Mehrfache Wiederverwendung von Asphalt
Multiple reuse of reclaimed asphalt pavement materials
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. M. P. Wistuba, Braunschweig
Im D-A-CH-Forschungsprojekt „Mehrfachrecycling im Straßenbau“ wurde die mehrfache Wiederverwendung von Ausbauasphalt im Labor simuliert. Die Untersuchungen erfolgten an zwei Asphaltmischgutsorten über drei Wiederverwendungszyklen, nämlich für ein Asphaltdeckschichtmischgut aus Splittmastixasphalt des Typs SMA 11 mit 50 % Zugabeanteil an Asphaltgranulat und für ein Asphaltbinderschichtmischgut aus Asphaltbeton des Typs AC B 16 mit 70 % Zugabeanteil. In jedem Wiederverwendungsschritt wurde das jeweils mit Asphaltgranulat und mit frischen Komponenten vermischte Asphaltmischgut im Ofen gealtert und das so erhaltene laborgealterte Asphaltmischgut als künstliches Asphaltgranulat für den nächsten Wiederverwendungsschritt verwendet. Dieser Zyklus wurde drei Mal wiederholt. Das Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren (BTSV) wurde im Projekt mehrfach zur rheologischen Charakterisierung des Bindemittels eingesetzt. Die BTSV-Kennwerte, also Äqui-Schermodultemperatur T(G*=15kPa) und zugehöriger Phasenwinkel δ@T(G*=15kPa) wurden als geeignet erkannt, einen Regenerator in Bezug auf seine rheologische Wirksamkeit und seine Dauerhaftigkeit bei mehrfacher Wiederverwendung des Asphalts zu beurteilen. So kann das bestgeeignete Regenerationsmittel in Art und Menge für einen spezifischen Anwendungszweck ausgewählt werden. Für die Dosierung des Zugabebindemittels, mit oder ohne Regenerator, wurde die BTSV-Temperatur als Zielwert definiert. Dieser ließ sich zuverlässig erreichen, wenn dazu auch die Alterung des Mischgutes bei der Herstellung berücksichtigt wurde. Die Dosierung war für jeden Schritt unterschiedlich. Aus den Laboruntersuchungen lässt sich schlussfolgern, dass eine mehrfache Wiederverwendung von Ausbauasphalt grundsätzlich möglich ist, sofern die alterungsbedingten Veränderungen im Bindemittel und die Wirkung der gewählten Maßnahmen zur Regeneration des Altbindemittels anhand von geeigneten Prüfmethoden systematisch überwacht werden. Im Projekt wurden dazu rheologische Prüfmethoden mit dem Dynamischen Scherrheometer erfolgreich angewandt, und es wurden keine Hinweise erhalten, die auf ein eingeschränktes Gebrauchsverhalten des regenerierten Asphaltmischguts hindeuten würden. Zusätzlich enthält der Schlussbericht neue Erkenntnisse und praktische Hinweise zum Management von Ausbauasphalt und ein ausführliches Kapitel zur themenrelevanten internationalen Literatur. Ergänzend zu diesem Schlussbericht entstand als eigenständiges Dokument ein Leitfaden für die Praxis zur Einstellung des Zielbindemittels bei der Wiederverwendung von Asphaltgranulat, der auch Anwendungsbeispiele und Hinweise zur rheologischen Charakterisierung von Bitumen und Mastix mittels Dynamischem Scherrheometer enthält. Als Fazit ist aus diesem Projekt festzuhalten, dass die Untersuchungsergebnisse im Labor keinerlei Hinweis darauf geben, dass eine mehrfache Wiederverwendung von Asphalt nicht zuverlässig gelingen sollte. Es werden im Resultat eindeutige Trends aufgezeigt, die als wichtiger Ausgangspunkt für weitere Forschung dienen und auf breiterer Basis analysiert werden müssen. Die Einbeziehung von Pilotstrecken wird dringend empfohlen.
In a cooperative research project between the states Germany, Switzerland and Austria, the multiple reuse of reclaimed asphalt pavement materials was simulated in the laboratory. The investigations were carried out on two types of asphalt mixtures over three cycles of reuse, namely for an asphalt surface layer mixture made of stone mastic asphalt of the type SMA 11 with 50 % added reclaimed asphalt material and for an asphalt binder course mixture made from asphalt concrete of the type AC B 16 with 70 % added reclaimed asphalt material. In each reuse step, the asphalt mixture made with reclaimed asphalt material and fresh components was aged in the oven and the resulting laboratory-aged asphalt mixture was used as artificial asphalt material for the next reuse step. This cycle was repeated three times. The Binder Fast Characterization Test (BTSV) was used for the rheological characterization of the binder. The BTSV parameters, i.e. equishear modulus temperature T(G*=15kPa) and the associated phase angle δ@T(G*=15kPa), were recognized as suitable to judge the effectiveness and the durability of the regenerative agent when the asphalt material is reused several times. In this way, the most suitable type and quantity of regenerative agent can be selected for a specific application. The BTSV temperature was defined as the target value for the dosage of the added binder, with or without a regenerative agent. This could be achieved reliably if the aging of the mix was also taken into account during production. The dosage was different for each step. From the laboratory studies it can be concluded that multiple reuse of reclaimed asphalt material is fundamentally possible, provided that the aging-related changes in the binder and the effect of the measures chosen to regenerate the old binder are systematically monitored using suitable test methods. In the project, rheological testing methods with the Dynamic Shear Rheometer were successfully used, and no evidence was obtained that would indicate limited usage behavior of the regenerated asphalt mixture. In addition, the final report contains new findings and practical advice on the management of reclaimed asphalt and a detailed chapter on the international literature relevant to the topic. In addition to this final report, a practical guideline for setting the target binder when reusing reclaimed asphalt materials was created as an independent document, which also contains application examples and information on the rheological characterization of bitumen and mastic using a Dynamic Shear Rheometer. The conclusion to be drawn from this project is that the laboratory test results give no indication that multiple reuse of reclaimed asphalt material cannot be reliably achieved. The result shows clear trends that serve as an important starting point for further research and need to be analyzed on a broader basis. The inclusion of pilot road studies is recommended.
doi.org/10.53184/STA4-2024-1
Umweltproduktdeklarationen von Asphaltmischgut – Vorgehensweise und Herausforderungen für eine branchenweite Umsetzung
Environmental product declarations of asphalt mixtures – Approach and challenges for an industry-wide implementation
Dr.-Ing. N. Héctor Carreño Gómez; Dr.-Ing. K. Johannsen, Bottrop
Hon.-Prof. Dr.-Ing. U. Zander, Bergisch Gladbache
Bei der Diskussion über ökologische Nachhaltigkeit in der Straßenbauindustrie tauchen oft Themen wie Temperaturreduktion, Wiederverwendung von Asphalt und der Einsatz von biobasiertem Bitumen oder Additiven auf. Obwohl diese Maßnahmen sicherlich dazu beitragen können, die Umweltauswirkungen von Asphaltmischungen zu mindern, ist die zuverlässigste Methode, um ihre Wirksamkeit zu bewerten, eine umfassende Ökobilanz. Eine Ökobilanz berücksichtigt den gesamten Lebenszyklus eines Produkts, umfasst alle Materialien und Prozesse, die an seiner Herstellung beteiligt sind, einschließlich dessen, was nach dem Ende seiner Lebensdauer geschieht. Darüber hinaus konzentrieren sich Ökobilanzen nicht ausschließlich auf CO2-Äquivalentemissionen; sie quantifizieren auch andere Umweltauswirkungskategorien wie den Verbrauch von Primärressourcen, Wasserverbrauch und Landnutzung, unter anderem. Ökobilanzen ermöglichen die Erstellung von Umweltproduktdeklarationen (EPDs), die von Dritten überprüft werden und Transparenz und Vergleichbarkeit bieten, wenn verschiedene Baumaterialien und Lösungen bewertet werden. Dieser Artikel skizziert den Schritt-für-Schritt-Prozess zur Durchführung einer Ökobilanz, hebt wichtige Herausforderungen hervor und schlägt potenzielle Lösungen für eine branchenweite Umsetzung vor.
When discussing environmental sustainability in the road construction industry, topics like temperature reduction, reclaimed asphalt utilization, and the use of bio-based bitumen or additives often arise. While these measures can certainly mitigate the environmental impact of asphalt mixtures, the most reliable method to assess their effectiveness is through a comprehensive life cycle assessment (LCA). An LCA examines the entire lifecycle of a product, encompassing all materials and processes involved in its production, including what happens after it has fulfilled its service life. Moreover, LCAs don't solely focus on CO2 equivalent emissions; they also quantify other environmental impact categories such as primary resource utilization, water consumption, and land use, among others. LCAs facilitate the creation of third-party verified environmental product declarations (EPDs), which provide a transparency and comparability when evaluating different construction materials and solutions. This article outlines the step-by-step process of conducting an LCA, highlighting key challenges and proposing potential solutions for an industry-wide implementation.
doi.org/10.53184/STA4-2024-2
Asphalteigenschaften im Licht des Klimawandels
Asphalt properties in the light of climate change
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. K. Schellenberg, Rottweil
Asphalt als Gemisch aus Gesteinskörnungen, Füller und Bitumen, auch modifiziert, ist ein thermoplastischer Baustoff, der bei höheren Temperaturen zu stärkeren Verformungen neigt, die im Asphaltstraßenbau in Form von Spurrinnen nicht akzeptiert werden können, weil neben dem Fahrkomfort deutliche Risiken bezogen auf die Fahrsicherheit in Form von Aquaplaning bestehen. Asphalt, nach dem jetzigen Stand der Technik hergestellt, ist ausgereift und in der Lage, sich den derzeitigen klimatischen Bedingungen zu stellen. Auch bei hohen Verkehrsbelastungen werden, bei Einhaltung der Vorschriften und bei hohen Temperaturen im Sommer, die erforderlichen Ebenheiten für einen sicheren Verkehrsablauf eingehalten. Wenn aber zukünftig, im Rahmen der Erderwärmung, mit noch höheren Lufttemperaturen und Asphalttemperaturen über 80 °C zu rechnen ist, sind zusätzliche Maßnahmen zu treffen. Auf der Hand liegt es, wie bekannt, die Viskositäten des Asphalts durch Verwendung härterer Bindemittel zu erhöhen. Da in unseren Breitengraden aber nicht nur mit höheren Temperaturen im Sommer, wegen des Klimawandels, gerechnet werden muss, sondern im Winter wegen Kältespannungen auch Rissbildungen des Asphalts auftreten können, darf das zur Verwendung kommende, hermoplastische Bindemittel nicht zu hart sein. Man befindet sich in einem Dilemma, das gelöst werden kann. Man muss somit Asphalte herstellen, die in der Kälte zur Vermeidung von Rissen eine möglichst niedrige Viskosität und demzufolge ein größeres Dehnvermögen aufweisen. Kältespannungen werden durch Dehnungen rissfrei abgebaut. Insoweit ist auch die in der Literatur beschriebene Notwendigkeit einer hohen Zugfestigkeitsreserve des Asphalts in der Kälte obsolet, weil es bei niedrigen Asphalttemperaturen nicht um hohe Spannungsreserven, sondern um hohe Dehnungsreserven geht. Was das Verhalten des Asphalts bei hohen Temperaturen betrifft, sollten die Viskositäten möglichst hoch sein, um Verformungen (Spurrinnen) zu vermeiden. Relativ niedrige Viskositäten in der Kälte und gleichzeitig möglichst hohe Viskositäten in der Wärme, geht dies? Voraussetzung dazu ist die Verwendung eines modifizierten Bindemittels, das eine möglichst geringe Temperaturempfindlichkeit aufweist. Wie kann man die Viskositäten bei unterschiedlichen Temperaturen am Bindemittel, an der Asphaltmastix im Asphalt und am Asphalt selbst messen? Dazu wurden Zug-Retardationsversuche in einem Forschungsvorhaben [1] entwickelt, die als Prüfverfahren in dem W2-Wissensdokument der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen als AP ReVis 2018 veröffentlicht wurden [2]. Im Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg Rottweil GmbH wurden die ReVis-Versuchsbedingungen noch auf die Prüfung von Gussasphalt und Walzasphalt erweitert, sodass es nun möglich ist, alle Einflüsse auf die mechanischen Asphalteigenschaften mit demselben Prüfverfahren, bei allen relevanten Temperaturen im Plus- und Minusbereich, zu erfassen und auszuwerten. Bei den Zug-Retardationsversuchen nach dem System ReVis werden die Viskositäten in der absoluten Dimension mPa·s ermittelt. Bei Einhaltung der Versuchsbedingungen, insbesondere der Anpassung der vorgeschriebenen Prüfspannungen an die Prüfungstemperaturen, werden die Bedingungen des Hooke'schen Gesetzes eingehalten. Es stellen sich dann immer Regressionsgeraden ein, wenn man die ermittelten Viskositäten logarithmisch auf die Prüfungstemperaturen bezieht. Die Regressionsgeraden der Viskositäten versus Temperatur verlaufen sehr präzise, weil die Viskositäten am Bindemittel mit Bestimmtheitsmaßen nicht unter 99,9 % ermittelt werden. Der Verlauf der Regressionsgeraden der Viskosität zeigt, dass Viskositäten, bei tiefen Temperaturen ermittelt, direkt auf die Viskositäten bei hohen Temperaturen schließen lassen und umgekehrt. Da auch bei konventionellen Prüfungen am Asphalt z. B. bei Abkühlversuchen mit Werten unter –20 °C und auch bei Druck-Schwellversuchen bei einer Prüftemperatur von +50 °C die absoluten Viskositäten unmittelbar die Ergebnisse bestimmen, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Regressionsgeraden nach Höhenlage und Steigung im ReVis-Verfahren und den Ergebnissen der konventionellen Prüfungen sowohl in der Wärme als auch bei tiefen Temperaturen. Bezogen auf den Klimawandel kommt es deshalb darauf an, modifizierte Bindemittel für die Asphaltherstellung zu verwenden, die eine möglichst flach verlaufende Regressionsgerade der Viskosität über der Temperatur aufweisen, quasi als „Mehrbereichsbindemittel“, die es heute schon auf dem Markt – ohne Aufpreis – gibt. Die plastischen und elastischen Eigenschaften des verwendeten „Mehrbereichsbindemittels“ bestimmen direkt die viskosen Eigenschaften des damit hergestellten „Mehrbereichsasphalts“. Der bindemittelbedingte flache Verlauf der Regressionsgeraden über der Temperatur wird durch die Menge an Füller entscheidend zu höheren Viskositäten hin verschoben. Beim Gussasphalt mit Füllermengen von ca. 25 M.-% und dem Asphaltmastix mit ca. 3,5 Teilen Füller und 1 Teil Bindemittel bestimmt die Mastixviskosität direkt das mechanische Verhalten. Zwischen der Viskosität des Gussasphalts und den Ergebnissen des dynamischen Stempeleindringversuchs besteht ein hoch gesicherter Zusammenhang. Die Füllermenge hat auf die Höhenlage der Regressionsgeraden einen deutlich höheren Einfluss als die Füllerart. Bei der Prüfung der Viskosität von Walzasphalt sind, neben der deutlichen Erhöhung der Viskosität durch die Füllermenge, auch die durch die Asphaltkonzeption und Verdichtung bedingten Hohlräume für die Höhenlage der Regressionsgeraden ausschlaggebend. Der Viskosität der Mastixmasse kommt auch bei Walzasphalt eine besondere Bedeutung zu, weil durch eine gezielte Erhöhung der Mastixviskosität im Asphalt niedrigere Hohlraumgehalte und damit wasserdichte Walzasphalte erreicht werden können, die bei Hohlraumgehalten unter 3 Vol.-% auch bei hohen Temperaturen verformungsstabil sind.
Asphalt, as a mixture of aggregates, filler and bitumen, also modified, is a thermoplastic construction material that is susceptible to significant deformation at high temperatures. This deformation in the form of rutting in asphalt road paving is unacceptable because, besides having an impact on driving comfort, it leads to roadway safety hazards, such as aquaplanning. When manufactured according to current state-of-the-art, asphalt is highly advanced and able to withstand today’s climatic conditions. If regulations are observed, even under high traffic loads and at the high temperatures that prevail in summer, it is possible to meet the evenness requirements to ensure a safe flow of road traffic. However, if even higher ambient temperatures and asphalt temperatures above 80°C are to be expected in the future as a result of global warming, additional measures will have to be adopted. The obvious step, of course, is to increase the viscosity of the asphalt by using harder binders. Since, however, in our latitudes we not only have to expect higher temperatures in summer due to climate change, but also cracking of the asphalt in winter due to cold stresses, the thermoplastic binder used should not be too hard - a dilemma that can be solved. The solution is to produce asphalts with the lowest possible viscosity in cold conditions to avoid cracking, and which consequently exhibit greater ductility. Cold stresses are reduced without cracking by means of elongation. The need for high tensile strength reserves in the asphalt, as described in literature, is therefore obsolete because at low asphalt temperatures it is not a question of high stress reserves but rather high elongation reserves being required. With regard to the behaviour of asphalt at high temperatures, viscosities should be as high as possible in order to avoid deformations (rutting). Relatively low viscosities in cold conditions and at the same time maximum possible viscosities in warm conditions, is that possible? It is possible, provided a modified binder is used with the lowest possible sensitivity to temperature. How can viscositites at different temperatures be measured on the binder, on the asphalt mastic in the asphalt and on the asphalt itself? To this end, tensile retardation tests were developed in a research project (1) which were then published as a testing method in the W2-Wissensdokument der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Knowledge document of the second category of the German Road and Transportation Research Association) as AP ReVis 2018 (2). At the Materials Testing Institute Dr. Schellenberg Rottweil GmbH the ReVis test conditions were further expanded to cover the testing of mastic asphalt and rolled asphalt, making it possible to identify and evaluate all influences on the mechanical asphalt properties by using the same test method, at all relevant temperatures in the plus and minus range. In the tensile retardation tests according to the ReVis system, the viscosities are determined in absolute MPa·s units. If the test conditions are observed, especially the adaptation of the specified test stresses to the test temperatures, then the conditions of Hooke’s law are met. Regression lines are then always formed if the determined viscosities are related logarithmically to the test temperatures. The regression lines of the viscosities versus temperature are very precise because the viscosities in the binder are determined with accuracy levels of no less than 99.9%. The progression of the viscosity regression line shows that viscosities determined at low temperatures are directly indicative of viscosities at high temperatures and vice versa. Since the absolute viscosities directly determine the results, also in conventional tests on asphalt, e.g. in cooling tests with values below -20°C as well as in cyclic compression tests at a test temperature of +50°C, there is a direct correlation between the progression of the regression lines according to height and slope in the ReVis method and the results of the conventional tests, both under heat and at low temperatures. With regard to climate change, it is therefore important to use modified binders for the asphalt production which exhibit a regression line of viscosity over temperature that is as flat as possible - i.e. “multi-grade binders” which are already available on the market – and at no extra cost. The plastic and elastic properties of the used “multi-grade binder” will then directly determine the viscous properties of the “multi-grade asphalt” produced. The binder-related flat progression of the regression line over the temperature is decisively shifted towards higher viscosities as a function of the amount of filler. In the case of mastic asphalt with filler quantities of approx. 25 m-% and asphalt mastic with approx. 3.5 parts filler and 1 part binder, the mastic viscosity directly determines the mechanical behaviour. There is a highly reliable correlation between the viscosity of mastic asphalt and the results of the dynamic indentation test. The filler quantity has a significantly greater influence on the height of the regression lines than the filler type. When testing the viscosity of rolled asphalt, besides the significant increase in viscosity due to the filler quantity, the voids also have a decisive influence on the height of the regression lines, as a function of the asphalt concept and compaction. The viscosity of the mastic mass is also a significant factor in rolled asphalt, due to the fact that a targeted increase in mastic viscosity in the asphalt can result in lower voids content and consequently waterproof rolled asphalts which, with a voids content of less than 3 vol %, are resistant to deformation even at high temperatures.
doi.org/10.53184/STA4-2024-3
Die neue Fassung der RStO
The new version of the RStO
Dr.-Ing. D. Jansen, Bergisch Gladbach
Im Jahr 2022 hat der neu gegründete FGSV-Arbeitskreis 4.5.5 „Überarbeitung RStO“ die Aufgabe erhalten, die RStO, Ausgabe 2012, zu überarbeiten. Gründe für den Überarbeitungsbedarf sind das Vorliegen neuer Erkenntnisse aus der Praxis, Wissenschaft und Forschung sowie neue Anforderungen, die sich z. B. aus den durch den Klimawandel geänderten Randbedingungen und den Ansprüchen nachhaltigen Handelns ergeben. Die Überarbeitung erfolgt zweistufig. Die erste Überarbeitungsstufe hat zum Ziel, redaktionelle und fachliche Fehler und Unklarheiten zu beseitigen sowie die Kongruenz zu anderen zwischenzeitlich aktualisierten Regelwerken wiederherzustellen. Die zweite Überarbeitungsstufe soll hingegen grundlegender sein. Die erste Überarbeitungsstufe wurde nun abgeschlossen und mündete in der neuen Fassung 2024 der RStO 12. Die vorgenommenen Änderungen werden hiermit zusammenfassend vorgestellt.
In 2022, the newly founded FGSV working group 4.5.5 was given the task of revising the 2012 edition of the RStO. The reasons for the need for revision are the availability of new findings from practice, science and research as well as new requirements resulting, for example, from the changed boundary conditions caused by climate change and the demands of sustainable behaviour. The revision will take place in two stages. The aim of the first revision stage is to eliminate editorial and technical errors and ambiguities and to restore congruence with other regulations that have been updated in the meantime. The second revision stage, on the other hand, is intended to be more fundamental. The first revision stage has now been completed and resulted in the new 2024 version of RStO 12. The changes made are summarised below.
doi.org/10.53184/STA4-2024-4