Die seit mehreren Jahrzehnten betriebene Wiederverwendung von Asphalt gelangt in ihrer Weiterentwicklung aufgrund verschiedener Aspekte an Grenzen. So können die anfallenden Mengen an Ausbauasphalt nur noch schwer im gleichen Umfang höchstwertig wiederverwendet werden, da in den letzten Jahren immer weniger Neubauprojekte realisiert und stattdessen Bestandsstrecken erneuert wurden, was inzwischen viele Asphaltmischanlagen an die Kapazitätsgrenze bei der Lagerung von Ausbauasphalt führt. Ein weiterer Aspekt ist der zunehmende Anfall von Ausbauasphalt, der bereits zum wiederholten Male wiederverwendet wird, was tendenziell zu einer zunehmenden Verhärtung des Bindemittels führt. Um dem zu begegnen, wurden – sowohl in Deutschland als auch in anderen europäischen Ländern – bereits verschiedene Zusätze erprobt, mit denen die Bindemittelalterung rückgängig gemacht werden soll. Diese Verjüngung (engl.: Rejuvenation) wurde jedoch zunächst vielfach allein auf die Absenkung des Erweichungspunktes Ring und Kugel fokussiert, was angesichts der Komplexität der ablaufenden Prozesse sicher zu kurz greift und zumeist den vertraglichen Anforderungen an diesen einfachen Kennwert geschuldet sein dürfte. In der jüngeren Vergangenheit wurden nun die Möglichkeiten der Bindemittelverjüngung grundlegender wissenschaftlich untersucht und unterschiedliche Methoden erprobt.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist als PDF verfügbar.

1 Einleitung und Problemstellung

Die höchstwertige Verwertung, also die Wiederverwendung im gleichen Produkt, wird für Asphalt seit Jahrzehnten erfolgreich betrieben und ist bereits seit Jahren im Technischen Regelwerk für den Straßenbau verankert. Die Wiederverwendung von Asphalt löst einerseits für den Auftraggeber ein Entsorgungs- und Abfallproblem, da Entsorgung oder Deponierung des anfallenden Ausbauasphaltes nicht notwendig werden und ermöglicht andererseits den Herstellern von Asphaltmischgut, ihr Produkt noch wirtschaftlicher herzustellen. Darüber hinaus stellt die mit der Wiederverwendung verbundene Ressourcenschonung einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit und zum praktizierten Umweltschutz dar und erfüllt die entsprechenden Vorgaben des Kreislaufwirtschaftsgesetzes [1] in vorbildlicher Weise.

Das, die Wiederverwendung von Asphalt betreffende, auf Basis der Europäischen Anforderungsnormen erarbeitete, Technische Regelwerk besteht in Deutschland im Wesentlichen aus den TL Asphalt-StB 07/13 [2] in Verbindung mit den TL AG-StB 09 [3] sowie den ZTV Asphalt-StB 07/13 [4]. Ergänzt werden diese Regelwerke durch das M WA, Ausgabe 2009 [5].

Die maximal mögliche Zugaberate an Asphaltgranulat wird nach den TL Asphalt-StB anhand der Gleichmäßigkeit des Asphaltgranulats, welche an einer Probe je angefangene 500 Tonnen Asphaltgranulat, jedoch an mindestens 5 Proben je Halde anhand der Spannweite verschiedener Merkmalsgrößen bestimmt wird (Tabelle 1), berechnet.

Tabelle 1: Gesamttoleranzen Tzul der für die Gleichmäßigkeit relevanten Merkmalsgrößen des Asphaltgranulates in Abhängigkeit von der Asphaltmischgutart (Tabelle in PDF)

Aus den einzelnen Spannweiten wird dann für Asphalttragschicht- und -tragdeckschichtmischgut für sämtliche Merkmalsgrößen mit Hilfe der (Gleichung 1) die für jede Merkmalsgröße einzeln mögliche Zugaberate ermittelt. Für Asphaltdeck- und Asphaltbinderschichten ist für das Merkmal Erweichungspunkt Ring und Kugel die (Gleichung 1) und für alle anderen Merkmalsgrößen die (Gleichung 2) anzuwenden. Maßgebend ist die jeweils geringste sich ergeben de Zugaberate. Diese ist dann der aufgrund der maschinentechnischen Gegebenheiten der Mischanlage möglichen Zugaberate gegenüberzustellen. Entsprechende Empfehlungswerte hierzu enthält das M WA. Für die Zusammensetzung des Asphaltmischgutes maßgebend ist dann letztlich wiederum der kleinere dieser beiden Werte.

Formel in PDF

Hierin bedeuten:

Z_mög,i     mögliche Zugaberate an Asphaltgranulat

a_i             ermittelte Spannweite der jeweiligen Merkmalsgröße

T_zul,i        Gesamttoleranz der jeweiligen Merkmalsgröße (Tabelle 1)

i         Index für die Merkmalsgröße, i = 1...5, (Tabelle 1)

Häufig erweist sich in der Praxis der Erweichungspunkt Ring und Kugel als die bestimmende Merkmalsgröße, was nicht zuletzt auch an dem zunehmenden Anteil an Asphaltgranulaten, die bereits zum wiederholten Male wiederverwendet werden, liegt. Jede erneute thermische Beanspruchung des Asphaltgranulats führt zu einer weiteren Alterung, und damit einhergehend Verhärtung, des Bindemittels. Selbstverständlich kommt es auch während der Nutzungsdauer des Asphaltes, insbesondere in Asphaltdeckschichten, die dem Luftsauerstoff und auch der UV-Strahlung besonders ausgesetzt sind, zu einer Alterung des Bindemittels, die sich dann in einem Anstieg des Erweichungspunktes Ring und Kugel zeigt.

In den TL Asphalt-StB ist deshalb festgelegt, dass der mit Gleichung 3 zu berechnende Erweichungspunkt Ring und Kugel innerhalb der Sortenspanne des für das jeweilige Asphaltmischgut geforderten Bindemittels liegen muss. Hierzu kann dann entweder ein Bitumen derselben oder maximal eine Sortenspanne weicheren Spezifikation nach den TL Bitumen-StB 07/13 [6] eingesetzt werden. Ein weicheres Straßenbaubitumen als 70/100 ist dabei jedoch, außer im Asphalttragdeckschichtmischgut, nicht erlaubt.

Formel in PDF

Hierin bedeuten:

T_R&Bmix     Rechnerischer (resultierender) Erweichungspunkt des Bindemittels im Asphaltmischgut

T_R&B1         Erweichungspunkt des aus dem Asphaltgranulat zurückgewonnenen Bindemittels,

T_R&B2          Mittlerer Wert des Erweichungspunktes der Sortenspanne des Frischbindemittels (falls Straßenbaubitumen vorgesehen) bzw. ermittelter Erweichungspunkt des vorgesehenen PmB

a und b        Massenanteile des Bindemittels aus dem Asphaltgranulat (a) und des Frischbindemittels (b), wobei sich a und b zu 1 ergänzen (a + b = 1).

Die ZTV Asphalt-StB legen ergänzend fest, dass Asphalttragschichtmischgut mit Asphaltgranulat mit Straßenbaubitumen 50/70 oder 70/100 als gefordertem Bindemittel auch einen resultierenden Erweichungspunkt Ring und Kugel (TR&Bmix) im zurückgewonnenen Bindemittel aufweisen darf, der einem einer Sortenspanne härteren Bitumen nach TL Bitumen-StB entspricht. Diese härtere Bitumensorte gilt dann jedoch als geforderte Bindemittelsorte, womit ausgeschlossen ist, die bereits erwähnte Regelung der TL Asphalt-StB, ein eine Sortenspanne weicheres Bitumen zuzugeben, zu nutzen und gleichzeitig ein eine Sortenspanne härteres Bitumen resultierend zu erhalten. Es ist also in jedem Fall immer nur eine Sortenspanne Differenz zwischen Zugabebindemittel und resultierendem Bindemittel im Asphaltmischgut möglich, auch beim Asphalttragschichtmischgut.

2 Bisherige Lösungsansätze

Sowohl diese Regelung als auch die Festlegung der TL Asphalt-StB zur Verwendung eines eine Sortenspanne weicheren Straßenbaubitumens als Frischbitumen bei der Wiederverwendung zielen darauf ab, auch Asphaltgranulate mit härterem, also in der Regel stärker gealtertem, Bitumen verwenden zu können.

Einen weitergehenden Ansatz verfolgt seit Jahren die Freie und Hansestadt Hamburg. In ihren ZTV/St-Hmb.09/12/16 [7] wird die Begrenzung des Erweichungspunktes Ring und Kugel des Bindemittels im Asphaltgranulat laut TL AG-StB generell erweitert auf 79 °C. Weiterhin wird eine Anforderung an den resultierenden Erweichungspunkt Ring und Kugel für Asphalttragschichten von 65 °C gestellt. Durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen wird die Wiederverwendung – auch härterer Asphaltgranulate – in nennenswertem Umfang ermöglicht.

Ein noch weiter reichendes Konzept zur höchstwertigen Wiederverwendung erprobt seit einigen Jahren das Land Baden-Württemberg. So wurden mit Schreiben des MVI vom 12. 11. 2012

[8] Nebenangebote für Asphaltdeck-, -binder- und -tragschichten aus Asphaltbeton mit Maximalrecycling bei nationalen Ausschreibungen von Landesstraßen explizit zugelassen. In der Folge wurden dann Erprobungsstrecken mit Maximalrecycling 50/75 sowie mit Maximalrecycling 90 realisiert. Beim Maximalrecycling 50/75 wurden unter Verwendung eines weichen Frischbitumens erhöhte Asphaltgranulatzugaberaten von 75 % Asphaltgranulatanteil in Asphalttragschichten und 50 % in Asphaltbinder- und -deckschichten angestrebt. Beim Maximalrecycling 90 wurden unter Verwendung eines Rejuvenators (Verjüngungsmittel für das Bitumen) 90 % Asphaltgranulatanteil in allen Asphaltschichten angestrebt. Als Rejuvenator wurde überwiegend ein Additiv aus speziellen Mineralöldestillaten und Fischer-Tropsch-Wachs eingesetzt. Auf Basis der hierbei gesammelten Erfahrungen wurde dann in den Ergänzungen Maximalrecycling zum Teil 3 der ETV-StB-BW 12 [9] die Anwendung des Maximalrecycling 90 auf Asphaltbinder- und -tragschichten beschränkt, was auf die überwiegend in den Asphaltdeckschichten der Erprobungsstrecken aufgetretenen Mängel zurückzuführen ist.

In den ETV-StB-BW 15 [10] wurde nun das Maximalrecycling-Verfahren dahingehend modifiziert und weiterentwickelt, dass nicht mehr zwischen den beiden bisherigen Maximalrecycling-Verfahren unterschieden wird und die Anwendung generell auf Asphalttrag- und -binderschichten beschränkt ist. Als Zugabebindemittel darf jede Art und Sorte von Bitumen nach den TL Bitumen-StB, unabhängig vom ausgeschriebenen Bindemittel, zur Anwendung kommen. Angestrebt werden mit dieser Vorgehensweise Asphaltgranulatanteile im Asphaltmischgut von 60 bis 75 M.-%. Die Asphalttrag- und -binderschicht kann daher entweder nach dem Verfahren Maximalrecycling gemäß ETV-StB-BW, Ausgabe 2015 mit einem Asphaltgranulatanteil von 60 M.-% bis 75 M.-% oder nach den konventionellen Anforderungen der ZTV Asphalt-StB und der TL Asphalt-StB hergestellt werden. Für Landesstraßen in Baden-Württemberg ist das Verfahren Maximalrecycling nach ETV-StB-BW 15 somit zu einer Regelbauweise erhoben worden und der Bieter kann entscheiden, welche Bauweise er anbieten möchte. Die Zukunft wird zeigen, ob dieser Weg dazu führen kann, die Anteile an Ausbauasphalt im Asphaltmischgut nachhaltig zu steigern. Zur Verjüngung des Bindemittels hat sich in der Praxiserprobung in Baden-Württemberg bislang die Verwendung eines weichen Frischbitumens am besten bewährt. Allerdings sind dabei die Möglichkeiten der Verjüngung des Bitumens aufgrund der bei höheren Asphaltgranulatanteilen im Asphaltmischgut vergleichsweise geringen Frischbitumenanteile doch recht begrenzt. Insofern ist hier die Entwicklung und Erprobung weiterer, hoch wirksamer Rejuvenatoren geboten und wünschenswert. Einen weiteren Zwischenschritt könnte hierbei zunächst die Erprobung der Verwendung weiterer, noch weicherer, Bitumensorten, die bislang nicht in den TL Bitumen-StB enthalten sind, darstellen. 

3 Neue Entwicklungen

Aufgrund des zunehmenden Mengendrucks bei der Wiederverwendung von Asphalt wurden in der jüngeren Vergangenheit unterschiedliche Forschungsarbeiten durchgeführt, die zum Teil noch nicht abgeschlossen sind. Beispielhaft seien hier die Arbeiten der Technischen Universität Prag [11], der Technischen Universität Brünn [12] sowie der Ruhr Universität Bochum und der Technischen Universität Braunschweig [13] genannt, wobei vom Umfang der Arbeit und der Methodik der Untersuchungen dem letztgenannten Forschungsvorhaben sicherlich eine besondere Bedeutung zukommt.

In dieser Forschungsarbeit wurden unterschiedliche am Markt zu Beginn der Untersuchungen verfügbare Rejuvenatoren untersucht, wobei diese in chemisch wirksam (Aufspaltung der durch oxidative Alterung im Bitumen entstandenen Produkte) und rheologisch wirksam (Ergänzung der maltenen Phase des Bitumens) unterschieden wurden. Die rheologisch wirksamen Rejuvenatoren wurden ferner wie folgt kategorisiert:

– fluxende Wirkung,

– rejuvenierende (verjüngende) Wirkung,

– weiches Bitumen.

Da eine Fokussierung der Wirkung von Rejuvenatoren allein auf den Erweichungspunkt Ring und Kugel als nicht zielführend angesehen werden kann, wurden an Gemischen aus praxisrelevanten Asphaltgranulaten rückgewonnenen Bindemitteln und Rejuvenatoren darüber hinaus Untersuchungen mit Hilfe des DSR, des BBR sowie hinsichtlich der Kraftduktilität durchgeführt. Zur Beurteilung der Bindemittelverjüngung wurde ferner das Verhältnis zwischen elastischen und viskosen Verformungsanteilen betrachtet, das aus den Kurvenverläufen im Black-Diagramm abgeleitet werden kann. Die untersuchten Rejuvenatoren lassen sich danach in drei Gruppen einteilen:

– rejuvenierend,

– fluxend und

– strukturverhärtend (elastifizierend).

Das Bild 1 zeigt die Wirkweisen dieser drei Gruppen. Die schwarze Linie stellt dabei den Kurvenverlauf eines gealterten Bindemittels im Black-Diagramm dar.

Bild 1: Typische Wirkungen von Rejuvenatoren im Black-Diagramm 

4 Ausblick

Die Erarbeitung eines Wissensdokuments zur Verwendung von Rejuvenatoren bei der Wiederverwendung von Asphalt sollte umgehend im Arbeitsausschuss 7.8 „Wiederverwertung von Asphalt“ vorangebracht werden. Hierbei sollten die im Forschungsvorhaben FE 07.0250/2011/ LRB „Einsatz von Rejuvenatoren bei der Wiederverwendung von Asphalt“ gewonnen Erkenntnisse Berücksichtigung finden.

Darüber hinaus sollte ein einheitlicher Ansatz zur Beurteilung von Rejuvenatoren international etabliert werden, da nur so eine Vergleichbarkeit der einzelnen Arbeiten und Produkte möglich ist. Der von der Ruhr-Universität Bochum verfolgte Weg erscheint hier vielversprechend.

Von den bislang untersuchten Rejuvenatoren zeigen insbesondere biobasierte Produkte den gewünschten verjüngenden Effekt. Hier gibt es momentan zahlreiche neue Produkte am Markt, die vielversprechende Entwicklungen erwarten lassen [14].

Ferner sollte die Verwendung von Produkten zur Bindemittelverjüngung, die polyzyklische Aromaten (PAK) in nennenswertem Umfang enthalten, nicht weiter verfolgt werden, da der Grenzwert für PAK nach EPA in den RuVA-StB 01/05 [15] für die Asphaltbauweise von großer Bedeutung und in jedem Falle einzuhalten ist. 

Literaturverzeichnis

1 KrWG: Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Bewirtschaftung von Abfällen (Kreislaufwirtschaftsgesetz – KrWG), Bundesgesetzblatt I, S. 212, Berlin, 24. 2. 2012, zuletzt geändert durch Art. 1 des Gesetzes vom 27. 3. 2017 (Bundesgesetzblatt I, S. 567)

2 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Asphaltmischgut für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen (TL Asphalt-StB 07/13), Ausgabe 2007/Fassung 2013, Köln, FGSV 797

3 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Asphaltgranulat (TL AG-StB 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 749

4 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB 07/13), Ausgabe 2007/Fassung 2013, Köln, FGSV 799

5 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für die Wiederverwendung von Asphalt (M WA), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 754

6 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Straßenbaubitumen und gebrauchsfertige Polymermodifizierte Bitumen (TL Bitumen-StB 07/13), Ausgabe 2007/Fassung 2013, Köln, FGSV 794

7 ZTV/St-Hmb.09/12/16: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Straßen- bauarbeiten in Hamburg, Ausgabe 2009, Fassung 12/16; Freie und Hansestadt Hamburg, 2016

8 Schreiben des Ministeriums für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg zu „Zulassung von Nebenangeboten mit Maximalrecycling“ vom 12. 11. 2012, Stuttgart, 2012

9 ETV-StB-BW Maximalrecycling: Ergänzungen Maximalrecycling zum Teil 3, Asphalt, der Ergänzungen zu den Technischen Vertragsbedingungen im Straßenbau Baden-Württemberg, Ausgabe 2012, Stuttgart, 2013

10 ETV-StB-BW 15: Ergänzungen zu den Technischen Vertragsbedingungen im Straßenbau Baden-Württemberg, Ausgabe 2015, Stuttgart, 2015

11 Valenti n, J.; Valentov a, T.; Vackov á, P.: Experience with the use of different rejuvenators in the Czech Republic – experimental studies done by the Czech Technical University in Prague, Prag, 2017

12 Koudelk a, T.; Varau s, M.; Coufalíkov á, I.: Rejuvenating Agents – Experiences acquired at Brno University of Technology, Brünn, 2017

13 Radenber g, M.; Wistub a, M. et al.: Einsatz von Rejuvenatoren bei der Wiederverwendung von Asphalt, Schlussberichtsentwurf zum FE 07.0250/2011/LRB (unveröffentlicht)

14 Silverber g, R.: Biobasierte Produkte, Neuland im Straßenbau, Straße und Autobahn, Heft 6/2015, S. 446 ff., Kirschbaum Verlag, Bonn, 2015

15 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die umweltverträgliche Verwertung von Ausbaustoffen mit teer-/pechtypischen Bestandteilen sowie für die Verwertung von Ausbauasphalt im Straßenbau (RuVA-StB 01/05), Ausgabe 2001/Fassung 2005, Köln, FGSV 795