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1 Einleitung
Die Notwendigkeit zur Entwicklung von Niedrigtemperaturasphalt ergibt sich hauptsächlich durch Gründe des Umweltschutzes und des Arbeitsschutzes: die Einsparung von Energie und die Absenkung von Emissionen. Anforderungen aus dem Markt werden z. B. durch eine schnelle Verkehrsfreigabe gestellt.
Aktuelle Möglichkeiten zur Temperaturreduzierung stellen die drei Gruppen der Sonderbindemittel und organischen Zusätze, der mineralischen Zusätze sowie der verfahrenstechnischen Maßnahmen dar. Verfahrenstechnische Maßnahmen sind das Karl-Gunnar-Ohlsen-Verfahren, bei dem zunächst nur die groben Splitte mit Bindemittel umhüllt werden und danach die Feinanteile hinzukommen; das Zwei-Phasen-Verfahren, in dem die Mineralstoffe zuerst mit einem weichen Bindemittel vorumhüllt werden und danach ein härteres eingedüst wird; sowie die Verfahren „Hydro-Confector“ [1] und „Schaumbitumen“ [2], die nach ähnlichem Prinzip funktionieren.
Früher wurde üblicherweise Straßenpech, vormals Straßenteer genannt, im Straßenbau als Bindemittel verwendet, so dass beim Ausbau von Straßen solche pechhaltigen Straßenausbaustoffe heute noch anfallen; die jährliche Menge wird auf 1 Mio. t geschätzt [3]. Diese Materialien enthalten umweltgefährdende Stoffe wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Phenole. Einige PAK (z. B. B(a)P) sind krebserregend. Phenole sind gefäßschädigend und verändern das Blutbild; sie sind leicht flüchtig und leicht wasserlöslich. Da die PAK verstärkt oberhalb von 100 °C freigesetzt werden, ist eine Verwertung pechhaltiger Ausbaustoffe in Kaltverfahren vorgesehen [4], da nach dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) [5] eine Verwertung von nicht zu vermeidenden Abfällen vorrangig anzustreben ist.
Die Anwendung in der Praxis hat gezeigt, dass auch die zurzeit bestehenden Kaltverfahren Nachteile aufweisen. Es war daher zweckmäßig, nach neuen Kalteinbauverfahren zu suchen. Mit dem Schaumbitumen-Verfahren bot sich die Möglichkeit, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.
2 Theoretische Grundlagen zur Schaumbitumentechnologie
Das Schaumbitumenverfahren geht zurück bis auf das Jahr 1957. Bis heute wurde dieses Verfahren weiterentwickelt [6 bis 14].
2.1 Physikalische Grundlagen
Als Schäume bezeichnet man disperse Systeme, in denen das flüssige Dispersionsmittel (hier Bitumen) in Form dünner Lamellen das gasförmige Dispersoid (Wasser) umschließt. Für die Beständigkeit der Schäume spielt die Oberflächenspannung eine wesentliche Rolle. Die Schäume sind im Allgemeinen umso beständiger, je kleiner die Oberflächenspannung der Flüssigkeit gegenüber dem Gas ist. Ferner spielt auch die Viskosität der Flüssigkeit eine Rolle. Hochviskose Flüssigkeiten neigen dazu, beständige Schäume zu bilden. In den Schäumen ist das Dispersoid gegen das Dispersionsmittel elektrisch aufgeladen. Je höher die Ladung, umso größer ist die Beständigkeit des Schaumes. In dem Dispersionsmittel gelöste Stoffe verändern die Oberflächenspannung und die Ladung und können dadurch die Beständigkeit der Schäume erheblich beeinflussen.
Zu den Eigenschaften von Bitumenschäumen zählen eine scheinbar niedrigere Viskosität, eine beträchtliche Erhöhung der Oberfläche sowie eine Veränderung der Oberflächenspannung, die sich positiv auf den Umhüllungsprozess auswirkt.
2.2 Herstellung von Schaumbitumen
Bei der Erzeugung von Bitumenschaum wird heißes Bitumen durch ein Ventil in eine Expansionskammer gedrückt. Zur gleichen Zeit werden Wasser und Luft seitlich in diese Kammer eingesprüht. Das Wasser ist durch die aufgebrachte Druckluft fein verteilt. Beim Aufeinandertreffen entwickelt sich durch die Anwendung hoher Scherkräfte Schaum, der durch eine Austrittsöffnung (Düse) nach unten abfließen kann. Dabei tauschen Bitumen und Wassertropfen Energie aus. Während die Oberfläche des Wassertropfens mit dem 160 °C heißen Bitumen in Berührung kommt, wird das Wasser auf 100 °C aufgeheizt, das Bitumen gibt dabei Wärmeenergie ab. Die abgegebene Energie des Bitumens überschreitet die latente Wärme des Wassers, was dazu führt, dass in explosionsartiger Expansion Wasserdampf erzeugt wird. Diese Dampfblasen werden unter Druck in einer Expansionskammer in eine kontinuierliche Phase des Bitumens gezwungen. Beim Austreten aus der Düse in die Atmosphäre (Umgebungsdruck) expandiert der Dampf durch den Druckabfall von ca. 4 bar in der Expansionskammer bis auf 1 bar an der Luft. Der Dampf breitet sich solange aus, wie der dünne Film oberflächlich kälteren Bitumens die Blasen durch die Oberflächenspannung zusammenhält.
Eine Prinzipskizze des Schäumvorganges ist in [2] dargestellt.
2.3 Kenngrößen des Schaumbitumens
Zur Beschreibung des Schaumbitumens gibt es drei Größen, die nachfolgend erläutert werden: Expansionsrate (ER), Halbwertzeit (HWZ) und Schaumindex (SI). Die Expansionsrate ist das Verhältnis aus dem maximal erreichten Schaumvolumen (Vmax) einer Probe und dem Endvolumen (Vmin), das nach ca. 60 Minuten erreicht ist. Die maximale Expansion ist ein Maß für die Viskosität, welche bestimmt, wie gut das Bindemittel in dem Mischgut verteilt werden kann. Sie lässt sich folgendermaßen ausdrücken:
ER = Vmax / Vmin
Die Halbwertzeit ist die Zeit in Sekunden zwischen dem Augenblick, wo der Schaum sein maximales Volumen erreicht und dem Moment, wo er auf die Hälfte seines Volumens reduziert ist. Die Halbwertzeit ist ein Maß für die Schaumstabilität und beschreibt die verfügbare Mischzeit des Schaumes. Der Schaumindex wird durch das Integral der mathematischen Funktion des Schaumzerfalls, d. h. die Veränderung der Expansionsrate mit der Zeit, beschrieben. Die Zeit gibt die im Schaum gespeicherte Energie für eine bestimmte Bitumensorte bei einer bekannten Temperatur und mit einem bestimmten Wassergehalt wieder. Die Charakterisierung des Schaumes durch den Schaumindex wurde von Jenkins [15] entwickelt, um einen empirischen Parameter zur Darstellung der Mischeignung des Schaumes sowie dessen Verteilung in den Mineralstoffen zu ermitteln.
Das Bild 1 stammt aus dem „Merkblatt für die Verwertung von pechhaltigen Straßenausbaustoffen und von Asphaltgranulat in bitumengebundenen Tragschichten durch Kaltaufbereitung in Mischanlagen“ (M VB-K), Entwurf 2005 [16], und stellt den Zusammenhang grafisch dar.
Bild 1: Zusammenhang zwischen Expansion und Halbwertzeit
3 Anlagen zur Herstellung von Schaumbitumen
3.1 Laboranlage
Für die Erstellung von Eignungsprüfungen mit Schaumbitumen als Bindemittel ist eine Laboranlage zur Produktion von Schaumbitumen erforderlich. Eine solche Anlage wird von der Firma Wirtgen hergestellt, ein Prototyp für erste Vorversuche wurde von der Firma Strabag entwickelt.
Die Schaumbitumenanlage ist eine mobile Anlage im Technikumsmaßstab. Sie besteht aus zwei Hauptkomponenten: einer Funktionsapparatur, die sich im oberen Teil der Anlage befindet, und einem Bedienpult am Unterteil der Anlage. Das Bedienpult bietet Steuereinheiten für die Temperaturregelung, den Pumpenbetrieb sowie für die manuelle oder automatische Ansteuerung des Schäumprozesses. Die Sprühdauer wird durch eine programmierbare Zeitschaltuhr geregelt (siehe auch [2]).
Das Bild 2 zeigt den Schaum, der beim Produktionsvorgang in einen Probeeimer fällt.
Bild 2: Schaumbitumen während des Sprühvorgangs (links), geschäumtes Bitumen bei maximaler Expansion nach dem Sprühvorgang (rechts)
3.2 Großtechnische Anlagen
Zur Herstellung von Schaumbitumen gibt es drei Möglichkeiten: ein In-situ-Verfahren, eine semi-mobile Mischanlage, sowie die an der Mischanlage integrierten Verfahren. Alle Systeme basieren auf dem Prinzip des Patentes der Mobil Oil Australia [17] aus den 70er Jahren.
Fräsrecycler – In-situ-Verfahren
Das Bild 3 zeigt einen Recycler, der mittels einer Fräse vorhandene Befestigungen aufnimmt und in der Verwirbelungszone das aufgemischte Material mit Schaumbitumen und Zement besprüht.
Bild 3: Recycling Schaumbitumenanlage WR 2500 für In-situ-Verfahren
Dazu sind in der Mischkammer mehrere Düsen hintereinander gereiht, um die ganze Arbeitsbreite des Gerätes über die so genannte Sprühleiste zu erfassen.
Semi-mobile Mischanlage
Die semi-mobile Anlage wurde ebenfalls von der Firma Wirtgen entwickelt. In die Entwicklung der großtechnischen Anlage sind Erfahrungen und Zwischenergebnisse, die im Rahmen des Forschungsprojektes Verbundvorhaben des BMBF „Reststoffverwertung im Straßenbau, Teil: Schaumbitumen als Bindemittel für Asphalttragschichten aus pechhaltigem Straßenaufbruch und industriellen Reststoffen“ der Ruhr-Universität Bochum [18] gewonnen wurden, eingeflossen. So stellte sich bei der Entwicklung heraus, dass der vorwiegende Einsatzbereich der großtechnischen Anlage aufgrund der Anwendungen mit RC-Baustoffen im in-situ-Verfahren stattfindet. Deshalb wurde eine semi-mobile Anlage entwickelt, die in [2] bereits abgebildet wurde.
Integrierte Verfahren an der Asphaltmischanlage
An der Asphaltmischanlage kann das Schaumbitumenverfahren in Form der Reihung der Sprühdüsen installiert und in den Steuerungsprozess integriert werden. Auf diesem Weg lässt sich Niedrigtemperaturasphalt bis zu Temperaturen von 110 °C herstellen. Dazu werden allerdings hauptsächlich natürliche Mineralstoffe sowie Asphaltgranulat verwendet.
Das Hydro-Confector-Verfahren [1] (Bild 4) funktioniert nach ähnlichem Prinzip. Dabei wird der Wasserstrahl unter Druck direkt in den Mischer eingeleitet und es entsteht auch hier ein Schaum, der die im Mischer vorgemischten Mineralstoffe benetzt.
Bild 4: Prinzip des Hydro-Confector-Verfahrens
Da die Investitionskosten für die Installation von Schaumbitumensprühleisten mit gleichzeitiger Einbindung in den Steuerungsprozess einer Mischanlage im Vergleich zum derzeitigen Nutzen sehr hoch sind, wurde von der DEUTAG GmbH & Co. KG mit dem Hydro-Confector ein praxisnahes Verfahren zur Erzeugung von Bitumenschaum entwickelt. Der Vorteil bei diesem Verfahren gegenüber dem Verfahren mit Expansionskammer ist, dass durch praxisgerechte Wasser- und Bitumenzuführung keine Funktionsstörungen der Wasserleitungen durch Frost entstehen oder ein Vercracken des Bitumens in den Bitumenleisten für Verstopfungen sorgt. Potenziellen Störungen des Sprühvorganges muss bei dem herkömmlichen Schaumbitumenverfahren durch aufwendige Isolierungen und Beheizung entgegengewirkt werden.
4 Regelwerke für die Herstellung von Niedrigtemperaturasphalt
Von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) wird derzeit ein Regelwerk für die Herstellung von Kaltmischgut und Niedrigtemperaturasphalt erarbeitet. Dabei wird zwischen Regelwerken für die Herstellung von Mischgut in Kaltaufbereitungsver- fahren und in Heiß- oder Warmaufbereitung an der Mischanlage unterschieden. Das Bild 5 verdeutlicht den Geltungsbereich.
Die Anwendung von Schaumbitumen ist durch die Verwertung von pechhaltigen Straßenausbaustoffen wieder aktuell geworden. Deshalb ist das „Merkblatt für die Verwertung von Asphaltgranulat und pechhaltigen Straßenausbaustoffen in Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln“[19] ebenfalls aufgelistet. Das Merkblatt M VB-K [16] befindet sich im Entwurfsstadium. Das Merkblatt für Kaltrecycling in situ [20] wurde überarbeitet. Weiterhin wird ein „Merkblatt für Temperaturabsenkung im Asphaltstraßenbau“ (M TA) [22] erarbeitet, in dem auch die verfahrenstechnischen Maßnahmen erwähnt werden.
In Deutschland kommen hauptsächlich Kaltaufbereitungsverfahren zur Anwendung. Die Regelwerke, die im Bild 5 aufgeführt sind, wurden im Rahmen der beiden Forschungsprojekte (Abschnitt 5) maßgeblich mit erarbeitet. Kaltaufbereitungsverfahren (linke Spalte des Bildes 5) kommen mit Schaumbitumen und hydraulischen Bindemitteln, also Zement, zur Anwendung. Weiterhin gibt es Schaumbitumen-Verfahren im Half-warm-mix und im Heißverfahren. Gemische im Half-warm-mix wurden bisher in Südafrika untersucht und in Europa angewendet. In Deutschland kommt dieses Verfahren aus patentrechtlichen Gründen nicht zur Anwendung. Heißverfahren mit natürlichen Mineralstoffen kommen ausschließlich in Deutschland zur Anwendung. Hier ist dann das M TA [22] heranzuziehen, bzw. das Mischgut ist mit den Anforderungen nach ZTV T-StB [23] und ZTV Asphalt-StB [24] zu vergleichen. Diese Anwendungen (rechte Spalte des Bildes 5) erfolgen ausschließlich mit Schaumbitumen als Bindemittel.
Europa, Skandinavische Länder, USA, Canada, Südamerika, Südafrika
Kaltaufbereitungsverfahren Kaltrecycling (zusätzlich mit Zement als Bindemittel)
Merkblatt für die Verwertung von Asphaltgranulat und pechhaltigen Straßenausbaustoffen in Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln, 2002
Merkblatt für Kaltrecycling in-situ im Straßenoberbau – M KRC, Ausgabe 2005
Merkblatt für die Verwertung von pechhaltigen Straßenausbaustoffen und von Asphaltgranulat in bitumengebundenen Tragschichten durch Kaltaufbereitung in Mischanlagen – M VB-K, Entwurf 2005
Merkblatt für Temperaturabsenkungen im Asphaltstraßenbau – M TA, Entwurf 09/2004
Arbeitspapier als Ergänzungen zum Merkblatt KRC: Kaltrecycling mit Schaumbitumen – AP Schaumbitumen, Entwurf 03/2003
Südafrika, Europa (außer Deutschland)
Half-warm Mix (80 °C) (nur mit Schaumbitumen)
Merkblatt für Temperaturabsenkungen im Asphaltstraßenbau – M TA, Entwurf 09/2004
Deutschland
Heißverfahren (110-140 °C) (nur mit Schaumbitumen)
Merkblatt für Temperaturabsenkungen im Asphaltstraßenbau – M TA, Entwurf 09/2004
Bild 5: Übersicht über die aktuellen Regelwerke der FGSV
5 Ergebnisse aus aktuellen Forschungsprojekten zu Schaumbitumen-Mischgut – Kaltaufbereitungsverfahren
In Deutschland gibt es zwei aktuelle Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung des Schaumbitumenprozesses und der Qualität des resultierenden Mischgutes. In dem ersten Forschungsprojekt im Rahmen eines Verbundvorhabens des BMBF „Reststoffverwertung im Straßenbau, Teil: Schaumbitumen als Bindemittel für Asphalttragschichten aus pechhaltigem Straßenaufbruch und industriellen Reststoffen“ der Ruhr-Universität Bochum [18] wurden einige Punkte herausgearbeitet, die grob zusammengefasst erläutert werden. Das zweite Forschungsprojekt „Prozess- und Verfahrenstechnik für die umweltschonende Straßensanierung durch Kaltrecycling mit Schaumbitumen“ [25], das 2004 abgeschlossen wurde, hatte das Ziel der Verbesserung der Prozess- und Verfahrenstechnik, sowie der Weiterentwicklung und Erarbeitung von Regelwerken hinsichtlich der Herstellung von Kaltmischgut und den Randbedingungen zum Einbau.
In beiden Forschungsvorhaben wurde ausschließlich die Kalteinbindung von Mineralstoffen untersucht.
5.1 Geeignete Untersuchungsmethoden für Schaumbitumen-Mischgut
Zur Entwicklung des Schaumbitumen-Mischgutes mussten größtenteils Routineprüfungen herangezogen werden, um die Eigenschaften des Mischgutes vergleichen zu können. Bei der Anwendung der einzelnen Untersuchungsmethoden im Labor hat sich gezeigt, dass bei Schaumbitumen-Mischgut die Prüftemperatur angepasst werden muss.
Es ergab sich weiterhin, dass die Spaltzugfestigkeitsprüfung ein geeignetes Verfahren für die Klassifizierung von Schaumbitumen-Mischgut darstellt. Allerdings sollte die Probekörpergröße einen Durchmesser von 150 mm aufweisen. An der Stelle sei auf [26] verwiesen, in dem rechnerisch nachgewiesen wird, die Prüftemperatur für Spaltzugversuche deutlich niedriger festzulegen als es momentan aus praktischen Gründen angewendet wird. Die Kaltrecyclinggemische sollten statische Verdichtung erfahren, praktiziert durch das Doppelkolbenprinzip, in dem die Probe von beiden Seiten kraftgesteuert zusammengedrückt wird.
5.2 Bautechnische Eigenschaften von Schaumbitumen-Mischgut
Das Bild 6 zeigt ein mit Diabas hergestelltes Schaumbitumen-Mischgut bei dessen Herstellung die Mineralstoffe Raumtemperatur hatten. Nach dem Mischen betrug die Temperatur des Mischgutes zwischen 35 und 45 °C. Eine vollständige Umhüllung der Mineralstoffe durch das Bitumen fand in keinem Versuch statt. Aus dem Mischgut wurden jeweils Marshall-Probekörper gemäß DIN 1996-4 [27] hergestellt, an denen dann die üblichen Asphaltprüfungen durchgeführt wurden. Das Bild 6 zeigt die nur punktuelle Verklebung des Schaumbitumen-Mischgutes nach dem Kaltmischverfahren. Durch eine Erhöhung des Mörtelanteils im Gemisch kann bei Kaltrecyclinggemischen noch eine bessere Verklebung erreicht werden.
Bild 6: Schaumbitumen-Mischgut mit Diabas
Weiterhin wurde festgestellt, dass die Gemische rein mit Schaumbitumen gebunden auch eine zeitliche Festigkeitszunahme aufweisen. Untersuchungen der Veränderung des Luftporengehaltes zeigen, dass die Raumdichte mit zunehmendem Alter abnimmt. Zwischen dem 21. Tag und dem 42. Tag treten keine wesentlichen Veränderungen mehr auf. Das bedeutet für die durchgeführten Prüfungen, dass nach 28 Tagen Lagerungszeit praktisch der Endzustand, also der End-Hohlraumgehalt erreicht ist. Die entsprechenden Prüfalter werden imM VB-K [16] empfohlen.
Eine Lagerfähigkeit des Schaumbitumen-Mischgutes ist aufgrund der Verdichtbarkeit auf 5 h begrenzt. Die insgesamt sieben verwendeten Additive in dem ersten Forschungsvorhaben [18] brachten keine Verbesserung der Eigenschaften des Mischgutes. In dem zweiten Forschungsvorhaben [25] wurden weitere Additive von Degussa/Goldschmidt getestet, die zwar eine deutliche Stabilisierung des Schaumbitumens, aber keine Verbesserung des Mischgutes zeigten.
Aus dem ersten Forschungsvorhaben [18] ergab sich die empfohlene Verwendung von hydraulischen Bindemitteln zur Festigkeitssteigerung; im zweiten [25] wurde dann ausschließlich mit Schaumbitumen und Zement gebundenes Mischgut untersucht.
5.3 Wasserwirtschaftliche Verträglichkeit
Um eine Beurteilung der wasserwirtschaftlichen Verträglichkeit durchführen zu können, ist in den meisten Fällen die Schadstoffausbreitung durch Lösungsvorgänge beim Kontakt mit oberirdisch oder unterirdisch abfließendem Niederschlagswasser ein entscheidendes Beurteilungskriterium. Deshalb wurde das Schaumbitumen-Mischgut aus verschiedenen Baustoffen mit dem Trogverfahren, mit dem ungebundene, unverdichtete Mineralstoffe sowie gebundene oder verfestigte Probekörper untersucht werden können, geprüft [28].
Zu den Untersuchungen an mit Schaumbitumen gebundenen Baustoffen wurden vergleichende Untersuchungen an mit Bitumenemulsion gebundenen Gemischen durchgeführt.
Die durch die Bindung mit Schaumbitumen mit dem Trogverfahren nachgewiesene Reduzierungen der Schadstofflöslichkeiten sind für alle verwendeten Materialien mit den Werten der emulsionsgebundenen Probekörper vergleichbar, tendenziell wurden sogar höhere Reduzierungen festgestellt. Der PAK-Austrag aus pechhaltigem Material kann entscheidend vermindert werden. Aber auch Chloride können gut zurückgehalten werden, was einen Einsatz von Hausmüllverbrennungs-Asche sinnvoll macht. Diese positiven Ergebnisse wurden durch die Elutionsuntersuchungen an dem Schaumbitumen-Mischgut der Feldversuche bestätigt. Es zeigte sich, dass trotz punktueller Verklebung nach dem Kaltmischverfahren eine Einbindung der Schadstoffe innerhalb der Schicht erfolgt.
Da die Bindung mit Bitumenemulsion ein bereits anerkanntes Verfahren für teer-/pechhaltige Straßenausbaustoffe ist, das nachweislich nicht zu einer wasserwirtschaftlichen Gefährdung beim Einbau unter einer dichten Deckschicht mit einem ausreichenden Abstand zum Grundwasser führt [29], lassen die vergleichenden Untersuchungen durchweg positive wasserwirtschaftliche Aspekte bei Verwendung von Schaumbitumen als Bindemittel erkennen.
Am Mischwerk Legden der DEUTAG-Niederlassung Duisburg wurde im Rahmen des ersten Forschungsvorhabens eine Versuchsfläche mit industriellen Nebenprodukten und Recycling-Baustoffen angelegt, die sich seit 5 Jahren tadellos bewährt. Zur Bauweise „Kaltaufbereitungsverfahren mit Schaumbitumen und Zement“ gibt es weitere zahlreiche Versuchsflächen, dokumentiert von der Firma Wirtgen.
6 Beispiele aus der Praxis
Hauptsächlich wurden bis heute Asphalttragschichten mit dem Schaumbitumenverfahren hergestellt, es liegen jedoch ebenfalls Erfahrungen beim Einbau von Asphaltdeckschicht-Mischgut sowie Asphalttragdeckschicht-Mischgut vor.
6.1 Schaumbitumen-Mischgut nach dem Kaltmischverfahren mit Zement
Innerhalb des Forschungsvorhabens [25] (Abschnitt 5) sind zwei Versuchsstrecken mit dem Kaltmischverfahren in situ mit einer Recycling-Schaumbitumenanlage (Bild 3) hergestellt worden. Die Tragschichten für die L 125 bei Lanzenbach (Nordrhein-Westfalen) und die L 275 bei Rindhausen (Rheinland-Pfalz) wurden gemäß dem M KRC [20] in Schaumbitumenbauweise unter Verwendung von Zement ausgeführt.
Für das kaltaufbereitete Gemisch ist dargestellt, wie eine Eigenüberwachung für diese Gemische gemäß den Anforderungen des Merkblattes KRC aussehen muss. Der Hohlraumgehalt sollte ermittelt aus Eignungsprüfungen zwischen 5 und 15 Vol.-% liegen, bei Schichten aus pechhaltigen Ausbaustoffen zwischen 5 und 10 Vol.-%. Die Erstellung von Eignungsprüfungen erfordert eine Schaumbitumenanlage im Technikumsmaßstab für den Einsatz im Labor; ansonsten ist eine Eignungsprüfung unter Laborbedingungen nicht durchführbar. Die Erstellung von Eignungsprüfungen ist deutlich aufwendiger als normal.
Die Tabelle 1 zeigt Ergebnisse der Eigenüberwachung für einen Zementgehalt von 2,5 M.-% bei nach Eignungsprüfung optimiertem Schaumbitumengehalt von 3,5 M.-% und einem Wassergehalt im Schaumbitumen von 3,6 M.-%.
Tabelle 1: Eigenüberwachung für eine Schaumbitumen-Tragschicht nach M KRC [20]
Die auf der Baustelle hergestellten Probekörper wurden gemäß M KRC gelagert und anschließend geprüft. Insgesamt wurden die Soll-Vorgaben nach Eignungsprüfung eingehalten, für den Hohlraumgehalt wurden die Grenzwerte nach dem M KRC sogar deutlich unterschritten.
Das Bild 7 zeigt Ergebnisse statischer und dynamischer Plattendruckversuche von einer der Versuchsstrecken [30, 31]. Die Linien kennzeichnen dynamische Plattendruckversuche und die roten Balken zwei statische Plattendruckversuche. Die Festigkeitszunahme mit der Zeit ist deutlich zu erkennen. Die Festigkeitszunahme ist auch für Gemische, die nur rein mit Schaumbitumen gebunden sind, charakteristisch. Die Größenordnung der Ergebnisse aus statischem und dynamischem Plattendruckversuch bestätigen hier die Aussagekraft der dynamischen Plattendruckversuche, die gut geeignet sind, um die Tragfähigkeit über eine gesamte Fläche zu erfassen.
Bild 7: Statische und Dynamische Plattendruckversuche an einer Schaumbitumen-Tragschicht mit 2,5 M.-% Zement in Abhängigkeit von der Zeit
6.2 Schaumbitumen-Mischgut nach dem Heißmischverfahren – Erfahrungen mit Eignungsprüfungen an der Mischanlage
Am Mischwerk Marl-Brassert der DEUTAG-Niederlassung Duisburg wurde die Schaumbitumenherstellung nach dem Hydro-Confector-Verfahren [1] beispielhaft für ein Schaumbitumenverfahren zur Einbindung natürlicher Mineralstoffe bei Temperaturen von 110 bis 150°C umfangreich getestet. Nachfolgend werden zwei Ergebnisse aus dem Untersuchungsprogramm an einer Schaumbitumen-Tragschicht 0/22 CS dargestellt, die das hergestellte Mischgut mit konventionell hergestelltem Walzasphalt vergleichbar machen. Das Bild 8 zeigt den Hohlraumgehalt nach Marshall-Verdichtung [27]. Dabei wurden die Parameter Zeit bis zur Herstellung der Probekörper (Lagerzeit), die Anzahl der Verdichtungsschläge und die vorhandene Temperatur gemessen, die auf der Abzisse der Reihenfolge von links nach rechts getrennt durch Kommata angegeben sind.
Die Anzahl der Schläge wurde mit 2 x 25, 2 x 50 und 2 x 75 variiert, um den Einfluss der unterschiedlichen Verdichtung zu ermitteln. Dabei wurde die noch vorhandene Temperatur nach Herstellung und Lagerung erfasst. Das Mischgut wurde im Wärmeschrank bei 100 °C bis zur Herstellung der Probekörper gelagert, um die Speicherwärme des auf dem Lkw abgedeckten Mischgutes zu simulieren.
Die Verdichtung wurde entgegen dem in den Abschnitten 4 und 5 beschriebenem Verdichtungsverfahren nach Marshall geprüft, weil es sich hier um ein Heißmischgut handelt und mit konventionellem Walzasphalt nach ZTV T-StB [23] verglichen wird.
Die Hohlraumgehalte erfüllen alle die Anforderungen an Asphalttragschichten CS nach den ZTV T-StB. Die Probekörper mit 2 x 50 Verdichtungsschlägen zeigen auch mit zunehmender Zeit keine maßgebliche Verschlechterung der Werte. Die Hohlraumgehalte sind alle niedriger als der für Standardmischgut angegebene Wert aus der Eignungsprüfung und zeigen, dass sich das Schaumbitumen-Mischgut nach dem Heißmischverfahren einfacher verdichten lässt.
Zum Vergleich sind im Bild 8 die empfohlenen Hohlraumgehalte für ein Schaumbitumen-Mischgut nach dem Kaltmischverfahren dargestellt, die für die Ergebnisse der Eigenüberwachung einen höheren Grenzwert zulassen.
Bild 8: Hohlraumgehalte von Schaumbitumen-Mischgut nach dem Heißverfahren nach unterschiedlicher Verdichtungsarbeit (Tragschicht 0/22 CS)
Das Bild 9 zeigt die Ergebnisse der Marshall-Stabilität und der Fließwerte – auch hier liegen die Werte der konventionell mit 2x50 Verdichtungsschlägen hergestellten Probekörper über den Anforderungswerten nach ZTV T-StB [27,23].
Der Einsatz leichter Walzen muss für die Verdichtung von Schaumbitumen-Mischgut ausgeschlossen werden, was die Stabilität mit 2 x 25 Schlägen zeigt. Ein Einsatz schwerer Walzen ist nicht erforderlich, wie es bei der Herstellung von Schaumbitumen-Mischgut nach dem Kaltmischverfahren üblich ist.
Schaumbitumen-Mischgut nach dem Heißmischverfahren unterscheidet sich optisch nicht von konventionellem Heißmischgut.
Bild 9: Marshall-Stabilität und Fließwert von Schaumbitumen-Mischgut nach dem Heißverfahren nach unterschiedlicher Verdichtungsarbeit
6.3 Schaumbitumen-Mischgut nach dem Heißmischverfahren – Erfahrungen mit der Versuchsstrecke L 463n bei Voerde
Im Rahmen eines AiF-Forschungsprojektes „Möglichkeiten und Grenzen der Tempe_raturabsenkung bei Herstellung und Einbau von Walzasphaltmischgut“, das von der Ingenieurgesellschaft IFTA durchgeführt wurde, erfolgte 2001/2 eine Praxiserprobung am DEUTAG-Mischwerk in Marl-Brassert, bei der verschiedene Mischgutarten bezüglich der Ermittlung der minimalen Herstelltemperatur getestet wurden [32]. Als Kenngrößen dienten dabei Hohlraumgehalt, Marshall-Stabilität sowie Spaltzugfestigkeit. Die Temperaturen für eine ausreichende Umhüllung der Mineralstoffe durch das Schaumbitumen und konventionellen Walzasphalt-Eigenschaften des Mischgutes sind mit >100 bis 130 °C ermittelt worden. Daraus sind dann Varianten für den Einbau auf den Versuchsstrecken bestimmt worden. In den Jahren 2003/4 sind diese auf zwei Versuchstrecken auf der K5 in Haltern und der L 463n in Voerde eingebaut worden. Das Hydro-Confector-Verfahren [1] wurde auf der L 463n zur Herstellung einer Asphalttragschicht 0/22 CS angewendet.
Die Ausführung erfolgte in Bauklasse III. Eingebaut wurden 10 cm Asphalttragschicht 0/22 CS mit einem Bindemittel 50/70; darüber 8,5 cm Asphaltbinder 0/22 S und 3,5 cm Splittmastixasphalt mit Sonderbindemittel, ebenfalls zur Temperaturabsenkung. Die angestrebte Einbautemperatur sollte ursprünglich 130 °C betragen, wurde aber aufgrund der schlechten Witterungsbedingungen am Einbautag (9 °C, Regen) auf 140 °C angehoben. Die Einbautemperatur direkt an der Bohle betrug 137 °C.
Als Einbaugeräte wurden konventionelle Fertiger (DEMAG Df 130 P und Titan 473) mit üblicher Vorverdichtung eingesetzt. Die Walzverdichtung erfolgte mit einer BOMAG Walze mit einer statischen Linienlast von 30 kg/cm. Dabei wurde festgestellt, dass 3 bis 5 Walzübergänge (gemessen mit der Troxlersonde) ausreichend waren, um Verdichtungsgrade zwischen 96 und 97 % zu erreichen. Der Verdichtungsgrad aus der Kontrollprüfung ergab mit 103,4 % einen sehr hohen Wert. Am entnommenen Mischgut wurden Spurbildungsversuche durchgeführt. Die Spurtiefe nach dem Spurbildungsversuch ergab verglichen mit einem Standard-Referenz-Mischgut (5,2 mm) einen zufriedenstellenden Wert von 4,8 mm [33]. Die Biegezugfestigkeit des Schaumbitumen-Mischgutes lag bei –20 °C sogar mit 10,4 N/mm2 über dem Wert des Standardmischgutes, der zu 9,7 N/mm2 ermittelt wurde.
Die Ergebnisse der Versuchsstrecke deuten darauf hin, dass für Asphaltbinderschichten wegen des geringeren Mörtelanteils bei gleichzeitig geringerer Schichtdicke generell eine Mindesttemperatur von +10 °C gegenüber dem der Asphalttragschichten eingehalten werden sollte. Die Misch- und Einbautemperaturen sind dem Wetter anzupassen, da das Mischgut bei schlechten Witterungsbedingungen eine zu hohe Abkühlung erfährt und sich dadurch sowohl die bautechnischen Eigenschaften nach dem Einbau verschlechtern als auch die Einbauwilligkeit herabsetzen. Die Anforderungen an die Verdichtung wurden mit üblichen Verdichtungsgeräten auf jeden Fall erfüllt. Allerdings wird bei Temperaturen von 110 °C gemessen direkt an der Bohle ein erhöhter Verdichtungsaufwand erforderlich.
7 Zusammenfassung
Aus Gründen des Umwelt- und Arbeitsschutzes wird aktuell der Einsatz von Niedrigtemperaturasphalt diskutiert. Das Schaumbitumenverfahren stellt eine Möglichkeit zur Produktion von Asphaltmischgut mit niedrigen Temperaturen dar. Bei der Produktion wird konventionell heißes Bitumen mit Wasser aufgeschäumt. Mit diesem Schaum werden entweder kalte Mineralstoffe – vorwiegend Recycling-Baustoffe oder industrielle Nebenprodukte – zusätzlich durch die Zugabe von Zement oder heiße natürliche Mineralstoffe eingebunden.
Aktuelle Regelwerke der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen werden aufgelistet, einige befinden sich noch im Entwurfsstadium. In diese Regelwerke sind die Ergebnisse von zwei Forschungsvorhaben des BMBF eingeflossen. Dabei werden Empfehlungen für die Erstellung von Eignungsprüfungen und die Herstellung sowie Verarbeitung von Schaumbitumen-Mischgut gegeben. Als Kenngrößen werden die Expansion und die Halbwertzeit des Schaumbitumens festgelegt.
Anhand von Praxisbeispielen wird der Einbau und die Eignung des Schaumbitumen-Verfahrens aufgezeigt. Bei der Anwendung des Kaltmischverfahrens für die Verwertung von pechhaltigen Mineralstoffen lassen sich die Ergebnisse zur wasserwirtschaftlichen Verträglichkeit positiv hervorheben. Schaumbitumen-Mischgut ist ein geeignetes Mischgut zur Herstellung von Niedrigtemperatur-Walzasphalt. Hauptsächlich wurden bisher Asphalttragschichten hergestellt, das Mischgut ist aber auch für den Einsatz aller anderen Mischgutarten geeignet. Eine Einarbeitung der Verfahrenshinweise und Empfehlungen für diese Bauweise in die entsprechenden Merkblätter wird in Kürze erfolgen.
Die empfohlene Anwendungstemperatur liegt bei 130 °C, gemessen hinter der Bohle.
8 Ausblick
Der Stand der Forschung hat gezeigt, dass die Anwendung von verschiedenen Arten des Niedrigtemperaturasphaltes technisch möglich ist, teilweise sogar Verbesserungen der Mischgutqualität herbeiführt. Aber ist der Einsatz auch um jeden Preis sinnvoll?
Dabei sollten bereits bei der Planung die Einsatzgebiete und Witterungsbedingungen sowie der Baustellenfortschritt berücksichtigt werden. Für Großbaustellen ist eine Absenkung der Temperatur an der Asphaltmischanlage energietechnisch sinnvoll, aber keinesfalls im laufenden Mischbetrieb bei abwechselnd angeforderten Mischgutarten. Bei schlechten Witterungsbedingungen hat sich während der Ausführung von Versuchsstrecken gezeigt, dass der Einbau von Niedrigtemperaturasphalt qualitative Nachteile einbringt, so dass die Temperatur wegen der schnellen Auskühlung wieder angehoben werden musste. Für Kleinbaumaßnahmen ist die Absenkung der Temperatur des Mischgutes an der Mischanlage allein aus Gründen des Arbeitsschutzes und dieses auch nur für die Herstellung von Gussasphalt sinnvoll. Abschließend sollten diese Randbedingungen als Denkanstoß für einen sinnvollen Einsatz von Niedrigtemperaturasphalt dienen. Niedrigtemperaturasphalt bleibt bis dahin eine technische Weiterentwicklung für Spezialanwendungen von Gussasphalt (z. B. auf Brücken) aus Gründen des Arbeitsschutzes und anderer technischer Vorteile sowie für die Ausführung von Spezialasphalten für eine schnelle Verkehrsfreigabe oder für Walzasphalte auf Großbaustellen.
Literaturverzeichnis
1 Verfahren zur Herstellung von Asphalt [DE 10252691 B3]
2 Krass, K.; Stoppka, B.: Schaumbitumen als Bindemittel für Tragschichten aus pechhaltigem Straßenaufbruch und industriellen Reststoffen, Straße und Autobahn, Heft 9/2002
3 Krass, K.; Kellermann, C.; Rohleder, M.: Anfall, Aufbereitung und Verwertung von Recycling-Baustoffen im Wirtschaftsjahr 1997, Teil 1: Recycling-Baustoffe, Straße und Autobahn, Heft 8/1999
4 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), Köln, 2001 (FGSV 795)
5 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz – KrW-/AbfG in der Fassung vom 12.09.1996
6 Soliman, S. et al.: La Mousse de Bitume : Une Technique innovante de Traitement des Graves et des Sables in Proc. Eurasphalt & Eurobitume Congress 1996, Strasbourg 1996
7 Bosse, J.; Le Boulot, F.; Soliman, S. & Entreprises Lefebvre: Foamed Bitumen Aggregate Mix, First Job
8 Maccarrone, S.; Holleran, G.; Leonard, D. J.: Bitumen Stabilisation – A new Approach to Recycling Pavements. In: AAPA Members Conference, 1993
9 Tia, M.; Wood, H.; Leonard, E.: Use of asphalt emulsion and foamed asphalt in coldrecycled asphalt paving mixtures in Low-Volume Roads, Third International Conference Transportation Research, Record 898, Washington D. C., 1983
10 Lewis, A. J. N.; Baron, M. G.; Rutland, G. P.: Foamed Bitumen – Recent Experience in South Africa, South Africa, 1995 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz – KrW-/AbfG in der Fassung vom 12.09.1996
11 Jenkins, K.J.; de Groot, J. L. A.; van de Ven, M.F.C.; Molenaar, A. A. A.: Halfwarm Foamed Bitumen Treatment – A New Process, 7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa, CAPSA 99, Swaziland, 1999
12 Dijkink, J. H.: Immobilization of Slag Material by Foam Bitumen, Utrecht, 1994
13 Csanyi, H. L.: Foamed Asphalt in bituminous paving mixtures, HRB., Bull. 160, Iowa, 1957
14 Salminen, N.: Method and Equipment for Producing Foam Bitumen, Finland, 1995
15 Jenkins K. J. ; van de Ven, M. F. C.; de Groot, J. L. A.: Characterisation of Foamed Bitumen, 7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa CAPSA 99; Swaziland, 1999
16 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für die Verwertung von pechhaltigen Straßenausbaustoffen und von Asphaltgranulat in bitumengebundenen Tragschichten durch Kaltaufbereitung in Mischanlagen (M VB-K), Entwurf 2005, Köln
17 Mobil Oil Australia Ltd.: Procedures for the Evaluation of Soils stabilized with Foamed Bitumen, Laboratory Equipment & Test Technical Report, No. 714
18 Einsatz von Schaumbitumen als Bindemittel für Asphalttragschichten aus pechhaltigem Straßenaufbruch und industriellen Reststoffen, FKZ 146 1036 – TV 2, gefördert vom Umweltbundesamt, BMBF, im Rahmen des Verbundvorhabens: Reststoffverwertung im Straßenbau, Ruhr-Universität Bochum, Institut für Straßenwesen und Eisenbahnbau, 2000
19 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für die Verwertung von Asphaltgranulat und pechhaltigen Straßenausbaustoffen in Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln, Köln, 2002 (FGSV 826)
20 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für Kaltrecycling in situ im Straßenoberbau (M KRC), Köln, 2005 (FGSV 636)
22 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für Temperaturabsenkungen im Asphaltstraßenbau (M TA), Entwurf 09/2004, Köln
23 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau (ZTV T-StB 95), Köln, 1995 (FGSV 999)
24 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB 01), Köln, 2001 (FGSV 799)
25 Prozess- und Verfahrenstechnik für die umweltschonende Straßensanierung durch Kaltrecycling mit Schaumbitumen, Ruhr-Universität Bochum, Institut für Straßenwesen und Eisenbahnbau, 2004
26 Arand, W.: Zur prüftechnischen Ansprache der Ermüdungsbeständigkeit von Asphalten, Bitumen, Heft 1/2004
27 DIN 1996-4, Prüfung von Asphalt: Herstellung von Probekörpern aus Mischgut, Ausgabe 1984
28 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Mineralstoffe im Straßenbau (TP Min-StB) – Teil 7.1.2: Trogverfahren, Köln, 1999 (FGSV 610)
29 Verbundvorhaben Reststoffverwertung im Straßenbau TV1, Teil A, Langzeitverhalten kaltgebundener Tragschichten, Forschungsbericht des Institutes für Straßenwesen und Eisenbahnbau der Ruhr-Universität Bochum, Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF), FE-Nr.: 1461035, August 2000
30 DIN 18 134: Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte: Plattendruckversuch, Ausgabe 1995
31 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschrift für Boden und Fels im Straßenbau (TP BF-StB) – Teil B 8.3: Dynamischer Plattendruckversuch mit Leichtem Fallgewichtsgerätes, Köln, 2003 (FGSV 591/B 8.3)
32 Möglichkeiten und Grenzen der Temperaturabsenkung bei Herstellung und Einbau von Walzasphaltmischgut, Abschlussbericht, AiF-Forschungsbericht Nr.: 12551 N/1, 2004
33 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Asphalt im Straßenbau (TP A-StB), Teil: Spurbildungsversuch – Bestimmung der Spurrinnentiefe im Wasserbad, Köln, 1997 (FGSV 756/2) |
