Die Wiederverwendung von Ausbauasphalten im gebundenen Straßenoberbau erfolgt in Deutschland seit etwa vier Jahrzehnten. Die in Zukunft anfallenden Ausbauasphalte werden zunehmend bereits mit Asphaltgranulat hergestellt, sodass mit zunehmenden Alterungsgraden der Bindemittel zu rechnen ist. Die Wiederverwendung von Ausbauasphalt liegt seit annähernd 10 Jahren bei etwa rd. 12 Mio. t. Die Wiederverwendungsmenge lässt sich vermutlich nur noch geringfügig steigern, da die Verwertungsquote bereits bei ca. 90 % beträgt. Entscheidender ist, die qualitative Einbindung der Ausbauasphalte in die Wiederverwendungskonzepte zu verbessern. Durch Zugabe von Rejuvenatoren (Verjüngungsmittel) sollen diese Alterungsprozesse aufgehalten bzw. umgekehrt und das Bitumen im Ausbauasphalt idealerweise wieder in seinen rheologischen Ausgangszustand versetzt werden. Mit dem vom BMVI geförderten Projekt FA 7.0250/2011/LRB: „Einsatz von Rejuvenatoren bei der Wiederverwendung von Asphalt“ wird eine materialbeschreibende Marktanalyse durchgeführt, mit der die Stoffeigenschaften der angebotenen Rejuvenatoren vergleichend betrachtet werden. Dazu sind die Wirkmechanismen der Produkte in bitumenhaltigen Bindemitteln mit unterschiedlichem Alterungsgrad zu beschreiben. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird neben der Wirksamkeit auch die Dauerhaftigkeit der „Verjüngung“ durch simulierte Alterungsprozesse ermittelt. Die rheologische Wirksamkeit der Rejuvenatoren und die Empfindlichkeit der verjüngten Bindemittel auf die erneute Alterung werden beschrieben. Nach eingehender Charakterisierung der Art und Dauer der Wirkung der Rejuvenatoren wurde in Abhängigkeit von diesen Ergebnissen eine Auswahl für weitergehende Asphaltuntersuchungen getroffen. Mit drei Produkten erfolgt eine umfassende Untersuchung der Auswirkungen auf die performanceorientierten Asphalteigenschaften. Hierzu werden derzeit Laboruntersuchungen und im Anschluss daran Erprobungen im Rahmen von Straßenbaumaßnahmen durchgeführt, wissenschaftlich begleitet und dokumentiert. Das Forschungsprojekt ist eine Kooperation zwischen der Ruhr-Universität Bochum, der Technischen Universität Braunschweig und der Basalt AG.

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

1 Einleitung und Motivation

Der Beginn der Wiederverwendung von Asphalt ist in den 1970er Jahren zu finden. Mitauslöser der Aktivitäten zur Wiederverwendung alter Asphaltschichten bei der Herstellung neuen Asphaltmischgutes war hierbei sicherlich die Ölkrise in dieser Zeit (Erste Ölkrise: 1973, zweite Ölkrise: 1979). Erste, meist kleinflächige Erprobungen zeigten vielversprechende Ansätze, sodass noch in den 1970er Jahren Versuchsflächen auf Bundesautobahnen entstanden. Zu nennen ist hier beispielsweise die „Wiederverwendung einer bituminösen Fahrbahnbefestigung auf der BAB 48 – Erprobungsstrecke Gießen“, die in der Zeitschrift Straße und Autobahn – Heft 4/1979 von den Autoren Walter Durth, Ulrich Halfmann, Heinrich Mölling, Gerd Neumann, Gerhard Paulmann, Volker Potschka und Dieter Sallmann veröffentlicht wurde.

Zu dieser Zeit wurde eine Straßensanierung oder Erneuerung oft noch durch erhebliche Spurrinnenbildung erforderlich. So ist auch die vorgenannte Erprobungsstrecke in Gießen mit folgender Motivation verbunden gewesen:

„Die alte Zementbetondecke des Streckenabschnittes war im Jahr 1969 mit einer Deck- und Binderschicht überzogen worden, die im Jahr 1974 wiederum mit einer weiteren Deck- und Binderschicht überbaut wurde. …
Die Tiefen der Spurrinnen im Jahr 1978 reichten bis zu 25 mm“.

Dementsprechend lag der Erweichungspunkt Ring und Kugel des Asphaltgranulates damals bei 52 bis 59 °C. Die Notwendigkeit von besonderen Stoffen zur Verjüngung des Bindemittels im Asphaltgranulat bestand damit nicht.

Heute ist die Wiederverwendung von Asphaltgranulat ein fester Bestandteil im Produktionsprozess und wird nicht zuletzt auch vom Kreislaufwirtschaftsgesetz – KrWG gefordert. In § 6 des KrWG (Abfallhierarchie) steht die Wiederverwendung in der Rangfolge unmittelbar hinter der Vermeidung, sodass die Asphaltbauweise über bestmögliche Ausgangsbedingungen für einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Stoffkreislauf verfügt.

Auch die wiederholte Wiederverwendung ist grundsätzlich möglich, wobei mit jedem Wiederverwendungszyklus die Alterung des Bindemittels die Randbedingungen für eine funktionale Wiederverwendung komplexer werden lässt. Letztendlich zeigen auch die im Regelwerk formulierten Bedingungen die Grenzen der heute zugelassenen Machbarkeit auf. So heißt es im Abschnitt 3.1.1 der TL Asphalt-StB 07/13:

„Bei der Zugabe von Asphaltgranulat muss T_R&Bmix innerhalb der Sortenspanne des geforderten Bitumens liegen. Hierzu kann entweder ein Bitumen mit derselben Spezifikation wie das geforderte Bitumen oder ein Bitumen, das höchstens eine Sorte weicher ist als das geforderte Bitumen, verwendet werden. Ein weicheres Straßenbaubitumen als 70/100 darf – mit Ausnahme von Asphalttragdeckschichtmischgut – nicht verwendet werden.“

Die TL AG-StB 09 ergänzen im Abschnitt 4.3.2.1 die Anforderungen bezüglich der Eigenschaften des Bindemittels im Asphaltgranulat wie folgt: „Als Ergebnis ist der Mittelwert der Einzelwerte des Erweichungspunktes Ring und Kugel anzugeben. Der Mittelwert darf 70 °C nicht überschreiten. Die Einzelwerte für den Erweichungspunkt Ring und Kugel dürfen nicht größer als 77 °C sein. Für Bindemittel mit größerem Mittelwert oder größeren Einzelwerten kann die Eignung durch gesonderten Nachweis im Rahmen der Erstprüfung des unter Einsatz dieses Asphaltgranulates herzustellenden Asphaltmischgutes erbracht werden.“

Um für die Zukunft Wege für wiederholte Wiederverwendungszyklen im Asphaltstraßenbau aufzuzeigen, müssen neue technische Prozesse gefunden werden, mit denen stärker gealterte Bindemittel im Asphaltgranulat Berücksichtigung finden. Die Mitverwendung von speziellen organischen Stoffen (Rejuvenatoren/Verjüngungsmittel) ist dabei ein möglicher Ansatz.

2 Informationen zum Forschungsprojekt

Die nachfolgenden Ergebnisse und Interpretationen sind auf Basis des Forschungsvorhaben FA 7.0250/2011/LRB „Einsatz von Rejuvenatoren bei der Wiederverwendung von Asphalt“ entstanden. In diesem Projekt wird der gezielte Einsatz von Rejuvenatoren (Verjüngungsmitteln) bei der Wiederverwendung von Asphalt untersucht. Hierzu wurden die im Markt erhältlichen Produkte beschafft und deren Eigenschaften und Wirkungsweisen charakterisiert. Die Untersuchungen zur Wirksamkeit dieser Produkte sollen bei der Definition des noch unzureichend abzugrenzenden Begriffes „Rejuvenator“ helfen. Zudem sollen die Auswirkungen der Zugabe dieser Additive auf das Kurzzeit- und Langzeitverhalten eines Bitumens bzw. eines Asphaltes ermittelt werden.

Darüber hinaus wird versucht, im Rahmen des Projektes ein praxisgerechtes und schnelles Laborverfahren zur Bestimmung des Alterungsgrades von Bitumen zu erarbeiten.

Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) gefördert und von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) betreut. Die Forschungsnehmer sind die Ruhr-Universität Bochum (LS Verkehrswegebau), die TU Braunschweig (Institut für Straßenwesen) und die Basalt AG.

Das Bild 1 zeigt ein Fließbild des vorgesehenen Untersuchungsprogramms.

Bild 1: Untersuchungsprogramm (FA 7.0250/2011/LRB)

Die nachfolgend dargestellten Untersuchungsergebnisse dokumentieren einen Zwischenstand des Forschungsprojektes, der mit freundlicher Genehmigung des Auftraggebers veröffentlicht werden darf.

3 Untersuchungen und Ergebnisse

Für eine umfassende Beurteilung der Wirksamkeit und Wirkungsweise von Rejuvenatoren wurden möglichst alle auf dem Markt angebotenen Produkte beschafft. Als Alternativen zu den speziellen Rejuvenatoren wurden vier weiche Straßenbaubitumen der Sorten 160/220, 250/330, 500/650, 650/900 in das Untersuchungsprogramm aufgenommen, sodass insgesamt 25 Verjüngungsmittel zur Verfügung standen.

Bei der Beschaffung der Asphaltgranulate wurde angestrebt, eine möglichst große Bandbreite an Alterungszuständen abzudecken. Zur hinreichenden Abdeckung der stofflichen Unterschiede der Asphaltgranulate wurden 22 typische, an verschiedenen Mischanlagen gelagerte Asphaltgranulate beprobt. Die grobe Einstufung der Alterungsgrade erfolgte durch die Extraktion und Untersuchung des rückgewonnenen Bindemittels. Im ersten Schritt wurden die konventionellen Bindemittelparameter bestimmt (Bild 2).

Das angestrebte breite Spektrum an Härtegraden der Bindemittel wurde damit nachweislich erbracht. Allerdings ist hierbei fraglich, ob der Erweichungspunkt Ring und Kugel und die Nadelpenetration geeignete Materialparameter zur hinreichenden Beurteilung des Alterungsgrades eines bitumenhaltigen Bindemittels sind und insbesondere für den Nachweis der Wirksamkeit von Verjüngungsmitteln belastbare Erkenntnisse liefern.

Die komplexe Beurteilung der rheologischen Eigenschaften bitumenhaltiger Bindemittel kann mit dem Dynamischen Scher-Rheometer (DSR) durchgeführt werden. Besonders hilfreich hierbei ist eine Darstellung der Untersuchungsergebnisse im sogenannten „Black-Diagramm“.

Bild 2: „Bindemittelhärte“ (EP RuK und Nadelpenetration) der untersuchten Asphaltgranulate

Das Bild 3 zeigt die Ergebnisse solcher Untersuchungen an insgesamt 90 Straßenbaubitumen der Sorten 20/30 bis 160/220 vor der Heißverarbeitung („frischer“ Zustand). Der Vorteil der Darstellung im Black-Diagramm ist ein sortenunabhängiger Vergleich der rheologischen Kenndaten (Verhältnis zwischen elastischen und viskosen Anteilen). Bei Bitumenproduktionen aus einem Rohöl liegen die Kurvenverläufe der unterschiedlichen Sorten auf einer Linie überwiegend übereinander (Bild 4).

Bild 3: Rheologische Eigenschaften von Bitumen vor der Heißverarbeitung

Bild 4: Rheologische Eigenschaften von Bitumen vor der Heißverarbeitung (unterschiedliche Sorte aber gleiche Rohölprovenienz)

Die Alterung von bitumenhaltigen Bindemitteln ist nach bisherigen Erkenntnissen mit einer signifikanten Veränderung der Asphaltgehalte verbunden. Zum einen erhöht sich der Gesamtanteil der Asphalte durch Kurz- und Langzeitalterung und zum anderen ist mit einer relativen Veränderung in den Asphaltstrukturen hin zu schweren löslichen Asphalten zu rechnen. Frische Bindemittel haben Asphaltgehalte um ca. 20 M.-%, wobei tendenziell der Asphaltgehalt mit zunehmender Härte des Bindemittels leicht ansteigt (Bild 5). Der relative Anteil der schwer löslichen Asphalte liegt in frischen Bindemitteln i.a. deutlich unter 50 %.

Durch Alterungsprozesse erhöht sich der absolute Anteil der Asphalte teilweise auf über 30 M.-%. Im extrahierten Bindemittel des Asphaltgranulates AG18 (Bild 2) wurde beispielsweise ein Gesamtasphaltgehalt von etwa 35 M.-% bei einem relativen Anteil der schwer löslichen Asphalte von ca. 70 %.

Bild 5: Chemische Zusammensetzung von Bitumen vor der Heißverarbeitung

Bild 6: Veränderung des Asphaltstatus durch Laboralterung

In dem Bild 6 sind die Veränderungen des Asphaltstatus in drei verschiedenen Asphaltgemischen (A-1 bis A-3) nach Heißmischgutherstellung (n-Hast) und nach zwei Laborlangzeitalterungsstufen (AS1 und AS2) dargestellt. Hieran zeigt sich, dass auch die Simulation der Alterungsprozesse im Labor vergleichbare Strukturveränderungen in bitumenhaltigen Bindemitteln liefert.

Die chemischen Veränderungen im Bindemittel lassen sich grundsätzlich durch Veränderungen der rheologischen Eigenschaften in Verbindung bringen. Das Bild 7 zeigt einen Vergleich der rheologischen Eigenschaften frischer und gealterter Bindemittel im Black-Diagramm.

Bild 7: Veränderung rheologischer Eigenschaften durch Alterung

Die hellblaue Fläche definiert den rheologischen Bereich der Straßenbaubindemittel vor der Heißverarbeitung (Black-Diagramm, Bild 2). Die linierten und strichlinierten Kurven beschreiben die Veränderungen infolge Kurz- und Langzeitalterung im Labor (rheologische Kenndaten der extrahierten Bindemittel aus Asphalt A1 bis A3, Bild 6). Die schwarzen Markierungen sind rheologische Kennwerte extrahierter Bindemittel aus Bohrkernen nach Liegezeiten zwischen 10 und 35 Jahren. Die durch Alterung hervorgerufenen Veränderungen lassen sich vor diesem Hintergrund wie folgt zusammenfassen:

• Verschiebung des Phasenwinkels um bis zu 20° im Steifigkeitsbereich von 100 kPa
• Erhöhung der elastischen Verformungsanteile bei 100 kPa um mehr als 30 %.

Die Erweiterung der Bindemitteluntersuchung an den 22 Asphaltgranulaten auf die rheologischen Kennwerte mit dem DSR bestätigen die oben beschriebenen Veränderungen infolge von Alterungsprozessen und untermauern die große Bandbreite an unterschiedlich gealterten Asphaltgranulaten im Forschungsprojekt (Bild 8). Vergleichend ist die bereits im Bild 7 zugeordnete hellblaue Fläche frischer Straßenbaubitumen dargestellt und ein typischer Bitumen der Sorte 50/70 (dicke strichlinierte Kurve).

Bild 8: Veränderung rheologischer Eigenschaften durch Alterung

Aus den insgesamt 22 Asphaltgranulaten wurden fünf ausgewählt, die eine hinreichende Abdeckung der typischen Bandbreite darstellen. Die Bandbreite der Erweichungspunkte Ring und Kugel lagen dabei zwischen 57 °C und 82 °C. Das Asphaltgranulat 9, das einen außergewöhnlichen Alterungsgrad aufwies (über 100 °C EP RuK) wurde dabei nicht berücksichtigt.

Aus Wirksamkeitsuntersuchungen an einem Bitumen 20/30 mit vergleichsweise hohem Asphaltgehalt wurden aus den insgesamt 25 Produkten zehn Verjüngungsmittel für die weitergehenden Untersuchungen (Wirksamkeit in praxisgealterten Bindemitteln und Einfluss einer erneuten Alterung) durchgeführt.

Das Bild 9 zeigt exemplarisch die rheologische Wirksamkeit der 10 Verjüngungsmittel im Bindemittel des Granulates 4.

Der Kurvenverlauf im Black-Diagramm des Bindemittels aus AG 4 ohne Zugabe von Verjüngungsmitteln liegt etwa in der Mitte der 11 Kurven. Die strichlinierte Kurve ist der bereits im Bild 8 dargestellte Kurvenverlauf eines typischen frischen Bitumens der Sorte 50/70. Die Linien mit der Bezeichnung 4.1 bis 4.9 sind die Gemische aus dem Bindemittel des AG 4 und den Verjüngungsmitteln. Die Mischungsverhältnisse sind dabei nicht identisch, sondern wurden auf ein einheitliches Steifigkeitsziel (EP RuK eines 50/70) eingestellt.

Bild 9: Veränderung der rheologischen Eigenschaften durch Zugabe der Verjüngungsmittel

4 Resumeé

Die bisherigen Erkenntnisse zu den typischen Wirkungen der Rejuvenatoren liefern ein sehr heterogenes Bild, wenn das Verjüngungsziel rheologisch komplex definiert wird. Rheologisch komplex bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nicht ausschließlich die Steifigkeit oder der Erweichungspunkt Ring und Kugel als Zielgröße angesehen wird. Für eine sinnvolle Bindemittelverjüngung sollte auch das Verhältnis zwischen elastischen und viskosen Verformungsanteilen betrachtet werden. Dies kann aus den Kurvenverläufen im Black-Diagramm abgeleitet werden.

Die dabei festgestellten Wirkungen der zehn ausgewählten Rejuvenatoren sind qualitativ im Bild 10 dargestellt.

Bild 10: Erkenntnisse zu den typischen Wirkungen der Rejuvenatoren im Black-Diagramm

Die schwarze Linie stellt dabei die Ausgangssituation dar (Kurvenverlauf eines typischen gealterten Bindemittels). Die hellblaue Fläche ist wiederum das bestmögliche Zielfenster, das durch ein frisches Bitumen definiert wird. Die grüne Linie symbolisiert ein typisches Beispiel eines rheologisch günstig wirkenden Verjüngungsmittels. Rejuvenatoren mit dieser Wirkungsweise wurden im Rahmen der Untersuchungen tatsächlich festgestellt. Die rote Linie zeigt ein „Verjüngungsmittel“ mit fluxender Wirkung. Hiermit lässt sich zwar die Steifigkeit eines Bitumens 50/70 erreichen, das rheologische Verhältnis aus elastischen und viskosen Verformungsanteil bleibt aber weitgehend unverändert.

Die dritte Wirkungsvariante zeigt eine Veränderung des rheologischen Verhältnisses aus elastischen und viskosen Verformungsanteil hin zu noch höheren elastischen Anteilen. Dies ist nach bisherigen Erkenntnissen keine gewünschte Wirkungsweise.

Die noch ausstehenden Untersuchungen werden Hinweise zu den Alterungseigenschaften der verjüngten Bindemittel und insbesondere die Auswirkungen auf das Performance-Verhalten typischer Asphaltgemische liefern.

Als Abschluss des Projektes ist die Anlage einer Versuchsstrecke geplant.