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Das mechanische Verhalten des Walzasphalts bei 60° C unter zyklischer Belastung

The mechanical behaviour of rolled asphalt under cyclic loading at 60 °C temperature

Dr.-Ing. G. Gajári, Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. F. Wellner, Univ. Prof. Dr.-Ing. habil I. Herle, Dresden

Das mechanische Verhalten granularer Stoffe ist heute weitgehend geklärt. Bei 60 °C verhält sich der
Walzasphalt als granularer Stoff. Die Hohlräume des Korngerüstes sind mit dem hochviskosen Bitumen gefüllt.
Das Ziel des Beitrages ist, zu zeigen, dass der Scherwiderstand unter zyklischer Belastung radikal fällt, wenn
der Bitumengehalt den optimalen Wert überschreitet. Nach Casagrande wird dieses Phänomen als „zyklische
Mobilität” bezeichnet (Kolymbas, 2007). Aus den vorgestellten Gesetzmäßigkeiten lassen sich wichtige
Gesichtspunkte für den Entwurf von Asphaltmischungen ableiten.

The mechanical behaviour of granular materials is well understood nowadays. At 60 °C temperature, rolled
asphalt behaves as a granular material. The voids of the soil skeleton are filled with highly viscous bitumen.
The aim of this treatise is to show that the shear resistance under cyclic loading drops radically, if the bitumen
content surpasses its optimum value. Following Casagrande, this phenomenon is termed ”cyclic mobility“
(Kolymbas, 2007). From physical principles, important conclusions can be drawn for the design of optimum
asphalt mixtures.

 

 

Einsatz von Rejuvenatoren bei der Wiederverwendung von Asphalt

Application of rejuvenators for re-use of asphalt

Prof. Dr.-Ing. M. Radenberg, Bochum

Die Wiederverwendung von Ausbauasphalten im gebundenen Straßenoberbau erfolgt in Deutschland
seit etwa vier Jahrzehnten. Die in Zukunft anfallenden Ausbauasphalte werden zunehmend bereits mit
Asphaltgranulat hergestellt worden sein, sodass mit zunehmenden Alterungsgraden der Bindemittel
zu rechnen ist. Die Wiederverwendung von Ausbauasphalt liegt seit annähernd 10 Jahren bei etwa 12
Mio. t [1]. Die Wiederverwendungsmenge lässt sich vermutlich nur noch geringfügig steigern, da die
Verwertungsquote bereits ca. 90 % beträgt. Entscheidender ist, die qualitative Einbindung der Ausbauasphalte
in die Wiederverwendungskonzepte zu verbessern. Hierzu sind insbesondere die Aktivierbarkeit und die
Homogenisierbarkeit der Bindemittel im Asphaltgranulat mit dem frischen Bindemittel genauer zu beachten. Ob
und wieweit eine solche Homogenisierung bei Zugabe von Rejuvenatoren (Verjüngungsmitteln) gegeben ist, oder
sich vielleicht noch verbessern lässt, ist zu hinterfragen. Zudem ist grundsätzlich die rheologische Wirkung der
Rejuvenatoren in Abhängigkeit vom Alterungsgrad der Bindemittel im Asphaltgranulat von Bedeutung. Mit dem
vom BMVI geförderten und von der BASt betreuten Projekt FE 07.0250/2011/LRB: „Einsatz von Rejuvenatoren
bei der Wiederverwendung von Asphalt“ wird eine materialbeschreibende Marktanalyse durchgeführt, mit
der die Stoffeigenschaften der angebotenen Rejuvenatoren vergleichend betrachtet werden. Im Rahmen des
Forschungsvorhabens wird neben der Wirksamkeit auch die Dauerhaftigkeit der „Verjüngung“ durch simulierte
Alterungsprozesse (Laboralterung) ermittelt. Nach der umfassenden Charakterisierung der Art und Dauer der
Wirkung der Rejuvenatoren wurde in Abhängigkeit von diesen Ergebnissen eine Auswahl für weitergehende
Asphaltuntersuchungen getroffen. Mit drei Produkten erfolgt eine umfassende Untersuchung der Auswirkungen
auf die Performance-orientierten Asphalteigenschaften. Hierzu werden derzeit Laboruntersuchungen und im
Anschluss daran Erprobungen im Rahmen von Straßenbaumaßnahmen durchgeführt, wissenschaftlich begleitet
und dokumentiert. Die hier vorliegende Veröffentlichung dokumentiert einen Zwischenstand der Untersuchungen
nach weitgehendem Abschluss der Bindemitteluntersuchungen. Diesem Bericht liegen Teile des im Auftrag des
Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen,
unter FE 07.0250/2011/LRB laufenden Forschungsvorhabens zugrunde. Die Verantwortung für den Inhalt liegt
allein beim Autor. Das Forschungsprojekt ist eine Kooperation zwischen der Ruhr-Universität Bochum, der
Technischen Universität Braunschweig und der Basalt AG.

Reclaimed asphalt is re-used in the bound upper road pavement in Germany since about four decades. Future
asphalt granulates will already be produced with asphalt granulate so that the progressive grade of ageing of
bitumen can be expected. Recycling of reclaimed asphalt is about 12 million tons since nearly 10 years [1]. This
amount could probably only be increased slightly, because the recycling rate is already approximately 90 %.
It is more decisive to improve the qualitative involvement of reclaimed asphalt in recycling concepts. Thereby,
especially possible activation and homogenization of the asphalt granulate’s bitumen with the new bitumen
have to be considered precisely. It has to be assessed whether and to what extent such a homogenization can
be realized or perhaps could still be improved by addition of rejuvenators. Moreover, the rheological effect of
rejuvenators in dependence of the ageing state of the bitumen is fundamentally of importance. Within the
framework of the research project FE 07.0250/2011/LRB “Application of rejuvenators for re-use of asphalt”,
being funded by BMVI and supervised by BASt, a market analysis, describing the material characteristics
of offered rejuvenators comparatively, is performed. Apart from the efficiency also the durability of the
rejuvenating effect is determined by simulated ageing processes (laboratory ageing). After a comprehensive
characterization of type and duration of the effect of rejuvenators a selection for further asphalt tests was
made according to these results. Extensive analysis of the impact of three products on performance-oriented
asphalt properties was carried out. For this purpose currently laboratory tests followed by road test trials are
performed, supported scientifically and documented. This publication documents an intermediate state of tests
after having mostly completed the bitumen tests. This report is based on parts of the research project carried
out at the request of the Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure (BMVI), represented by the
Federal Highway Research Institute (BASt), under research project No. 07.0250/2011/LRB. The author is solely
responsible for the content. The research project is a cooperation between the Ruhr-Universität Bochum, the
Technische Universität Braunschweig and the Basalt AG.

Performance-relevante Asphalteigenschaften als Grundlage für neue Vertragsbedingungen

Performance-related asphalt properties as the basis for new contract terms

Dr.-Ing. T. Wörner, München
Dr.-Ing. M. Hase, Pinneberg
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. R. Roos, Karlsruhe

Im Rahmen des FE 07.0253/2011/ERB mit dem Titel „Repräsentative Ermittlung der Performance-relevanten
Asphalteigenschaften als Grundlage neuer Vertragsbedingungen“ wurden im Auftrag der Bundesanstalt
für Straßenwesen (BASt) Performance-Kennwerte von Asphaltdeck-, -binder- und -tragschichten von 21
Versuchsstrecken ermittelt. Untersucht wurden jeweils sowohl Mischgutproben aus dem Labor als auch aus
dem Asphaltmischwerk sowie Bohrkerne. Die umfassende Auswertung und Analyse der Daten zeigten große
Spannweiten der Ergebnisse, die nur zum Teil durch Materialkenngrößen oder durch die Einbauqualität
erklärt werden können. Dennoch konnten aus den gewonnenen Daten zwei methodische Ansätze für die
Festlegung künftiger Vertragsbedingungen abgeleitet werden. Weitere Erkenntnisse lieferte die Berechnung
der Restnutzungsdauern, bei der sich zeigte, dass trotz Einhaltung der derzeit geltenden Anforderungen eine
Nutzungsdauer von 30 Jahren nicht zielsicher erreicht werden kann. Es erscheint zwingend notwendig, durch
die Untersuchung zusätzlicher Strecken den erstellten Bewertungshintergrund zu erweitern.

As part of the FE 07.0253/2011/ERB entitled ”Representative determining the performance-related asphalt
properties as the basis of new contract terms“ commissioned by the German Federal Highway Research Institute
(BASt) performance characteristics of asphalt surface-, asphalt binder- and asphalt base-courses of 21 test
sections were determined. Asphalt samples as asphalt mixtures from laboratory and from the asphalt plant
and cores were investigated. The comprehensive evaluation and analysis of the data showed large spans of the
results that can be explained only in part by material properties or by the installation quality. Nevertheless,
two methodological approaches for the definition of future contract terms could be derived from the data
obtained. Further findings yielded the calculation of the remaining period of use, when it was found that
despite compliance with the current requirements a useful life of 30 years could not be attained unerringly.
It seems imperative to expand the review background started by investigation of additional test sections.

Neue Regelwerke für alternative Asphaltbinderund Asphaltdeckschichtkonzepte

New Technical Guidelines for Alternative Asphalt Binder Courses and Asphalt Surface Courses

Dipl.-Ing. K. Gärtner, Regensburg

Die Anforderungen an unsere Straßen sind in den letzten Jahren durch das erhöhte Verkehrsaufkommen gestiegen. Themen wie Lärmminderung und Erhöhung der Dauerhaftigkeit unserer Straßenkonstruktionen
stehen dabei im Vordergrund. Aus diesem Grund wurden neue Asphaltbauweisen für Asphaltdeck- und Asphaltbinderschichten  entwickelt. Neben der lärmmindernden Straßenoberfläche ist die Dauerhaftigkeit der Asphaltkonstruktion von großer Bedeutung. Aufgrund der höheren Hohlraumgehalte der lärmtechnisch optimierten Asphaltdeckschichten kann Wasser auf die Unterlage der Asphaltdeckschicht gelangen, sodass der
Asphaltbinderschicht eine besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. Erfahrungen haben gezeigt, dass eine dichte, aber verformungsbeständige Asphaltbinderschicht benötigt wird. Daraufhin wurden alternative Konzepte für Asphaltbinder entwickelt und bereits erfolgreich angewendet. Der FGSV-Arbeitskreis 7.3.3 „Innovationen“ hat die Erfahrungen bei der Anwendung dieser neuen Asphaltbauweisen in dem im  Jahr 2014 veröffentlichten Regelwerk „Empfehlungen für die Planung und Ausführung von lärmtechnisch optimierten Asphaltdeckschichten aus AC D LOA und SMA LA“ (E LA D) und in dem 2015 erschienenen Wissensdokument „Hinweise für die Planung und Ausführung von alternativen Asphaltbinderschichten“ (H Al ABi) zusammengestellt. Darin sind Informationen für Planung, Anwendung, Asphaltmischgutkonzeption, Herstellung und Ausführung sowie Prüfung enthalten. Darüber hinaus werden Empfehlungen für die vertragliche Abwicklung gegeben. Mit dem Konzept der lärmtechnisch optimierten Asphaltdeckschicht und der alternativen Asphaltbinderschicht kann neben der Lärmminderung auch die Dauerhaftigkeit des Oberbaues erhöht werden.

The requirements on our roads have risen due to the increased traffic volumes in the recent years. Improvements to the durability and noise reduction of our roads have got a higher priority. For this reason, new asphalt
construction methods were designed for asphalt surface courses and asphalt binder courses to combine noise reduction and durability. The higher void content of the noise reducing pavements lead to an almost
permeable structure. As a result, special attention must be paid to the asphalt binder course. Experience has shown that a dense and at the same time deformation-resistant asphalt binder course is required. Alternative
concepts were developed and successfully applied. Based on the experiences using these new concepts the FGSV-working group 7.3.3 ”Innovation“ has published new technical guidelines in 2014 (E LA D – for noise
reducing asphalt surface courses AC D LOA and SMA LA) and in 2015 (H Al ABi – for alternative asphalt binder courses). These new technical guidelines include information for planning, application, asphalt mix design,
production and pavement operations plus quality checks. In addition, recommendations for implementing the construction contracts are provided. With the concept of noise reducing asphalt surface layers in combination
with the alternative asphalt binder courses there is finally a concept for both – noise reduction and durability.

Einsatz von Verjüngungsmitteln bei hohen Zugabeanteilen von Asphaltgranulat auf einer Erprobungsstrecke – Teil 2

Usage of rejuvenators when using high amounts of reclaimed aspalt pavement (RAP) in a testing road – part 2

Dipl.-Ing. A. Bartholomäus, Hannover
Dr.-Ing. R. Çetinkaya, Linz
Dipl.-Ing. C. Denck, Hamburg

Die Verwendung von hohen Anteilen an Asphaltgranulat wird maßgeblich begrenzt durch das gealterte
Bitumen im Ausbauasphalt. Erfahrungen in der Vergangenheit haben gezeigt, dass durch die Zugabe von
geeigneten Verjüngungsmitteln sehr hohe Zugabeanteile von Asphaltgranulat von bis zu „100 %“ erfolgreich
realisiert werden können (Maximalrecycling). Diese Leuchtturmprojekte haben zwar seitens der Fachwelt und
Politik große Aufmerksamkeit erzielt, werden aber auch zukünftig Ausnahmeprojekte bleiben. Die Zugabe-
Anteile von Ausbauasphalt liegen in Deutschland bereits auf einem sehr hohen Niveau. Die Aufgabenstellung
an die Asphaltbranche in der Zukunft wird in der Wiederverwendung von Asphaltgranulaten der zweiten
und dritten Generation mit stark gealterten bitumenhaltigen Bindemitteln liegen. Zielsetzung dabei ist die
Reaktivierung des Bitumens durch Zugabe von geeigneten Produkten, um die wertvollen Rohstoffe gemäß
Kreislaufwirtschaftsgesetz wieder höchstwertig einsetzen zu können. Auf dem Markt werden hierzu zahlreiche
Produkte angeboten, deren Wirkung und Dauerhaftigkeit jedoch bisher nicht ausreichend beleuchtet wurden.
Im Rahmen von Laboruntersuchungen der BASALT-ACTIEN-GESELLSCHAFT konnte die Wirksamkeit von
ausgewählten Verjüngungsmitteln nachgewiesen und anschließend in einer Erprobungsstrecke in Kooperation
mit dem Amt für Verkehr und Straßenwesen der Freien und Hansestadt Hamburg eingesetzt werden. Das
Asphaltmischgut hierfür wurde im Mischwerk Pinkertweg der DEUTAG Nord produziert. Nach einer Liegezeit
von 2,5 Jahren mit 3 Wintern weist der Demonstrator trotz hoher Verkehrsbelastungen bisher ein sehr gutes
Erscheinungsbild auf. In diesem zweiteiligen Beitrag werden zunächst die Untersuchungsergebnisse auf der
Laborebene und die großtechnische Realisierung vorgestellt. Im zweiten Teil werden die Untersuchungen an
den hergestellten Asphaltmischgütern und den eingebauten Schichten sowie eine abschließende Beurteilung
aufgezeigt.

The usage of high amounts of reclaimed asphalt pavement (RAP) is significantly restricted by the aged bitumen
in asphalt. Experiences in the past have shown that very high amounts of RAP up to 100 % (maximum
recycling) can be achieved through the usage of appropriate rejuvenators. These flagship projects attracted
indeed a high attention by experts and politicians, but presumably they will remain exceptional cases also
in the future. In Germany the added RAP rate is already on a very high level. In the future, the challenge for
German asphalt experts will be the usage of RAP in the second and third generation with highly aged and weak
bitumen. The goal will be the reactivation of the aged bitumen by using appropriate rejuvenator products. Thus,
according to the recycling management and waste law, the crude materials recycled in this way can be used
again as high quality bitumen. The market is offering many products for the rejuvenating of bitumen, but the
effectiveness and durability of the products are not sufficiently researched. A laboratory testing programme
of the BASALT-ACTIEN-GESELLSCHAFT showed the effectiveness of different rejuvenators. In cooperation with
the department of traffic and roads of the free and hanseatic city of Hamburg a testing road was realized. The
asphalt mixtures were produced at the asphalt plant named „Pinkertweg“ in Hamburg of DEUTAG North. After
2,5 years, 3 winters and a continuous very high traffic load, the trial road shows a very good appearance and
performance. In this two-parted article the laboratory research and the large-scaled realization is presented at
first. Afterwards, the research results of the produced asphalt mixtures and the built-in layers will be shown.
A summarized review will finish the second part of the article.