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Aktuelle Forschungsvorhaben

Verfahrenstechnische, bautechnische und energietechnische Eignung der Schaumbitumentechnologie zur Herstellung von Warmasphalt unter Mitverwendung von Asphaltgranulat

Ansprechpartner: Georg Bus, M.Sc.

Im Mai 2020 erschien eine neue Fassung der „Technischen Regeln für Gefahrstoffe“ (TRGS 900), in der ein Arbeitsplatzgrenzwert von 1,5 mg/m³ für Dämpfe und Aerosole bei der Heißverarbeitung von Destillations- und Air-Rectified-Bitumen eingeführt wurde. Dieser Grenzwert ist so niedrig, dass er mit den aktuellen Technologien bisher nicht eingehalten werden kann und daher bis Ende 2024 ausgesetzt wurde. Bis dahin müssen technologische Lösungen zur Einhaltung des Grenzwertes gefunden werden.
Eine wesentliche Komponente zur Reduktion von Dämpfen und Aerosolen ist die Absenkung der Verarbeitungstemperatur von Asphalt, die mit der Schaumbitumentechnologie nachweislich erreicht wird. Hiermit haben sich grundlegend neue Randbedingungen für Technologien zur Reduzierung der Asphalttemperatur bei Herstellung und Einbau und damit auch für den Einsatz von Schaumbitumen ergeben. Die Asphaltgranulatzugabe ist im technischen Regelwerk für den Straßenbau in Deutschland unter anderem zur Ressourcenschonung im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetzes verankert und findet in den Bauverträgen regelmäßig und auf hohem technischem Niveau breite Anwendung. Die Mitverwendung von Asphaltgranulat ist daher unumgänglich und muss unter allen Umständen berücksichtigt werden, da nur so die ökologischen und wirtschaftlichen Vorteile des Schaumbitumen-Warmasphaltes voll zum Tragen kommen können.
Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist das Erbringen des Nachweises, dass ein hinreichender Absenkungseffekt der Misch- und Verdichtungstemperatur durch den Einsatz von Schaumbitumen auch bei Zugabe von Asphaltgranulat in zulässigem und praxisüblichem Umfang wirksam ist. Darüber hinaus soll der Nachweis erbracht werden, dass der mit Schaumbitumen hergestellte Warmasphalt dem konventionellen Heißasphalt material- und bautechnisch gleichwertig ist. Die Untersuchungen erfolgen am Asphalttragschichtmischgut AC 22 T S, Asphaltbinderschichtmischgut SMA 16 B S und Asphaltdeckschichtmischgut AC 11 D S. Die Warmasphaltmischgüter werden zunächst labortechnisch unter Verwendung einer Laborschaumbitumenanlage hergestellt und performance-orientiert geprüft. Im weiteren Verlauf soll mit den im Labormaßstab gewonnenen Erkenntnissen die verfahrens-technische Eignung der Schaumbitumentechnologie an zwei Asphaltmischanlagen erprobt und ausgewählte Warmasphaltmischgüter an einer Erprobungsstrecke mehrschichtig eingebaut und validiert werden. Die mit der Absenkung der Verarbeitungstemperatur einhergehende CO2-Reduktion soll durch eine Energie- und Emissionsbilanzierung quantifiziert werden. Die Erkenntnisse des Forschungsprojektes sollen letztendlich in ein künftiges FGSV-Regelwerk einfließen.

Projektpartner:
Hohenloher Asphalt-Mischwerke GmbH & Co. KG
Asphaltmischwerk Landau Juchem KG



Aif 21769 Schaumbitumen Für Warmasphalt   (100.9 kB)




Bewertungskriterien für Prüfungen an laborgealterten bitumenhaltigen Bindemitteln

Ansprechpartnerin: Deborah Müller, M.Sc.

Mit den ZTV Asphalt-StB 07/13, TL Asphalt-StB 07/13 und den TL Bitumen-StB 07/13 wurden im Jahr 2013 Änderungen und Ergänzungen des Technischen Regelwerks Asphaltstraßen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit eingeführt. Die Änderungen und Ergänzungen umfassen unter anderem neue und zusätzliche Prüfmethoden am Straßenbau- und polymermodifizerten Bindemittel zur Beschreibung der rheologischen Eigenschaften. Diese Prüfdaten werden seit 2013 zentral zur Erfahrungssammlung gesammelt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden die Prüfergebnisse der Jahre 2014 und 2015 bereits statistisch ausgewertet.
Parallel zur bisherigen Auswertung der Erfahrungssammlung werden die europäischen Bitumenspezifikationsnormen DIN EN 12591 und DIN EN 14023 fortgeschrieben. Der wesentliche neue Fokus der Datensammlung liegt nun auf zusätzlichen Prüfungen der Bindemittel nach Kurzzeit- und Langzeitalterung. Für diesen neuen Fokus werden auch aus Bohrkernen extrahierte Bindemittel zusätzlich langzeitgealtert. Hintergrund hierfür ist, dass für die Lebensdauer einer Asphaltstraße nicht die Eigenschaften des frischen Bindemittels, sondern dessen Alterungsverhalten als maßgebend angesehen wird. Somit wird die Veränderungen der rheologischen Eigenschaften durch Alterung ein zentraler Aspekt der Datenanalysen in diesem Projekt sein. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes werden sowohl die Prüfergebnisse der Jahre 2016 bis 2019 als auch die Ergebnisse der Datenbank ab 2020 ausgewertet.
Das erste Ziel des Projektes ist die systematische und statistische Überprüfung der Plausibilität der Prüfdaten, um Ausreißer oder Fehleingaben zu detektieren. Mit den überprüften Daten wird anschließend ein Bewertungshintergrund für sinnvolle Prüfparameter vor und nach Alterung geschaffen. Hierfür werden zunächst die Äquisteifigkeitstemperaturen bei G* von 15 kPa und 50 kPa und die entsprechenden Phasenwinkel sowie die Parameter aus den BBR-Versuchen T(S=300) und T(m=0,3) jeweils vor und nach Alterung betrachtet
Hiermit können aufbauend auf den Ergebnissen des Projektes (FE 29.0327/2013/BASt) die bisher erarbeiteten Bewertungshintergründe für die rheologischen Prüfmethoden im frischen Zustand überprüft und ggf. angepasst oder konkretisiert werden. Für die Prüfergebnisse aus den BBR-Versuchen und den DSR-Untersuchungen nach Alterung wird ein erster Bewertungshintergrund geschaffen. Für die Äquisteifigkeitstemperaturen und die entsprechenden Phasenwinkel werden Vergleiche zwischen der BTSV-Methode und der Methode im T-Sweep durchgeführt. Zudem werden weitergehende Auswertungen vorgenommen, um neue Bewertungsparameter und deren Bewertungspotenzial zu ergründen.


Datenprojekt 2   (208.2 kB)


Verifizierung der Mischgutkonzeptionierung kaltgebundener bitumen-dominater Tragschichten und Ableitung von Dimensionierungsgrundsätzen

Ansprechpartner/in: Matthias Staschkiewicz, M.Sc.

Die politischen Diskussionen und Bemühungen um Nachhaltigkeit im Straßenbau und um eine Reduzierung der CO2-Emissionen verstärken die europäischen Bemühungen die Temperatur bei der Herstellung und bei der Verarbeitung von Asphalt grundsätzlich zu reduzieren. Die bisherigen, auch in Deutschland angewendeten Verfahren und Produkte, z.B. mit viskositätsverändernden Zusätzen zeigen in diesem Zusammenhang klare Grenzen bei der Reduzierung der Temperaturen (max. 30 K). Ob diese Bauweisen unter Berücksichtigung der deutlichen Verschärfung der Arbeitsplatzbelastung bei der Heißverarbeitung von bitumenhaltigen Baustoffgemischen zum Jahr 2025 noch ohne eine erweiterte persönliche Schutzausrüstung umgesetzt werden können, wird zurzeit diskutiert. (AGW/MAK-Wert für die Heißverarbeitung).
Mittel- bis längerfristig hat die Kaltbauweise mit Bitumenemulsion unter Berücksichtigung dieser Szenarien sicherlich ein großes Anwendungspotential, wenn die dimensionierungsrelevanten Performance-Eigenschaften ein entsprechendes Niveau aufweisen und gleichzeitig eine hinreichende Dauerhaftigkeit nachgewiesen werden kann. Denn bisher können kaltgebundene Schichten, die durch entsprechende Steifigkeiten und Homogenität auch dauerhafte Tragfunktionen erfüllen, nur durch eine zusätzliche Zementzugabe hergestellt werden. In solchen Fällen sind die relaxierenden Eigenschaften für die Umsetzung einer fugenlosen Flächenbefestigung unter Berücksichtigung der Alterung des bitumen-haltigen Bindemittels zu beachten. Die Bindemittelkonzepte (Bitumen/Zement) solcher Kaltbauweisen wurden in der Vergangenheit primär auf die Gebrauchseigenschaften zu Beginn der Nutzung eingestellt. Inwieweit die Veränderung im Laufe der Nutzung (Zementhydratation, Alterung des bitumenhaltigen Bindemittels) Einfluss auf die Dimensionierungsgrundsätze hat (vorzeitige Rissbildung), stellt eine noch unbeantwortete Fragestellung dar, welche im Zuge dieses Projektes beantwortet werden soll. Hierzu soll der Zustand bestehender Strecken mit kaltgebundener, bitumen-dominanter Tragschicht erfasst und bewertet werden.
Zunächst werden Straßenabschnitte aus dem gesamten Bundegebiet mit kaltgebundenen Tragschichten zusammengestellt, zu denen Erstprüfungen sowie relevante Daten anhand vorliegender Dokumentationen (Baujahr, Verkehrsbelastung, Befestigungsaufbau, Zusammensetzung der Tragschicht) vorliegen. Aus diesen werden anschließend in Abstimmung mit dem forschungsbegleitenden Ausschuss zehn Untersuchungsstrecken ausgewählt, von denen die dimensionierungsrelevanten Eigenschaften der KRC-Schichten an Bohrkernen bestimmt werden, um unter Berücksichtigung der bisherigen Nutzungsdauer die rechnerische Gesamtnutzungsdauer zu ermitteln. Schwerpunktmäßig werden solche Strecken ausgewählt, die eine möglichst geringe Überbauungsdicke mit Asphalt aufweisen (Bauweisen mit geringerer Verkehrsbeanspruchung). Zudem müssen hinreichende Informationen über den Gesamtaufbau und die Zusammensetzung der Schichten vorliegen. Zusätzlich wird die Tragfähigkeit der Untersuchungsstrecken flächendeckend zerstörungsfrei mittels FWD ermittelt.
Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen letztendlich in die Bearbeitung/Überarbeitung der betreffenden FGSV-Regelwerke einfließen sowie eine Basis zur Beschreibung der Dimensionierungs-grundsätze für diese Bauweise liefern. Für folgende FGSV-Regelwerke wird eine unmittelbare Relevanz der Ergebnisse dieser Arbeit gesehen:
- Arbeitspapier zur Dimensionierung kaltgebundener Tragschichten im Oberbau für Bauweisen mit geringer Verkehrsbelastung (geplantes neues Regelwerk des AK 4.5.9)
- Merkblätter M VB-K und M KRC (Überarbeitung/Ergänzung) sowie MAFS-H.D. (als Orientierungshilfe)


Verifizierung Krc   (162.2 kB)

Projektpartner:

Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer
Universität Kassel
Institut für Verkehrswesen
Bau und Erhaltung von Verkehrswegen
Mönchestraße 7, 34125 Kassel


DFG-Projekt - Postcarbone Straße – Der endlose Wiederverwendungskreislauf von Bitumen

Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. Nina Nytus


Die Wiederverwendung von Asphalt hat in Deutschland eine vergleichsweise lange Tradition, da bereits seit den 1980er Jahren sogenannter Ausbauasphalt wiederverwendet wird. Die Wiederverwendungsrate liegt seit einigen Jahren bei 90 Prozent und ist vermutlich nur noch geringfügig zu steigern. Entscheidender wird, die qualitative Einbindung der Ausbauasphalte zu verbessern. Zudem ergibt sich heute und vermehrt in Zukunft die Problematik, dass bereits einmal oder sogar zweimal wiederverwendeter Asphalt erneut recycelt wird. Somit befindet sich das Asphaltmischgut auf deutschen Straßen teilweise bereits im zweiten oder sogar dritten Nutzungszyklus. Dabei stellt sich unausweichlich die Frage, ob der Asphalt mehrfach ohne eine Qualitätsminderung wiederverwendet werden kann. Während des Einbaus und der Nutzungsdauer setzt eine Alterung ein, die zu einer Verhärtung des Bindemittels führt. Um diese Verhärtung auszugleichen und die gewünschten Bindemittelhärten für den Wiedereinbau zu erreichen, wird dem Ausbauasphalt üblicherweise frisches Bitumen zugegeben. Durch die zunehmenden Nutzungszyklen stößt diese herkömmliche Vorgehensweise jedoch zunehmend an Grenzen, da durch den erforderlichen Anteil an Frischbitumen, insbesondere bei höheren Wiederverwendungsraten, der maximal zulässige Gesamtbindemittelgehalt überschritten wird. Um dennoch die angestrebten Eigenschaften des Bitumens erreichen zu können, rücken zunehmend Rejuvenatoren (Verjüngungsmittel) in den Fokus der Forschung. Durch diese Verjüngungsmittel werden die physikalischen und rheologischen Eigenschaften dahingehend verändert, dass eine Reduzierung der Härte bzw. Steifigkeit des Bitumens erreicht wird. Über die Wirkungsweisen der Rejuvenatoren und insbesondere deren Auswirkungen auf die Bitumenchemie ist jedoch wenig bekannt, was u.a. auf die zum Teil stark variierende Zusammensetzung der verschiedenen Produkte zurückzuführen ist. Je detaillierter jedoch die Kenntnis über die Auswirkungen und Wirkungsweisen der Verjüngungsmittel ist, desto gezielter könnte in die chemische Zusammensetzung und somit in die Alterungsentwicklung und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Bitumens eingegriffen werden. Die Rejuvenatoren sollen im Hinblick auf ihre chemische und rheologische Wirkungsweise sowie Effizienz bewertet werden, wobei mögliche Abhängigkeiten vom Aufbau bzw. von der Struktur des Bindemittels berücksichtigt werden sollen. Anhand dieser Erkenntnisse soll ein Berechnungsmodell zur zyklischen Wiederverwendung von Bitumen hin zu einem endlosen Wiederverwendungskreislauf erarbeitet werden. Mithilfe dieses Modells soll in Abhängigkeit von der vorliegenden Bitumenstruktur zum einen die Auswahl eines geeigneten Rejuvenators ermöglicht werden und zum anderen der ideale Eingreifzeitpunkt prognostizierbar werden, um somit die zeitlichen Bedingungen der Erhaltungsmaßnahmen zu definieren.

Die Förderung durch die DFG erfolgt unter der Projektnummer 392670763.


Datei zum Download   (295.4 kB)

Dietmar Stephan, Berlin
Technische Universität Berlin (TUB)
Fachgebiet Baustoffe und Bauchemie,
Institut für Bauingenieurwesen