, die mit besonderen Additiven zur Schaumstabilisierung versehen werden. Zudem scheint sich der aus der Literatur bekannte Effekt einer zeitlich verzögerten Steifigkeitsentwicklung mit dem Nachweis durch wiederholte Untersuchungen im dynamischen Spaltzugschwell-Versuch nicht zu bestätigen (Prüfungen nach 1, 14 und 28 Tagen), wobei für ein abschließendes Fazit noch einige Auswertungen und der Abgleich mit der Praxis fehlen.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln. 

1 Einleitung und Problemstellung

Im Jahr 2018 hat die MAK-Kommission als Resultat einer erneuten toxikologischen Betrachtung einen Orientierungswert von 1,5 mg/m³ für Dämpfe und Aerosole bei der Heißverarbeitung von Bitumen vorgeschlagen, der im Mai 2020 mit der neuen Fassung der Technischen Regeln für Gefahrstoffe, TRGS 900 (TRGS 900, 2020) zu einem Arbeitsplatzgrenzwert umgewandelt wurde. Als Zugeständnis für die Asphaltindustrie wurde dieser Grenzwert zunächst für die dann folgenden 5 Jahre ausgesetzt. Bis dahin müssen technologische Lösungen zur sicheren Einhaltung des Grenzwertes gefunden werden. Eine wesentliche Komponente wird hierbei der Absenkung der Verarbeitungstemperatur zugemessen.

Der europäische Asphaltverband, EAPA definiert in seinem Positionspapier (EAPA, 2014) den temperaturabgesenkten Asphalt mit Schaumbitumen als Warmasphalt (WA) oder Warmasphaltmischgut (WAM), der bei Temperaturen zwischen 100 und 150 °C hergestellt wird. Dagegen wird der konventionelle Asphalt, der Heißasphalt, bei Temperaturen zwischen 150 und 190 °C hergestellt (Bild 1). Der Temperaturbereich für den Heißasphalt findet sich annähernd mit gleichen Werten auch im deutschen Regelwerk, der „Technischen Lieferbedingungen für Asphaltmischgut für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen“ (TL Asphalt-StB 07/13) wieder, wobei die Temperaturgrenzbereiche dort je nach der Bitumensorte variieren. Im europäischen und außereuropäischen Ausland ist die Schaumbitumenbauweise eine sehr häufig angewendete Technologie zur Temperaturabsenkung.

Bild 1: Einteilung der Asphaltbauweisen nach den Verarbeitungstemperaturbereichen (EAPA, 2014)

In dem Forschungsprojekt (Wirth, 2008) wurde die grundsätzliche Einsatzmöglichkeit zur Temperaturabsenkung von Schaumbitumen bei der Herstellung von Warmasphalt in Deutschland nachgewiesen. Die Frage nach einem möglichen negativen Einfluss von Restwasser im Bindemittel auf das Verformungsverhalten von Schaumbitumen-Warmasphalt konnte in diesem Projekt noch nicht abschließend beantwortet werden. Darüber hinaus ist bei einer Verwendung der Schaumbitumentechnologie noch nicht hinreichend wissenschaftlich nachgewiesen, ob ein ausreichender Temperaturabsenkungseffekt auch noch bei Zugabe von höheren Asphaltgranulat-Anteilen vorhanden ist. Es ist zu erwarten, dass sich mit zunehmendem Anteil an Asphaltgranulat der durch das Schaumbitumen eingebrachte Effekt verringert. Ein Nachweis sollte auf labortechnischer Ebene und besonders bei großtechnischem Einsatz erbracht werden. Mit dem AiF-Forschungsprojekt (AiF/IGF-Vorhaben Nr.: 21769 N/1), das über das Deutsche Asphaltinstitut, DAI (AiF-Forschungsvereinigung) eingereicht und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wird, soll dieser Nachweis erbracht werden.

2 Grundlagen zur Schaumbitumenbauweise

Per Definition im „Merkblatt für Kaltrecycling in situ im Straßenoberbau“ (M KRC) ist Schaumbitumen ein temporärer Zustand eines Straßenbaubitumens, der charakterisiert ist durch eine kurzzeitige (15 bis 30 sec.) Volumenzunahme (Expansion). Dieser wird durch das Vermischen von heißem Bitumen, Wasser und Luft in einer Expansionskammer unmittelbar vor der weiteren Verarbeitung erreicht. Sowohl für die Anwendung im Labor als auch bei einem großtechnischen Einsatz müssen besondere maschinentechnische Randbedingungen (Schaumbitumendüse/n) vorhanden sein. Die Schaumbitumenbauweise wird grundsätzlich auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus angewendet, bei denen entweder ein Baustoffgemisch mit Umgebungstemperatur (kalt, ca. 25 °C) oder ein mit Heißasphalt vergleichbares Gemisch (warm, ca. 140 °C) entsteht (Bild 2).

Bild 2: Möglichkeiten der Verwendung von Schaumbitumen in einem Baustoffgemisch (links: stabilisiert; rechts: gebunden)

Allgemeine Vorgehensweise zur Prüfung und Dokumentation der Schaumeigenschaften eines Bitumens sind im M KRC, Anhang 8 beschrieben. Darüber hinaus liegen Erkenntnisse über Additive vor, die die Schaumstabilität (deutlich längere Halbwertzeit) signifikant verbessern können. Ein positiver Effekt auf die notwendige Temperatur für die Herstellung und Verarbeitung von Warmasphaltmischgut (WMA) scheint vielfach erbracht zu sein, wobei der im Mischgut enthaltene Schaumbitumenanteil vermutlich eine relevante Rolle spielt.

Eine offene Frage, die sich aber bereits ansatzweise in (Wirth, 2008) gezeigt hat, ist die Frage nach der Dauer und Höhe einer negativen Beeinflussung des Verformungswiderstandes von Schaumbitumenmischgut. Ein Verbleib eines gewissen Anteils an Wasser im Schaumbitumen scheint dabei den Verformungswiderstand für eine gewisse Zeit zu reduzieren. Es fehlt allerdings ein systematischer Nachweis eines solchen Effektes in Abhängigkeit vom Schaumwassergehalt und von der Liegezeit der Schicht bzw. der Laborprobe.

3 Untersuchungskonzepte und Vorgehensweise

Eine grundsätzliche Beschreibung der Vorgehensweise zur Charakterisierung der Schaumeigenschaften eines Bitumens im Labor ist im M KRC, Anhang 4 beschrieben, womit ein geeigneter Ansatz zur Prüfung der ausgewählten Bitumen zur Verfügung steht (Bild 3).

Bild 3: Laborschaumanlage (Quelle: Wirtgen) (links) und Grundprinzip zur Bewertung von Schaumbitumen (M KRC) (rechts)

Um die Wirksamkeit der Warmasphalt-Technologien auf die Verdichtbarkeit im Labor nachzuweisen, wird international sehr häufig das Gyrator-Verdichtungsverfahren verwendet (AASHTO R 35). In Deutschland ist dieses Verfahren bisher weniger verbreitet, obwohl ein sehr vielversprechender wissenschaftlicher Nachweis der Ansprache des Verdichtungsverhaltens mit dem Gyrator von (Wallner, 2004) vorliegt. Hier konnte u. a. nachgewiesen werden, dass sich das Verdichtungsverhalten von Asphalt mit dem Gyrator deutlich besser differenzieren lässt als mit dem Marshall-Verdichtungsgerät (Bild 4).

Bild 4: Verdichtungswiderstand (Gyrator, links und Marshall, rechts) verschiedener Asphalte mit drei unterschiedlichen Bindemittelgehalten; (niedrig (n), mittel (m) und hoch (h), (Wallner, 2004)

Die Verwendung des Gyrators zur Verdichtung von Asphalt ist im europäischen Regelwerk DIN EN 12697-31 bereits beschrieben. Das Grundprinzip dieser Verdichtungsmethode zeigt das Bild 5.

Bild 5: Grundprinzip der Asphaltverdichtung mit dem Gyrator, DIN EN 12697-31

Zur Überprüfung der Verdichtbarkeit der Asphaltgemische wurden die in der Tabelle 1 aufgeführten Geräterandbedingungen gewählt. Um mit großer Sicherheit den Verdichtungszustand einer Marshall-Verdichtung zu überschreiten, wurden alle Proben mit 500 Gyrationen verdichtet.

Tabelle 1: Geräterandbedingungen der Gyratorverdichtung

Für die Bewertung der Verdichtbarkeit wurden jeweils Referenzmischungen mit identischer Zusammensetzung vergleichend untersucht. Diese vergleichende Betrachtung ist insbesondere für die Frage nach einer negativen Beeinflussung des Verdichtungswiderstandes von großer Bedeutung. Als Prüfmethoden wurden Verfahren ausgewählt, die in den „Technischen Prüfvorschriften für Asphalt“ (TP Asphalt-StB), Teil 25 B 1 und Teil 26 beschrieben sind.

4 Ergebnisse der Untersuchungen

4.1 Schaumeigenschaften der Bitumen

Mit der im Abschnitt 3 dargestellten Laborschaumanlage wurden drei verschiedene Straßenbaubitumen und ein Polymermodifiziertes Bitumen mit erhöhten Polymeranteil (RC) untersucht. Dazu wurden drei Bindemitteltemperaturen und drei Wassergehalte (Tabelle 2). Das verwendete Additiv 1 zeigt einen sehr großen Einfluss auf die Stabilität des Bitumenschaums, während die beiden anderen Additive keinen positiven Einfluss bei dieser Untersuchungsmethode erkennen lassen. Bemerkenswert ist zudem, dass das Bitumen 160/220 A auch ohne Additiv ähnlich gute Schaumstabilitäten zeigte wie additivierte Bitumen.

Tabelle 2: Expansionsraten (ER) und Halbwertzeit (HWZ) der untersuchten Schaumbitumen

Um den Effekt der Schaumstabilisierung zu verdeutlichen, sind in den Bildern 6 und 7 die zeitlichen Veränderungen der Expansion mit und ohne Additiv 1 (im Weiteren nur noch mit Additiv bezeichnet) dargestellt. Es wird deutlich, dass sich der positive Einfluss sowohl bei der Expansion, als auch bei der Halbwertzeit auswirkt. Auch die Gleichmäßigkeit der Messwerte und damit des Bitumenschaums (Messung der Schaumoberfläche mit einem Laserabstandsmesser) zeigt sich eindrucksvoll an den Bestimmtheitsmaßen der mathematischen Trendlinien.

Bild 6: Zeitliche Veränderung der Exposition des verwendeten Bitumens 70/100, 4 % Wasser, (links ohne Additiv; rechts mit Additiv)

Bild 7: Zeitliche Veränderung der Exposition des verwendeten Bitumens 25/55-55 A, 4 % Wasser, (links ohne Additiv; rechts mit Additiv)

4.2 Prüfung der Verdichtungseigenschaften von WMA

Das Verdichtungsverhalten wurde an 18 Asphaltvarianten (6 Referenzgemische, 6 Schaumbitumengemische ohne Additiv und 6 Schaumbitumengemische mit Additiv) bestimmt (Bild 8), wobei die 12 Schaumasphaltvarianten jeweils bei vier Temperaturen verdichtet wurden, womit letztendlich 60 Varianten betrachtet wurden.

Bild 8: Asphaltvarianten für die Bestimmung der Verdichtbarkeit

Für das Asphaltdeckschichtmischgut (AC 11 D S) und für das Asphaltbindermischgut (SMA 16 B S) wurde ein Polymermodifiziertes Bitumen 25/55-55 A (RC) als Frischbitumen verwendet, während für die Asphalttragschicht ein Straßenbaubitumen 70/100 (für die Variante mit 60 M.-% AG) bzw. 160/220 (für die Variante mit 80 M.-% AG) eingesetzt wurde.

Für die drei ausgewählten Asphaltarten werden in den TL Asphalt-StB ein Mindesthohlraumgehalt bzw. ein maximaler Hohlraumgehalt gefordert. Mit diesen beiden Bezugsgrößen wurde für jede Asphaltvariante die Anzahl der Gyrationen bis zum Erreichen dieser Werte ermittelt. Die Bilder 9 und 10 zeigen die Ergebnisse, wobei Bild 9 die Varianten ohne Additiv und Bild 10 die Varianten mit Additiv enthält.

Es kann grundsätzlich für alle Schaumbitumenvarianten ein positiver Effekt auf das Verdichtungsverhalten festgestellt werden. Selbst an der Asphalttragschichtvariante mit 80 M.-% Asphaltgranulat ist noch ein wenn auch geringer positiver Effekt erkennbar, obwohl der Schaumbitumenanteil nur ca. 1 M.-% beträgt.

Noch bedeutender wird der Effekt des Schaumbitumens bei Verwendung eines geeigneten schaumstabilisierenden Additivs. Hier lässt sich im Labormaßstab für alle untersuchten Varianten ein Potenzial zur Temperaturabsenkung von 30 K und mehr feststellen.

Bild 9: Verdichtungseigenschaften der Schaumbitumenvarianten (ohne Additiv) im Vergleich zu den Referenzen

Bild 10: Verdichtungseigenschaften der Schaumbitumenvarianten (mit Additiv) im Vergleich zu den Referenzen

4.3 Steifigkeitsmodule und Verformungsverhalten der WMA

Die Frage nach einer zeitlichen Veränderung der Steifigkeit von schaumbitumenhaltigen Asphaltgemischen lässt sich vorzugsweise mit zerstörungsfreien Messmethoden nachweisen, bei denen der Probekörper nach unterschiedlich langer Lagerungsdauer geprüft wird. Hier bietet sich der Spaltzug-Schwellversuch mit den Randbedingungen nach den TP Asphalt-StB, Teil 26 an. Um plastische Dehnungen und damit eine strukturelle Veränderung der Probekörper zu vermeiden, wurden die Proben nur bei einer Temperatur von 5 °C geprüft. Die schaumbitumenhaltigen Proben wurden nach 1 Tag, nach 14 Tagen und nach 28 Tagen Trockenlagerung im Labor untersucht.

Die Bilder 11 bis 13 zeigen die zeitlichen Veränderungen (bis 28 Tage) des Steifigkeitsmodule bei 5 °C und sechs verschiedenen Frequenzen für die Asphalttragschichtvarianten mit 60 M.-% Asphaltgranulat. Erwartungsgemäß sind bei der Referenzvariante keine nennenswerten Veränderungen im Betrachtungszeitraum festgestellt worden. Bei der Variante mit Schaumbitumen ohne Additiv ist ein Anstieg der Steifigkeiten nach 28 Tagen fast exakt auf das Niveau der Referenzvariante zu beobachten. Bezogen auf die kritischen Spannweiten des Prüfverfahrens ist diese Beobachtung aber noch nicht als signifikant einzustufen. Die Variante mit Schaumbitumen und Additiv zeigt mit zunehmender Lagerungsdauer eher einen Abfall der Steifigkeiten. Aber auch diese Veränderungen sind, bezogen auf die kritischen Spannweiten nicht bezeichnend.

Bild 11: Zeitliche Veränderung des Steifigkeitsmoduls bei 5 °C, AC 22 T S (60 M.-% AG), Referenz

Bild 12: Zeitliche Veränderung des Steifigkeitsmoduls bei 5 °C, AC 22 T S (60 M.-% AG), Schaumbitumen ohne Additiv

Bild 13: Zeitliche Veränderung des Steifigkeitsmoduls bei 5 °C, AC 22 T S (60 M.-% AG), Schaumbitumen mit Additiv

Da sich aus den Steifigkeiten eines Asphaltes das plastisch-viskose Verformungsverhalten eines Asphaltes nicht unmittelbar ableiten lässt, wurden einaxiale Druck-Schwellversuche nach den TP Asphalt-StB Teil 25 B1 durchgeführt. Hierzu wurden aus den nach den TP Asphalt-StB, Teil 33 hergestellten Asphalt-Probeplatten Bohrkerne mit einem Durchmesser von 100 mm entnommen. Die Bilder 14 und 15 zeigen einen Vergleich der Referenzvarianten mit den Schaumbitumenvarianten für die Asphaltdeckschicht und die Asphaltbinderschicht.

Bild 14: Dehnungen der Asphaltdeckschichtvarianten im einaxialen Druck-Schwellversuch

Bild 15: Dehnungen der Asphaltbindervarianten im einaxialen Druck-Schwellversuch

Die nach den TP Asphalt-StB, Teil 25 B1 ausgewerteten Dehnungsraten sind den Tabellen 3 und 4 zu entnehmen.

Tabelle 3: Dehnungsraten (ε*) der Asphaltdeckschichtvarianten

Tabelle 4: Dehnungsraten (ε*) der Asphaltbinderschichtvarianten

Die an den Asphaltdeckschichten ermittelten Dehnungsraten deuten nicht auf einen systematischen Einfluss auf das Verformungsverhalten durch die Schaumbitumenbauweise hin. So zeigt die Variante (AC 11 D S mit 30 M.-% AG) für die Referenz und für die Schaumbitumenvariante ohne und mit Additiv eine annähernd identische Dehnungsrate.

Die Dehnungsraten der Asphaltbinderschichten mit Schaumbitumen liegen dagegen alle auf einem etwas höheren Niveau als die Referenzvarianten.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Das Forschungsprojekt (AiF/IGF-Vorhaben Nr.: 21769 N/1) ist noch nicht abgeschlossen, sodass die vorgenannten Ergebnisse bisher nur ein Zwischenfazit zulassen. Dennoch kann schon jetzt festgestellt werden, dass der Effekt einer Zugabe von Schaumbitumen auf das Verdichtungsverhalten selbst bei sehr hohen Asphaltgranulat-Anteilen (80 M.-% AG; 1 M.-% Frischbitumen) noch nachweisbar ist, womit ein vielversprechender Ansatz zur Absenkung der Temperatur bei der Verarbeitung von Walzasphalt vorliegt, ohne dass auf den nachhaltigen Aspekt der Wiederverwendung verzichtet werden muss. Die bisherigen Erkenntnisse beruhen auf Laborergebnissen und werden mit der weiteren Bearbeitung des Forschungsprojektes auf die Praxisanwendung ausgeweitet. Erst dann kann sicherlich das Potenzial zur Absenkung der Misch- und Verdichtungstemperatur bei einem Einsatz von Schaumbitumen und Zugabe von Asphaltgranulat in praxisüblichem Umfang quantifiziert werden.

Die Auswirkungen der Zugabe von Schaumbitumen auf die Performance-Eigenschaften (hier: dynamische Steifigkeit und Verformungsverhalten) scheinen weniger gravierend als teilweise vermutet wurde. Allerdings liegen hierzu noch nicht alle Auswertungen der Laborergebnisse vor und es fehlt ebenso noch eine Absicherung durch praktische Anwendungen.

Neben den vorgenannten Ergebnissen zu Laborversuchen liegen auch erste Erkenntnisse zur großtechnischen Erprobung (Misch- und Verdichtungsversuche) vor, die den grundsätzlich positiven Effekt der Schaumbitumentechnologie auf die Misch- und Verdichtungstemperatur bestätigen. Weitere Mischversuche an den projektbeteiligten Asphaltmischanlagen (Hohenloher Asphalt-Mischwerke GmbH & Co. KG und Asphaltmischwerk Landau Juchem KG) folgen zeitnah und ein großtechnischer Einsatz im Rahmen von Erprobungsstrecken steht kurz bevor.

Literaturverzeichnis

AASHTO R 35 (2017): American Association of State Highway and Transportation Officials, Standard Practice for Super-pave Volumetric Design for Asphalt Mixtures, AASHTO Designation: R 35-17, Washington, 2017

DIN EN 12697-31: Asphalt – Prüfverfahren – Teil 31: Herstellung von Probekörpern mit dem Gyrator-Verdichter, 2019

EAPA, 2014: The use of Warm Mix Asphalt, EAPA – Position Paper, European Asphalt Pavement Association (EAPA), Brussels, October 2014

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für Kaltrecycling in situ im Straßenoberbau (M KRC), Ausgabe 2005, Köln (FGSV 636)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Asphaltmischgut für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen (TL Asphalt-StB), Ausgabe 2007/Fassung 2013, Köln (FGSV 797)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB), Teil 25 B 1: Einaxialer Druck-Schwellversuch – Bestimmung des Verformungsverhaltens von Walzasphalt bei Wärme, Ausgabe 2022, Köln (FGSV 756/25 B 1)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB), Teil 26: Spaltzug-Schwellversuch – Bestimmung der Steifigkeit, Ausgabe 2018, Köln (FGSV 756/26)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB), Teil 33: Herstellung von Asphalt-Probeplatten im Laboratorium mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät (WSV), Ausgabe 2007, Köln (FGSV 756/33)

Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS 900), Ausgabe Mai 2020

Wallner, B.: Bewertung von Asphalt mit dem Gyrator, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung der Technischen Universität München, Dissertation 2004

Wirth, W.; Opel, A.: Herstellung von Niedrigtemperaturasphalt (Walzasphalt) unter Verwendung von Schaumbitumen: „Schaumbitumen-Heißmischgut“, AiF-Forschungsvorhaben Nr. 14749 N, Universität der Bundeswehr München, November 2008