Im Jahr 1991 wurde ein Forschungsvorhaben vom Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen (ISE) der Universität Karlsruhe (TH) dem heutigen KIT zur Untersuchung der „Auswirkung der Wiederverwendung von „Ausbauasphalt in Asphaltbinder- und Asphaltdeckschichten im Hinblick auf Homogenität und mechanische Eigenschaften“ durchgeführt. Für die damals im Projekt erstellte Versuchsstrecke konnten im Jahr 2008 eine visuelle Begutachtung der Oberfläche und eine Bohrkernentnahme für Nachfolgeuntersuchungen erfolgen. Die Untersuchung der mechanischen Kenngrößen und die Mischgutanalysen erfolgten entsprechend den damals eingesetzten Prüfverfahren bzw. zugrundeliegenden Regelwerke/Vorgehensweisen. Erkenntnisse dieser Untersuchungen werden im Artikel beschrieben.

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

1 Einleitung

Im Jahr 1991 wurde ein von der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) gefördertes Forschungsvorhaben Nr. 7900 mit dem Titel „Auswirkung der Wiederverwendung von Ausbauasphalt auf das Langzeitverhalten von Asphaltbinder- und Asphaltdeck- schichten“ abgeschlossen [1]. Darin wurden vom Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen (ISE) der Universität Karlsruhe (TH) folgende wesentlichen Ziele verfolgt

• „Die Auswirkung der Wiederverwendung von Ausbauasphalt in Asphaltbinder- und Asphaltdeckschichten im Hinblick auf Homogenität und mechanische Eigenschaften festzustellen und
• zu überprüfen, ob die Kalt- bzw. Warmzugabe des Ausbauasphalts zu unterschiedlichen Ergebnissen hinsichtlich Homogenität und mechanischen Eigenschaften führt.“

Im Ausblick wurde unter anderem dargelegt, dass die in den Laboruntersuchungen verwendeten Probekörper aus einer unter detaillierter Dokumentation aller relevanten Daten gebauten Versuchstrecke stammen und es daher geboten erscheint, Langzeitbeobachtungen durchzuführen.

Interessant erschien hierbei vor allem die Veränderung der Bindemitteleigenschaften und der mechanischen Eigenschaften der Proben aus der Versuchstrecke. Diese galt es vor dem Hintergrund der Bewährung von Ausbauasphalten in Straßenkonstruktionen zu prüfen.

Die Versuchsstrecke mit den sechs Testfeldern wurde im Sommer 2008 einer Deckenerneuerung unterzogen. Dank der Unterstützung der Verwaltung konnte vorher noch eine visuelle Begutachtung und Dokumentation vor Ort sowie die Entnahme von einer geringeren Anzahl von Bohrkernen in den Testfeldern für die beschriebenen Nachfolgeuntersuchungen erfolgen [2]. 

2 Grundlagen/Forschungsbericht Nr. 7900 von 1991 [1]

2.1 Vorgehen

Entsprechend der Zielsetzung war die Auswirkung der Zugabe von vorerwärmtem und nicht vorerwärmtem Ausbauasphalt auf die Eigenschaften des resultierenden Mischguts festzustellen. Als Referenz diente Asphaltmischgut mit 100 M.-% neuen Baustoffen. Die Prüfverfahren deckten dabei die relevanten Asphalteigenschaften Widerstand gegen Verformung bei hohen Temperaturen, gegen Risse bei tiefen Temperaturen und Ermüdung ab.

Da neben der Eignung des Ausbauasphaltes das Zugabeverfahren einen wesentlichen Einfluss sowohl auf die Homogenität als auch auf die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Asphaltschichten haben könnte, war es erforderlich, zwei unterschiedliche Mischgutherstellungsverfahren in das Untersuchungsprogramm einzubeziehen. Daher erfolgte die Produktion der Asphaltmischgutvarianten großtechnisch in einem stationären Mischwerk, das sowohl eine Kalt- als auch eine Warmzugabe per Paralleltrommel erlaubte.

Als zuzugebender Ausbauasphalt wurde eindeutig definierter Fräsasphalt zugegeben. Die Untersuchungen wurden an folgenden Mischgutvarianten durchgeführt: Mischgutvarianten Asphaltbeton 0/11 mm mit Bitumen B 65 (BDS)

• Variante BDS 1 mit 20 M.-% Ausbauasphalt, nicht vorgewärmt („kalt“)
• Variante BDS 2 mit 100 M.-% neuen Baustoffen, kein Ausbauasphalt („ohne“)
• Variante BDS 3 mit 20 M.-% Ausbauasphalt, vorgewärmt („warm“) Mischgutvarianten Asphaltbinder 0/16 mm mit Bitumen B 65 (BBS)
• Variante BBS 1 mit 25 M.-% Ausbauasphalt, nicht vorgewärmt („kalt“)
• Variante BBS 2 mit 100 M.-% neuen Baustoffen („ohne“)
• Variante BBS 3 mit 25 M.-% Ausbauasphalt, vorgewärmt („warm“).

Die Untersuchung der Homogenität der Mischgutvarianten an Ausbaustücken erfolgte nach optischen Kriterien makroskopisch an Schnittflächen und mikroskopisch an angefertigten Dünnschliffen.

Ebenfalls erfolgten Asphalt- und Bitumenuntersuchungen für jede Mischgutvariante.

Zur Prüfung des mechanischen Gebrauchsverhaltens („Performance“) im Labor sah das Untersuchungsprogramm folgende Prüfungen bzw. Prüfverfahren anhand von praxisgerechten Prüfkörpern aus einer Versuchsstrecke mit sechs Testfeldern für jede Mischgutvariante vor:

• Verformungseigenschaften – Druck-Schwellversuche an Bohrkernen des Durchmessers 100 mm bei einer Prüftemperatur von +45 °C
• Ermüdungseigenschaften – Dynamische 4-Punkt-Biegeversuche an Prismen mit der Abmessung 80 x 40 x 300 mm bei einer Prüftemperatur von +20 °C
• Kälteeigenschaften – Zugversuche an Prismen mit der Abmessung 60 x 40 x 160 mm bei +20 °C, 0 °C, -5 °C, -10 °C, -20 °C, -25 °C und -30 °C sowie Abkühlversuche von +20 °C bis -32 °C mit einer konstanten Abkühlrate von -10 K/h.

Die Mischgutherstellung erfolgte einerseits durch Kaltzugabe in Verbindungen mit Erhöhung der Temperatur der neuen Gesteine und andererseits mittels Warmzugabe in einer Paralleltrommel, Details können der Tabelle 1 entnommen werden.

Tabelle 1: Ausgewählte Randbedingungen bei der Herstellung der Mischgutvarianten

Die Ergebnisse der Asphalt- und Bitumenanalyse entsprechen überwiegend den Vorgaben der Eignungsprüfungen, die fertigen Deckschichten weisen im Mittel Hohlraumgehalte von ca. 2 Vol.-%, die Asphaltbinderschichten von ca. 6 Vol.-% auf.

2.2 Erkenntnisse aus den Gesamtuntersuchungen und Fazit

Zusammenfassend wurde Folgendes für den Ausgangszustand im Jahr 1989 festgehalten [1]:

• „Die Wiederverwendung von Ausbauasphalt in höherwertigen Asphaltschichten wie Binder- und Deckschichten in der hier angewandten Form (Kaltzugabe in Verbindungen mit Erhöhung der Temperatur der neuen Mineralstoffe oder Warmzugabe mittels Paralleltrommel) ist bis zu den untersuchten Prozentsätzen (25 M.-% für Binderschichten, 20 M.-% für Deckschichten) grundsätzlich möglich.
• Der (...) maximal zulässige Anteil an Ausbauasphalt hängt sehr stark von der Homogenität des wiederzuverwendenden Ausbauasphaltes ab. (...)
• Unter den Randbedingungen des vorliegenden Forschungsvorhabens waren keine Vorteile durch Verwendung einer Paralleltrommel zur Vorerwärmung eines Ausbauasphaltes zu erkennen. Es wurde nämlich festgestellt, dass sich durch die Kaltzugabe – in Verbindung mit Erhöhung der Temperatur der neuen Mineralstoffe – Asphalte mit (statistisch) vergleichbaren mechanischen Eigenschaften und vergleichbarer Homogenität zu den Asphalten aus ausschließlich neuen Baustoffen herstellen lassen. (...)
• Die Zugabe von Ausbauasphalt in Asphaltdeck- und Binderschichten hat in der im Rahmen des vorliegenden Forschungsauftrages ausgeführten Form (Kalt- bzw. Warmzugabe) keine praxisrelevanten Auswirkungen auf das mechanische Verhalten der untersuchten Deckund Binderschichten.“ 

3 Felduntersuchungen 2008 [2]

Zur Untersuchung des Langzeitverhaltens der eingesetzten Asphaltvarianten konnten 19 Jahre später Felduntersuchungen durchgeführt und zur Überprüfung der Materialeigenschaften bzw. zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens auch Bohrkerne entnommen werden [2]. Die Bohrkernentnahme erfolgte dabei in Analogie zum Vorgehen 1991. Eine Fotodokumentation der Oberfläche zum Zeitpunkt der Erstellung der Versuchsstrecke liegt zum Vergleich nicht vor.

Im Jahr 2008 zeigte sich für die Untersuchungsfelder der Asphaltdeckschicht eine, auch für die bereits große Liegedauer, insgesamt wenig auffällige und homogene Oberfläche in allen Untersuchungsfeldern (Bild 1).

Auch für die Untersuchungsfelder der Asphaltbinderschicht mit einer Standarddeckschicht aus Asphaltbeton zeigt sich für BBS 2 ebenfalls eine insgesamt wenig auffällige und homogene Oberfläche. Im Untersuchungsbereich BBS 1 liegen einzelne ungleichmäßige, vergossene Risse und Flickstellen im Randbereich der Fahrbahn vor. Bei BBS 3 sind vergossene Risse neben der Rollspur und kleinere Risse in Querrichtung Flickstellen im Randbereich der Fahrbahn zu erkennen. Diese Risse können aufgrund der (Mischgut-)Untersuchungen nicht der Deckschicht zugeschrieben werden. Es ist eher anzunehmen, dass eine mangelnde Tragfähigkeit im Randbereich der Konstruktion ursächlich war. Untersuchungen hierzu oder eine Schadensanalytik waren im Rahmen dieses Projektes leider aufgrund der zeitlichen Randbedingungen für die Probenahme in situ nicht möglich.

Die in allen Untersuchungsbereichen entnommenen Bohrkerne weisen vollen Schichtenverbund auf. Es wurden keine Materialverluste, Abbrüche oder Bindemittelanreicherungen in den relevanten Schichten oder auch in den weiteren Schichten festgestellt. Alle Bohrkerne sind insgesamt als visuell nicht auffällig zu bezeichnen.

Bild 1: Ansicht der Oberflächen der drei Versuchsfelder BDS 1 bis BDS 3 mit Asphaltbeton von links nach rechts [2] 

4 Laboruntersuchungen und Gegenüberstellung der Ergebnisse von 1989 und 2008

Die Untersuchung der mechanischen Kenngrößen und die Mischgutanalysen erfolgten entsprechend oder wenn nicht möglich in Anlehnung an die 1989 eingesetzten Prüfverfahren bzw. zugrundeliegenden Regelwerke/Vorgehensweisen.

Für alle Untersuchungsfelder zeigt sich eine große Übereinstimmung der Ergebnisse. Die Korngrößenverteilungen und Bindemittelgehalte liegen in einem engen Bereich, auch die Hohlraumgehalte bestätigen sich.

Für die Bindemitteleigenschaften liegen naturgemäß Unterschiede in den Eigenschaften zwischen den Untersuchungen im Jahr 1989 und 2008 vor.

So zeigt sich für die Asphaltdeckschicht lediglich eine Zunahme des Erweichungspunktes Ring und Kugel von bis zu +1 °C und eine Abnahme der Nadelpenetration zwischen -3 und -7 1/10mm. Diese geringen Veränderungen sind nicht erwartungsgemäß, können aber u. a. mit einem vergleichsweise sehr geringen Hohlraumgehalt in situ erklärt werden.

Für die Asphaltbinderschicht zeigt sich stärkere Zunahme des Erweichungspunktes Ring und Kugel von bis zu +5 °C und eine Abnahme der Nadelpenetration zwischen -8 und -16 1/10mm.

Bild 2: Bindemitteleigenschaften Ring und Kugel (RuK) sowie Nadelpenetration (NPen) der Deckschicht BDS 1 bis BDS 3 mit Asphaltbeton (links) und die Binderschicht BBS 1 bis 3 im Jahr 1989 und 2008

4.1 Verformungseigenschaften

Die Prüfung der Verformungseigenschaften bzw. des Verformungswiderstands erfolgte mit dem Druck-Schwellversuch. Dieser wurden damals und heute prinzipiell nach gleicher Vorgehensweise durchgeführt, die aktuell in der TP Asphalt-StB, Teil 25 B 1 beschrieben ist [3]. Lediglich der Standard für zwei Versuchsparameter, die Oberspannung (0,30 MPa) und die Prüftemperatur (45°C), war im Jahr 1989 noch geringfügig niedriger. Diese Parameter wurden aber auch für die Prüfungen im Jahr 2008 übernommen, so dass absolut gleiche Prüfbedingungen vorlagen.

Als Fazit der Untersuchungen wurde im Jahr 1989 festgehalten, dass die Verformungseigenschaften der Varianten der Deckschicht, wobei BDS 3 tendenziell schlechtere Eigenschaften aufweist, und der Binderschicht statistisch gleich sind.

Zusammenfassend lassen sich die Untersuchungen zu den Verformungseigenschaften damals und heute wie folgt zusammenfassen (Bild 3):

• Für die Deckschicht:
  Variante BDS 2 ohne Ausbauasphalt ist heute statistisch am schlechtesten, alle Varianten weisen heute einen verbesserten Verformungswiderstand auf.
  
  
• Für die Binderschicht:
  Alle Varianten sind heute und damals statistisch gleich, weisen heute aber einen deutlich verbesserten Verformungswiderstand auf.

Bild 3: Verformungseigenschaften im Druck-Schwellversuch der Deckschicht BDS 1 bis BDS 3 mit Asphaltbeton (links) und der Binderschicht BBS 1 bis 3 im Jahr 1989 und 2008

4.2 Kälteeigenschaften/-flexibilität

Die Prüfung der Kälteeigenschaften bzw. der Kälteflexibilität erfolgte mit dem Abkühlversuch. Dieser wurde damals und heute prinzipiell nach gleicher Vorgehensweise durchgeführt, die aktuell in der TP Asphalt-StB, Verhalten von Asphalten bei tiefen Temperaturen beschrieben ist [4]. Daher lagen absolut gleiche Prüfbedingungen vor.

Als Fazit der Untersuchungen wurde im Jahr 1989 festgehalten, dass die Kälteflexibilität der Varianten der Deckschicht und der Binderschicht statistisch gleich sind.

Als Ergebnis der Untersuchungen im Jahr 2008 auch im Vergleich mit den Ergebnissen von 1991 ergibt sich, dass die Kälteflexibilität der Varianten der

• Deckschicht heute und damals statistisch gleich sind, wobei die Varianten heute eine verschlechterte Kälteflexibilität aufweisen und der
• Binderschicht heute und damals statistisch gleich sind, wobei die Varianten heute eine deutlich verschlechterte Kälteflexibilität zeigen.

Bild 4: Kälteflexibilität im Abkühlversuch der Deckschicht BDS 1 bis BDS 3 mit Asphaltbeton (links) und der Binderschicht BBS 1 bis 3 im Jahr 1989 und 2008

4.3 Ermüdungseigenschaften

Die Prüfung der Ermüdungseigenschaften erfolgte 1989 mit einem 4-Punkt-Biegeversuch mit besonderer Versuchsregelung und Probekörperabmessungen. Diese Prüfung mit dem 4-Punkt-Biegebalken ist in den Folgejahren immer seltener zum Einsatz gekommen und quasi in Vergessenheit geraten. Daher lagen im Jahr 2008 auch keine Erfahrungen mit dem Prüfverfahren vor und es wurde das aktuell in Deutschland gängige und standardisierte Verfahren des Spaltzug-Schwellversuches nach AL Sp-Asphalt [5] für die Untersuchung der Ermüdungseigenschaften herangezogen. Daher ist ein direkter Vergleich der Ergebnisse der beiden Untersuchungskampagnen nicht möglich, wohl aber eine Einschätzung der Ermüdungseigenschaften zu den jeweiligen Untersuchungszeitpunkten zwischen den Mischgutvarianten.

Als Fazit der Untersuchungen wurde im Jahr 1989 festgehalten, dass die Ermüdungseigenschaften der Varianten der Deckschicht und der Binderschicht statistisch gleich sind.

Auch für die Untersuchungen 2008 im Spaltzug-Schwellversuch ergaben sich keine Auffälligkeiten bzw. deutliche Unterschiede in den Ergebnissen für die beiden – aufgrund fehlender Probemengen für alle Untersuchungen – letztendlich hier nur untersuchten Varianten BDS 1 und BDS 3. 

5 Erkenntnisse

Als Erkenntnisse der Untersuchungen der Jahre 1989 [1] und 2008 [2] kann festgehalten werden:

• Die Bindemitteleigenschaften der Deckschicht haben sich nur unwesentlich verändert, was unter anderem auf einen geringen Hohlraumgehalt der fertigen Schicht zurückführen lässt.
• Die Bindemitteleigenschaften der Binderschicht haben sich in geringem Maß versprödet und damit vergleichsweise stärker verändert.
• Das Erscheinungsbild der Asphaltdeckschicht aus den Untersuchungen ist nach 19 Jahren noch ohne besondere Auffälligkeiten, die Bohrkerne waren ebenso unauffällig.
• Es sind auch nach einer Liegedauer von 19 Jahren keine Unterschiede im mechanischen Verhalten für Varianten der beiden Schichten feststellbar. Erwartungsgemäß wird das Verformungsverhalten mit der Zeit besser, die Kälteflexibilität schlechter. Bei der Binderschicht ist dieses Verhalten – aufgrund der stärker geänderten Bindemitteleigenschaften – deutlicher ausgeprägt. Lediglich die Deckschichtvariante „ohne“ BDS 2 zeigt heute im Vergleich ein schlechteres Verformungsverhalten; diese Variante weist auch als einzige in situ leichte Verformungen auf, wohingegen bei den anderen Deckschichtvarianten keine Auffälligkeiten erkennbar sind.
• Auf Grundlage der hier durchgeführten Untersuchungen hat sich die Zugabe von 20 bzw. 25 M.-% Ausbauasphalt in der hier beschriebenen Form in den jeweiligen Schichten bewährt. Es sind keine Unterschiede für die in diesem Projekt durchgeführten Arten der Ausbauasphaltzugabe (warm/kalt, Aufbereitung der Baustoffe, Herstellung des Mischguts, Maschinentechnik unter anderem) nachweisbar.
• Performance Prüfungen können die Veränderung der Asphalteigenschaften beschreiben und sind erfolgreich seit vielen Jahren im Einsatz. 

Literaturverzeichnis

1 Hiersche, E. U.; Charif, K.; Dengiz, A.; Kössel, H.; Vassiliou, K.; Arand, W.; Hase, M.: Auswirkung der Wiederverwendung von Ausbauasphalt auf das Langzeitverhalten von Asphaltbinder- und Asphaltdeckschichten, Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AIF), Forschungsvorhaben Nr. 7900; Schlussbericht, Karlsruhe, 1991

2 Roos, R.; Karcher, C.: Auswirkung der Wiederverwendung von Ausbauasphalt auf das Langezeitverhalten von Asphaltbinder- und Asphaltdeckschichten, FGSV Nr. 1/2010, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Schlussbericht, Karlsruhe, 2012

3 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB), Teil 25 B 1: Einaxialer Druckschwellversuch – Bestimmung des Verformungsverhaltens von Walzasphalt bei Wärme, Ausgabe 2010, Köln, FGSV 756

4 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschrift für Asphalt im Straßenbau (TP A-StB), Teil: Verhalten von Asphalten bei tiefen Temperaturen, Ausgabe 1994, Köln, FGSV 756-1994

5 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Prüfverfahren für die Dimensionierung von Asphaltbefestigungen: Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphalten mit dem Spaltzug-Schwellversuch als Eingangsgröße für die Dimensionierung von Asphaltbefestigungen (AL Sp-Asphalt 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 430