Wo besonders hohe Beanspruchungen auf die Straße einwirken, haben sich Gussasphaltdeckschichten langjährig bewährt. Ihre Entwicklungsgeschichte reicht bis in die ersten Jahre des vergangenen Jahrhunderts zurück. Ihre Nutzungsdauer liegt deutlich über 20 Jahren, wobei besonders die Verformungsresistenz und Griffigkeitsbeständigkeit im Vordergrund stehen. Im Jahre 2001 wurde der Luftgrenzwert für Dämpfe und Aerosole aus Bitumen bei der Heißverarbeitung von 15 mg/m³ auf 10 mg/m³ herabgesetzt, der bei Walzasphalten grundsätzlich einhaltbar ist. Beim Einbau von Gussasphalt mit Einbautemperaturen bis 250 °C wurden jedoch insbesondere beim Zapfer Einzelmesswerte von bis zu 75 mg/m³ gefunden. Die Arbeitsgruppe „Gefahrstoffe“ des Bundesministeriums für Arbeit und Sozialordnung setzte diese Anforderung für Gussasphalt daraufhin aus, um Gelegenheit zur Entwicklung technischer Gegenmaßnahmen zu geben. Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen untersucht die Bundesanstalt für Straßenwesen die Möglichkeiten zur Temperaturreduzierung durch Anwendung von Additiven bei der Herstellung von Gussasphalt. Nach vielversprechenden Laboruntersuchungen fand Mitte 2002 eine erste erfolgreiche Baumaßnahme auf einer Bundesautobahn mit Gussasphalt statt, dessen Einbautemperatur auf 200 bis 210 °C reduziert war. Der o. g. Luftgrenzwert wurde dabei deutlich unterschritten. Weitere Erprobungen sind für Herbst 2002 vorgesehen. 

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

1 Einleitung

Gussasphaltdeckschichten haben sich besonders dort bewährt, wo sehr hohe Beanspruchungen auf die Straße einwirken. Ihre Entwicklungsgeschichte reicht bis in die ersten Jahre des vergangenen Jahrhunderts zurück. Ihre Nutzungsdauer liegt deutlich über 20 Jahren, wobei besonders die Verformungsresistenz und die Griffigkeitsbeständigkeit im Vordergrund stehen. Wenn die Anwendung von Gussasphalt im allgemeinen Straßenbau aus unterschiedlichen, nicht immer nachvollziehbaren Gründen auch zurück gegangen ist, so hat diese Bauweise verstärkt im Bereich der Brückenbeläge ihre Bedeutung.

2 Aktuelle Auswirkungen durch den Arbeitsschutz

Durch eine aktuelle Entwicklung im Bereich des Arbeitsschutzes ergab sich im Jahre 2001 unerwartet ein besonderes Problem, das die weitere Anwendung des Gussasphaltes grundlegend gefährdete. Maßgebende Grundlage des Arbeitsschutzes im Zusammenhang mit Asphalteinbauarbeiten ist die Technische Regel für Gefahrstoffe „Ermittlung und Beurteilung der Konzentration gefährlicher Stoffe in der Luft in Arbeitsbereichen“ (TRGS 402). Hierin wird eine bestimmte Vorgehensweise zur Überwachung von Arbeitsbereichen gemäß § 18 der Gefahrstoffverordnung festgelegt, die nachfolgend kurz dargestellt wird.

Nach der TRGS 402 kann beim Auftreten von Stoffen, für die Grenzwerte festgelegt sind, auf messtechnische Überwachungen verzichtet werden, wenn für die entsprechenden Arbeitsbereiche eine dauerhaft sichere Einhaltung der Grenzwerte sichergestellt ist. Liegt für eine Tätigkeit eine ausreichende Anzahl von Arbeitsplatzanalysen mit eindeutigem Befund vor, und sind auch verfahrensbedingt in Zukunft keine Änderungen zu erwarten, so können diese Ergebnisse unmittelbar zur Beurteilung der Konzentrationen in der Luft in Arbeitsbereichen herangezogen werden, d. h. weitere Messungen sind nicht erforderlich.

Auslöser war nun im Oktober 2000 die Herabsetzung des Luftgrenzwerts für Dämpfe und Aerosole aus Bitumen bei der Heißverarbeitung von bisher 15 mg/m³ auf 10 mg/m³ durch den Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) des Bundesministeriums für Arbeit und Sozialordnung. Die zu diesem Zeitpunkt für Walzasphalt vorliegenden Messdaten zeigten, dass auch dieser neue Grenzwert grundsätzlich einhaltbar ist. Wenige damals vorliegende Messungen beim Einbau von Gussasphalt mit Einbautemperaturen bis 250 °C zeigten jedoch erheblich höhere Werte. Der AGS setzte diese Anforderung für Gussasphalt daraufhin zunächst für zwei Jahre aus, um Gelegenheit zur Entwicklung technischer Gegenmaßnahmen zu geben und den Bewertungshintergrund zu verbessern.

3 Untersuchungen zur Reduktion von Dämpfen und Aerosolen

Die gesetzte Zwei-Jahres-Frist stellte eine erhebliche Herausforderung dar und bedurfte schnellen Handelns. Auf Anstoß durch den Deutschen Asphaltverband erhielt deshalb die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) vom Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen federführend zwei Aufträge:

1. Meldung möglichst zahlreicher Strecken mit Gussasphalt-Einbauarbeiten durch intensive Kontakte mit den Bundesländern, um der Berufsgenossenschaft Tiefbau (TBG) die Möglichkeit der Verstärkung des Messdatenkollektivs zu geben.
2. Veranlassung von Untersuchungen, ob und in welchem Umfang grundsätzlich eine Temperaturreduzierung durch Anwendung von Additiven bei der Herstellung von Gussasphalt möglich ist. Dabei sollten insbesondere die Verarbeitbarkeit und die Erhaltung der Produkteigenschaften bewertet werden.

4 Messungen der TBG an konventionellem Gussasphalt

Gemeinsame Anstrengungen von TBG, BASt und Ländern ermöglichten bisher Messungen an 26 Gussasphalt-Einbaustellen während 37 Tagen [1]. Alle Messwerte für die Positionen des Gussasphaltzapfers und des Bohlenführers sind in den Bildern 1 und 2 wiedergegeben. Für die Bewertung im Sinne der TRGS 402 werden grundsätzlich die 95-Perzentil-Werte herangezogen. Danach ergeben die bisherigen Messungen für Gussasphalt in Standardbauweise

• beim Zapfer 61,4 mg/m³ (aus 52 Messungen von 1 Stunde)
• beim Bohlenführer 40,6 mg/m³ (aus 74 Messungen von 1 Stunde)
• beim Glätter 12,3 mg/m³ (aus 28 Messungen von 1 Stunde).

Dabei wurden bisher keine äußeren Einflüsse, wie Einbaumenge pro Zeit, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie Beeinflussung durch Lärmschutzwände besonders bewertet. Grundsätzlich ist erkennbar, dass die Arbeitsplatzbelastungen gegenüber dem Grenzwert zu hoch sind.

Bild 1: Messergebnisse der Bitumendämpfe und Aerosole beim Einbau von Gussasphalt – Messort Zapfer

Bild 2: Messergebnisse der Bitumendämpfe und Aerosole beim Einbau von Gussasphalt – Messort Bohlenführer

5 Untersuchungen der BASt

5.1 Untersuchungsauftrag

Die Emission von Kohlenwasserstoffen ist stark temperaturabhängig. Bei abgesenkter Mischguttemperatur ist eine deutlich reduzierte Emission zu erwarten. Um aber die Verarbeitbarkeit sicherzustellen, müssen dem Mischgut Wachse oder andere Additive zugegeben werden. Die Auswirkungen auf das Praxisverhalten, z. B. Standfestigkeit und Schichtenverbund des so modifizierten Asphalts sind noch nicht hinreichend erforscht. Für Gussasphalt speziell besteht die Befürchtung, dass die Wachse beim Einbau des Asphalts nach oben steigen, sich an der Oberfläche anreichern und eine Trennschicht erzeugen. Der für die Griffigkeit notwendige Abstreusplitt könnte dabei unter Umständen nicht mehr dauerhaft in die Asphaltschicht eingebunden werden. Auch ein mehrschichtiger Aufbau (z. B. Brückenbeläge) würde dadurch beeinträchtigt.

Nach Ermittlung möglicher Stoffe, die eine Temperaturreduzierung beim Einbau von Gussasphalt erwarten ließen, wurden umfangreiche Laboruntersuchungen mit den modifizierten Gemischen im Vergleich zu einem Standardgemisch durchgeführt. Dabei wurde auch versucht, Messungen der Dämpfe und Aerosole auszuführen, um grundsätzliche Tendenzen hinsichtlich der möglichen Veränderungen zu erkennen.

Zur Bewertung möglicher Mängel bei der Einbindung des Abstreusplitts wurden Probeplatten zusätzlich in der Rundlaufprüfanlage der BASt einer intensiven Beanspruchung durch rollende Reifen unterworfen. Diese Untersuchungen sollten sicherstellen, dass bei einer Anwendung in der Praxis „böse“ Überraschungen möglichst ausgeschlossen werden sollten.

Ursprünglich war geplant, im Frühjahr 2002 bereits eine erste Versuchsstrecke mit den bis dahin labormäßig positiv bewerteten Stoffen anzulegen. Leider ergaben sich kurzfristig finanzielle Probleme, die dies verhinderten. Da sich die BASt jedoch innerhalb der oben genannten Zwei-Jahres-Frist gegenüber dem AGS äußern musste, konnte mit der Unterstützung der hessischen Straßenbauverwaltung eine kurze Versuchsstrecke mit zwei Versuchsfeldern auf der BAB A 3 im Bereich des Mönchhof-Dreiecks Ende Juni diesen Jahres gebaut werden. Hierbei muss das besondere Engagement der beteiligten Baufirmen besonders hervorgehoben werden.

5.2 Laboruntersuchungen an temperaturreduziertem Gussasphalt

Bedingt durch ähnliche Fragestellungen beim Walzasphalt sind bereits zahlreiche Produkte auf dem Markt, die hinsichtlich ihrer Eignung bei der Verwendung zur Reduzierung der Einbautemperatur beim Gussasphalt angeboten werden. Hierbei muss insbesondere die Eignung bei den auch weiterhin höheren Einbautemperaturen beim Gussasphalt betrachtet werden.

Die Marktanalyse erbrachte folgende Dareichungsformen und Grundstoffe

• Zugabestoffe, die an der Mischanlage beigegeben werden, auf der Basis von
• Amidwachs als Pulver
• Montanwachs als Granulat
• Fischer-Tropsch-Paraffin als Granulat
• Zeolithe als Granulat
• Fertiggemischtes Bindemittel auf der Basis von
• Polyamid und Amidwachs als Bitumen 30/45
• Polymeren als Bitumen 30/45
• Wachsen als Bitumen 20/30.

Zur Untersuchung der Auswirkungen wurden insgesamt 8 Produkte nach Vorgaben der Anbieter einem Gussasphaltmischgut 0/11S mit Kalksteinfüller und Diabas sowie 6,5 % Bitumen 30/45 beigemischt. In der Folge werden die Ergebnisse der Asphaltlabor- und Rundlaufuntersuchungen aus den 8 Mischungen nach einer Mischtemperatur von 240 °C und 220 °C sowie dem mit 250 °C hergestellten Standardmischgut dargestellt. Zusätzlich werden die Ergebnisse an den Mischgutproben der ersten Versuchsstrecke (Einbautemperatur 198 bis 210 °C) aufgeführt. Hier werden zunächst nur die grundsätzlichen Erkenntnisse mitgeteilt. Eine produktspezifische Darstellung ist nach erfolgreicher Erprobung auf einer, alle Stoffe berücksichtigenden Versuchsstrecken geplant.

Auf die Messungen der Dämpfe und Aerosole wird grundsätzlich verzichtet, da die Laborbedingungen nur sehr begrenzt Abschätzungen auf reale Bedingungen zulassen. Hinsichtlich eines der genannten Stoffe waren diese Begleitmessungen jedoch von besonderer Bedeutung. Schon die ersten Messungen zeigten bei der Anwendung von Zeolithen als Zusatzstoff, dass die Messwerte für Dämpfe und Aerosole auch bei auf 200 °C reduzierter Verarbeitungstemperatur deutlich anstiegen. Offensichtlich fanden bei den höheren Temperaturen heftigere Reaktionen durch den im Zeolith gebundenen Sauerstoff statt. Deshalb wurde auf eine weitere Anwendung dieses Zusatzstoffs bei diesen Untersuchungen verzichtet.

5.2.1 Untersuchungen der Eindringtiefe

Der Standardversuch beim Gussasphalt ermittelt die Eindringtiefe nach DIN 1996 – Teil 13. Die im Bild 3 wiedergegebenen Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich auch bei niedrigeren Mischtemperaturen die Gussasphalteigenschaften nur gering beeinflusst werden (Soll-Werte nach ZTV Asphalt zwischen 1,5 und 3,5 mm). Auffällig ist:

• Bei allen modifizierten Gemischen ist die Eindringtiefe stets bei der Mischung mit 220 °C höher als diejenige bei 240 °C, bei einem Produkt besonders deutlich
• Alle Eindringtiefen liegen innerhalb der Grenzwerte
• Die Werte für die Zunahme übersteigen grundsätzlich den Vorgabewert von 0,4 mm nicht. Nur bei einem Zugabestoff wird dieser Wert leicht überschritten.

Bild 3: Eindringtiefe an Gussasphaltmischungen, hergestellt mit unterschiedlichen Temperaturen

5.2.2 Untersuchungen der Verformungsbeständigkeit

Bisher ist die Nutzung des Spurbildungsversuchs für Gussasphalt nicht üblich. Bedingt durch die Vorgabe, möglichst umfassend, die Mischungen vor einem Praxiseinsatz zu untersuchen, hat die BASt in diesem Fall auch diese Untersuchung bei 40 °C in Luft mit dem Gummirad unternommen. Die Ergebnisse im Bild 4 zeigen mit einer Ausnahme in der Tendenz etwas geringere Spurtiefen als die Standardmischung, aber auch etwas unterschiedliches Verhalten bei den unterschiedlichen Mischtemperaturen:

• Bei den Zugabestoffen ist die Spurtiefe mit einer Ausnahme bei der Mischung mit 220 °C höher als diejenige bei 240 °C, bei einem Produkt besonders deutlich.
• Die Mischungen mit Fertigprodukten zeigen wieder mit einer Ausnahme das gleiche Bild.

Bild 4: Spurtiefe aus dem Spurbildungsversuch an Gussasphaltmischungen, hergestellt mit unterschiedlichen Temperaturen

5.2.3 Untersuchungen des Schichtverbunds

Der Schichtenverbund wurde im Vorfeld als besonders kritisch gesehen. Die Ergebnisse im Bild 5 zeigen, dass tatsächlich mit einer Ausnahme bei allen Produkten unter Anwendung einer Mischtemperatur von 220 °C niedrigere Werte beim Schichtenverbund festzustellen sind. Unabhängig davon wird jedoch von allen Mischungen der aufgrund des Forschungsauftrags 7.185 zum Schichtenverbund von der TU Darmstadt vorgeschlagene Mindestwert zwischen Deck- und Binderschicht von 25 kN [2] stets überschritten.

Bild 5: Schichtenverbund zwischen Gussasphaltmischungen, hergestellt mit unterschiedlichen Temperaturen, und einer Binderschicht

Hinsichtlich der festgestellten Scherwege sind keine Auffälligkeiten zu vermerken, so dass hier auf eine Wiedergabe verzichtet wird.

5.2.4 Untersuchungen der Biegezugfestigkeit

Schließlich wurden an Probekörpern der verschiedenen Mischungen auch Untersuchungen der Biegzugfestigkeit bei 22 °C und 0 °C vorgenommen. Auffälligkeiten waren nur bei einem Produkt festzustellen. Schwanken die Festigkeiten bei den meisten Mischungen bei 22 °C zwischen rund 5 und 7 kN/mm², wich ein Fertigprodukt auf Wachsbasis und Basisbitumen 20/30 deutlich nach oben ab. Dasselbe Produkt erbrachte auch deutlich niedrigere Festigkeiten bei 0 °C gegenüber den übrigen Mischungen.

Zur Bewertung wird vorzugsweise der Verhältniswert der beiden Festigkeiten als Bewertungsmaßstab herangezogen [3], [4] (Bild 6). Hierbei sollten die Werte zwischen 0,2 und 0,6 liegen. Bei Verhältniswerten größer als 0,6 muss mit verstärkter Risstätigkeit gerechnet werden. Es ist zu erkennen, dass sich die Ergebnisse eher im unteren Bereich dieser Spanne bewegen und nur das schon zuvor auffällige Produkt die Mischguteigenschaften in dieser Hinsicht unabhängig von der Mischtemperatur ungünstig beeinflusst.

Bild 6: Verhältnis der Biegezugfestigkeit bei 22 °C und bei 0 °C für Gussasphaltmischungen, hergestellt mit unterschiedlichen Temperaturen

5.3 Untersuchungen zur Splitthaftung

Bisher wurden etwa die Hälfte der Mischungen, insbesondere diejenigen auf Wachs- bzw. Paraffinbasis, in der Rundlaufprüfanlage der BASt hinsichtlich des Einflusses auf die Bindefähigkeit des Abstreusplitts getestet. Dazu wurden Probeplatten jeweils mit Asphaltbinderschicht und den unterschiedlich zusammengesetzten Gussasphaltdeckschicht hergestellt und in der üblicherweise für Markierungsprüfungen eingesetzten Anlage insgesamt 870 000 Überrollungen mit Pkw-Reifen ausgesetzt.

Bei keiner der Platten waren auffällige Splittablösungen festzustellen.

6 Versuchsstrecke und Emissionsmessungen

Nachdem nur geringe Einflüsse auf das Endprodukt Gussasphalt bei Anwendung von Zusatzstoffen zur Reduzierung der Einbautemperatur erkennbar waren, konnte wie bereits erwähnt, der Einsatz an einer ersten Versuchsstrecke auf der BAB A 3 veranlasst werden. Dadurch wurde auch eine Bewertung der Einbaufähigkeit modifizierter Mischgüter möglich. Bautechnische Schwierigkeiten waren dabei keine zu verzeichnen.

Die entscheidenden Erkenntnisse konnten endlich auch hinsichtlich des eigentlichen Ziels, Reduzierung der Dämpfe und Aerosole beim Heißeinbau von Asphalt gewonnen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass wir auf dem richtigen Weg sind (Tabelle 1). Die Einbautemperaturen lagen dabei zwischen 198 °C und 210 °C.

Tabelle 1: Messergebnisse für Dämpfe und Aerosole beim Einbau von temperaturreduziertem Gussasphalt am 22. Juni 2002

7 Ausblick

Gemäß den ZTV Asphalt-StB sollen die Einbautemperaturen für Gussasphalt zwischen 200 bis 250 °C liegen, wobei in der Regel eher die höheren Werte angepeilt werden. Die zuvor mit den ersten Ergebnissen dargestellten Resultate zeigen, dass künftig die untere Temperaturgrenze angestrebt werden muss und beim Zusatz geeigneter Stoffe auch angestrebt werden kann.

Noch im Oktober diesen Jahres wird auf der BAB A 1 in Zusammenarbeit mit dem Landesbetrieb Straßenbau NRW eine zweite Versuchsstrecke gebaut werden, bei der drei weitere Produkte in jeweils einem Feld angewendet werden sollen. Zur Erprobung weiterer modifizierter Gussasphalte wird noch wegen einer dritten Strecke verhandelt, möglicherweise auf der BAB A45 in Hessen. Dadurch werden neben der bautechnischen Bewertbarkeit auch vergleichende Messungen von Dämpfen und Aerosolen möglich. Schließlich können an diesen Versuchsstrecken auch mögliche Einflüsse auf die Dauerhaftigkeit ermittelt werden.

Literaturverzeichnis

1. Musanke, GISBAU: Exposition gegenüber Dämpfen und Aerosolen aus Bitumen beim maschinellen Verarbeiten von Gussasphalt, Darstellung vom 27.6.2022
2. FA 7.185: „Grundlagen zur Festlegung von Grenzwerten für den Schichtenverbund“
3. Holl: Bituminöse Straßen-Technologie und Bauweisen, Bauverlag
4. Höher, K.; Lehné, R.: Erweiterte mechanische Prüfungen zur Optimierung und Bewertung von Gussasphalt, Bitumen 1993, Heft 1