Temperaturabgesenkter Asphalt: nicht nur ökologisch

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1 Temperaturabgesenkter Asphalt: nicht nur ökologisch Dipl.-Ing. Michael Gehrke Lehrstuhl für Verkehrswegebau Ruhr-Universität Bochum Gebäude IA 2/ Bochum Telefon Telefax Internet: 1

2 Gliederung 1. Entwicklung der Temperaturabgesenkten Asphalt 2. Umsetzung der Temperaturabsenkung 3. Temperaturabgesenkter Asphalt in der Praxis 4. Aktuelle Entwicklungen 2

3 REACh? DNEL: 2,9 DAV Informationsveranstaltung, Herbst Leitfaden für den Praktischen Umgang Veröffentlichung M TA 2006 Neuauflage M TA 2011 Luftgrenzwerte (TRGS 900): 10 mg/m 3 alle Arbeiten Ausnahme: Gussasphalt Quelle: Dr. Rühl, Gussasphalt-Symposium, Köln, Februar 2011 (2002 um 5 Jahre verlängert) Luftgrenzwerte (TRGS 900): 20 mg/m 3 bei Verarbeitung in Innenräumen 15 mg/m 3 für alle übrigen Arbeiten Gussasphalt nur noch mit Additiven (einheitlich: 10 mg/m 3 ) Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 3

4 Quelle: Dr. Rühl, Gussasphalt-Symposium, Köln, Februar 2011 Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 4

5 Gliederung 1. Entwicklung der Temperaturabgesenkten Asphalt 2. Umsetzung der Temperaturabsenkung a. Organische Zusätze b. Wasser als Zusatz c. Chemische Zusätze 3. Temperaturabgesenkter Asphalt in der Praxis 4. Aktuelle Entwicklungen 5

6 η [Pa s] DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 Grundprinzip: Zusatz mit hoher Viskosität unterhalb und niedriger Viskosität oberhalb des Schmelzpunktes Reduzierung des Einbauwiderstandes im Verarbeitungstemperaturbereich Steigerung der Verformungsbeständigkeit im Gebrauchstemperaturbereich Org. Zusatz Organische Zusätze T [ C] 6

7 Die in Deutschland gebräuchlichsten (M TA 11 und im DAV-Leitfaden) organischen Zusätze können in drei Gruppen eingeteilt werden: Montanwachse Montanwachse werden bei der Braunkohleverarbeitung gewonnen und bestehen aus höher molekularen Kohlenwasserstoffen mit einem Schmelzbereich zwischen 110 und 140 C. für GA für WA Organische Zusätze 7

8 Die in Deutschland gebräuchlichsten (M TA 11 und im DAV-Leitfaden) organischen Zusätze können in drei Gruppen eingeteilt werden: Montanwachse Fischer-Tropsch-Wachse FT-Wachse sind langkettige aliphatische Kohlenwasserstoffe, die mit der Fischer-Tropsch Synthese aus Steinkohle bzw. Synthesegas gewonnen werden. FT-Wachse sind oberhalb von 115 C in Bitumen vollständig löslich. Organische Zusätze 8

9 Die in Deutschland gebräuchlichsten (M TA 11 und im DAV-Leitfaden) organischen Zusätze können in drei Gruppen eingeteilt werden: Montanwachse Fischer-Tropsch-Wachse Fettsäureamide (Amidwachse) Fettsäureamide sind langkettige aliphatische Kohlenwasserstoffe, die synthetisch hergestellt werden. Fettsäureamide sind oberhalb von 140 C vollständig löslich in Bitumen. Organische Zusätze 9

10 Die in Deutschland gebräuchlichsten (M TA 11 und im DAV-Leitfaden) organischen Zusätze können in drei Gruppen eingeteilt werden: Montanwachse Fischer-Tropsch-Wachse Fettsäureamide (Amidwachse) Alle Wachse sind oberhalb ihres Schmelzbereichs vollständig löslich in Bitumen, vermischen sich durch Rühren homogen mit dem Basisbitumen und bilden so ein lagerstabiles wachsmodifiziertes Bindemittel. Organische Zusätze 10

11 Komplexer Schermodul: G* = τ (t) / γ (t) [Pa] mit: τ (t) = Scherspannung γ (t) = Deformation Organische Zusätze 11

12 Δ G* 25 % Organische Zusätze 12

13 Phasenwinkel: 0 δ 90 elastisch viskos Quelle: Thomas Mezger, Das Rheologie-Handbuch Organische Zusätze 13

14 Organische Zusätze 14

15 η [Pa s] DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 Grundprinzip: Reduzierung der Bindemittelviskosität durch Volumenzunahme des verdampfenden Wassers bei der Mischgutherstellung Zeitlich begrenzte Verringerung des Verarbeitungswiderstandes Keine dauerhafte Veränderung der Asphalteigenschaften Wasser als Zusatz T [ C] 15

16 Mineralische Zusätze Als mineralische Zusätze werden vorwiegend Zeolithe eingesetzt Natürliche Als mineralische Zeolithe Zusätze besitzen werden einen vorwiegend Wassergehalt Zeolithe von eingesetzt etwa 6 bis 12 M.%, synthetisch Natürliche Zeolithe hergestellte besitzen bis zu einen 25 M.-% Wassergehalt von etwa 6 bis 12 M.%, Durch synthetisch Erwärmung hergestellte auf bis die zu 25 Mischguttemperatur M.-% geben Zeolithe ihr gebundenes Durch Erwärmung Wasser an auf das die umgebende Mischguttemperatur Bitumen ab geben Zeolithe ihr Die gebundenes Abgabe erfolgt Wasser über an das Dampfblasen, umgebende wodurch Bitumen die ab Verarbeitungsviskosität des Die Abgabe Bitumens erfolgt herabgesetzt über Dampfblasen, wird wodurch die Verarbeitungsviskosität Beim des Bitumens Abkühlen herabgesetzt des Asphaltes wird (Bindemittels) kondensieren die Dampfbläschen Beim Abkühlen und des die Viskosität Asphaltes des (Bindemittels) steigt kondensieren wieder die Unterhalb Dampfbläschen von 100 und C die geht Viskosität die Wirkung des Bindemittels der Zeolithe steigt zurück wieder Wasser als Zusatz 16

17 Geschäumtes Bitum bei max. Expansion Expansion (fach) maximale Expans DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 Schaumbitumen In diesem Beispiel: - Expansion = 12-fach - Halbwertszeit = 10 Sekunden (= 17 Sec - 7 Sec) Hälfte der maximalen Expansion 6 4 Ausgangsvolumen des ungeschäumten Bitumens = Zeit (Sekunden) Halbw ertszeit (s) Geschäumtes Bitumen bei Hälfte der max. Expansion Meßbehälter mit ungeschäumtem Ausgangsbitumen Wasser als Zusatz 17

18 Weitere Verfahren LEA (Low Energy Asphalt), EBE, EBT Restfeuchte der GK verdampft bei Bitumenzugabe und senkt die Viskosität 0,2 0,5 M.-% des Bindemittels LEAB (Low Energy Asphalt Concrete): Zugabe von Asphaltgranulat Additiv stabilisiert entstehenden Schaum LT-Asphalt: Kombination aus Schaumbitumen und Zeoliten, die den Schaumeffekt mehrere Stunden aufrechthalten Wasser als Zusatz 18

19 Cecabase RT Evotherm Rediset WMX HyperTherm / Grundprinzip: QualiTherm Reduzieren der Oberflächenspannung (keine Veränderung der Viskosität) Herkunft Frankreich USA Kanada, USA Vertrieb Seit ,5 Mio. t WMA weltweit Seit ,5 Mio. t WMA weltweit Seit 2007 weltweit verarbeitet Seit t WMA in Kanada Zugabemenge 0,3 0,5 % des Bitumens 1,5 2,5 % des Bitumens 0,2 0,3 % des Bitumens Wirkung Reduzierung der Oberflächenspa nnung und Verbesserung der Schmierung Reduzierung der Oberflächenspa nnung Reduzierung der Oberflächenspa nnung, verbessert die Adhäsion und senkt die Viskosität Reduzierung der Oberflächenspa nnung Chemische Zusätze 19

20 Gliederung 1. Entwicklung der Temperaturabgesenkten Asphalt 2. Umsetzung der Temperaturabsenkung 3. Temperaturabgesenkter Asphalt in der Praxis a. Herstellung von Temperaturabgesenktem Asphalt b. Einsatzgebiete von Temperaturabgesenktem Asphalt c. Langfristige Erfahrungen mit Temperaturabgesenktem Asphalt 4. Aktuelle Entwicklungen Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 20

21 Verwendung organischer Zusätze: Verwendung mineralischer Zusätze: - Verwendung fertigmodifizierter Bindemittel Zugabeanteil oder eigene 0,2 0,3 M.-% des Bindemittelmodifizierung oder eigene Mischgutes - Zugabeanteil: Bindemittelmodifizierung 3 M.-% des Bitumens Zugabe zeitgleich bzw. kurz vor - Keine Besonderheiten während des Mischprozesses Zugabeanteil 3 M.-% des dem Eindüsen des Bindemittels Bitumens Keine Besonderheiten während des Mischprozesses Wenn die Zusätze zur Temperaturabsenkung eingesetzt werden, muss die Verarbeitungstemperatur abgesenkt werden! Herstellen von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 21

22 Reduzierung der Herstellungs- und Verarbeitungstemperatur Gussasphalt Asphalt in Tunneln Sonstige WA-Maßnahmen Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 22

23 Rührgerät mit Drehzahlregelung und Rührwiderstanderfassung (Empfindlichkeit: 1 Ncm) Rührgeschwindigkeit: 25 U/min Heizmantel zur Erwärmung des Rührtopfes auf 250 C Temperaturfühler: 150 bis 300 C (Empfindlichkeit: 0,1 C) Einfüllvolumen: cm 3 Quelle: M TA 11 Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 23

24 Rührwiderstandsmoment [Ncm] DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 T = 29 C MA 11 S Variante A (unmodifiziert) MA 11 S Variante B (wachsmodifiziert) Temperatur T [ C] Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 24

25 kg CO 2 2 je t Asphalt Kaltasphalt Semi-warm Asphalt ΔT = 30 C ΔCO 2 20 % TA Asphalt - organische Zusätze - Zeolith Heißasphalt Nachteil: Großer Energieaufwand zur Herstellung der Additive Quelle: Miranda et al. Temperatur [ C] Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 25

26 Reduzierung der Verarbeitungstemperatur um 10 C Halbierung der Dämpfe und Aerosole Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 26

27 Frühe Verkehrsfreigabe Quelle: Schaumburger Nachrichten Quelle: Straßen.NRW Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 27

28 18 C Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 28

29 Verdichtungswiderstand D [-] DAV Informationsveranstaltung, Herbst Asphaltbeton mit viskositätsverändertem (Fischer-Tropsch-Wachs) Bindemittel Erstarrungstemperaturbereich von Fischer-Tropsch-Wachsen 18 C Temperatur [ C] Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 29

30 PVE-Tester (statisch) Modifiziertes Fallgewichtsgerät (dynamisch) Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 30

31 Irreversibler Verformungsanteil [mm] DAV Informationsveranstaltung, Herbst ,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Einsatz von TA Zeit nach Einbau [min] Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 31

32 Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 32

33 ε el ε pl Quelle: WeltOnline Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 33

34 ε el ε pl Quelle: WeltOnline Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 34

35 Bitumen ET dyn ΔET dyn ΔET dyn [-] [mm] [mm] [%] ε el nicht modifiziert 1,80 0,031 1,86 mit organischen Additiven modifiziert 1,36 0,042 3,90 ε pl Quelle: WeltOnline Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 35

36 Vorteile Temperaturabgesenkter Asphalte Reduzierung der Dämpfe und Aerosole Reduzierung der Emissionen bei der Asphaltverarbeitung Vorzeitige Verkehrsfreigabe Erhöhung der Verformungsbeständigkeit Geringerer Materialverschleiß der Anlageteile Reduzierung der Bitumenalterung Einsatz von TA 36 Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen

37 Reduzierung der Herstellungs- und Verarbeitungstemperatur oder Verbesserung der Verarbeitbarkeit Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 37

38 Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Quelle: Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 38

39 Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Quelle: Quelle: TL Asphalt-StB 07 Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 39

40 Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 40

41 Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Quelle: Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 41

42 Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Handeinbau Schwer verdichtbarer Asphalt Widrigen Witterungsbedingungen Dünnschichtigem Aufbau Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 42

43 Zusätze und modifizierte Bindemittel, deren Eignung über einen Zeitraum von wenigstens fünf Jahre nachgewiesen ist. Langfristig TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 43

44 Gliederung 1. Entwicklung der Temperaturabgesenkten Asphalt 2. Umsetzung der Temperaturabsenkung 3. Temperaturabgesenkter Asphalt in der Praxis 4. Aktuelle Entwicklungen 44

45 Erst- bzw. Kontrollprüfungen an Temperaturabgesenktem Asphalt Wiederverwendung von Temperaturabgesenktem Asphalt Nachweis von viskositätsverändernden Zusätzen Klassifizierung viskositätsveränderter Bindemittel 45

46 Merkmal / Ein- Prüfung 20/30 20/30 Eigenschaft Thema: Temperaturabgesenkter heit nach Asphalt Nadelpenetration bei 25 C 0,1 mm DIN EN 1426 Erweichungspunkt DIN EN C Ring und Kugel 1427 Verformungsverh alten Dynamisches Scherrheometer (DSR) bei 1,59 Hz Komplexer Schubmodul G* 90 C 100 C 110 C 120 C Pa DIN EN V 90/110 V 110/130 Sorte 30/45 30/45 50/70 V 90/110 V 110/130 V 90/110 50/70 UNI VE R 70/100 SI T Ä T V 110/130 V 90/110 70/100 V 110/ > 75 > 85 > 70 > 80 > 65 > 80 > 65 > 80 PEN (und EP?) zur Bestimmung der Bitumenhärte DSR (und EP?) zur Wachsidentifikation Möglichkeit zu Klassifizierung < 1000 < 300 < 100 < 25 > 2000 > 1000 > 250 < 25 < 750 < 250 < 100 < 25 > 1500 > 500 > 250 < 25 < 750 < 250 < 50 < 25 > 1000 > 500 > 100 < 25 < 750 < 250 < 50 < 25 > 1000 > 500 > 100 < 25 Phasenwinkel 90 C > 65 < 55 > 65 < 55 > 65 < 55 > C > 65 < 55 > 65 < 55 > 65 < 55 > C > 75 < 55 > 75 < 55 > 75 < 55 > 75 > 80 > 80 > 80 > 80 > 80 > 80 > C < 55 < 55 < 55 > 80 46

47 Einheitliche Festlegung der Bedingungen für die Extraktion, Rückgewinnung und Prüfung Extraktionszeit: 90 Minuten Lösemittel bei der Rückgewinnung und Prüfung: Trichlorethen Eingießtemperatur der Ringe für den Erweichungspunkt Ring und Kugel: 160 C 47

48 Nachweis der Zusätze mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie Differential Scanning Calorimetry (DSC) Wärmefühler Referenz Probe Wärmequelle 48

49 DSC /(mw/mg) DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 Nachweis der Zusätze mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie Differential Scanning Calorimetry (DSC) Montanwachs FT - Wachs Amidwachs [3.5] [1.5] [2.5] 0 Quelle: Sasol Temperatur / C 49

50 50

51 51

52 Komplexer Schermodul G* [Pa] DAV Informationsveranstaltung, Herbst ,E+06 1,E+05 1,E+04 30/45 (extrahiert) 30/45 mit Fischer-Tropsch-Wachs (extrahiert, Messung während der Erwärmung nach schneller Abkühlung) 30/45 mit Fischer-Tropsch-Wachs (extrahiert, Messung während langsamer Abkühlung 30/45 mit Fischer-Tropsch-Wachs (extrahiert, Messung während der Erwärmung nach langsamer Abkühlung) 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E Temperatur [ C] 52

53 Quelle: Haus der bayerischen Geschichte 53