Dieser Beitrag gibt einen Einblick in die Arbeiten des AK 6.1.2 Füller- und Sandeigenschaften in Bezug auf die Anforderungen an die Füller-, Sand- und Asphaltmörteleigenschaften und ihren Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften von Asphalt. Es existiert eine Vielzahl von Prüfverfahren, mit denen die Eigenschaften dieser Komponenten beschrieben werden können. Wie sich diese Parameter auf die Gebrauchseigenschaften von Asphalt auswirken ist nicht immer eindeutig ersichtlich. Am Beispiel einiger ausgewählter Eigenschaften werden die Auswirkungen auf den Asphalt beleuchtet und ihre Eignung zur Abschätzung des Einflusses auf die Gebrauchseigenschaften von Asphalt diskutiert.

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1 Einleitung

Die Qualität von Füller, Sand und Asphaltmörtel kann mit einer Vielzahl von Prüfverfahren bestimmt und kategorisiert werden. Die Übertragung der ermittelten Parameter auf die Gebrauchseigenschaften von Asphalt stellt ein komplexes System dar, für welches die Anforderungen an die jeweilige Anwendung zu definieren und die im Zusammenspiel geeigneten Eigenschaften der Produkte auszuwählen sind. Eine umfassende Darstellung der Einflüsse von Füller, Sand und Asphaltmörtel auf den Asphalt ist hier somit nicht möglich.

Die Eigenschaften der Füller, Sand und Asphaltmörtel und ihre Bestimmung wurden mit der Zeit immer weiter erforscht und der Kenntnisstand vertieft. Doch auch heute sind noch nicht alle Prozesse und Parameter, die sich auf die Eigenschaften des Asphaltmörtels und die Gebrauchseigenschaften von Asphalt auswirken, vollständig beschrieben und verstanden.

2 Begriffsbestimmungen

2.1 Füller

Die TL Gestein-StB (FGSV 2007) definiert als Füller denjenigen Teil der Gesteinskörnung, welcher überwiegend durch das 0,063-mm-Sieb hindurchgeht. Die Unterscheidung zwischen Eigenfüller ­ als in einer Gesteinskörnung enthaltene und mitgelieferte Feinfraktion ­ und dem gesondert hergestellten Fremdfüller wird in den ,,Hinweisen für die Verwendung der Mörtelkomponenten Füller und Zusätze im Asphalt" (H FZ ­ Füller), Teil: Füller (FGSV 2017a) detailliert aufgeschlüsselt (Tabelle 1). Diese präzise Unterscheidung der Füller nach ihrer Herkunft und Aufbereitung hat ihre Berechtigung, da mit dieser Differenzierung signifikante Unterschiede in den Füllereigenschaften erklärt werden können, die sich entsprechend auf den Asphaltmörtel und die Gebrauchseigenschaften von Asphalt auswirken.

Tabelle 1: Definitionen verschiedener Arten von Füller (aus: H FZ ­ Füller (FGSV 2017a))

2.2 Sande

Sande werden in der TL Gestein-StB (FGSV 2007) als feine Gesteinskörnungen bezeichnet und für die Anwendung im Asphalt gemäß DIN EN 13043 (DIN 2002) mit D ≤ 2 mm als obere Siebgröße definiert, eine Anforderung an die untere Siebgröße d besteht nicht.

Das Gemisch aus Bitumen, Füller und Feinanteilen der feinen Gesteinskörnungen sowie eventuellen weiteren Zusätzen wie z. B. Zellulosefasern wird als Asphaltmörtel bezeichnet. (FGSV 2017a). Die gemeinsame Betrachtung dieser Asphaltbestandteile beruht auf der Erkenntnis, dass die Gesteinskörnung nicht vom reinen Bitumen, sondern von einer Mischung aus Bitumen und Füller umhüllt wird (EuLA 2010), daher wird dieses System häufig als Model für wissenschaftliche Analysen herangezogen.

2.3 Asphaltmörtel

Das Gemisch aus Bitumen, Füller und Feinanteilen der feinen Gesteinskörnungen sowie eventuellen weiteren Zusätzen wie z. B. Zellulosefasern wird als Asphaltmörtel bezeichnet. (FGSV 2017a). Die gemeinsame Betrachtung dieser Asphaltbestandteile beruht auf der Erkenntnis, dass die Gesteinskörnung nicht vom reinen Bitumen, sondern von einer Mischung aus Bitumen und Füller umhüllt wird (EuLA 2010), daher wird dieses System häufig als Model für wissenschaftliche Analysen herangezogen.

2.4 Gebrauchseigenschaften von Asphalt

Unter dem Begriff Gebrauchseigenschaften können eine Vielzahl von Asphalteigenschaften subsummiert werden. In Literatur und Regelwerken finden sich unter anderem die Verformungs- und Ermüdungsbeständigkeit, die Kälteresistenz und die Verarbeitbarkeit des Asphaltes. Aber auch Dauerhaftigkeit, Griffigkeit, Standfestigkeit, Geräuschverhalten und Recyclingfähigkeit werden in dem Zusammenhang erwähnt. Einige der Parameter werden in erster Linie durch die Asphaltkonzeption bestimmt, andere sind maßgeblich von den Sand- und/oder Füllereigenschaften abhängig.

3 Der Fließkoeffizient von Brechsanden

Die innere Reibung eines Sandes wird durch seine Oberflächenbeschaffenheit, Kornform und Kantigkeit bestimmt. Sie hat einen hohen Einfluss auf die Mörtelsteifigkeit und damit die Verformungsbeständigkeit sandreicher Asphaltbetone und Gussasphalte. (Wörner, Stütz et al. 2008). Um diesem Rechnung zu tragen, wurden in der TL Min-StB Sande in Brech- und Natursand unterschieden (FGSV 2000). Mit der Einführung der europäisch harmonisierten DIN EN 13043 (DIN 2002) und ihrer Umsetzung in das nationales Regelwerk hat die Bestimmung des Fließkoeffizienten nach DIN EN 933-6 (DIN 2104) als europäisches Prüfverfahren das vorher gebräuchliche Brechsand/Natursand-Verhältnis ersetzt. Nach Anhang A der TL Asphalt-StB (FGSV 2007) müssen zum Beispiel Sande der Korngruppe 0/2 für den Einsatz in offenporigen Asphalten die Kategorie ECS35 erfüllen. Dahinter steht die Annahme, dass mit einer Fließzeit ≥ 35 s die Verwendung reinen Brechsandes sichergestellt wäre. Jedoch wurde in mehreren Forschungsvorhaben nachgewiesen, dass die Bestimmung des Fließkoeffizienten nicht geeignet ist, Brechsand gegen Natursand abzugrenzen (Wörner, Stütz et al. 2008; Rütti, Bürgi et al. 2015).

Zur Beurteilung der Auswirkung dieser Forderung auf die mögliche Verwendung von Brechsanden wurden aus den vorliegenden Daten der freiwilligen Fremdüberwachung von Gesteinskörnungen für Asphalt die Fließkoeffizienten devonischer Massenkalke der Korngruppe 0/2 ausgewertet (Bild 1). Demnach sind 41 % dieser Sande der Kategorie ECS30 zuzurechnen und gelten damit indirekt als Natursand, obwohl es sich tatsächlich um reine Brechsande handelt.

Der hohe Anteil an Brechsanden der Kategorie ECS30 ist darauf zurückzuführen, dass der Fließkoeffizient nicht nur Kornform und Oberflächenrauheit wiederspiegelt, sondern auch maßgeblich durch die Korngrößenverteilung beeinflusst wird. Infolgedessen besteht auch kein Zusammenhang zwischen Fließkoeffizient und Hohlraumgehalt oder Verdichtungswiderstand des Asphaltes (Wörner, Stütz et al. 2008). Damit ist der Fließkoeffizient nicht geeignet die Differenzierung feiner Gesteinskörnungen zu liefern, für die er eigentlich vorgesehen ist. Eine Klassifizierung der Sande im Hinblick auf die Gebrauchseigenschaften von Asphalten ist daher mit diesem Prüfverfahren nicht möglich.

Eine erste Korrekturmaßnahme dieser Entwicklung besteht in der Wiederaufnahme der Begriffe Brechsand und Natursand in die Überarbeitung der TL Gestein-StB. Hierbei handelt es sich jedoch nur um die Auflistung nationaler Begrifflichkeiten. Eine Änderung des Verfahrens zur Unterscheidung von Brech- und Natursand sollte unbedingt angestrebt werden, dies ist aber nur über den Weg der europäischen Normung und anschließender Umsetzung in nationales Regelwerk möglich und zulässig.

Bild 1: Fließkoeffizienten von Sanden für Asphaltanwendungen der Korngruppe 0/2 aus devonischem Massenkalk (Zeitraum 2013 bis 2017)

4 Die Bestimmung der Wasserempfindlichkeit mittels Schüttel-Abriebverfahren

Die TL Gestein-StB (FGSV 2007) fordert die Bestimmung der Wasserempfindlichkeit für feine Gesteinskörnungen und Gesteinskörnungsgemische mit dem Schüttel-Abriebverfahren gemäß TP Gestein-StB, Teil 6.6.3 (FGSV 2015). Dieses Prüfverfahren wurde an der TU München entwickelt und langjährig mit guten Ergebnissen in Bayern angewandt. Vor allem kritische Glimmerminerale der in Bayern vertretenen Granite können mit dem Verfahren gut differenziert werden. Mit der Aufnahme des Prüfverfahrens in die TL Gestein-StB zur Erfahrungssammlung stellte sich schnell auch die Frage nach der Präzision und dem Bewertungshintergrund des Prüfverfahrens.

Aussagen zur Präzision wurden erstmals mit der Durchführung eines Ringversuches mit 16 Teilnehmern getroffen (Völkl, 2013). Zur Schaffung eines Bewertungshintergrundes soll nun ein Forschungsvorhaben durchgeführt werden, welches gesteinsspezifische Praxis- und Langzeituntersuchungen auf Grundlage der bisherigen Datensammlung vorsieht. Nach Auswertung der vorliegenden Daten werden für das Vorhaben geeignete Sande identifiziert. Die Auswahl wird gesteinsspezifisch erfolgen, da für einzelne Gesteinsarten ­ welche in der Laboranalytik hohe Werte im Schüttelabrieb erreichen ­ Erfahrungsberichte vorliegen, dass sie im langjährigen baupraktischen Einsatz keine Hinweise auf wasserempfindliche Reaktionen im Asphalt zeigen. Asphaltstraßen, welche mit den ausgewählten Sanden hergestellte wurden, sollen recherchiert, beprobt und die entnommen Bohrkerne asphalttechnologische untersucht werden. Parallel werden Langzeituntersuchungen vorbereitet, hierfür werden mit den Sanden labortechnisch Asphaltplatten hergestellt, aus denen Bohrkerne entnommen, und ­ in der Straße eingebracht ­ über mehrere Jahre beobachtet und untersucht werden sollen. Aus den Ergebnissen soll unter Berücksichtigung der identifizierten Asphalteigenschaften ein Vorschlag für gesteinsspezifische Anforderungskriterien an den Schüttelabrieb formuliert werden.

5 Kalkhydrat im Asphalt und der Verbrauch von Calciumhydroxid

Die Gebrauchseigenschaften von Asphalt lassen sich in mehrfacher Hinsicht durch die Zugabe von Calciumhydroxid in Form von Kalkhydrat oder Mischfüller zum Asphaltmischgut qualitativ beeinflussen. Chemische und physikalische Effekte verändern die Mörteleigenschaften. Der Widerstand des Asphaltes gegenüber bleibender Verformung, Rissbildung und Verschleiß nimmt deutlich zu, indem die Standfestigkeit bei hohen Temperaturen verbessert, die Wasserempfindlichkeit reduziert, das Haftverhalten verbessert und der chemische Alterungsprozess verzögert wird.

Die aktive Wirksubstanz des Kalkhydrates bzw. Mischfüllers ist das enthaltene Calciumhydroxid (Ca(OH)2), dessen Zugabe zum Asphaltmischgut seit vielen Jahren in Europa praktiziert wird. Die Tabelle 2 gibt einen ­ nach der Dauer der Praxisanwendung sortierten ­ Überblick über die Erfahrungen mit Kalkhydrat und die Verwendungsziele in Europa.

Tabelle 2: Erfahrungsstand des Einsatzes von Kalkhydrat in Europa (nach EuLA 2010)

Das Calciumhydroxid tritt in eine starke Wechselwirkung zwischen der Gesteinskörnung und dem Bitumen ein. Ausfällungen und Anlagerungen von Calciumionen erhöhen die Oberflächenrauheit und verstärken die Bindung des Bitumens an die Gesteinskörnung. Ionenaustausch reduziert das Quellverhalten toniger, auf der Oberfläche der Gesteinskörnung haftender Partikel. Neutralisationsprozesse reduzieren den Säuregehalt des Bitumens und verlangsamen die Alterungseffekte des Asphaltmörtels. Die hohe spezifische Oberfläche des Kalkhydrats versteift den Asphaltmörtel bei hohen Temperaturen und reduziert die Spurrinnenbildungen. Diese Reaktionen haben zur Folge, dass Calciumhydroxid in unterschiedlichem Umfang verbraucht wird. Der extrahierte Füller in der Kontrollprüfung wird daher einen geringeren Calciumhydroxid-Gehalt aufweisen, als dem Asphaltmischgut ursprünglich zugeben und in der Erstprüfung bestimmt wurde. Dies ist kein Mangel, sondern zeigt an, dass die Zugabe berechtigt war und die Gebrauchseigenschaften des Asphaltes positiv beeinflusst wurden. Besonders die in der Regel unbekannte, wechselnde chemische Zusammensetzung des Bitumens kann zu wechselnden Calciumhydroxid-Gehalten im extrahierten Füller führen. Ein mehr oder weniger an Calciumhydroxid zeigt lediglich einen unterschiedlichen Bedarf zur Beeinflussung der Gebrauchseigenschaften an. Durch den Verbrauch des Calciumhydroxides treten keine negativen Auswirkungen auf.

Die reduzierten Calciumhydroxid-Gehalte der Kontrollprüfungen führten bei einigen Auftraggebern zu Verunsicherungen und der Frage, wie diese zu bewerten sind. Daher erhielt der Arbeitskreis 6.3.2 Füller- und Sandeigenschaften den Auftrag, das Arbeitspapier für die Wiederfindung von Calciumhydroxid im extrahierten Füller zu erstellen (FGSV 2017b). Die Wiederfindung bezeichnet den analysierten, prozentualen Anteil an Calciumhydroxid im extrahierten Füller, bezogen auf das Gesamtmineralgemisch im Mischgut. Sie wird ­ wie oben beschrieben ­ durch verschiedene Faktoren wie zum Beispiel das verwendete Bitumen oder die Art des Gesteins beeinflusst. Die Analyse des Calciumhydroxid-Gehaltes erfolgt nach TP Gestein-StB, Teil 3.9 (FGSV 2008), die Präzision dieses Verfahrens ist über mehrere Ringversuche abgesichert worden (Schiffner 2003, Mouillet, Delmotte et al. 2014). Das Arbeitspapier erläutert die bekannten Einflussfaktoren, die Ermittlung der Wiederfindung und informiert Auftraggeber und -nehmer über mögliche Einflüsse und den Umgang mit reduzierten Calciumhydroxid-Gehalten in der Kontrollprüfung.

Eine erste Einschätzung möglicher Schwankungsbreiten der Wiederfindung wurde im Rahmen von Vergleichsversuchen mit in verschiedenen Asphaltmischanlagen produziertem Asphaltmischgut vorgenommen. Hergestellt wurde ein SMA 8 S mit 1,4 M.-% Ca(OH)2 und den auf der jeweiligen Mischanlage vorgehaltenen Gesteinskörnungen und Bitumen. Im Anschluss wurde der Füller extrahiert und dessen Calciumhydroxidgehalt von der Landesstraßenbaubehörde Sachsen-Anhalt (LSBB) und dem Institut für Kalk- und Mörtelforschung e. V. (IKM) nach TP Gestein-StB, Teil 3.9 (FGSV 2008) analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine Bandbreite der Wiederfindung von 0,78 bis 1,23 M.-%, wobei bis auf Probe 1 eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Laboren festzustellen ist (Bild 2). Die etwas erhöhte Ergebnisdifferenz der Probe 1 könnte auf noch geringe Routine im Prüfverfahren zurückzuführen sein, die mit den darauf folgenden Proben erreicht wurde.

Die Ergebnisse der Proben 2 und 6 zeigen, dass auch bei gleichem Gestein die Wiederfindung einer Rezeptur aus verschiedenen Mischwerken variieren kann. Die Ergebnisse verdeutlichen die Ursache für die vertragsrechtliche Verunsicherung einiger Auftraggeber und Auftragnehmer in Bezug auf ein Produkt, dessen Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften von Asphalt belegt und bewährt sind. Das Arbeitspapier stellt den bauvertraglichen Stand dar und bildet die Grundlage für die Ermittlung eines Bewertungshintergrundes, auf dessen Basis zukünftig die Handlungshilfen für den Umgang mit der Wiederfindung präzisiert werden sollen.

Bild 2: Vergleichsversuche Ca(OH)2-Gehalte der extrahierten Füller

6 Die Bestimmung der versteifenden Eigenschaften von Füller

Die versteifende Wirkung eines Füllers wird durch dessen Korngrößenverteilung, Kornform und Gehalt an Tonmineralen bestimmt und beeinflusst direkt die Verdichtbarkeit des Asphaltes. Das Verhalten des Asphaltmörtels wiederum wird in Hinblick auf Verformungsstabilität und Wärmestandfestigkeit neben den Füllerparametern durch das Füller-Bitumenverhältnis bedingt (Feix 1986).

Nach TL Gestein-StB (FGSV 2004) sind die versteifenden Eigenschaften eines Füllers als Hohlraumgehalt von trocken verdichtetem Füller nach Rigden gemäß DIN EN 1097-4 (DIN 2008) sowie als Erweichungspunkt-Erhöhung ,,Delta Ring und Kugel" nach DIN EN 13179-1 (DIN 2013) zu bestimmen und die entsprechenden Kategorien anzugeben. Zurzeit wird diskutiert, inwiefern die Kategorisierung der versteifenden Eigenschaften mit zwei verschiedenen Prüfverfahren einen höheren und sinnvollen Informationsgehalt liefert. Für eine erste Abschätzung wurden die Daten der freiwilligen Fremdüberwachung von Kalkstein-, Dolomit- und Mischfüller aus dem Zeitraum 2007 bis 2017 ausgewertet (Bild 3). Eine Korrelation zwischen Hohlraumgehalt nach Rigden und Erweichungspunkterhöhung ist für die Mischfüller gegeben. Für die Kalkstein- und Dolomitfüller ist mit den vorliegenden Daten für diese Parameter keine signifikante Korrelation erkennbar. Möglicherweise wäre bei einer weiteren gesteinsspezifischen Differenzierung noch Korrelation zu identifizieren.

Neben den beiden in der TL Gestein-StB (FGSV 2004) geforderten Prüfverfahren können die versteifenden Eigenschaften eines Füllers auch mit der Bestimmung des Stabilisierungsindex St nach DIN 52096 (DIN 2016) ermittelt werden. Hierbei handelt es sich um das Füller/ Bitumen-Verhältnis eines Füllers der Korngröße < 0,125 mm, dessen Erweichungspunkt Ring und Kugel 20 °C über dem Erweichungspunkt Ring und Kugel des Bezugsbitumens 70/100 liegt (DIN 2016). Dazu werden die Erweichungspunkte des Bezugsbitumen und von mindestens drei Füller/Bitumen-Gemischen mit verschiedenen Mischungsverhältnissen gemessen und der Stabilisierungsindex grafisch bestimmt. Der Mehrwert dieses Prüfverfahrens gegenüber der einfachen Bestimmung der Erweichungspunkterhöhung wird aufgrund des erhöhten Arbeitsaufwandes durchaus kontrovers diskutiert. Jedoch ist der Stabilisierungsindex für die Beschreibung der versteifenden Eigenschaften von Mischfüllern und Kalkhydrat eine sinnvolle Hilfe, da zum Beispiel mit reinem Kalkhydrat durch das stark versteifende Verhalten die Bestimmung der Erweichungspunkterhöhung nach DIN EN 13179-1 (DIN 2013) nicht möglich ist. Der Stabilisierungsindex hingegen erlaubt es, durch eine geeignete Verschiebung der Mischungsverhältnisse, diesen Parameter zu bestimmen. Für Kalkhydrat werden in der Regel Stabilisierungsindizes von 0,7 bis 1,0 ermittelt (EuLA 2010). Diese liegen zwar unter dem für Füller für Asphaltdecken empfohlenen Verhältnis von St ≥ 1,9 (Schellenberger 2002), da jedoch Kalkhydrat dem Asphaltmischgut in einem wesentlich geringeren Massenanteil zugegeben wird, als dies bei anderen Füllern der Fall ist, hat die versteifende Wirkung des Kalkhydrats eine anteilig geringere Auswirkung auf den Asphaltmörtel und eine Verarbeitung ist noch möglich.

Bild 3: Hohlraumgehalt und Erweichungspunkterhöhung von Kalkstein-,- Dolomit und Mischfüller (Zeitraum 2007 bis 2017)

Die Betrachtung der Prüfverfahren zeigt, dass sie abhängig von den spezifischen Randbedingungen durchaus ihre Berechtigung haben können, zwischen den Prüfverfahren aber möglicherweise auch Korrelationen vorliegen, die eine Reduzierung des Prüfaufwandes rechtfertigen würden. Daher sollten die Prüfverfahren zur Bestimmung der versteifenden Eigenschaften von Füller auf Korrelationen, sowie ihre Anwendung in Bezug auf den jeweiligen Füller und die Auswirkung auf die Gebrauchseigenschaften des Asphaltes geprüft und das Regelwerk gegebenenfalls angepasst werden.

7 Fazit

Es gibt eine Vielzahl von Parametern, von denen hier einige beispielhaft erläutert wurden, die die Eigenschaften von Füller, Sand und Asphaltmörtel beschreiben. Diese Parameter wurden in der Vergangenheit umfangreich erforscht. Im Rahmen der Normungs- und Regelwerksarbeit sollte aber in regelmäßigen Abständen die Frage erlaubt sein, ob die jeweiligen Parameter signifikante Aussagen zu der Auswirkung der Sande und Füller auf die Eigenschaften der herzustellenden Asphalte treffen oder ob zwischenzeitlich neuere Erkenntnisse und geeignetere Verfahren vorliegen. Die Bestimmung eines Parameters, welcher zwar die Eigenschaften einer Gesteinskörnung beschreibt, aber keine Aussage zum Einfluss auf die Qualität der herzustellenden Asphaltstraße zulässt, ist unter dem Aspekt der Gebrauchseigenschaften des Asphaltes nicht zielführend. Anforderungen, für die dieses zutrifft sollten grundsätzlich kritisch hinterfragt werden.

Um zukünftig die Aussagefähigkeit von Prüfverfahren in Hinblick auf die Gebrauchseigenschaften von Asphalt besser beurteilen zu können, wird der FGSV-Arbeitskreis 6.1.2 ,,Füllerund Sandeigenschaften" eine anonymisierte, gesteinsspezifische Datensammlung zu definierten Parametern zusammentragen und auswerten.

Grundsätzlich gibt es bei der Feststellung von Änderungsbedarf nur einen zulässigen Weg: Neue Prüfverfahren und Kategorien müssen über die europäischen, harmonisierten Normen im Nationalen Regelwerk verankert werden, indem Änderungen zuerst in die europäischen Normungsgremien eingebracht werden und von dort ihren Weg in das Nationale Regelwerk finden. Das Ziel sollte die dauerhafte Straße sein und nur auf diesem europäischen Weg kann gemeinsam und arbeitsgruppenübergreifend daran gearbeitet werden.

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