The hydraulic properties of substitute construction materials for use in road construction: methodology and main findings

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Dipl.-Geol. W. Durner, Braunschweig
Dipl.-Geol. B. Scharnagl, Halle

Ziel eines von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten Vorhabens war es, einen systematischen,
quantitativen Datensatz der hydraulischen Eigenschaften von Ersatzbaustoffen in hoher Güte zu erarbeiten.
Es wurden insgesamt 15 Materialien aus vier Materialgruppen in zweifacher Wiederholung in einer für die
Verwendung im Straßenbau typischen Lagerungsdichte untersucht. Die Materialgruppen umfassten Bodenmaterialien
(BM), Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA), Recyclingmaterial (RC) sowie eine Stahlwerksschlacke
(SWS). Bestimmt wurden die Beziehung zwischen Wassergehalt und Kapillardruck („Retentionskurve“) über
den gesamten Feuchtebereich sowie die Beziehung zwischen hydraulischer Leitfähigkeit und Wassergehalt
(„Leitfähigkeitskurve“). Die Eigenschaften wurden an großen Probekörpern (6,8 Liter) ermittelt, als Methodik
dienten Verdunstungsexperimente. Die Validität der Methodik wurde in einer Simulationsstudie bestätigt.
Ergänzende Messungen erfolgten für die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit mit der Methode mit konstantem
Überstau und für die Wasserretention im sehr trockenen Bereich mit der Taupunkt-Methode. Die ermittelten
hydraulischen Funktionen besitzen komplexe Formen, die sich teilweise durch Makroporenanteile mit
sprunghaften Änderungen der Wassergehalte und hydraulischen Leitfähigkeiten beim Übergang von Sättigung zu
ungesättigten Systemzuständen (HMVA, RC), bimodalen Porengrößenverteilungen im mittleren Feuchtebereich,
einem kontinuierlichen Rückgang der Wassergehalte auf den Wert null hin zum Trockenen und hydraulischen
Leitfähigkeitskurven mit Filmflusskomponenten auszeichnen. Solche Funktionen können mit gängigen Modellen
für hydraulische Eigenschaften nicht befriedigend beschrieben werden. Gängige Pedotransfer-Funktionen,
welche in der Vergangenheit für Böden erstellt wurden, können deshalb zu keiner realistischen Beschreibung
der Wasserdynamik führen. Eine Erstellung von Pedotransfer-Funktionen auf Basis von einfachen analytischen
Funktionsansätzen erscheint gegenwärtig nicht praktikabel. Das Ziel weiterer Untersuchungen sollte darin liegen,
einerseits Beschreibungen zu finden, mit denen das beobachtete hydraulische Verhalten der untersuchten Stoffe
fehlerfrei wiedergegeben werden kann, andererseits Szenarien zu identifizieren, bei denen mit vereinfachten
Funktionsansätzen befriedigend genaue Simulationen des Wasserhaushaltes in Ersatzbaustoffen in einem
limitierten Feuchtebereich möglich sind.

The objective of a project supported by the German Federal Highway Research Institute (BASt) was to develop
a systematic, quantitative dataset of the hydraulic properties of high-quality substitute construction materials.
A total of 15 materials from four material groups were examined in two repetitions at a level of compaction
that is typical of road construction applications. The material groups covered soil materials (BM), domestic
waste combustion ashes (HMVA), recycled construction materials (RC), and a steelwork slag (SWS). The authors
determined the relationship between water content and capillary pressure (‚retention curve‘) across the entire
moisture range and the relationship between hydraulic conductivity and water content (‚conductivity curve‘). The
properties were determined using large test pieces (6.8 litres). Evaporation experiments were the methodology
used. The validity of the methodology was confirmed in a simulation study. Supplementary measurements were
taken for saturated hydraulic conductivity using the method involving constant flooding and for water retention
in the very dry range using the condensation temperature method. The hydraulic functions determined have
complex forms that are in some cases characterised by proportions of macropores with sudden changes in water
content and hydraulic conductivity at the transition from saturation to unsaturated system conditions (HMVA,
RC), bimodal pore size distribution in the mid moisture range, a continual reduction in water content towards
zero to dry, and hydraulic conductivity curves with film flow components. Such functions cannot be described
satisfactorily using conventional models for hydraulic properties. Conventional pedotransfer functions, which
were calculated for soils in the past, cannot therefore lead to a realistic description of the water dynamics.
It does not at present seem practicable to calculate pedotransfer functions on the basis of simple, analytical
function approaches. Further studies should focus on two things: firstly, on finding descriptions that can be
used to correctly reproduce the observed hydraulic behaviour of the investigated materials and secondly, on
identifying scenarios where it is possible to use simplified functional approaches to produce satisfactorily
exact simulations of the water regime of substitute construction materials within a limited moisture range.

Incremental calculation method for describing the structural damage of asphalt concrete pavement

Dr.-Ing. E. Ramadan, Bergisch Gladbach
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hartmut Johannes Beckedahl, Wuppertal

Es existieren erhebliche Diskrepanzen zwischen labortechnischen, analytischen und Feld-Performance-Untersuchungen
bezüglich der Entwicklung verschiedener Zustandsgrößen (Schädigungen) von Asphaltbefestigungen
in Abhängigkeit von der Zeit. Es gibt mehrere Gründe, weshalb sich die im Labor ermittelten Funktionen zur
Beschreibung der Schadensentwicklung nicht mit den realen Entwicklungen in Übereinstimmung bringen
lassen. Gegenwärtige Asphalt-Performance-Modelle können die Eigenschaftsänderungen von Baustoffen
und Asphaltschichten in Abhängigkeit von Zeit, Verkehrsbelastung und Klima in der Regel nicht genau
beschreiben. Daher kann die Schadensentwicklung von Asphaltbefestigungen mit diesen Modellen nur bedingt
prognostiziert werden. Alterungsbedingte Veränderungen der Asphalteigenschaften wurden bislang nicht in
die Modellbildung mit einbezogen, sodass bislang keine inkrementellen Methoden zur Berücksichtigung der
alterungsbedingten Änderung der Materialkenngrößen existierten. Eine Berechnung der Auswirkungen der
Materialveränderung durch Alterung auf die Schädigungsmechanismen erfordert eine Modellierung auf der
Basis von Zeitinkrementen. Um solche Zeitinkremente sinnvoll einzusetzen zu können, ist die Kenntnis der
Änderungen der Asphalteigenschaften in Abhängigkeit von der Zeit erforderlich. Der vorliegende Beitrag stellt
Forschungsergebnisse zur Entwicklung und Validierung einer neuen inkrementellen Methode für mechanische
Schädigungsmodelle von Asphaltbefestigungen vor. Diese Methode kann die inkrementellen Veränderungen der
mechanischen und Performance-Eigenschaften von Asphalt berücksichtigen und somit die daraus resultierende
Reaktion über den Verlauf der Nutzungsdauer beschreiben, was einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung
eines neuen rechnerischen Prognoseverfahrens für die Nutzugsdauer von Asphaltbefestigungen darstellt.

There are considerable discrepancies between laboratory, analytical investigations and field performance
investigations with respect to the development of various state variables (damages) of asphalt pavements
according to time. There are several reasons, in which the functions determined in the laboratory to describe
the deterioration development cannot be reconciled with the real developments in compliance. Generally
speaking, the current models of asphalt performance cannot accurately reflect the changes in properties of
materials and asphalt layers by time, traffic load and climate. Therefore, the deterioration development of
asphalt pavements with these models can be only conditionally predicted. Up to now, aging-related changes
in the input parameters were not involved in the modelling, so far there were no incremental methods to
account for aging-related change in the material characteristics. A calculation of the impact of the material
changes caused by aging on the deterioration mechanisms requires modelling based upon time increments.
In order to apply such time increments meaningfully, the knowledge of the changes in the asphalt properties
according to time is required. This paper presents results of research on the development and validation of
a new incremental method for mechanical damage models of asphalt pavements. This method can take into
account the incremental changes in the mechanical and performance properties of asphalt and thus describes
the resulting asphalt reaction over the progression of its service life. Thus, an essential contribution to the
development of a new computational prediction process for the service life of asphalt pavements can be
performed.

Standardised asphalt: Round 2 in Europe

Ltd. RD. Dipl.-Ing. R. Bull-Wasser, Bergisch Gladbach

Die den TL Asphalt-StB 07/13 zugrunde liegenden Europäischen Normen der Reihe 13108 datieren aus dem
Jahr 2006. Das Normenpaket wurde im Jahr 2011 im Zuge der systematischen Überprüfung, d. h. im Rahmen
einer Umfrage bei den CEN-Mitgliedsstaaten, dahingehend hinterfragt, ob die darin enthaltenen Normen
unverändert weiter gelten sollen oder ob eine Revision erfolgen soll. Sowohl aus dem Ergebnis der Umfrage als
auch der CEN-internen Diskussion ging eindeutig der Wunsch nach einer Revision hervor. In den darauffolgenden
Jahren wurden in den Gremien des CEN TC227/WG1 neue Normenentwürfe erstellt, diese im Rahmen einer
CEN-Umfrage veröffentlicht und die über 3.000 daraufhin eingegangenen Kommentare bearbeitet und –
sofern berechtigt – die Normenentwürfe nochmals angepasst. Die inhaltliche Arbeit zur Revision der Normen
ist nunmehr abgeschlossen und es folgen „nur“ noch formale Abstimmungen und Bearbeitungsprozesse,
die letztlich zur Veröffentlichung der Normen und deren Zitieren im Amtsblatt der EU führen werden. Die
wesentlichen Änderungen in den Normen, zu denen neben den Normenteilen für die Mischgutanforderungen
auch die Normenteile für die Erstprüfung, für die Werkseigene Produktionskontrolle und für die Klassifizierung
von Ausbauasphalt gehören, sind:
– Ergänzung des Normenpaketes um „DSH-V Mischgut“
– Erweiterung des Performance-Ansatzes auf die Mischgutsorten SMA und PA
– Aufnahme neuer Eigenschaften in die Mischgutnormen
– Berücksichtigung der Umstellung auf die EU-BauPVO.
Im Beitrag wird auf den Prozess der Überarbeitung, die sich ergebenden Änderungen in den Normen und auf die
Umsetzung des neuen Normenpaketes in Deutschland eingegangen. Der Beitrag soll auch als Appell verstanden
werden, sich an dieser Normungsarbeit national und wenn möglich auch international zu beteiligen. Nur
durch aktive Mitarbeit kann sichergestellt werden, dass sich unsere Vorstellungen in den Normen dauerhaft
widerspiegeln.

The European standards in the 13108 series, on which the German Technical Delivery Terms for Asphalt
Mixture for the Construction of Road Pavements (TL Asphalt-StB 07/13) are based, date from the year 2006.
This package of standards was reviewed in 2011 as part of a systematic review, i.e. in a survey of CEN member
states. The aim of this review was to establish whether the standards in this package should continue to apply
unchanged or whether they should be revised. Both the responses to the survey and a discussion conducted
within CEN itself clearly showed that the preference was for a revision. In the years that followed, the bodies
of CEN TC227/WG1 drew up new draft standards. These were then published as part of a CEN survey. Over
3,000 comments were received and examined. In those cases where the comments were justified, the new
draft standards were amended accordingly. The work on the revision of the content of the standards has been
completed. All that now remains to be done is to formally approve them and finish processing them, which
will ultimately lead to the publication of the standards and their listing in the Official Journal of the European
Union. The main amendments to the standards, which include the sections on mixture specifications, initial
type testing, factory production control, and the classification of reclaimed asphalt, are
– the addition of thin-layer paving in hot application on tack coat (DSH-V) to the package of standards,
– the extension of the performance approach to include the mix types SMA and PA,
– the inclusion of new properties in the mixture standards,
– the taking into account of the adaption to the EU Construction Products Regulation.
This paper examines the review process, the resulting amendments to the standards, and the implementation of
the new package of standards in Germany. It should also be seen as a call to get involved in this standardisation
work at national and, where possible, also at international level. Active involvement is the only way to ensure
that our ideas are permanently reflected in the standards.

Reducing CO₂ together – Challenges and chances for the european asphalt industry

Dr.-Ing. C. Karcher, B-Brüssel

Das Thema CO₂-Reduzierung ist hochaktuell. Nicht nur im täglichen Leben, sondern auch im Bauwesen ist
es präsent. In der Asphaltindustrie wird an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Feldern am Thema
gearbeitet. Hierzu wird im vorliegenden Beitrag ein genereller Überblick mit Beispielen aus der Praxis mit
Bezug zur Bauweise mit Asphalt gegeben. Entwicklungen aus Europa (z. B. Initiative der Automobilindustrie,
Forschungsprojekte), wie auch Initiativen der Europäischen Kommission (z. B. Grüne Vergabekriterien, White Book
2011: Reduktion der CO₂-Emmissionen im Verkehrssektor bis zum Jahr 2050 um 60 %) werden angesprochen.
Daraus ergeben sich weitere Aufgaben für die Asphaltbranche zum Erhalt ihrer Wettbewerbsfähigkeit neben den
rein technischen Aspekten zur Asphaltbauweise. Aber natürlich ergeben sich auch Chancen, die Asphaltbauweise
für die Zukunft fitter zu machen.

Reduction of CO₂ is highly topical. Not only in everyday life, but also in the field of road construction, it has a
presence. The asphalt industry is working at different locations and in different fields on the subject. A general
overview with practical examples of CO₂ reductions of the asphalt industry is given. Developments in Europe
(e. g. the initiative of the automotive industry), research projects, and initiatives of the European Commission
(e. g. green public procurement criteria, White Book of Transport 2011: reduction of CO₂ emissions in the transport
sector by 2050 by 60 %) are addressed. This challenges the asphalt industry to maintain its competitiveness
in addition to the purely technical aspects of asphalt pavements. But of course also opportunities for the
future arise for this industry.

Impact of aggregate shape and wax modification on technical, ecological and economic performance of mastic asphalt mixtures

Ass. Prof. DI Dr. B. Hofko, Dipl.-Ing. M. Dimitrov; Dipl.-Geoökol. (MSc) O. Schwab, Dipl.-Ing. F. Weiss,
Ao. Prof. Dr. A. Kaspar-Giebl, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. H. Rechberger,
Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. H. Grothe, A-Wien

Durch Temperaturabsenkung in der Gussasphalt-Produktion ist es möglich, Kosten und Energieverbrauch
sowie den Ausstoß gesundheitsrelevanter Aerosole über den gesamten Lebenszyklus zu verringern. Die
Wachsmodifizierung von Bitumen zur Temperaturabsenkung ist eine Methode, die inzwischen in den Stand
der Technik übergegangen ist. In einem interdisziplinären Forschungsprojekt an der TU Wien wurde eine
effiziente Alternative zur Temperaturabsenkung von Gussasphalt entwickelt. Dazu wurden umfangreiche
Untersuchungen zum Gebrauchsverhalten und zur Partikelemission sowie eine Lebenszyklusanalyse an
verschiedenen temperaturabgesenkten Gussasphalten durchgeführt und mit einem Referenz-Mischgut
verglichen. Zur Anwendung kamen eine Bitumenmodifizierung mittels Amidwachs sowie die neu entwickelte
Methode, bei der Kantkorn gezielt durch Rundkorn ersetzt wird. Dabei zeigt sich, dass für beide Methoden
eine Temperaturabsenkung von 30 °C erreicht werden kann. Werden beide Methoden kombiniert, also
Wachsmodifikation und Einsatz von Rundkorn, so kann die Temperatur um 50 °C abgesenkt werden. In Bezug auf
das Gebrauchsverhalten zeigt sich, dass der Widerstand gegen bleibende Verformungen nicht durch die Kornform
beeinflusst wird, und dass die Amidwachs-Modifikation zu einer Verdopplung des Verformungswiderstands
führt. Der Widerstand gegen Kälterisse wird weder durch die Kornform noch durch Amidwachs-Beigabe
beeinflusst. Die Emissionsanalyse zeigt, dass mehr als 80 % der bei der Produktion ausgestoßenen Partikel
kleiner als 2,5 μm sind. Aus der Sicht der Lebenszyklusanalyse ist die Hauptmotivation für Temperaturabsenkung
die deutliche Verringerung der Partikelemissionen. Bei 50 °C Absenkung reduzieren sich die PM10-Emissionen
um 80 %. Zudem können 20 % der Produktionsenergie eingespart werden. Der Einsatz von Wachs reduziert
Energiekosten bei der Produktion, erhöht jedoch bei Berücksichtigung der Materialkosten die Gesamtkosten.
Insgesamt legen die untersuchten Varianten nahe, dass der Einsatz von Wachsadditiven als kontrovers, der
Ersatz von Kantkorn durch Rundkorn als vorteilhaft einzustufen ist.

Temperature reduction of mastic asphalt (MA) mixtures has the potential to decrease cost and energy demand
as well as health-relevant emissions of particulate matter throughout the life cycle. The state-of-the-art
method for temperature reduction is wax modification of the bituminous binder to reduce its viscosity. In
this paper, the results of an extensive study on mechanical performance, particulate matter emission and
life-cycle analysis of temperature-reduced MA are presented. Therefore, a reference MA is compared to three
temperature-reduced MAs: a state-of-the-art reduction by modification with amide wax and an alternative
method by substituting crushed by rounded aggregates. For both methods, a temperature reduction of 30 K
can be realized. In addition, a combination of both methods, wax modification and use of rounded aggregates,
is investigated, for which a reduction of 50 K is possible. The results show that the resistance to permanent
deformation is not decreased by using rounded aggregates and that it can be doubled by employing amide
wax regardless of the aggregate shape. Resistance to low-temperature cracking is affected by neither of the
employed methods for temperature reduction. Emission analysis reveals that more than 80 % of the emitted
particulates are below 2.5 μm. From a life cycle perspective, a main benefit of temperature-reduced MAs is
the significant decrease in particulate emissions, and that a reduction of 50 K reduces PM10 emissions by
80 %. Also, up to 20 % of production process energy can be saved when the mixing temperature is reduced
by 50 K. Application of a wax additive reduces process energy costs, but increases the total life cycle costs.
Based on the considered scenarios, the application of additives is controversial and the substitution of crushed
aggregates by round aggregates seems to be beneficial.