Ausbaustoffe aus Asphaltstraßen werden in Deutschland generell wiederverwertet: ca. 80 % des gefrästen Ausbauasphalts werden wieder in neuen Asphalten für Binder- und Tragschichten eingesetzt. Ein Wiedereinbau in neuen Deckschichten, also auf höchstem Wertschöpfungsniveau, ist sinnvoll und technisch möglich, wie dieser Beitrag zeigt. Er gibt zunächst einen zusammenfassenden Überblick zum Status quo der Asphaltwiederverwertung in Deutschland und stellt jene Untersuchungen an der TU Braunschweig vor, mit denen nachgewiesen wurde, dass Ausbauasphalt aus Offenporigen Asphaltdeckschichten – deren Zusammensetzung und Baustoffkomponenten hohen Anforderungen unterliegen und damit teurer in der Herstellung sind – erfolgreich in neuen Asphaltbinderschichten und in neuen Deckschichten aus Splittmastixasphalt wiederverwendet werden kann.

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1 Einleitung

In ganz Europa werden Ausbaustoffe aus Asphaltstraßen wiederverwertet. Die dazu notwendigen Technologien sind länderübergreifend bekannt. Zum Technologietransfer unter den europäischen Ländern haben vor allem die Forschungsinitiativen im gemeinsamen Rahmenprogramm der Europäischen Union – wie die Projekte ALT-MAT (Cordis, 1999) und SAMARIS (Fehrl, 2003) sowie die laufenden Projekte DIRECT-MAT und Re-Road – wesentlich beigetragen. Trotzdem weichen Wiederverwertungsraten und -strategien länderweise deutlich voneinander ab (Bild 1), was teils auf die unterschiedliche Verfügbarkeit von Ausbaustoffen, teils auf eine länderspezifische Bevorzugung bestimmter Technologien sowie auf gesetzliche Vorgaben zurückzuführen ist.

In Deutschland bildet das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) die gesetzliche Grundlage für die Wiederverwertung. Hier wird die Wiederverwertung von Ausbauasphalt in Form von (durch Fräsen gewonnenem) Asphaltgranulat im neuen Asphaltmischgut favorisiert. Die Wiederverwendung von Asphaltgranulat ist dabei ohne nennenswerten Qualitätsverlust möglich und seit vielen Jahren Stand der Technik (Arand & Renken, 1994; Leutner & Dröge, 2000; Renken & Lobach, 2004, 2006).

Die Wiederverwendungsrate ist in den vergangenen 20 Jahren von ca. 40 % auf über 80 % gestiegen. Dies wurde erreicht durch die stetige Weiterentwicklung der Technologien zur Gewinnung, Aufbereitung und Verarbeitung von Ausbauasphalt sowie durch die laufend aktualisierte Dokumentation der Erfahrungen im nationalen Regelwerk.

Der Stand der Technik und die Regelungen bezüglich der Gewinnung und Klassifizierung von Ausbauasphalt sowie der Asphaltmischgutherstellung unter Zugabe von Ausbauasphalt sind in den „Technischen Lieferbedingungen für Asphaltgranulat“ (TL AG-StB 09), „Technischen Lieferbedingungen für Asphaltmischgut für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen“ (TL Asphalt-StB 07) und in den „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt“ (ZTV Asphalt-StB 09) für den Straßenbau geregelt.

Für eine optimale Asphaltqualität müssen unter anderen eine sorgfältige Gewinnung (lagenweises „selektives“ Fräsen), die getrennte Lagerung des Ausbauasphalts und anlagentechnische Voraussetzungen gewährleistet sein. Beim Einmischen von Asphaltgranulat bei der Asphaltproduktion hat sich eine gesonderte Erwärmung des Asphaltgranulats in Paralleltrommeln bewährt, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung aller Einzelkomponenten und ein vollständiger Aufschluss des Asphaltgranulats im resultierenden Asphaltmischgut sichergestellt werden. Erst die separate Erwärmung ermöglicht höchste Zugabe-Mengen.

Bild 1: Anteile der Wiederverwertung von Ausbauasphalt im europäischen Vergleich (EAPA, 2007)

Die maximal mögliche Zugabe-Menge zur Herstellung von neuem Asphaltmischgut wird nach der Überprüfung der Gleichmäßigkeit des Asphaltgranulats gemäß den TL AG-StB 09 in Verbindung mit den TL Asphalt-StB 07 bestimmt – in Abhängigkeit der Spannweite bestimmter Merkmale wie Bindemittelgehalt und Erweichungspunkt Ring und Kugel. Für Asphalttragschichten bzw. Asphalttragdeckschichten sind heute Zugabe-Anteile von bis zu 100 M.-% zulässig. Heute wird Asphaltgranulat daher hauptsächlich in neuen Asphalten für Binder- und Tragschichten eingesetzt.

Für die oberen Schichten des Straßenaufbaus gilt zurzeit ein maximaler Zugabe-Anteil von 50 M.-%. Allerdings existieren manche Länderregelungen, in denen höhere maximale Zugabe-Anteile in Asphaltdeck- und Binderschichten zugelassen sind, um eine Weiterentwicklung hin zu höheren Zugabe-Raten zu forcieren. Dies ist technisch möglich, wie ein am Institut für Straßenwesen der Technischen Universität Braunschweig (ISBS) jüngst durchgeführtes Forschungsprojekt zeigt (Grönniger et al., 2009). Ausgewählte Untersuchungsergebnisse werden im Folgenden zusammenfassend vorgestellt.

2 Wiederverwendung von Fräsasphalt aus Offenporigen Asphaltdeckschichten

2.1 Ausgangssituation

Die für die Herstellung von Offenporigen Asphaltdeckschichten (PA) verwendeten Gesteine und Bindemittel unterliegen hohen Anforderungen und sind damit teuer in der Beschaffung. Daher ist ein möglichst hoher Wiederverwendungsanteil anzustreben. Erfahrungen mit der Wiederverwendung von Ausbauasphalt aus PA in Asphaltbinder und Splittmastixasphalt existierten bisher in Deutschland nicht

2.2  Untersuchungsprogramm

Im Rahmen eines am Institut für Straßenwesen der Technischen Universität Braunschweig (ISBS) durchgeführten Forschungsprojekts wurden die Auswirkungen der Granulat-Zugabe aus PA in Asphaltbinder- und Splittmastixasphalt auf die resultierenden Asphalteigenschaften systematisch untersucht. Fragen zu Frästiefe und Fräsgutqualität, zu den Eigenschaften des im Fräsgut enthaltenen Bitumens, zur möglichen Zugabe-Menge, zur Wahl der Sorte des frischen Zugabe-Bitumens, zum Einfluss von verhärtetem Bitumen auf das resultierende Bitumen, und zum Einfluss auf die mechanischen Asphalteigenschaften wurden behandelt.

2.2.1 Auswahl der Asphaltgranulate und der Zugabe-Bindemittel

Aus verschiedenen Straßen wurden Asphaltgranulate durch Fräsen gewonnen. Für die weiteren Untersuchungen wurden 5 Asphaltgranulate anhand der Korngrößenverteilung, des enthaltenen Bindemittelprodukts, des jeweiligen Herstellers, des Bindemittelgehalts (B) und des Verhärtungsgrades, charakterisiert durch den am zurückgewonnenen Bitumen ermittelten Erweichungspunkt Ring und Kugel (T_R&B) ausgewählt, sodass eine möglichst große Bandbreite an verschiedenartigen Asphaltgranulaten vorlag (Tabelle 1).

Tabelle 1: Eigenschaften der für die weiteren Untersuchungen ausgewählten Asphaltgranulate

Um möglichst praxisnah zu arbeiten, wurde unabhängig von der Härte des zugegebenen Asphaltgranulats immer das gleiche „frische“ Bindemittel für eine Asphaltart eingesetzt. Die entsprechende Nullvariante wurde mit einem höher viskosen frischen Bindemittel hergestellt. Die Tabelle 2 gibt einen Überblick über die verwendeten Zugabe-Bindemittel.

Tabelle 2: Zugabe-Bindemittel für die Herstellung von SMA 8 S und AB 16 B S

2.2.2        Asphaltsorten und Variationsumfang

Asphaltgranulat aus PA wurde Splittmastixasphalt-Varianten der Sorte SMA 8 S und Asphaltbinder-Varianten der Sorte AC 16 B S zugefügt. Dabei wurden variiert (Tabelle 3)

• die Art (Verhärtung) des Asphaltgranulats in fünf Stufen,
• die Zugabe-Menge (15 M.-% und 30 M.-%) und
• die Zugabe-Temperatur des Asphaltgranulats (20 °C zur Simulation einer Kaltzugabe und 100 °C zur Simulation einer Warmzugabe).

Zur Überprüfung des Einflusses der Viskosität des „frischen“ Bindemittels wurden zusätzlich bei der „härtesten“ Asphaltgranulat-Variante V4 (Tabelle 3) die Bindemittelsorte dreifach variiert durch Verwendung der Bindemittelsorten

– 10/40-65 A,

– 25/55-55 A und

– 120/200-40 A.

Insgesamt ergaben sich daraus 36 zu untersuchende Asphalt-Varianten unter Granulat-Zugabe und 2 Nullvarianten ohne Granulat-Zugabe (Tabelle 3).

Tabelle 3: Variationsumfang der Untersuchungen

Am zurückgewonnenen Bindemittel wurden konventionelle und rheologische Untersuchungen vorgenommen, darunter die Bestimmung des Kraftduktilität-Verlaufs und die Analytik mit dem dynamischen Scher-Rheometer (DSR) und dem Bending-Beam-Rheometer (BBR).

Alle Asphalt-Varianten wurden im Labor auf ihre asphaltmechanischen Eigenschaften und ihr Gebrauchsverhalten geprüft. Gebrauchsverhaltensorientierte Untersuchungen umfassten Prüfungen zu den

• Verformungseigenschaften,
• Ermüdungseigenschaften,
• Kälteeigenschaften und
• Hafteigenschaften.

Zur Auswertung der Einflüsse der Variationen (Asphaltgranulat-Härte, Zugabe-Anteil, Zugabe-Temperatur und Sorte des Zugabe-Bitumens) auf die resultierenden Asphalteigenschaften wurden als statistisches Prüfinstrumentarium multiple Varianzanalysen eingesetzt. Mit diesen wurden die Einflüsse von zwei und mehr Faktoren auf die Gesamtvariabilität einer bestimmten Merkmalsgröße (Asphalteigenschaft) und gleichzeitig die Wechselwirkungen zwischen den Faktoren quantitativ ermittelt.

2.3 Untersuchungsergebnisse

2.3.1 Einfluss der Viskosität des Zugabe-Bindemittels

Der Einfluss der Viskosität des Zugabe-Bindemittels auf die Viskosität des resultierenden Bindemittels ist im Bild 2 für die Verwendung des „harten“ Asphaltgranulats V4 (mit T_R&B 107 °C) beispielhaft dargestellt. Die Viskositätsveränderung ist anhand der am zurückgewonnenen Bindemittel festgestellten konventionellen Bindemittelkennwerte Penetration (Pen), Erweichungspunkt Ring und Kugel (T_R&B), Brechpunkt nach Fraaß (BP) und Elastische Rückstellung (El. R.) erkennbar. Zur Orientierung sind die für das Zugabe-Bindemittel zum Zeitpunkt der Untersuchungen geltenden Grenzwerte gemäß den TL PmB 01 und den ZTV Asphalt-StB 01 für zurückgewonnene Bindemittel eingezeichnet.

Die Viskosität des zugegebenen Zugabe-Bindemittels wirkt sich unmittelbar auf die Viskosität des resultierenden Bindemittels aus. Aus den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass als Zugabe-Bindemittel eine Bitumensorte gefunden werden kann, für die das resultierende Bindemittel vergleichbare Eigenschaften zur Nullvariante aufweist.

Bild 2: SMA 8 S mit 30 M.-% Asphaltgranulat der Variante V4 (mit T_R&B 107 °C): Veränderung der konventionellen Bindemittelkennwerte durch den Einfluss des Zugabe-Bindemittels

Bild 3: SMA 8 S mit 15 bzw. 30 M.-% Asphaltgranulat: Zusammenhang zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel (T_R&B) des Bindemittels im Asphaltgranulat und dem Erweichungspunkt Ring und Kugel (T_R&B) des resultierenden (zurückgewonnenen) Bindemittels

Bei zunehmend „harten“ Asphaltgranulaten steigt die Viskosität des resultierenden Bindemittels, die Penetration nimmt ab, der Erweichungspunkt zu. Dieser Einfluss verstärkt sich mit zunehmendem Anteil an zugegebenem Asphaltgranulat und ist daher bei 30 M.-% Granulat-Zugabe-Anteil stärker ausgeprägt (Bild 3).

2.3.2 Einfluss der Granulat-Zugabe auf die resultierenden Asphalteigenschaften

2.3.2.1 Verformungsverhalten

Das Verformungsverhalten der mit Asphaltgranulat modifizierten Asphalte wurde im Labor anhand der Spurbildungsprüfung (gemäß TP Asphalt-StB, Gummirad/Luftbad/60 °C) und des dynamischen Stempeleindringversuchs (200/80 mm, T = 50 °C) geprüft. Das Bild 4 zeigt beispielhaft für die Variante SMA 8 S mit Asphaltgranulat V4 (mit T_R&B 107 °C) den Einfluss der Viskosität des Zugabe-Bindemittels auf die resultierende Spurrinnentiefe.

Mit zunehmender Viskosität des Zugabe-Bindemittels nimmt die Spurrinnentiefe ab. Die Zugabe von hartem Asphaltgranulat wirkt sich vorteilhaft auf die Verformungsbeständigkeit aus.

Bild 4: SMA 8 S mit Asphaltgranulat der Variante V4 (mit T_R&B 107 °C): Einfluss der Viskosität des Zugabe-Bindemittels auf die in der Spurbildungsprüfung (gemäß TP A-22) festgestellte Spurrinnentiefe.

2.3.2.2 Kälteverhalten

Das Kälteverhalten der mit Asphaltgranulat modifizierten Asphalte wurde im Labor anhand von Abkühl- und einaxialen Zugversuchen bei 4 Temperaturen (+20 / +5 / -10 / -25 °C) geprüft. Alle erhaltenen Kennwerte – Bruchtemperatur, maximale Zugfestigkeitsreserve (Äßt) und zugehörige Temperatur – werden signifikant von der Viskosität des Zugabe-Bindemittels beeinflusst (Bild 5 für den Kennwert Bruchtemperatur).

Bild 5: Einfluss der Viskosität des Zugabe-Bindemittels auf die im Abkühlversuch festgestellte Bruchtemperatur

Niedrigviskose Bindemittel wirken sich im Allgemeinen auch bei einem hohen Granulat-Zugabe-Anteil vorteilhaft auf das Kälteverhalten durch eine Zunahme der Resistenz gegen Rissbildung bei Kälteeinwirkung aus. Vereinzelt festgestellte, nachteilige Auswirkungen konnten im Zuge der Untersuchungen durch ein „weicheres“ Zugabe-Bindemittel kompensiert werden, sodass mit den Nullvarianten vergleichbare Kälteeigenschaften erhalten wurden.

Nach der Sorte des Zugabe-Bindemittels hat der Zugabe-Anteil an Asphaltgranulat einen deutlichen Einfluss auf das Kälteverhalten. Mit zunehmendem Zugabe-Anteil bzw. Verhärtungsgrad ergeben sich nachteilige (höhere) Bruchtemperaturen.

2.3.2.3 Ermüdungsverhalten

Zur Prüfung des Ermüdungsverhaltens im Labor wurde der einaxiale Spaltzug-Schwellversuch an prismatischen Asphaltprobekörpern eingesetzt. Die Ermüdungsbeständigkeit wurde anhand der bis zum Bruchversagen aufgebrachten Lastwechsel (Bruchlastwechselzahl) beurteilt. Beispielhaft zeigt das Bild 6 die Bruchlastwechselzahlen für die Variante SMA 8 S und eine Prüftemperatur von -10 °C. Die Granulat-Zugabe wirkt sich hier vorteilhaft auf die Ermüdungsbeständigkeit aus.

Bild 6: S; MA 8 S: Einfluss der Härte und des Zugabe-Anteils des Asphaltgranulats auf die im einaxialen Spaltzug-Schwellversuch festgestellte Bruchlastwechselzahl

2.3.2.4 Wasserempfindlichkeit

Die Wasserempfindlichkeit (Haftverhalten) wurde im Labor an Asphaltprobekörpern anhand der Änderung der Spaltzugfestigkeit bei 15 °C nach Wasserlagerung geprüft (gemäß TP Asphalt-StB). Es zeigte sich, dass sich die Zugabe von Asphaltgranulat nicht ungünstig auf die Wasserempfindlichkeit auswirkte, unabhängig davon, ob der Anteil an Granulat-Zugabe, die Zugabe-Temperatur oder die Viskosität des Zugabe-Bindemittels variiert wurden.

3 Zusammenfassung

Im Rahmen eines Forschungsprojekts im Auftrag des Bundeministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung wurde am Institut für Straßenwesen der Technischen Universität Braunschweig (ISBS) die Möglichkeit der Zugabe von Fräsgut aus Offenporigen Asphaltdeckschichten – deren Zusammensetzung und Baustoffkomponenten hohen Anforderungen unterliegen und damit teuer in der Herstellung sind – in neue Asphaltbinderschichten und Deckschichten aus Splittmastixasphalt geprüft. Die Untersuchungsergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden:

Eine „Verschneidung“ des verhärteten Bindemittels im zugegebenen Asphaltgranulat mit „frischem“ Bindemittel wirkt sich nicht nachteilig auf die resultierenden Bindemitteleigenschaften im Vergleich zur Nullvariante (ohne Asphaltgranulat) aus.

Auch Asphaltgranulate, die stark gealterte (verhärtete) Bindemittel enthalten, können für die Asphaltherstellung von SMA 8 S und AC 16 B S verwendet werden, ohne entscheidend nachteilige Eigenschaften am resultierenden Bindemittel zu

Die Wahl des „frischen“ Zugabe-Bindemittels ist von Bedeutung, da dessen Viskosität signifikant Einfluss auf die resultierenden Asphalteigenschaften hat. Tendenziell wirken sich niedrigviskose Bindemittel vorteilhaft auf die Kälteeigenschaften, und in geringerem Maße nachteilig auf die Verformungseigenschaften aus. Die Viskosität des „frischen“ Bindemittels ist daher auf die Härte des Asphaltgranulats

Die Eigenschaften aller untersuchten Asphalte wurde durch die Zugabe von Asphaltgranulat aus Offenporigen Asphaltdeckschichten praktisch nicht nachteilig beeinflusst (Tabelle 4). (Partiell) verbessert wurden die Verdichtungs-, Verformungs-, Kälte- und Ermüdungseigenschaften. Das Haftverhalten war

Tabelle 4: Übersicht der qualitativen Einflüsse der Variationsstufen auf die Asphalteigenschaften

Eine Wiederverwendung von Asphaltgranulat aus Offenporigen Asphaltdeckschichten in Asphaltbinder- und SMA-Mischgut ist somit bei Beachtung einiger Randbedingungen ohne Qualitätseinbußen möglich. Die Zugabe zu SMA 8 S und AC 16 B S kann bis zu einem Anteil von 30 M.-% empfohlen werden, ohne dass dadurch eine nachteilige Veränderung der Gebrauchseigenschaften zu erwarten ist. Bei sehr hartem Asphaltgranulat in großen Mengenanteilen ist Vorsicht geboten. Es können sich nachteilige Ermüdungseigenschaften im Vergleich zur Nullvariante ergeben.

Weiterer Forschungsbedarf besteht in der Verifizierung des erkannten dominanten Einflusses des „frischen“ Zugabe-Bindemittels für unterschiedlich „harte“ Asphaltgranulate. Daraus ließen sich Empfehlungen für optimale Zugabe-Bindemittelsorten für bestimmte Kombinationen aus Granulat-Härte und Zugabe-Anteil gewinnen.

Des Weiteren ist die Frage zu klären, ob auch größere Asphaltgranulat-Zugabe-Anteile (> 30 M.-%) bei einer großtechnischen Herstellung realisiert werden können. Die Auswirkungen der in der Praxis variierenden, misch- und dosiertechnischen Randbedingungen auf die erreichbare Asphaltqualität sind bisher ungeklärt.

Danksagung

Dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und der Bundesanstalt für Straßenwesen wird für die Förderung des zugrundeliegenden Forschungsprojekts herzlich gedankt.

Literaturverzeichnis

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DIRECT-MAT – Dismantling and recycling techniques for road materials – sharing knowledge and practices; Bringing together best practice across Europe on the dismantling and recycling of road materials – Introductory article. Laufendes Forschungsprojekt im 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union, http://direct-mat.fehrl.org

Fehrl: Forum of European National Highway Research Laboratories. 2003. SAMARIS, Sustainable and Advanced Materials for Road Infrastructures. Schlussbericht, Forschungsprojekt im 5. Rahmenprogramm der Europäischen Union, http://samaris.zag.si/documents/sam_ge_de03.pdf

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Grönniger, J.; Renken, P.; Wistuba, M. 2009: Verwendung von Fräsasphalt aus Offenporigen Asphaltdeckschichten auf möglichst hohem Wertschöpfungsniveau. Schlussbericht, Forschungsprojekt im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, FE 07.0212/2006/CGB, Institut für Straßenwesen, Technische Universität Braunschweig

KrW-/AbfG, Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz. www.gesetze-im-internet.de/krw-_abfg/

Leutner, R.; Dröge, C. 2000: Ermittlung von Einsatzgrenzen für die Zugabe von Ausbauasphalt in Asphaltdeckschichten anhand von Erprobungsstrecken. Schlussbericht, Forschungsprojekt im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, FV 148104, Institut für Straßenwesen, Technische Universität Braunschweig

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