Microstructural analysis of asphalt mixtures containing recycled asphalt materials using digital image processing

Junior Professor Ph. D. Ph. D. M. Sc. M. Sc. L. A. C. Falchetto; Ph .D. M. Sc. B. Sc. K. H. Moon; J. Westerhoff, B. Sc.; 
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr .techn. M. P. Wistuba, Braunschweig

Seit vielen Jahren wird der Gebrauch verschiedener recycelbarer Materialien, wie beispielsweise Ausbauasphalt (Reclaimed Asphalt Pavement, RAP), im Straßenbau berücksichtigt. Im Rahmen dieser Untersuchung wird der Einfluss, den RAP auf die Mikrostruktur von Asphalt ausübt, geprüft. Dazu werden digitale Bilder von gescannten Biegebalkenrheometer (Bending Beam Rheometer, BBR) Probebalken ausgewertet (digital image processing, DIP). Detaillierte Informationen über die innere Mikrostruktur liefern rot-grün-blau (RGB) Bilder der Probebalken, basierend auf den drei Phasen des Materials (Gestein, Mastix und Luftporen). Im Anschluss werden numerische Berechnungen der räumlichen Korrelationsfunktionen durchgeführt und die jeweilige auto correction length (ACL) ermittelt, um den qualitativen Einfluss zu bestimmen, den die Zugabe von RAP auf die räumliche Verteilung der drei Phasen hat. Die mikrostrukturelle Verteilung des Gesteins, des Mastix und der Luftporen wurde nicht maßgebend durch eine Zugabe von bis zu 40 % RAP beeinflusst. Nichtsdestotrotz ist ein Anstieg der ACL-Werte für RAP-Asphalt im Vergleich zu konventionellem Asphalt erkennbar. Außerdem kann die vorgestellte DIP Analysemethode in der Praxis genutzt werden, um zu prüfen ob der Mischprozess die Mikrostruktur von Asphalt, hinsichtlich seines mechanischen Verhaltens negativ beeinflusst.

Over the past decades, the use of different types of recyclable materials in pavement construction such as Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) has been considered. In this paper, the effect of adding RAP on the microstructural properties of asphalt mixtures is investigated using digital image processing (DIP) of digitalized images acquired by scanning Bending Beam Rheometer (BBR) specimens made of asphalt mixture. Detailed information on the internal microstructure is obtained from Red Green and Blue (RGB) images of small BBR beams and based on three-phase material analysis (aggregate, asphalt mastic and air voids). The numerical estimations of the spatial correlation functions and of the corresponding auto correction length (ACL) are then performed to quantitatively determine the impact of the recycled material on spatial distribution of the three mixture phases. The microstructural distributions of aggregates, asphalt mastic, and air voids were not significantly affected by the addition of RAP up to 40 %. However, an increase in ACL was found for RAP mixtures in comparison with conventional mixtures. The proposed DIP analysis methodhas the potential of be ing used as a forensic quality control tool to verify if the mixing process affects the microstructural distribution of the asphalt mixture constituents potentially resulting in poor mechanical performance.

Non-Destructive Testing of Layer Bonding with FWD

M. Čičković, M. Sc., Darmstadt

Fehlender bzw. mangelhafter Schichtenverbund führt über ein stark verändertes Tragsystem zu Spannungsumlagerungen, die die restliche Befestigungskonstruktion zusätzlich belasten. Daher ist die Prüfung des Schichtenverbundes von großer Bedeutung. Die Prüfung des Schichtenverbundes erfolgt anhand von der Befestigung entnommenen Bohrkernen, die im Zuge der Prüfung jedoch zerstört werden und weiteren Ergänzungs- oder Wiederholungsprüfungen nicht mehr zur Verfügung stehen. Eine zerstörungsfreie Prüfung des Schichtenverbundes eliminiert diese Problematik, was eine schnellere und dichtere Prüfung ermöglicht. Der vorliegende Fachbeitrag befasst sich mit der zerstörungsfreien Prüfung des Schichtenverbundes mithilfe von FWD-Messungen. Dabei wird kurz auf die Theorie des Schichtenverbundes, die Schadensmechanismen und bereits vorhandene Ansätze zur zerstörungsfreien Prüfung eingegangen. Anschließend wird die Darmstädter FWD-Auswertungsmethode vorgestellt, die Rückschlüsse auf die Güte des Schichtenverbundes zulässt. Dieser Ansatz wird abschließend anhand eines Praxisbeispiels näher erläutert.

Missing or insufficient bonding between layers leads to stress redistributions and consequently to a higher loading of the remaining construction. Therefore, the examination of layer bonding is highly crucial. Currently the testing methods require drilling cores, which are being destroyed during the testing procedure and are not available for further examinations and/or a repetition of the layer bonding testing procedure. A non-destructive testing procedure would eliminate these problems, as, ideally, there is no need for drilling cores to be taken out of the existing road construction and the specimens are not being destroyed during the testing procedure. The following article therefore focuses on the non-destructive testing of layer bonding by using FWD measurements. After a brief introduction into the field of layer bonding, failure mechanisms and already known and described approaches on the non-destructive testing of layer bonding, the Darmstadt FWD interpretation method is being introduced, as well as its capability of giving insight into the quality of layer bonding of the examined road construction. This theory is then being verified with an example.

Cold Mix and Cold Recycling – International Experiences for future application in Germany?

Dr.-Ing. K. Mollenhauer, Dipl.-Ing. D. Simnofske, Kassel

Die Produktion von Heißasphalt im Asphaltmischwerk hat einen großen Anteil an den in Ökobilanzen erfassten Umweltindikatoren, z. B. der CO2-Emissionen. Ein Großteil des bei der Asphaltproduktion erforderlichen Energieverbrauchs wird zur Trocknung und Erwärmung der Gesteinskörnungen aufgebracht. Vermehrt wird daher international bitumenhaltiges Mischgut bei Umgebungstemperaturen hergestellt und eingebaut. Als Bindemittel kommen dabei Bitumenemulsion oder Schaumbitumen zur Anwendung. Das Baustoffverhalten des Kaltmischgutes unterscheidet sich in verschiedenen Aspekten vom mechanischen Verhalten von Heißasphalt. Dies betrifft alle Phasen der fertiggestellten Schicht – Mischgutherstellung, Lagerung und Transport, Einbau, Verdichtung sowie Kurz- und Langzeitverhalten. Um das bautechnische Potenzial der bitumengebundenen Kaltbauweisen für die Anwendung in Deutschland abzuschätzen, wurden internationale Anwendungen und Erfahrungen mit der Bauweise zusammengestellt und vergleichend bewertet. Dabei können anhand der eingesetzten Bindemittelgehalte vier bitumenhaltige, kalt verarbeitete Mischgutarten unterschieden werden: Kaltasphalt, Grave Emulsion, Bitumen-Stabilisiertes Mischgut und Bitumen-Zement-Stabilisiertes Mischgut. Insbesondere bei den letzten drei Mischgutsorten unterscheidet sich das mechanische Baustoffverhalten stark von jenem von Heißasphalt. Daher sind vom bisherigen Standard abweichende Dimensionierungs- und Bauverfahren erforderlich.

The production process of hot-mix asphalt and here especially the energy demand for drying and heating of the aggregates, inhibits the main proportion of the overall life-cycle associated impacts (e. g. emissions of greenhouse gases) in the production of flexible pavements. Therefore, alternative technologies for paving are required in long-term. Internationally, feasible experiences were gained with cold bituminous mixtures on the basis of bituminous emulsion and foamed bitumen. However, the resulting mixtures inhibit considerable differences to hot-mix asphalt and therefore demand for specific procedures for mix design and pavement design. In order to estimate the applicability of these materials in Germany, the international literature as well as several national specification documents were assessed and compared. Regarding the applied binder and binder contents different types of cold bituminous mixtures can be distinguished: Cold asphalt, Grave emulsion, bitumen-stabilized materials, bitumen-cement-stabilized materials and cold mixtures for sealing hazardous reclaimed pavement material. The mechanical property of these materials differ considerabley from the properties of hot-mix asphalt. The presence of water during mixing, laying and compaction results in high void content and a long-lasting curing process of several months wherein the material gains strength and stiffness. The internationally applied mix design procedures are based on mechanical tests of strength and stiffness as well as water sensibility which demands for suitable laboratory compaction and curing procedures. However, the practical applicability in various climatic regions throughout Europe indicates the general applicability of these materials in Germany.

Evaluation of asphalt by addressing binder and asphalt mortar with the tensile creep test

ORR Dipl.-Ing. F. Bommert; F. Münscher, Bergisch Gladbach

Das Gebrauchsverhalten von Asphalt wird maßgeblich von den verwendeten Bindemitteln bestimmt. Die Asphaltkonstruktionen sind je nach Einsatzort einer großen Temperaturspanne ausgesetzt. Die üblicherweise in der Asphaltprüftechnik eingesetzten Prüfverfahren fokussieren sich in der Regel entweder auf die „kalte“ Seite wie z. B. mit dem Abkühlversuch an Asphaltprismen oder auf die „warme“ Seite mit der Prüfung der Verformungsbeständigkeit mit zyklischen Druckversuchen. Ein Prüfverfahren, welches die beiden konkurrierenden Extreme des gesamten Anwendungsbereiches erfasst, ist bisher noch nicht etabliert. Mit dem Zugretardationsversuch steht ein Prüfverfahren zur Verfügung, das systembedingt bei niedrigen Temperaturen Bindemittel und Mörtel prüftechnisch anspricht. Mit den dabei ermittelten Ergebnissen kann jedoch unmittelbar auch auf das Verhalten im hohen Gebrauchstemperaturbereich geschlossen werden. In diesem Fachbeitrag wird das Prüfverfahren Zugretardation vorgestellt und Ergebnisse von Bindemittel- und Mörtelprüfungen werden präsentiert. Aus diesen Ergebnissen wird der Bezug zu den Asphalteigenschaften Verformungsbeständigkeit und Widerstand gegen kälteinduzierte Rissbildung dargestellt.

The performance of an asphalt surface is largely determined by the used binder. Depending on the location, the asphalt road is exposed to wide temperature ranges. Test methods that are commonly used generally focus either on the cold end, e. g. with the resistance against low temperature cracking addressed by the thermal stress restrained specimen test or at the warm end, e. g. with the resistance against permanent deformation addressed by the cyclic compression test. Until now, no test method to address both competing ends and therefore the whole scope of the application has been established. The tensile creep test (TCT) is a test method which addresses binder or mortar at low temperatures. However, results of this test method may indicate the performance of an asphalt mixture at both high as well as low temperatures. The paper introduces the test method TCT, results of the tests on binder and mortar and correlates them with the asphalt’s resistance to rutting and cold-induced cracking.