Heft 25 - Influence of Bitumen Emulsion and Reclaimed Asphalt on Mechanical and Pavement Design-related Performance of Asphalt Mixtures

Jahr: 2015
Autor: Miomir Miljkovic

Kurzfassung

Der Straßenverkehr ist als Voraussetzung für das Wirtschaftswachstum einer modernen Gesellschaft von hoher Bedeutung, obwohl hiermit durchaus negative Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen verbunden sind. Auch deshalb es sinnvoll die Asphaltherstellung mit niedrigeren Temperaturen und mit höher Wiederverwendungsrate von Asphaltgranulat anzustreben und dabei möglichst wenig Qualitätsverlust zuzulassen. Vor diesem Hintergrund sollte langfristig ein Übergang zu vermehrter Anwendung von Kaltasphaltbauweise eingeleitet werden.
Das Ziel dieser Forschung war eine umfassende Charakterisierung des Einflusses der Bitumenemulsionen auf die Eigenschaften des Kaltasphaltgemisches unabhängig von der Gesteinskörnung und den Einfluss der Viskosität des Bindemittels im Asphaltgranulat auf den dimensionierungsrelevanten Eigenschaften heraus zu arbeiten. Zur Umsetzung wurden Konzepte mit Bitumenemulsions-Mörtel (BEM) und komplette Kaltasphaltgemische betrachtet. Für die BEM-Gemische wurde die feine Gesteinskörnung mit der Korngrößenverteilung vergleichbar zum CEN-Normsand verwendet. Dessen Zusammensetzung wurde in zwei Stufen optimiert, wobei hierzu die physikalische und die performance-bezogenen, mechanischen Eigenschaften ausgewertet wurden. Die Kaltasphaltgemische wurden bezüglich der Mengen an Asphaltgranulat und des Alterungsgrades des Bindemittels variiert.
Die Bewertung der Gemische erfolgte durch Spaltzugprüfung der statisch verdichteten Probekörper sowie durch dynamische Steifigkeits- und Ermüdungsversuche an Bohrkernen aus Walzsektor verdichteten Probeblatten. Die Gebrauchstauglichkeit wurde durch die rechnerische Dimensionierung für Asphalt (RDO) nach dem deutschen Verfahren überprüft.
Die Prüfung der BEM-Gemische zeigte, dass innerhalb der ersten 28 Tage der Lagerung eine deutliche Veränderung der physikalischen Eigenschaften stattfindet, wobei sich die Entwicklung der mechanischen Eigenschaften noch einige Monate danach sich fortsetzt. Der Emulgator in der Emulsion ist dabei ein wichtiger Einflussfaktor war sehr einflussreiches Mittel auf die Wasserverdampfung und das Brechverhalten.
Die gute Differenzierbarkeit der Ergebnisse mit standardisierten BEM-Gemischen ist eine gute Basis, um hieraus ein nationales oder europäisches Verfahren zur Ansprache von Bitumenemulsionen abzuleiten. Zudem beeinflusst die Menge an Asphaltgranulat das mechanische Verhalten der Kaltasphaltgemische. Die Gemische mit den höchsten Mengen an Asphaltgranulat zeigten überwiegend ein besseres mechanisches Verhalten, was grundsätzlich eine Anwendung bei verschiedenen Bauklassen ermöglicht. Zusammen mit den weitergehenden Informationen zum Einfluss des Emulgators und der Möglichkeit der zusätzlichen Anwendung von Rejuvenatoren für das gealterte Bindemittel liefern diese Forschungsergebnisse wichtige Erkenntnisse, um die mechanischen Eigenschaften der Kaltasphaltbauweisen auf ein vergleichbares Niveau mit den konventionellen Heißasphaltbauweisen anzuheben.


Abstract

As a prerequisite for an economic growth of modern society, road traffic is of a high importance although it is associated with some negative environmental and health effects. For this reason, it is meaningful to aim to production of asphalt at lower temperatures and with greater re-use rates of reclaimed asphalt, and thereby, compromise the quality as little as possible. In this regard, a long-term transition to the increased use of cold asphalt technologies should be initiated.
An objective of this research was an extensive characterisation of the influence of bitumen emulsion on the properties of cold asphalt mixtures independent from the aggregate and to consider the influence of the viscosity of binder in the reclaimed asphalt on the pavement design-related properties. For this purpose, the concepts of bitumen emulsion mortar (BEM) and the entire cold asphalt mixture were implemented. For the BEM mixtures, fine aggregate with the particle size distribution close to CEN Standard Sand was used. The composition of this mixture was optimised in two levels in which physical and performance-based mechanical properties were evaluated. The cold asphalt mixtures were varied regarding the amount of the reclaimed asphalt and the degree of binder aging.
The evaluation was done by indirect tensile testing of statically compacted specimens as well as by dynamic testing of the stiffness and fatigue performance of cores from plates compacted by laboratory roller-compactor. The in-service performance was verified by German analytical asphalt pavement design method.
Testing of the BEM mixtures showed that a considerable change in the physical properties takes place, whereas the development of the mechanical properties was continues over the following few months. The emulsifier in the emulsion was an important influential parameter and was a very effective mean for affecting the water evaporation and fracture behaviour.
The good differentiation of the results with the standardised BEM mixtures is a good basis to develop a national or a European method for considering the bitumen emulsions. Furthermore, the influence of the content of reclaimed asphalt on the cold asphalt mixture performance was identified. The mixture with the highest amount of reclaimed asphalt showed predominantly better mechanical performance, which, in principle, enables the application for various classes of traffic load. Together with further information on the influence of the emulsifier and the possibility of the additional use of rejuvenators for the aged binder, the results of this research provided an important knowledge to raise the mechanical behaviour of the cold asphalt mixtures to the level comparable to the conventional hot asphalt technologies.