Testing of two rejuvenators with different amounts of RAP in asphalt surface and asphalt binder course

E. Rudi, M. Sc., Köln;
Dipl.-Ing. N. Nytus, Bochum;
H. Müssenich, Koblenz

Seit Mitte der 1980er-Jahre wird in Deutschland Asphalt systematisch wiederverwendet. Infolge der Liegezeit des Asphalts findet ein Alterungsprozess statt, durch welchen das im Asphalt enthaltene Bitumen zunehmend härter wird. Vor diesem Hintergrund ist zu hinterfragen, bis zu welchem Härtegrad Asphaltgranulat in Heißasphalt wiederverwendet werden kann und welche Maßnahmen zusätzlich ergriffen werden können, um ein stark oxidiertes Bitumen im Ausbauasphalt wiederverwenden zu können oder um die Zugabemengen in Abhängigkeit von der Bitumenhärte im Asphaltgranulat steigern zu können. Mithilfe sogenannter Rejuvenatoren („Verjüngungsmittel“) sollen die Bindemitteleigenschaften im Ausbauasphalt wieder positiv verändert werden. In Zusammenarbeit mit dem Landesbetrieb Mobilität Rheinland-Pfalz wurde eine Strecke ausgewählt, bei der die Asphaltbinder- und Asphaltdeckschicht mit unterschiedlichen Anteilen an Asphaltgranulat und unter Verwendung von zwei Rejuvenatoren hergestellt, eingebaut und durch umfassende Materialuntersuchungen wissenschaftlich begleitet wurden. Im Weiteren soll das Langzeitverhalten dieser mit Rejuvenatoren hergestellten Asphaltgemische beobachtet werden. Zur Beurteilung wird eine „Nullstrecke“, die ohne Asphaltgranulat und Zusätze hergestellt wurde, herangezogen.

The systematic reuse of asphalt in Germany started in the Mid-1980s. During the service life of asphalt, an aging process takes place, whereby the bitumen contained in asphalt becomes progressively harder. For this reason, it must be questioned to which degree of aging Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) can be reused in Hot Mix Asphalt (HMA) and which additional measures can be taken in order to reuse a heavily oxidized bitumen in RAP or to increase the added amounts depending on the bitumen hardness in RAP. Through the use of rejuvenators, the bitumen properties in RAP should be improved again. In cooperation with the State Agency for mobility Rhineland-Palatinate a road was selected where the asphalt binder course and asphalt surface course were produced and  installed with different amounts of RAP using two rejuvenators. In addition, this road building project was monitored by comprehensive material investigations. Furthermore, the long-term behaviour of these asphalt mixtures produced with rejuvenators will be observed. For the assessment, a reference road section, which was produced without RAP and any additives, is used.

Influence of the asphalt structure on the performance characteristics

Dipl.-Wirtsch.-Ing. J. Grönniger, Braunschweig

Das Gebrauchsverhalten von Asphalt hängt von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren ab. Dabei liegt es nahe, dass die innere Asphaltstruktur, also beispielsweise die Verteilung der Hohlräume, die Anzahl an Kontaktpunkten des Gesteinskörnungsgerüstes sowie die Orientierung der Einzelkörner, das  Gebrauchsverhalten der Asphaltbefestigung unter Belastung beeinflusst. Eine zweidimensionale Bilderfassung und nachfolgende Bildanalyse ermöglicht es, Strukturparameter zu bestimmen, die eine Charakterisierung der Asphaltstruktur ermöglichen. Die hier referierten Untersuchungen wurden an Varianten eines Splittmastixasphaltes SMA 11 S durchgeführt, die unter Variation der Asphaltgranulatart und -zugabemenge hergestellt wurden. Mittels Bildanalyse wurden für  die einzelnen Asphalt-Probekörper Strukturparameter bestimmt. Anschließend wurden der Ermüdungswiderstand mittels Zug-Schwellversuch bestimmt und die Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch mit ausgewählten Strukturparametern verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Asphaltstruktur und dem Ermüdungswiderstand besteht. So korreliert beispielsweise die Anzahl der Kontaktpunkte positiv mit der Bruchlastwechselzahl.

The performance characteristics of asphalt depend on various factors. It seems reasonable that the inner asphalt structure – e. g. the distribution of voids, the number of contact points of the aggregate skeleton, as weil as the orientation of the individual aggregate - influences the performance of the asphalt pavement under traffic load. By means of a two-dimensional image capturing and a subsequent image analysis it is possible to determine structural parameters that allow a characterization of the asphalt structure. The investigations referred in the study were carried out on variants of a stone mastic asphalt SMA 11 S, which were produced under variation of the type and quantity of reclaimed asphalt. By means of an image analysis, structural parameters were determined for each asphalt specimen. Subsequently, the fatigue resistance was determined by tensile strength test and the number of load cycles until failure and compared to selected structural parameters. The results show that there is a correlation between the asphalt structure and the fatigue resistance. For example, the number of contact points correlates positively with the number of load cycles until failure.

The Role of Material Components in the Mechanical Behaviour of Asphalt

Dr.-Ing. G. Gajári, H-Pilisvörösvár

Bei Zimmertemperatur und ohne äußeren Druck sind die Steifigkeit und die Festigkeit des Bitumens und der Gesteinskörnung gering. Die gleichen Werte des Asphaltes liegen mehrere Größenordnungen über denen der Komponenten. Wie ist diese große Differenz ohne chemische Vorgänge möglich? Unter anderem wird in diesem Beitrag die Antwort auf diese Frage gesucht. Aufgrund der Ergebnisse dreier Experimente wird die Hypothese aufgestellt, dass die Steifigkeits- und Festigkeitszunahme auf die inneren Druckspannungen des Korngerüstes zurückzuführen ist. Die Vorspannung stammt vom Bitumen, welches, wegen seines thermisch bedingten Schrumpfens, das Korngerüst zusammenzieht. Zur Hypothese werden zwei weitere Zusammenhänge benötigt. Nach dem ersten ist die Steifigkeit des Korngerüstes druckabhängig, in erster Näherung ist sie proportional zum Druck. Der zweite ist das Prinzip der wirksamen Spannungen von Terzaghi, nach dem die totale Spannung die Summe der wirksamen und der neutralen Spannungen ist. Die wirksame wirkt zwischen den  Gesteinskörnern, die  neutrale herrscht im Bitumen und hat hydrostatischen Charakter. Neutrale Spannung kann im Verdichtungsgefäß dann nachgewiesen werden, wenn die Hohlraumsättigung des Korngerüstes ein bestimmtes Maß erreicht. Dann ist die Mischung nicht weiter verdichtungsfähig. Bei diesem „optimalen“ Bitumengehalt erreicht der Hohlraumgehalt sein Minimum. Bleibende Verformungen entstehen bei hohen Temperaturen, wenn der Bitumengehalt das Optimum übersteigt. Dann steigen die neutralen Drücke im Bitumen an, wodurch die wirksamen Spannungen abfallen, folglich auch die Schubsteifigkeit geringer wird. Die Hypothese betreffend der inneren Drücke im Korngerüst, als Ursache für die Steifigkeit und Festigkeit der Mischung, ist mit dem anerkannten Huet-Saegh-Modell vereinbar, folglich ist die Temperaturabhängigkeit der Asphaltsteifigkeit nicht nur auf die temperaturabhängige Viskosität des Bindemittels zurückzuführen. Die durch Spaltzugversuch bei mittleren Temperaturen ermittelte hohe Steifigkeit ist keine positive Eigenschaft, wie man es bisher geglaubt hat, weil bei niedrigen Temperaturen, infolge innerer Zugspannungen, die Rissempfindlichkeit steigt. Die heute üblichen Bitumensorten sollten also vermieden werden. Die Neigung zur Rissbildung kann mit weichen Bitumensorten verhindert werden. Stabile Asphalte gegenüber bleibenden Verformungen (Spurrinnen) können mit dem „optimalen“ Bitumengehalt und durch hohe Dichte hergestellt werden.

The stiffness and mechanical strength itself of bitumens or the stone frame against the shear is very small in room temperature without pressure. In the case of asphalt, which is a mixture of the two, it is significantly stronger than its components. This article gives an explanation inter alia as to how the previously mentioned phenomenon can occur without a chemical process. The author puts forth his hypothesis based on three experimental facts, which is that the stiffness and increase of mechanical strength derives from the built-up stress in the stone frame made of the compressed mixture. Pre-tensioning is caused by the bitumens, which due to cooling consequently – due to its temperature expansion factor – shrinks, causing the stone frame to stiffen and tense up. In order to understand the hypothesis, two additional correlations should be taken into consideration. One being that the stone frame’s stiffness depends on pressure, which almost increases linearly. The other correlation being TERZAGHI’s principle, which states that the sum of total stress is the effective stress between the stone frame’s particles and the hydrostatic-like neutral pressure between the bitumen-filled void content. Neutral pressure can be detected in the compaction vessel if the high-temperature reaches a certain amount of bitumen saturation in the void content. In this case, the mixture can no longer be compressed. In the case of “optimal” bitumen content the volume of the void content is minimal. Plastic deformation at high temperatures with the optimal bitumen content occurs due to the increase of neutral stress, therefore decreasing effective stress and shear resistance. The assumption related to internal pressure in the stone frame and the great shear resistance of asphalt is compatible with the HUET-SAYEGH model, therefore the modulus'  emperature dependence cannot only be traced back to the viscosity of bitumens. The measurement of room temperature of the high stiffness is not a positive trait as we had previously thought, because pre-tensioning of bitumens at low temperatures causes the asphalt to crack. The use of common hard bitumens should be avoided. With the use of light bitumens the susceptibility to cracking can be prevented. The formation of rut-resistant asphalt can be achieved with the "optimal" bitumen content which can be determined with a gyrator.

Test methods for determining the workability of mastic asphalt

Dipl.-Ing. M. Dimitrov; Ass. Prof. DI Dr. B. Hofko; Dipl.-Ing. B. Peternell; Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. H. Grothe;
Dipl.-Ing. F. Weiss; Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. H. Rechberger; Dipl.-Ing. S. Spacek, A-Wien

Gussasphalt hat im Gegensatz zu den anderen Asphaltsorten annähernd keine Hohlräume und kann verdichtungsfrei eingebaut werden. Die Gesteine „schwimmen“ in dem Mastix (Bitumen und Füller) und haben nur wenige Berührungspunkte miteinander. Aus diesem Grund hat die Gesteinskörnung nur einen geringen Einfluss auf die Standfestigkeit des Gussasphaltes. Um eine ausreichende Verformungsstabilität zu gewährleisten, ist es notwendig, sehr hartes Bitumen zu verwenden (Scholz 2011; CEN 2013) Das harte Bitumen und der hohe Mastixanteil sind Voraussetzung für Einbautemperaturen bis zu 250 °C. Höhere Temperaturen führen zu niedrigerer Viskosität und zu einer sehr hohen Exposition von Dämpfen und Aerosolen, die seit einigen Jahren in Verdacht stehen, gesundheitsschädlich zu sein. Um die optimale Temperatur für die optimale Viskosität festzulegen, wurden zwei Prüfmethoden entwickelt: (a) Bestimmung des Drehmoments (auch als Mischmoment zu bezeichnen) durch die Verwendung eines großräumigen Gegenlaufzwangsmischers mit  Messsystem; (b) modifizierte Variante des Ausbreitversuchs für Frischbeton. Im Rahmen einer Forschungsarbeit wurde die Verarbeitbarkeit mit beiden Versuchen von optimierten (temperaturabgesenkten) Gussasphalt-Mischgütern bestimmt. Sowohl für den Drehmomentversuch als auch für den Ausbreitmaßversuch zeigen die Ergebnisse gleiche Tendenz und Verbesserung der Verarbeitbarkeit je nach Optimierungsart. Es wurde zusätzlich die Korrelation zwischen beiden Versuchen untersucht. Die Mischmoment- und Ausbreitmaßergebnisse weisen einen linearen Zusammenhang auf. Die entwickelten, temperaturabgesenkten Gussasphalte wurden schließlich in der Mischanlage großtechnisch umgesetzt und bei verschiedenen Temperaturen in ein Probefeld eingebaut. So wurden die optimalen  Einbautemperaturen im Feld ermittelt. Es wurde festgestellt, dass die Ergebnisse aus dem Ausbreitversuch deutlich näher an den Ergebnissen aus dem Feldversuch sind. Das kann damit erklärt werden, dass der Gussasphalt in der Praxis durch Ausbreiten auf die Oberfläche verteilt wird. Das Drehmoment spielt nur im Asphaltkocher, in dem das Mischgut gerührt wird eine Rolle.

Among the different asphalt mix types, mastic asphalt (MA) holds a special position due to its composition, application and load transfer. Mainly the mastic is responsible for load transfer and usually hard and in some cases polymer-modified binders are employed for MA. To keep the mix pourable, the viscosity of the mastic and mix has to be low enough at the construction site. (Scholz 2011; CEN 2013) Thus, high temperatures of up to 250 °C are necessary for mixing and paving. Higher temperature leads to lower viscosity, but higher temperature means also more exhaust and energy consumption. Two testing methods for the workability of mastic asphalt are developed and applied to determine the optimal temperature for the optimal viscosity: (a) measurement of
mixing torque in a conventional lab mixer for asphalt mix production with a capacity of 30 l; (b) modified flow table test (slump test) for mastic asphalt. Different modified mastic asphalt mixes were examined with both testing methods. The results show similar tendency and workability improvement depending on the type of modification. In addition, the correlation between both tests was investigated. The mixing torques and the flow table test results show a linear relationship. The different modified mastic asphalt mixes were finally produced in a convention mixing plant. They were placed on a testing field at different temperatures to examine the optimal laying temperature. It was found that the flow table test results are closer to the field results. This can be explained by the fact that the mastic asphalt is applied in practice by spreading on the surface. The torque only plays a role in the mobile mastic asphalt transporter, where the mix is stirred.