Seit dem Jahr 2017 wurden im Stadtgebiet Münster diverse Pilotstrecken in Asphaltbauweise mit insgesamt 20 unterschiedlichen Asphaltmischgut-Varianten in verschiedenen Asphalt-schichten auf Wirtschaftswegen, Wohn- und Erschließungsstraßen sowie auf Hauptverkehrsstraßen erfolgreich realisiert. Hierbei wurden sowohl Fragestellungen zum Einsatz von hohen Anteilen von Asphaltgranulat unter Verwendung von Rejuvenatoren als auch zur Absenkung der Herstellungs- und Verarbeitungstemperatur von Asphalt nachgegangen.

In diesem Zusammenhang wurde auch die Osthofstraße (anbaufreie Kreisstraße K 60) im Jahr 2021 über eine Gesamtbaulänge von ca. 2.200 m mit einer neuen Asphaltdeck- und Asphaltbinderschicht über den gesamten Fahrbahnquerschnitt erneuert. Beide Asphaltschichten wurden in verschiedene Probefelder unterteilt, wodurch erstmalig temperaturabgesenkte Asphaltvarianten (Warmmixasphalte) mit Einbautemperaturen von 145 °C und 130 °C (Annahme einer Herstellungstemperatur von 175 °C bei konventioneller Heißmischung) sowie unterschiedliche Zugabemengen an Asphaltgranulat zwischen 20 % und 50 % mit und ohne Rejuvenierung kombinatorisch verglichen werden konnten. Hierbei war es aus bautechnischer Sicht vom besonderen Interesse, ob grundsätzlich die Möglichkeit besteht, Warmmixasphalt auch unter der Verwendung von hohen Anteilen an Asphaltgranulat (mit entsprechenden Rejuvenatoren) in der Baupraxis hochwertig herzustellen und anschließend bautechnisch fachgerecht einzubauen.

Auf der zuvor gefrästen Fläche wurde zunächst eine Asphaltbinderschicht aus AC 16 B S mit dem bitumenhaltigen Bindemittel PmB 25/45 VL (gemäß E KvB) mit einer Schichtdicke von 5 cm eingebaut. Darüber wurde eine Asphaltdeckschicht AC 8 D S ebenfalls mit dem bitumenhaltigen Bindemittel PmB 25/45 VL in einer Schichtdicke von 3 cm hergestellt.

Neben der erfolgreichen Umsetzung der Erneuerungsmaßnahme bei nicht optimalen witterungstechnischen Einbaubedingungen, konnte labortechnisch anhand von Performance-Untersuchungen und klassischen Kontrollprüfungen insgesamt eine vergleichbare Ausführungs- und Materialqualität nachgewiesen werden. So zeigt sich sogar, dass durch die Rejuvenierung sowohl die Risssicherheit im Tieftemperaturbereich als auch der Verformungswiderstand im höheren Temperaturbereich tendenziell verbessert wurden, wodurch die Dauerhaftigkeit und die Gebrauchstauglichkeit positiv beeinflusst werden.

Der Einfluss einer höheren Zugabemenge an Asphaltgranulat kann somit durch die Verwendung eines Rejuvenators in Bezug auf die Asphaltperformance und die rheologischen Bindemitteleigenschaften kompensiert und eine vergleichbare Ausführungsqualität unter Berücksichtigung einer verringerten Herstellungstemperatur des Asphaltes erzielt werden. Beide Aspekte sind Ansätze für zählbare Einsparungen an CO₂ im Produktionsprozess von Asphalt.

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

1 Einleitung

Bei Beachtung des „Gesetzes zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Bewirtschaftung von Abfällen“ bzw. allgemein bei der Ressourcenschonung kommt der Wiederverwertung von Baustoffen im Verkehrswegebau eine besondere Rolle zu. Es besteht hierbei insbesondere das Ziel in einer möglichst hohen und hochwertigen Wiederverwertung von Baustoffen. Im Asphaltstraßenbau ist folglich eine möglichst hochwertige Wiederverwertung von Asphaltgranulat (AG) erstrebenswert. Unter der Voraussetzung, dass die Eigenschaften des Recyclingasphaltes möglichst dem eines frischen Asphaltes aus reinen Primärbaustoffen entsprechen und somit die vorgesehene Nutzungsdauer der Straße erreicht wird, muss es das Ziel sein, zukünftig die Zugabemengen an Asphaltgranulat im Asphaltmischgut zielgerichtet zu erhöhen.

Um das angestrebte Ziel zu erreichen wird es aller Voraussicht ebenfalls notwendig sein, sogenannte Rejuvenatoren/Verjüngungsmittel einzusetzen, um dem Alterungsprozess des im Asphalt enthaltenen bitumenhaltigen Bindemittels entgegenzuwirken. Die eingesetzten Rejuvenatoren dürfen dabei aber weder die Nutzungsdauer mindern noch bei der nächsten Wiederverwertung negative Auswirkungen auf die Asphaltproduktion haben. Denn kürzere Nutzungsdauern führen zu erhöhten Kosten der Straßenerhaltung, Nutzungseinschränkungen für die Verkehrsteilnehmer und zu einer schlechteren CO₂-Bilanz aufgrund höherer Emissionen in der Asphaltproduktion.

Neben den Betrachtungen zur Ressourcenschonung besteht ein weiteres wesentliches Umweltziel in der Reduzierung von Emissionen. Ein Schlüssel hierzu besteht im Bereich des Asphaltstraßenbaus in der konsequenten Reduzierung der Herstellungs- und Einbautemperaturen. Neben dem Umweltschutz spielt an dieser Stelle der Arbeitsschutz, durch die gleichzeitige Verringerung des Anteils von Dämpfen und Aerosolen (MAK-Wert) während der Herstellung und des Einbaus von Warm-Mix-Asphalten (WMA), eine bedeutsame Rolle.

Um die Umsetzbarkeit und den Mehrwert dieser beiden Ziele auf kommunaler Ebene systematisch zu untersuchen, wurden seit dem Jahr 2017 im Stadtgebiet Münster diverse Pilotstrecken in Asphaltbauweise mit insgesamt 20 unterschiedlichen Asphaltmischgut-Varianten in verschiedenen Asphaltschichten auf Wirtschaftswegen, Wohn- und Erschließungsstraßen sowie auf Hauptverkehrsstraßen erfolgreich realisiert (Bild 1).

Bild 1: Pilotstrecken in Münster zu den Themen AG und WMA im Asphaltstraßenbau

2 Pilotstrecke Osthofstraße

2.1 Motivation und Zielsetzung

In diesem Zusammenhang wurde im Jahr 2021 die Osthofstraße im westlichen Stadtgebiet von Münster (Straßenrechtliche Widmung als Kreisstraße – K 60) als weitere Pilotstrecke ausgewählt. Es handelt es sich um eine anbaufreie Hauptverkehrsstraße zwischen dem Stadtteil Münster-Albachten und der Stadt Senden im Kreis Coesfeld. Im Zuge einer umfangreichen Erneuerungsmaßnahme wurde eine neue Asphaltbinder- sowie Asphaltdeckschicht über den gesamten Fahrbahnquerschnitt in einer Gesamtbaulänge von ca. 2.200 m aufgebracht. Beide Asphaltschichten wurden in verschiedene Probefelder unterteilt, wodurch erstmalig WMA mit Einbautemperaturen von 145 °C und 130 °C (Annahme einer Herstellungstemperatur von 175 °C bei konventioneller Heißmischung) sowie unterschiedliche Zugabemengen an Asphaltgranulat zwischen 20 % und 50 % mit und ohne Rejuvenierung kombinatorisch verglichen werden konnten. Die Asphaltvarianten mit der Herstellungstemperatur von 115 °C (Einbautemperatur ca. 85 °C) wurden aufgrund der mangelnden Einbaubarkeit während der Herstellung der Asphaltbinderschicht vor Ort verworfen, sodass diese beiden Varianten nicht Gegenstand der weiteren labortechnischen Untersuchungen waren (Asphaltvarianten D3 und B3).

Das besondere Interesse bei der Erneuerungsmaßnahme lag aus bautechnischer Sicht auf der Frage, ob grundsätzlich die Möglichkeit besteht, WMA auch unter der Verwendung von hohen Anteilen an Asphaltgranulat (mit entsprechenden Rejuvenatoren) in der Baupraxis hochwertig herzustellen und anschließend bautechnisch fachgerecht einzubauen (Bild 2).

Bild 2: Umsetzung der Erneuerungsmaßnahme der Osthofstraße in Münster (Stadt Münster 2021)

2.2 Planung und Baukonzept

Im Rahmen der vorbereitenden Maßnahmen wurden für insgesamt vier unterschiedliche Asphaltmischgutvarianten jeweils erweiterte Erstprüfungen nach den M TA (FGSV 2021a) bzw. den E KvB (FGSV 2016) durchgeführt (Tabelle 1). Hierbei wurden insbesondere für die Kalibrierung der einbaubegleitenden radiometrischen Messungen (Troxler-Isotopensonde) und den im Nachgang durchgeführten Kontrolluntersuchungen jeweils die Asphaltmischgut-Eigenschaften für den Temperaturbereich von 150 °C bis 110 °C bestimmt.

Tabelle 1: Asphaltmischgutvarianten Osthofstraße

Um das geplante Bauvorhaben bzw. die einzelnen Einbauvarianten mit der gewünschten Qualität umsetzen zu können und nachher eine nachvollziehbare Dokumentation der einzelnen Varianten vorliegen zu haben, wurden bereits im Zuge der Bauvorbereitung umfangreiche Überlegungen und Planungen angestellt. Dies hat bereits mit der Organisation des Asphaltgranulats begonnen, welches möglichst gleichmäßig und in vergleichbarer Qualität an der Asphaltmischanlage vorrätig sein muss. Für die hier beide zur Anwendung gekommenen Asphaltgranulate wurde im Vorfeld für das RA 0/8 ein mittlerer Erweichungspunkt Ring- und Kugel-Verfahren (EP RuK) von 71,5 °C bzw. ein BTSV von 70,0 °C und für das RA 0/16 von 74,1 °C bzw. 73,0 °C festgestellt.

Hinsichtlich der Beschaffung eines geeigneten Asphaltgranulats, der zusätzlich notwendigen Voruntersuchungen und der erweiterten Erstprüfungen gilt es grundsätzlich längere Zeiträume für die vorbereitenden Arbeiten und die Erstellung der Erstprüfungen einzuplanen.

Für die Dokumentation des Einbaus und der fachgerechten Probenahme wurden im Vorfeld des Einbaus die Bereiche für die radiometrischen Messungen und für die Asphaltmischgutsowie Asphaltbohrkernprobenahmen geplant und festgelegt. Je Asphaltmischgutvariante waren dazu auf der Pilotstrecke zwei Messfelder angelegt (Bild 3).

Bild 3: Prüf- und Probenahmeplan Osthofstraße

Der Einbau der einzelnen Abschnitte der Pilotstrecke erfolgte Mitte März 2021 an vier aufeinanderfolgenden Tagen. Bei Temperaturen von rund + 5 °C und mäßigen bis starken Wind lagen keine optimalen Witterungsbedingungen für den Asphalteinbau vor. Auf der zuvor gefrästen Fläche wurde zunächst eine Asphaltbinderschicht mit einer Schichtdicke von 5 cm eingebaut. Darüber wurde die Asphaltdeckschicht AC 8 D S in einer Schichtdicke von 3 cm hergestellt.

Die bautechnische Begleitung des gesamten Asphalteinbaus umfasste neben der Temperaturmessung des Asphaltmischguts bei der Anlieferung (Lkw) auch die Beprobungen des Asphaltmischgutes für die Kontrolluntersuchungen bzw. für die geplanten Performance Prüfungen. Insgesamt wurden hierbei 240 Asphaltmischgutproben entnommen. Darüber hinaus wurden zerstörungsfreie Messungen mit der Troxler-Isotopensonde durchgeführt, um die Vorverdichtung, die Verdichtungszunahmen und die Endverdichtung zu ermitteln. Zur nachträglichen Kalibrierung der radiometrischen Messungen wurden zwei Repräsentativbereiche gleicher Verdichtung je Variante von ca. 20 m Länge je Asphaltmischgutvariante bzw. Zieltemperatur von 145 °C und 130 °C festgelegt und zusätzlich beprobt.

Die gemessenen Verdichtungswerte und die Hohlraumgehalte zeigen in diesem Zusammenhang für alle acht gebauten Asphaltmischgutvarianten unabhängig von der Herstellungs- und Einbautemperatur ein vergleichbar hohes Niveau. Die Anforderungswerte der ZTV Asphalt-StB (FGSV 2007/13) wurden mit Ausnahme einer geringfügigen Unterschreitung von 0,1 % an einem der insgesamt 80 Messpunkten vollumfänglich erreicht.

3 Untersuchungsprogramm und wesentliche Ergebnisse

3.1 Untersuchungsprogramm

Zusätzlich zu den umfassenden baubegleitenden Untersuchungen wurden im Rahmen der Qualitätssicherung Kontrolluntersuchungen gemäß der ZTV Asphalt (FGSV 07/13) an den entnommenen Asphaltmischgutproben und Asphaltbohrkernen durchgeführt. Zusätzlich wurde jeweils am extrahierten bitumenhaltigen Bindemittel das BTSV gemäß (FGSV 2017) verwendet, um die Bindemitteleigenschaften näher zu charakterisieren. Ergänzend wurden zur Ermittlung der Performance-Kennwerte und zur Abschätzung der Gebrauchstauglichkeit aller Asphaltvarianten folgende erweiterte Laboruntersuchungen durchgeführt:

• Bestimmung des  Steifigkeitsverhaltens  (Spaltzug-Schwellversuch)  gemäß  den TP Asphalt-StB, Teil 26 (FGSV 2018).
• Bestimmung des  Ermüdungsverhaltens  (Spaltzug-Schwellversuch)  gemäß  den TP Asphalt-StB, Teil 24 (FGSV 2018).
• Bestimmung des Verformungsverhaltens von Walzasphalt bei Wärme (Einaxialer Druck-Schwellversuch) gemäß den TP Asphalt-StB, Teil 25 B1 (FGSV 2020)].
• Bestimmung der Kälteeigenschaften (Abkühlversuch) gemäß den TP Asphalt-StB, Teil 46 A (FGSV 2021).

Zur Untersuchung der Veränderungen der dauerhaftigkeitsrelevanten Asphalteigenschaften, wurden sämtliche Asphaltvarianten im weiteren Verlauf des Untersuchungsprogramms zeitraffenden Alterungsversuchen nach dem Braunschweiger Alterungsverfahren (BSA) nach dem AP AAL (FGSV 2022) zur Simulation der Langzeitalterung unterzogen. Hierbei standen insbesondere die materialtechnologischen Veränderungen der verwendeten bitumenhaltigen Bindemittel infolge oxidativer Alterungsprozesse im Fokus. Durch den Einfluss von Temperatur und Luftzutritt respektive Luftzirkulation in der Hohlraumstruktur des Asphaltes wurden dabei Veränderungen in den viskosen und rheologischen Bindemitteleigenschaften erwartet. Im Anschluss an die Alterungsversuche wurden zur Eruierung der materialtechnologischen Veränderungen sämtliche vorherigen Bindemitteluntersuchungen sowie Asphaltuntersuchungen zur Ermittlung der Performance-Kennwerte erneut durchgeführt.

3.2 Bindemitteluntersuchungen

Das Untersuchungsergebnis des BTSV basiert auf einem Vergleich der Äqui-Schermodultemperaturen, bei der das bitumenhaltige Bindemittel einen komplexen Schermodul von 15 kPa aufweist (T_BTSV) und sich dabei eine Phasendifferenz (Phasenwinkel δ_BTSV) zwischen aufgebrachter Spannung und resultierender Verformung einstellt. Gemäß der Empfehlungen des M TA wird auf die ergänzende Betrachtung des Erweichungspunktes Ring- und Kugel-Verfahren verzichtet, da dieser nicht geeignet ist, um die Gebrauchseigenschaften von additivierten respektive viskositätsveränderten Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln (VL-Bitumen) zu beurteilen.

Die Auswertung der Untersuchungen (Tabelle 2) zeigt zum einen, dass die labortechnisch ermittelten Temperaturen T_BTSV nach den E KvB vollständig im empfohlenen Wertebereich für ein PmB 25/45 VL zwischen 55 °C und 75 °C streuen. Ein eindeutig positiver Trend (T_BTSV sinkt) in Bezug auf den Einfluss der Temperaturabsenkung sowie der Zugabe des Rejuvena-tors ist im Bereich der Asphaltdeckschicht festzustellen Im Bereich der Asphaltbinderschicht wird durch weitestgehend konstante Laborergebnisse die Kompensation der um 20 % höheren Zugabemenge an Asphaltgranulat deutlich.

Tabelle 2: Ergebnisse des BTSV vor und nach zeitraffender Alterung

Infolge der labortechnischen Alterung zeigen die Ergebnisse, dass die Äqui-Schermodultemperatur T_BTSV zunimmt. Entsprechend der thermoviskosen Eigenschaften des bitumenhaltigen Bindemittels reduzieren sich in der Tendenz gleichzeitig die gemessenen Phasenwinkel δ_BTSV. Im Bereich der Asphaltdeckschicht reduzieren sich diese um bis zu -2,0 °C (Variante D1: 69,4 ° C - 67,4 °C). Die Variante D4 zeigt eine Zunahme des Phasenwinkels um 0,5 °C auf. Im Bereich der Asphaltbinderschicht wurden abnehmende Phasenwinkel von bis zu -1,2 ° (Variante B4: 70,7 °C - 69,5 °C) gemessen. Bei der Variante B5 war keine Abnahme, sondern vielmehr ein konstantes Niveau bei 71,3 °C festzustellen.

3.3 Asphaltuntersuchungen

Trotz nicht optimaler Witterungsbedingungen zeigen die Ergebnisse der Kontrollprüfungen, dass die mit 145 °C und 130 °C hergestellten und eingebauten Asphaltdeckschicht- und Asphaltbinderschichtvarianten anforderungsgerecht und bei mit gleichbleibender Qualität hergestellt werden konnten (Tabelle 3). Dies gilt insbesondere auch für die Asphaltvarianten mit erhöhter Zugabemenge an Asphaltgranulat bei gleichzeitiger Zugabe von geeigneten Additiven (hier: Kombination aus VL-Bitumen und Rejuvenator). Sowohl die Asphaltmischguteigenschaften als auch die Eigenschaften der fertigen Schicht erfüllen in Bezug auf die volumetrischen Eigenschaften und den Schichtenverbund die Vorgaben des technischen Regelwerks.

Tabelle 3: Ergebnisse der Kontrolluntersuchungen Osthofstraße

3.4 Performance-Kennwerte

3.4.1 Temperaturabhängiges Steifigkeitsverhalten

Die Steifigkeit des Asphaltes gibt Aufschluss über das visko-elastische Materialverhalten und das Vermögen, äußere Beanspruchungen durch ein entsprechendes Dehnungsvermögen und Relaxationsverhalten bei gleichzeitig möglichst niedrigen Festigkeitsverlusten, zu ertragen. Eine höhere Steifigkeit geht im mittleren und höheren Temperaturbereich mit einer geringeren Gesamtdehnung des Asphaltes einher und lässt analog auf eine verbesserte Verformungs- und Ermüdungsbeständigkeit schließen. Im höheren Temperaturbereich wird hierzu ebenfalls das Verformungsverhalten durch die labortechnische Auswertung von Druck-Schwellversuchen beurteilt.

Zur Bestimmung des temperaturabhängigen Steifigkeitsverhaltens wurden Spaltzug-Schwellversuche durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse umfassen in Abhängigkeit von der Asphaltvariante Steifigkeitsmoduln bei den vier Prüftemperaturen -10 °C, 0 °C, 10 °C und 20 °C sowie den Prüffrequenzen 10 Hz, 5 Hz, 3 Hz, 1 Hz, 0,3 Hz und 0,1 Hz. Aus Gründen der Vereinfachung sind hier sowohl für die Betrachtung vor (Bild 4) als auch nach der labortechnischen Alterung Bild 5 ausschließlich die Untersuchungsergebnisse für die Prüffrequenz f = 10 Hz angeführt.

Bild 4: Mittlere Steifigkeitsmoduln aller Asphaltvarianten vor der labortechnischen Alterung

Die Untersuchungsergebnisse der Asphaltdeckschichtvarianten (Varianten D1 bis D5) vor Alterung zeigen, dass insgesamt ein weitestgehend konstantes Niveau der Asphaltsteifigkeit erzielt werden konnte. Sowohl durch die Reduzierung der Herstellungsrespektive Einbautemperatur als auch durch die Rejuvenierung lässt sich anhand der Untersuchungsergebnisse kein eindeutiger Trend ableiten. Die festgestellten Unterschiede können vielmehr auf die unterschiedliche Zusammensetzung der entsprechenden Asphalte (Abweichung von der SOLL-Sieblinie, Bindemittelgehalt etc.) zurückgeführt werden.

Im Bereich der Asphaltbinderschicht dagegen lassen sich vor Alterung die Einflüsse der Herstellungs- bzw. Einbautemperatur sowie der Rejuvenierung des Asphaltmischgutes in Abhängigkeit von dem Temperaturbereich deutlicher ableiten. So nimmt die Steifigkeit des Asphaltes insbesondere im tieferen Gebrauchstemperaturbereich (0 °C bis -10 °C) durch die Reduzierung der Herstellungs- bzw. Einbautemperatur signifikant zu. Gleichzeitig bleibt das Steifigkeitsniveau bei der höheren Zugabe des Asphaltgranulats sowie des Rejuvenators auf einem konstanten Niveau, sodass kein nachteiliger Einfluss auf Verformungsrespektive Dehnungsverhalten erkennbar ist. Im positiven Gebrauchstemperaturbereich (10 °C bis 20 °C) zeigt sich durch die Temperaturabsenkung ein gleichbleibendes konstantes Niveau (Varianten B1 zu B2) bzw. sogar durch die Zugabe des Rejuvenators trotz dem höheren Anteil an Asphaltgranulat ein höherer Steifigkeitsmodul (Varianten B3 zu B4). Die Zugabe des Rejuvenators wiederum führt einerseits zu einer Reduzierung der Steifigkeitsmoduln (Varianten B1 zu B3) bzw. zeigt sich erneut ein konstantes Niveau (Varianten B2 zu B4).

Bild 5: Mittlere Steifigkeitsmoduln aller Asphaltvarianten nach der labortechnischen Alterung mittels BSA

Nach dem zeitraffenden Alterungsversuch ist feststellbar, dass sowohl alle betrachteten Asphaltdeck- als auch alle Asphaltbinderschichten vergleichbare Steifigkeitsmoduln in Abhängigkeit von der jeweiligen Prüftemperatur aufweisen. Diese liegen insgesamt über dem Niveau der Steifigkeitsmoduln vor Alterung, sodass ein genereller Anstieg der Steifigkeitsmoduln infolge der labortechnischen Alterung (hier: BSA) angenommen werden kann. Die Unterschiede des Steifigkeitsmoduls sind in diesem Zusammenhang je Prüftemperatur als nicht signifikant zu bewerten. Erwartungsgemäß erreicht die Asphaltbinderschicht höhere Steifigkeitsmoduln von bis zu 26.996 MPa (Variante B1 bei -10 °C).

Ferner belegen die Untersuchungsergebnisse geringfügige Einflüsse durch die Rejuvenierung sowie durch die Reduzierung der Herstellungstemperatur für beide Asphaltschichten. So zeigt sich in der Tendenz, dass beide Modifikationen, insbesondere im tieferen Gebrauchstemperaturbereich, zu einer Abnahme des Steifigkeitsmoduls führt.

3.4.2 Kälteeigenschaften

Die Kälteeigenschaften der Asphaltvarianten wurden sowohl mittels Abkühlversuch (TSRST) als auch mittels Einaxialem Zugversuch (UTST) untersucht. Beim TSRST entsteht dabei infolge einer stetigen Temperaturreduzierung bei konstanter Haltung ein Schrumpfen des prismatischen Probekörpers bis zum Versagensfall (Reißen des Probekörpers infolge zunehmender innerer kryogener Spannungen). Bis zum Versagen des Probekörpers werden der Verlauf der kryogenen Spannung in Abhängigkeit von der Prüftemperatur aufgezeichnet und sowohl die Bruchspannung σ_F als auch die Bruchtemperatur T_F als Messergebnis ausgegeben (Bild 6).

Beim UTST wird der eingespannte Probekörper während der Prüfung entlang seiner Längsachse bei konstanter Prüftemperatur und konstanter Dehngeschwindigkeit auseinandergezogen. Die Prüftemperaturen betragen je Zugversuch 20 °C, 5 °C, -10 °C und -25 °C. Durch die aufgebrachte Zugspannung in Kombination mit dem Temperatureinfluss, reißt der Probekörper und versagt. Als signifikante Prüfgrößen werden die maximal aufgenommene Spannung als Maßgabe der Zugfestigkeit β_t(T) und die korrespondierende Bruchdehnung _εF(T) bei der jeweiligen Prüftemperatur angegeben. Die kombinierte Analyse beider Laborversuche ermöglicht zudem die Berechnung der Zugfestigkeitsreserve ∆β_t als Spannungsdifferenz zwischen der kryogenen Spannung und der Zugfestigkeit, als Maßgabe für das Potenzial zusätzliche äußere statische Spannungen aufzunehmen, bevor die maximale Zugfestigkeit erreicht wird.

Bild 6: Entwicklung der Kälteeigenschaften aller Asphaltvarianten vor und nach Alterung

Die Analyse der Bruchspannung und Bruchtemperaturen vor Alterung zeigt, dass durch eine Rejuvenierung das Tieftemperaturverhalten des Asphaltes verbessert wird. So ist tendenziell eine höhere ertragbare innere kryogene Spannung und eine tiefere Bruchtemperatur ableitbar. Diese Tendenz wird zudem durch die geringere Herstellungs- und Einbautemperatur begünstigt. Im Bereich der Asphaltdeckschicht führt dies zu Bruchtemperaturen von mindestens -19,4 °C (Variante D2). Die Rejuvenierung führt bei einer Herstellungstemperatur von T = 145 °C zu einer um -2,6 °C (-22,4 °C zu -19,8 °C) und bei T = 130 °C um -2,7 °C (-23,1 °C zu -20,4 °C) tieferen Bruchtemperatur. Gleichzeitig nimmt die Bruchspannung um 0,275 MPa bei T = 145 °C bzw. 0,388 MPa bei T = 130 °C zu.

Im Bereich der Asphaltbinderschicht zeigen die Untersuchungsergebnisse ebenfalls eindeutige Tendenzen hinsichtlich eines verbesserten Tieftemperaturverhaltens durch die vorgenannten Modifikationen. So führt die Rejuvenierung bei T = 145 °C zu einer verringerten Bruchtemperatur von -3,3 °C (-21,3 °C zu -18,0 °C) bzw. bei T = 130 °C von -3,0 °C (-20,1 °C zu -17,1 °C). Gleichzeitig steigt die ertragbare kryogene Spannung um 0,448 MPa (4,309 MPa zu 3,861 MPa bei T = 130 °C) bzw. um 0,322 MPa (3,759 MPa zu 3,437 MPa bei T = 145 °C).

Die kryogenen Bruchspannungen nehmen erwartungsgemäß infolge des labortechnischen Alterungsprozesses tendenziell ab. Im Bereich der Asphaltdeckschicht zeigt sich bei allen Asphaltvarianten D1 bis D4 der erwartete Trend. Die Bruchtemperatur nimmt konsequent ab und erreicht in der Variante D4 auch nach Alterung -20,0 °C. Hierbei kommt sowohl der geringeren Herstellungstemperatur mit T = 130 °C als auch der Rejuvenierung des Asphaltes eine entscheidende Rolle zu. Die drei weiteren Asphaltvarianten versagen mit Bruchtemperaturen zwischen -18,8 °C (Variante D1) und -15,8 °C (Variante D2).

Im Bereich der Asphaltbinderschicht ist kein eindeutiger Trend feststellbar. So nimmt die Bruchtemperatur ausschließlich bei der Variante B2 um -0,8 °C (von -18,0 °C auf -17,2 °C) ab. Die weiteren drei Varianten zeigen einerseits kontante Niveaus oder sogar eine Zunahme der Bruchtemperatur (Variante B4) auf.

Die maßgeblichen Ergebnisse der Einaxialen Zugversuche sowie die Veränderung der entsprechenden Kennwerte infolge der labortechnischen Alterung mittels des BSA sind Tabelle 4 aufgeführt. Für eine vergleichende Bewertung aller Asphaltvarianten ist die Zugfestigkeit bei T = -10 °C ergänzend aufgeführt.

Tabelle 4: Maßgebliche Kennwerte der Einaxialen Zugversuche vor und nach Alterung

Die Untersuchungsergebnisse zeigen keinen eindeutigen Trend in Bezug auf die Entwicklung der maximalen Zugfestigkeitsreserve in Folge der labortechnischen Alterung. Tendenziell ist davon auszugehen, dass die Additivierung eher zu einer Abnahme der maximalen Zugfestigkeitsreserve führt. Infolge der labortechnischen Alterung zeigt sich jedoch eine konsequente Verschiebung der Temperatur beim Erreichen der maximalen Zugfestigkeitsreserve. So verschiebt sich diese entweder in einen höheren Temperaturbereich oder kann als konstant angesehen werden (Variante B4). Dies ist ein Indiz für die erwartbare Verschlechterung der Kälteeigenschaften infolge des Alterungs- und Verhärtungsprozesses des bitumenhaltigen Bindemittels, da das Auftreten der maximalen Zugfestigkeitsreserve im höheren Gebrauchstemperaturbereich einerseits ein Indiz für ein höhere innere kryogene Spannung im Asphalt bzw. andererseits für eine geringere aufnehmbare äußere Zugspannung ist.

Der Vergleich der Zugfestigkeiten bei T = -10 °C, als praxisnahe Größe zur Beschreibung des Tieftemperaturverhaltens, zeigt ebenfalls in der Tendenz die erwartete Abnahme der ertragbaren äußeren Zugspannung infolge der labortechnischen Alterung auf. Hierbei wurde festgestellt, dass die Zugfestigung im Bereich der Asphaltdeckschicht um bis zu 0,702 MPa (Variante D2: 6,562 MPa - 5,860 MPa) abnimmt. Im Bereich der Asphaltbinderschicht beträgt die Abnahme bis 0,994 MPa (Variante B1: 6,094 MPa - 5,100 MPa). Die Varianten D4 und B5 folgen dem Trend nicht, da die Zugfestigkeit in beiden Fällen um 0,133 MPa (Variante D4) bzw. 0,170 MPa (Variante B5) zunimmt. Dies kann mit den Unwägbarkeiten in Bezug auf die Zusammensetzung des Asphaltes inklusive der Auswirkungen des 1) Asphaltgranulats und 2) des Rejuvenators sowie die gegebenenfalls ungleichmäßige Alterung des Asphaltmischgutes im Labor erklärt werden.

Gleichzeitig lassen die Untersuchungsergebnisse den Rückschluss zu, dass die verringerte Herstellungstemperatur einen positiven Einfluss auf die Zugfestigkeit des Asphaltes nach Alterung ausübt, da bei allen untersuchten Asphaltvarianten ein konstantes Niveau (Varianten D4 zu D5) oder eine teils signifikante Zunahme im tieferen Gebrauchstemperaturbereich (T = -10 °C) feststellbar ist. Die Zugfestigkeit steigt hierbei um bis zu 0,509 MPa (Varianten B1 zu B2), wodurch von einer erheblichen Verbesserung des Risswiderstands auch nach Alterung ausgegangen werden kann.

3.4.3 Verformungsverhalten bei Wärme

Zur Bestimmung der Verformungsbeständigkeit bei Wärme wurden Einaxiale Druckschwellversuche bei einer Prüftemperatur von 50 °C durchgeführt. Hierbei erfolgt die Belastung in Lastzyklen (Lastimpulszahl n) aus einer gleichmäßig verteilten haversine-impulsförmigen Druckschwellbelastung und Lastpausen. Dabei werden die axialen Verformungen (Dehnungen und Dehnungsraten) in Abhängigkeit von dem Lastzyklus zur Bestimmung des Widerstands gegen dauerhafte Verformungen aufgezeichnet und als Impulskriechkurven dargestellt.

Zur Beurteilung des Verformungsverhaltens im höheren Temperaturbereich infolge zyklischer Beanspruchung werden die ertragenen Belastungszyklen (Bild 7) sowie die ermittelte Dehnungsrate im Versagensfall (Dehnung ε* im Asphalt ≥ 80,0 ‰) bzw. nach 10.000 Belastungszyklen (Bild 8) herangezogen. Dabei wird auch ein Vergleich des Verformungsverhaltens vor und nach Alterung gezogen.

Die Analyse des Verformungsverhaltens im höheren Gebrauchstemperaturbereich der einzelnen Asphaltvarianten zeigt, dass sämtliche Asphaltbinderschichtvarianten sowohl vor als auch nach Alterung eine adäquate Verformungsbeständigkeit aufweisen. So überschreiten alle Varianten die Anforderung von 10.000 Lastzyklen und zeigen dementsprechend Dehnungsraten von maximal 0,2 ‰*10-4/n.

Im Bereich der Asphaltdeckschicht konnte anhand der Laborergebnisse eine signifikante Verbesserung des Verformungsverhaltens einerseits durch die Reduzierung der Herstellungs- und Einbautemperatur und andererseits durch die Rejuvenierung des Asphaltmischgutes erzielt werden. Gleichzeitig lässt die Abnahme der Dehnungsrate auf ein verbessertes Verformungsverhalten sowie auf verbesserte Relaxationseigenschaften schließen.

Infolge des Alterungsprozesses zeigt sich, dass die Asphaltvarianten eine höhere ertragbare Anzahl an Belastungszyklen und dazu korrespondierend eine geringere Dehnungsrate im Versagensfall aufweisen. Dies lässt auf einen höheren Verformungswiderstand infolge der Verhärtung des Bitumens schließen. Gleichzeitig zeigen die Untersuchungsergebnisse, dass sowohl die Reduzierung der Herstellungstemperatur als auch die Additivierung des Asphaltes diese Entwicklung begünstigen. So weist die Variante D1 mit 2.361 bzw. 2.285 Belastungszyklen den geringsten und die Variante D5 mit 9.625 bzw. 10.000 Belastungszyklen den höchsten Verformungswiderstand auf. Die entsprechenden Dehnungsraten betragen 2,6 ‰*10-4/n (Variante D1) bzw. 0,2 ‰*10-4/n (Variante D5).

Bild 7: Ertragende Belastungszyklen vor und nach labortechnischer Alterung zur Beurteilung des Verformungsverhaltens im höheren Temperaturbereich

Bild 8: Dehnungsrate im Versagensfall vor und nach labortechnischer Alterung zur Beurteilung des Verformungsverhaltens im höheren Temperaturbereich

4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Im Rahmen des Pilotprojekts Osthofstraße in Münster ist es gelungen, verschiedene Asphaltmischgutarten und -sorten unter Verwendung von VL-Bitumen (PmB 25/45 VL) temperaturabgesenkt entsprechend dem M TA (FGSV 2021) bei ca. 145 °C bzw. 130 °C anforderungsgerecht herzustellen und einzubauen. Neben der Temperaturabsenkung wurde bei der Asphaltdeckschicht bei 20 % Asphaltgranulat mit und ohne Rejuvenator gearbeitet. Bei der Asphaltbinderschicht wurde einerseits eine Zugabe an Asphaltgranulat von 30 % gewählt. Andererseits wurde unter Verwendung eines Rejuvenators die Zugabe an Asphaltgranulat auf 50 % erhöht. Insgesamt wurden acht Asphaltvarianten hergestellt. Diese wurden labortechnisch u. a. hinsichtlich der Performance Eigenschaften sowohl im frischen als auch im gealterten Zustand untersucht.

Aus den Ergebnissen der Laboruntersuchungen kann geschlussfolgert werden, dass sowohl die Temperaturabsenkung als auch die Erhöhung der Zugabemenge von Asphaltgranulat (hier: Asphaltbinderschicht) allgemein zu keiner negativen Veränderung des Gebrauchsverhaltens (Verformungsverhalten bei Wärme, Kälteverhalten) geführt hat. Die rejuvenierten Asphaltvarianten weisen in materialtechnologischer Hinsicht insgesamt vielmehr eine höhere Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit auf, wodurch ein eventueller (negativer) Einfluss durch die Zugabe von hohen Anteilen von Asphaltgranulat vollständig kompensierbar werden konnte. Dies ist in erster Linie auf das bessere Tieftemperaturverhalten sowie auf die höhere Verformungsbeständigkeit im höheren Temperaturbereich zurückzuführen.

Literaturverzeichnis

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2021): Merkblatt für Temperaturabsenkung von Asphalt (M TA), Ausgabe 2021, Köln (FGSV 766)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2016): Empfehlungen zur Klassifikation von viskositätsveränderten Bindemitteln (E KvB), Ausgabe 2016, Köln (FGSV 727)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2007/2013): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB), Ausgabe 2007/Fassung 2013, Köln (FGSV 799)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2017): Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Verformungsverhaltens von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln im Dynamischen Scherrheometer (DSR) – Teil 4: Durchführung des Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahrens (AL DSR-Prüfung (BTSV)), Ausgabe 2017, Köln (FGSV 720)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2018): 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 (2018): Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB) – Teil 24: Spaltzug-Schwellversuch – Beständigkeit gegen Ermüdung, Ausgabe 2018, Köln (FGSV 756/24)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2020): Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB) – Teil 25 B 1: Einaxialer Druck-Schwellversuch – Bestimmung des Verformungsverhaltens von Walzasphalt bei Wärme, Ausgabe 2020, Köln (FGSV 756/21 B 1)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2021): Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB) – Teil 46 A: Kälteeigenschaften: Einaxialer Zugversuch und Abkühlversuch, Ausgabe 2021, Köln (FGSV 756/46 A)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2022): Arbeitspapier Alterung von Asphalt im Laboratorium (AP AAL), Ausgabe 2022, Köln (FGSV 716)

Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Bewirtschaftung von Abfällen (Kreislaufwirtschaftsgesetz – KrWG) vom 24. Februar 2012 (BGBl. I S. 212)

Stadt Münster – Amt für Mobilität und Tiefbau (2021): Fotodokumentation und Bauüberwachung Osthofstraße Münster, unveröffentlicht, 2021