LEAB Nachhaltiger Asphalt durch Produktion bei niedrigen Temperaturen Maarten Jacobs und Rémy van den Beemt, BAM Wegen B.V.

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1 LEAB Nachhaltiger Asphalt durch Produktion bei niedrigen Temperaturen Maarten Jacobs und Rémy van den Beemt, BAM Wegen B.V. Einführung Das Klima und die Nachhaltigkeit stehen auf der politischen Tagesordnung ganz weit oben. Obwohl das Thema Asphalt nicht gerade auf der Hand liegt, wenn es um die Nachhaltigkeit geht, zeigt gerade Niedrigtemperaturasphalt, dass Nachhaltigkeit und Asphalt sehr gut Seite an Seite gehen. Mit LEAB -Niedrigtemperaturasphalt (Laag Energie Asfalt Beton Niedrigenergie-Asphaltbeton) von BAM Wegen B.V. hat sich gezeigt, dass die spezielle Wahl von Niedrigtemperaturasphalt keinen Einfluss auf die Lebensdauer des Produktes ausüben muss: Sowohl die Steifigkeit als auch die Beständigkeit gegen Ermüdung und Spurenbildung von LEAB sind mit denen heiß produzierter Asphaltmischungen sehr gut vergleichbar. In den vergangenen Jahren konnten zahlreiche Erfahrungen mit der Herstellung und Verarbeitung von Niedrigtemperaturasphalt gesammelt werden. Diese Erfahrungen sind ausgesprochen positiv. Dadurch können sich die Straßenbaubehörden auch im Straßenbau von ihrer grünen Seite zeigen. In diesem Artikel werden die spezifischen Eigenschaften von LEAB vorgestellt. Spezielle Aufmerksamkeit kommt dem Prinzip hinter der Herstellung von LEAB zu. Außerdem werden die Umweltvorteile der Nutzung von LEAB im Vergleich zu traditionell produzierten Asphaltmischungen vorgestellt. Schließlich werden auch die mechanischen Eigenschaften erläutert. Die Hintergründe von LEAB Für die Produktion von LEAB wird normales 70/100 Fluxbitumen verwendet. Der entscheidende Unterschied ist jedoch, dass die Temperatur bei der Produktion und Verarbeitung von LEAB unter 100 C bleibt. Um dennoch eine ausreichend niedrige Viskosität des Bindemittels zu erzielen (um eine gute Umhüllung des Mineralaggregats zu gewährleisten), wird das Bindemittel in Form von Schaumbitumen dosiert. Das Prinzip des Verschäumens von Bitumen ist nicht neu (Csanyi, 1957) und wird bereits seit geraumer Zeit für die Fundierung von Straßen und den Bau kostengünstiger Befestigungen im Straßenbau eingesetzt. Nach Ablauf einer Reihe von Patenten ist die Nutzung der Schaumbitumentechnik im vergangenen Jahrzehnt im Asphaltstraßenbau stark beschleunigt worden. Die Zusammensetzung von LEAB ist mit der von normalem, bei ±165 C produziertem Asphaltbeton (Splittasphalt) identisch. Dabei wird jedoch ein Zusatz hinzugefügt, der dafür sorgt, dass die Qualität des Schaumbitumens auch auf längere Dauer gewährleistet ist. Eine hohe Expansion und vor allem eine lange Halbwertszeit des Schaumbitumens ist für eine gute Umhüllung und eine lange Verarbeitbarkeit der herzustellenden Mischung von großer Bedeutung. Lange Zeit wurde angenommen, dass zusätzliche Feuchtigkeit notwendig sei, um eine gute Verteilung des Schaumbitumens in der Mischung zu erzielen. Auf der Grundlage der heutigen

2 Erfahrungen kann jedoch die Schlussfolgerung gezogen werden, dass ein hoher Feuchtigkeitsgehalt im Hinblick auf das heutige Produktionsverfahren gar nicht notwendig ist, sondern sogar besser noch vermieden werden sollte, um ein qualitativ hochwertiges Endprodukt zu gewährleisten. LEAB unterscheidet sich darüber hinaus durch die Möglichkeit, Recyclingverfahren zu nutzen. In den Niederlanden beträgt der Prozentsatz für Unterschichten standardmäßig 50%. Auch bei einer Hinzufügung von 50% Recyclingmaterial bei der Produktion LEAB bleiben die funktionalen Eigenschaften mit denen warm produzierten Asphalts identisch. Die Produktion von LEAB Seit 1998 hat BAM Wegen in die Beherrschung der Problematik von Schaumbitumen und dessen Aufbereitung für die praktische Nutzung investiert. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Delft und der Universität in Stellenbosch in Südafrika wurde ein von der niederländischen Regierung subventioniertes, fast vierjähriges Forschungsprojekt durchgeführt. Das Forschungsprojekt konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Die Umsetzung der Laborergebnisse in die Praxis erwies sich anfänglich jedoch als sehr problematisch. Schließlich konnte nach mehreren misslungenen Experimenten ein Verfahren entwickelt werden, das sich doch noch als ausgesprochen erfolgreich erwies! Nahezu alle bislang entwickelten Theorien wurden dabei widerlegt und auch die Mischverfahren mussten neu erarbeitet werden. Ausgangspunkt des Forschungsprojektes war, in herkömmlichen Asphaltfabriken hochwertigen Asphalt nach dem Schaumbitumenprinzip zu produzieren, ohne größere Investitionen oder Umbauten an der Asphaltfabrik vornehmen zu müssen. Letztendlich hat dies zum Bau eines Generators für Schaumbitumen in der südniederländischen Asphaltfabrik in Breda geführt, der das heutige warme Bitumendosiersystem ersetzt. Ausschlaggebend sind jedoch nicht der Generator und die Dosiereinheit für Schaumbitumen allein. Entscheidend ist insbesondere das zu befolgende Verfahren, das nicht nur Betriebsgeheimnis ist, sondern auch durch ein Patent geschützt wird. Inzwischen hat BAM Wegen zwei Asphaltfabriken mit einer Schaumbitumenunit für die Herstellung von LEAB ausgerüstet. Es handelt sich dabei um eine Chargen- und eine Daueranlage. Die von BAM Wegen entwickelte Produktionssystematik ist demnach auf breiter Ebene einsetzbar. Wie bereits erwähnt, eröffnet diese Möglichkeit neue Wege für die Entwicklung verschiedener umweltschonender Asphaltmischungen mit Schaumbitumen, was eine nachhaltigere Infrastruktur zur Folge hat. Die Verarbeitung von LEAB Die Verarbeitung und Verdichtung von LEAB war eigentlich nie mit Problemen verbunden. Das Produkt kann mit einem standardmäßigen Straßenfertiger und einer Verdichtungsmaschine verarbeitet werden, wobei problemlos ein Verdichtungsgrad von 100% auf der Straße erzielt wird. Den Walzenführern zufolge erfolgt das Walzen von LEAB sogar bedeutend einfacher und schneller als bei vergleichbarem Splittasphalt.

3 LEAB wird bei Temperaturen zwischen 90 und 55 C verdichtet. Der Mechanismus hinter der Verdichtung von LEAB bei diesen relativ niedrigen Temperaturen (Splittasphalt kann beispielsweise bei bis zu etwa 80 C verdichtet werden) ist noch nicht deutlich. Density (%) 101 0/22 HMA STAB Density 89 Temperature ton roller 6 ton roller Roller passes Verdichtung von LEAB Temperature (C) Density (%) 101 0/22 HW STAB Density 89 Temperature 87 6 ton roller 12 ton roller Roller passes Verdichtung von Splittasphalt Temperature (C) Bislang betrug der maximale zeitliche Abstand zwischen Produktion und letztendlicher Verarbeitung sechs Stunden. LEAB lässt sich auch noch nach der Dauer von sechs Stunden ohne negative Nebenwirkungen verarbeiten. Die funktionalen Eigenschaften von LEAB Bei der Entwicklung von LEAB ging es in erster Linie darum, einen Asphaltbeton mit vergleichbaren funktionalen Eigenschaften wie warm produzierter Asphaltbeton herzustellen. Die Gleichwertigkeit lässt sich am besten anhand der funktionalen Eigenschaften in Übereinstimmung zu den grundsätzlichen Anforderungen (Paragraf 5.4 der EN ) der europäischen Richtlinien nachweisen. Dabei muss darauf hingewiesen werden, dass ein Vergleich zur Feststellung der Gleichwertigkeit auf der Grundlage empirischer Eigenschaften (Dicke, Hohlraum, Marshall-Werte) weniger streng und von der praktischen Anwendung auf der Straße weiter entfernt ist, als ein Vergleich zur Feststellung der Gleichwertigkeit auf der Grundlage der funktionalen Eigenschaften. Dies ist der Grund, warum einige alternative Niedrigtemperaturverfahren (u.a. das LEA-CO-Verfahren aus Frankreich, der LT-Asphalt von Nynas und das WAM-Verfahren von Shell) in den Niederlanden beim Einsatz in der Praxis bislang keinen Erfolg verbuchen konnten.

4 Bei der funktionalen Herangehensweise werden vier mechanische Eigenschaften beurteilt: Wasserempfindlichkeit, Steifigkeit, Beständigkeit gegen Ermüdung und Beständigkeit gegen Verformung: 1. Die Wasserempfindlichkeit (eine allgemeine Anforderung) wird in Übereinstimmung zur Richtlinie EN und -23 ermittelt. Sie wird im Rahmen eines Vergleichs der Bruchstärke künstlich veralteter Teststücke mit denen nicht veralteter Teststücke ermittelt. Während des Veralterungsprozesses wird ein Satz mit 3 Teststücken für die Dauer von 70 ± 2 Stunden in ein Wasserbad von 40 ± 1 C gelegt. Ein weiterer Satz mit Teststücken mit praktisch der gleichen Dichte wird im selben Zeitraum bei Zimmertemperatur gelagert. Nach dem Veralterungsprozess wird die Bruchstärke beider Sätze mit Teststücken ermittelt. Der Prozentsatz der durchschnittlichen Bruchstärke beider Sätze bildet den Maßstab für die Wasserempfindlichkeit der Asphaltmischung. 2. Die Steifigkeit wird in den Niederlanden im Rahmen einer Vierpunkt-Biegeprüfung in Übereinstimmung zu Anhang B der Richtlinie EN ermittelt. Bei dieser Prüfung wird ein prismaförmiges Teststück (450*50*50 mm) an vier Punkten in eine Testaufstellung eingeklemmt. Anschließend werden die beiden Mittelstützpunkte vertikal angehoben und abgesenkt. Während der Prüfung wird die Stärke und die Verformung gemessen. Anhand der gewonnenen Daten kann die Steifigkeit des Teststücks ermittelt werden. Die Prüfung erfolgt auf 18 Balken bei einer einheitlichen Temperatur (20 C) und 10 verschiedenen Frequenzen (zwischen 0,1 und 30 Hz). Die Ergebnisse der Prüfung dienen dazu, Materialien miteinander zu vergleichen oder um Dimensionierungsberechnungen beim Straßenbau durchzuführen. 3. Gleich nach der Ermittlung der Steifigkeit wird in Übereinstimmung zu Anhang D der Richtlinie EN die Beständigkeit gegen Ermüdung ermittelt. Während einer Ermüdungsprüfung (20 C, 30 Hz, vorschubgesteuert) wird das Teststück einer wiederholten sinusförmigen Verschiebung ausgesetzt. Dadurch treten im Material Ermüdungserscheinungen auf: die Steifigkeit des Teststücks nimmt ab und schließlich versagt es. Die Lebensdauer bis zur Ermüdung wird als die Anzahl Lastwiederholungen definiert, bei denen die Steifigkeit bis auf 50% vom Anfangswert reduziert ist. Die Ermüdungsprüfungen werden auf verschiedenen Verschiebungsebenen durchgeführt: je höher die auferlegte Verschiebung, umso kürzer ist die Lebensdauer. Die Ermüdungsprüfung wird auf 3 Verschiebungsebenen durchgeführt, die so gewählt werden, dass die Lebensdauer der Teststücke zwischen 10 4 und Lastwiederholungen liegt. Je Verschiebungsebene wird der Versuch in sechsfacher Ausführung durchgeführt. Auf der Grundlage der 18 Ergebnisse werden die Ermüdungskurve (N f = k 1 ε k2 ) sowie schließlich die Dehnung ε 6 ermittelt, wobei die Lebensdauer 10 6 beträgt. Die k 1 - und k 2 -Werte werden in den Niederlanden genutzt, um die Schichtdicke einer Asphaltschicht mit Rissbildung von unten als Entwurfskriterium zu prognostizieren. 4. Die Beständigkeit gegen dauerhafte Verformung wird in den Niederlanden in Übereinstimmung zur Testmethode B der Richtlinie EN (Triaxialversuch) ermittelt. Bei diesem Versuch, der insgesamt vier Mal durchgeführt wird, wird ein zylinderförmiges Teststück (Durchmesser 100 mm, Höhe 60 mm) zweiachsig in einer so genannten Triaxialzelle bei 40 oder 50 C belastet. In dieser Zelle wird eine Spannung erzeugt, die mit Straßenasphalt vergleichbar ist. Dabei wird horizontal eine Stützspannung aufgebracht, mit der simuliert wird, dass das Teststück Teil einer größeren Platte ist und vom umliegenden Material gestützt wird. Vertikal wird eine Belastung aufgebracht, die mit einem darüber hinwegfahrenden Lastwagenreifen

5 vergleichbar ist. Der Versuch wird bei wiederholter Belastung durchgeführt, um die kontinuierliche Belastung des Asphalts durch den fahrenden Verkehr zu simulieren. Während des Versuchs wird die Verformung des Teststücks ermittelt, um eine Aussage im Hinblick auf die Beständigkeit gegen die dauerhafte Verformung der betreffenden Asphaltmischung machen zu können. Die Beständigkeit wird in Form des Neigungswinkels f cmax des Verhältnisses zwischen der gemessenen vertikalen Verformung des Teststücks und der Anzahl der Lastwiederholungen ausgedrückt. Die Versuchsergebnisse dienen dazu, Materialien miteinander zu vergleichen oder um Dimensionierungsberechnungen beim Straßenbau durchzuführen. Der Vergleich zwischen LEAB und Splittasphalt, die von ihrer Materialzusammensetzung her beide identisch sind, ist wiederholt durchgeführt worden. Einziger Unterschied ist, dass das Bitumen bei LEAB in Form von Schaumbitumen bei 95 C dosiert wird, bei Splittasphalt in Form eines flüssigen Bindemittels bei 165 C. Der Versuch ist sowohl mit im Labor gemischtem und verdichtetem Asphalt erfolgt als auch auf der Grundlage von Produkten, die in einer Asphaltfabrik gemischt und vor Ort verdichtet wurden. Die nachfolgende Tabelle bietet einen Überblick über die Ergebnisse eine der durchgeführten Testreihen. Eigenschaft Versuch Parameter t Splittasphal LEAB Wasserempfindlichkeit EN ITSR % % Steifigkeit EN Anhang B E * MPa MPa Beständigkeit gegen EN Anhang D Ermüdung ε 6 µm/m µm/m Beständigkeit gegen EN Methode B Spurenbildung f cmax µm/m/n µm/m/n Auf der Grundlage dieser Ergebnisse kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die funktionalen Eigenschaften von LEAB mit denen von warm produziertem Splittasphalt identisch sind. Die Umwelteigenschaften von LEAB In den Niederlanden läuft derzeit ein von der Regierung initiiertes Projekt, das den Namen Nachhaltige Beschaffung trägt. Behörden sollen mit diesem Projekt dazu angeregt werden, beim Einkauf auf die Umweltaspekte zu achten. Die Regierung (Staat, Provinzen, Gemeinden und Wasserverbände) will damit erreichen, dass ab 2015 alle Produkte zu 100 Prozent nachhaltig eingekauft werden. Gemeinsam mit SenterNovem, der Agentur des niederländischen Wirtschaftsministeriums für Nachhaltigkeit und Innovation, hat die unabhängige niederländische Forschungsanstalt INTRON eine Studie durchgeführt, in der die Umweltergebnisse von LEAB einer genaueren indikativen Untersuchung unterzogen wurden. Die Schlussfolgerung lautete, dass LEAB auf der Ebene der Nachhaltigkeit (die so genannte Umweltleistung) im Vergleich zu herkömmlichem Asphaltbeton ein signifikant besseres Ergebnis erzielt. Dieses Ergebnis ist insbesondere dem verringerten Energiebedarf (Senkung um 25 bis 40%) und der Senkung der CO 2 -Emission (Senkung um 25%) zu verdanken.

6 Durch eine Angleichung der Mischung und den Einsatz alternativer Transportmittel sowie kürzere Transportentfernungen könnten die Einsparungen im Vergleich zu warm produzierten Asphaltmischungen sogar noch ansteigen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse ist es möglich, verschiedene Asphaltsorten wie LEAB und andere Produkte mit einer bestimmten Punktezahl zu bewerten. Nachhaltigkeit bekommt dadurch einen wirtschaftlichen Wert und kann bei der nachhaltigen Beschaffung von Mitteln einfacher berücksichtigt werden. Schlussfolgerungen Auf der Grundlage der Erfahrungen mit LEAB kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass auch bei Temperaturen unter 100 C Asphaltmischungen produziert werden können, deren Eigenschaften mit denen warm produzierter Asphaltmischungen vergleichbar sind. Der Vergleich beruht auf den funktionalen Eigenschaften und geht somit über einen Vergleich der Gleichwertigkeit auf der Grundlage empirischer Eigenschaften hinaus. Es ist gerade diese Art des Leistungsvergleichs von Mischungen, die zu der Schlussfolgerung führt, dass die Herangehensweise von BAM Wegen an das Schaumbitumenverfahren ein hochwertiges Produkt hervorgebracht hat, mit dem eine substanzielle Senkung des Energieverbrauchs und der Emission von Treibhausgasen erzielt wird. Im Hinblick auf die Zukunft ist dies eine äußerst interessante Entwicklung.