Mechanische Eigenschaften von Asphaltgemischen anhand von Beispielen Die Auswirkungen der Zugabe von Asphaltgranulat

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1 Mechanische Eigenschaften von Asphaltgemischen anhand von Beispielen Die Auswirkungen der Zugabe von Asphaltgranulat Kurt Schellenberg und Peter Schellenberg, Rottweil Ausbauasphalt ist in Abhängigkeit von seinem Alter mehr oder weniger verändert durch Reaktionen des Bindemittels mit den Gesteinskörnungen, durch Verschmutzung und Einlagerung von Streusalz sowie durch Einwirkung der Atmosphärilien (Wasser, Strahlungen). Dies führt zu Oxydationen des Bindemittels und zur Destillation niedrig siedender Anteile im Bindemittel und damit zu einer Veränderung der chemischen Struktur (Verringerung des Anteils an Maltenen und Erhöhung der Anteile an Asphaltenen), die sich in der Praxis als Erhöhung der Viskosität des Bindemittels und Erhöhung der Steifigkeit des Asphalts zeigen, die bis zu Versprödungen führen können. In den Technischen Lieferbedingungen für Asphaltgranulat (TL AG-StB 09) und auch im Merkblatt für die Wiederverwendung von Asphalt (M WA 09) sind die Eigenschaften/Merkmalsgrößen des Asphaltgranulats, die Gesteinskörnungen und das Bindemittel (Bindemittelart, Erweichungspunkt Ring und Kugel und in besonderen Fällen auch die Nadelpenetration) im Einzelnen aufgeführt, wobei zu Recht großer Wert auf die Gleichmäßigkeit des Asphaltgranulats und auf das resultierende Bindemittel gelegt wird mit begrenztem Erweichungspunkt Ring und Kugel. Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften gibt es bei der Zugabe von Ausbauasphalt und auch beim neuen Asphalt nicht. Abbildung 1: Eigenschaften am Marshallprobekörper Eigenschaften am Probekörper nach Marshall Als Vergleich dient eine Asphalttragschicht AC 32 mit Bitumen 50/70 ohne Zugabe von Ausbauasphalt (Nr. I), mit 30 M-% Ausbauasphalt (Nr. II) und 50 M-% (Nr. III), wobei bei Nr. II und III das weichere Bitumen 70/100 als Frischbhitumen verwendet wurde. Was im Einzelnen ermittelt wurde, verdeutlicht Abbildung 1. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Zugabe von Ausbauasphalt der gesamte Asphalt bei Abbildung 2: Ergebnisse von Spurbildungsversuchen 31

2 Ergebnisse von Druckschwellversuchen Abbildung 3: Ergebnisse der Druck-Schwellversuche gleicher Verdichtungsarbeit leichter zu verdichten ist bzw. dass zur Erzielung identischer Hohlraumgehalte am Probekörper nach Marshall die Gesamtbindemittelmenge eher geringer ist. Trotz der weicheren Bindemittelsorte bei den Mischungen II und III nimmt mit der Zugabe von Ausbauasphalt die Marshallstabilität zu. Ergebnisse von Spurbildungsversuchen Zum Vergleich wurde ein Asphaltbinder AC 16 B S herangezogen mit PmB 25/55-55 A als Bindemittel ohne Fräsgut bzw. mit PmB 25/55-55 A RC bei 20 % Fräsgut mit Zusammensetzungen und Eigenschaften, wie sie in Abbildung 2 dargestellt sind. Durch die Zugabe von 20 % Fräsgut wird bei identischer Bindemittelmenge die bessere Verdichtungswilligkeit durch die Abnahme des Hohlraumgehalts von 6,1 auf 5,2 Vol.-% dokumentiert. Bei den Spurrinnentiefen wurden keine Unterschiede ermittelt. Spurbildungsversuche mit Lufttemperierung bei 60 C und Beanspruchung mit Gummirad ergeben keine ausreichenden Differenzierungen. Mit dem Mischgut eines Asphaltbinders AC 16 B S mit 30 % Fräsgut AG AB 16 wurden im Labor Mischungen mit unterschiedlichen Mengen an Bitumen 30/45 NV hergestellt. Am Probekörper nach Marshall wurden entsprechend TP Asphalt - StB Teil 25 B 1 Druckschwellversuche durchgeführt, um den Einfluss der Bindemittelmenge auf die Verformbarkeit im Druckschwellversuch zu ermitteln. Die Ergebnisse (Abbildung 3) zeigen wie zu erwarten war mit zunehmendem Bindemittelgehalt eine Abnahme des Hohlraumgehaltes am Probekörper nach Marshall. Gleichzeitig wird bei dem hier vorliegenden stetig gestuften Asphaltbinder mit zunehmender Bindemittelmenge eine Erhöhung der Wärmestandfestigkeit erreicht, bis der Tiefpunkt im Verformungsminimum überschritten wird. Aus der graphischen Darstellung der Dehnungsraten im Druckschwellversuch (Abbildung 4) ist zu erkennen, dass sich die größte Wärmestandfestigkeit bzw. die geringste Verformungsrate im vorliegenden Fall, bei einer Gesamtbindemittelmenge von ca. 5,4 M-% einstellen wird. Die übliche Methode, die optimale Bindemittelmenge nach einem bestimmten Hohlraumgehalt am Probekörper nach Marshall festzulegen, ist nicht zielführend. In der graphischen Darstellung (Abbildung 4) ist für die Verformungsrate im Druckschwellversuch die Grenze bei /n eingezeichnet. Dieser Wert muss bei einer Oberspannung von 0,5 N/mm² nach ETV-StB - BW Teil 3.2 Ausgabe 2011 eingehalten werden, um bei einem stetig gestuften Asphaltbinder mit Hohlraumgehalten von ca. 4 Vol.-% eine hohe Standfestigkeit in der Wärme zu erreichen. Druckschwellversuche sind bestens geeignet, optimale Bindemittelmengen für jede Mischung zu ermitteln. Prüfung der Wasserempfindlichkeit Abbildung 4: Abhängigkeit der Dehnungsrate von der Bindemittelmenge Bei der Prüfung der Wasserempfindlichkeit vor und nach Wasserlagerung mit Hilfe der Spaltzugfestigkeit nach DIN EN werden keine befriedigenden Ergebnisse erzielt, weil das Ergebnis der Spaltzugfestigkeit sehr stark vom Hohlraumgehalt der Prüfkörper abhängt und bei kleinstem Hohlraumgehalt am größten ist. Dazu kommt, dass die Spannungsverteilung (Anteil Druck und Anteil Zugspannung) direkt abhängig ist von der Steifigkeit des zu prüfenden Asphalts. Danach liegen bei den verschiedenen Asphaltvarianten keine konstanten Prüfbedingungen vor. Im Gegensatz zu Spaltzugfestigkeiten liefert die Prüfung von zentrischen Zugfestigkeiten bei einem eindeutigen Spannungszustand gut reproduzierbare Ergebnisse. Die Probekörper in den Abmessungen 40 x 40 x 160 mm werden aus mit Walzsektor verdich- 32

3 teten Platten oder aus Bohrkernen ausgesägt und bei +5 C mit einer Ziehgeschwindigkeit von 1,5 mm/minute geprüft, um einen Zugbruch im Asphaltmörtel zu erreichen. Die Wasserlagerung erfolgt entsprechend DIN EN mit einer Evakuierung der Probekörper während 30 Minuten bei einem Vakuum von 67 mbar. Nach einem Wasserbad bei 20 C wird dann eine Wasserlagerung bei 40 C während 68 bis 72 Stunden vorgenommen. Als Beispiel dient wiederum ein AC 32 mit B 50/70 (Mischung I), mit B 70/100 und 30 % AG (Mischung II) sowie mit B 70/100 und 50 % AG (Mischung III). Die reinen Ergebnisse sind in Abbildung 5 sowie in Abbildung 6 graphisch dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Zugfestigkeit mit zunehmender Menge an Asphaltgranulat deutlich zunimmt. Durch Wasserlagerung tritt ein Abfall der Zugfestigkeit ein. Die absoluten Werte der Zugfestigkeit nach Wasserlagerung sind bei einer Zugabe von 50 % Asphaltgranulat aber immer noch deutlich höher als ohne Ausbauasphalt. Abbildung 5: Ergebnisse der Prüfung der Wasserempf indlichkeit Prüfung der Kälteflexibilität Die Prüfungen erfolgten nach der Technischen Prüfvorschrift zum Verhalten von Asphalt bei tiefen Temperaturen der FGSV, Ausgabe Im Rottweiler Kälteprüfstand werden prismatische Proben in den Abmessungen 40 x 40 x 160 mm geprüft, ausgeschnitten aus Asphaltplatten mit 100 % Verdichtung, bezogen auf die Raumdichte am Probekörper nach Marshall. Die Proben werden an die Adapter angeklebt, wie Bild 1 zeigt. Die Probekörper werden bei 20 C im Luftbad gelagert und bei einem Temperaturgradient von -10 K/h abgekühlt. Durch die Kälte bauen sich entsprechende Zugspannungen auf bis zum Abbildung 6: Einfluss der Zugabemenge von Asphaltgranulat auf die Zugfestigkeiten vor und nach Wasserlagerung 33

4 Bild 1: Probekörper für zentrische Zugversuche Bruch. Durch entsprechende Maßnahmen wird im Rottweiler Kälteprüfstand (Bild 2) dafür gesorgt, dass die Verkürzungen der Prüfapparatur durch Abkühlung ebenso ausgeglichen werden, wie die Verringerung des Prüfquerschnitts der Proben während des Versuchsablaufs. Die an den Asphalttragschichten AC 32 der Mischungen I, II und III ermittelten Werte sind in Abbildung 7 dargestellt. Auffallend sind die sehr geringen Schwankungen der Einzelwerte bei den maximalen thermisch induzierten Zugspannungen und dementsprechend auch bei den Bruchtemperaturen, obwohl Asphalttragschichtmaterial mit Größtkorn 32 mm in den Abmessungen 40 x 40 mm geprüft wurde. Die Bruchtemperaturen werden mit zunehmendem Anteil an Asphaltgranulat immer ungünstiger, wie die graphische Darstellung in Abbildung 8 zeigt: Basierend auf den am IFM gemachten Erfahrungen sollten die im Abkühlversuch ermittelten Bruchtemperaturen nach dem Verwendungszweck bzw. nach der Lage der Asphaltschicht im Straßenkörper wie in Tabelle 1 aufgeführt gestaffelt werden. Bei der Festlegung der Mindesttemperaturen ist außerdem noch zu berücksichtigen, dass zentrische Prüfungen im Labor durchgeführt werden, die bezogen auf die Fläche in der Praxis noch mit dem Faktor 1,5 zu multiplizieren sind. Dies bedeutet, dass Asphaltdeckschichten auf der Straße Kältespannungen bis -30 C rissefrei ertragen. Zusammenfassung Bild 2: Rottweiler Kälteprüfstand 34 Die Zugabe von Asphaltgranulat zu neuen Asphaltmischungen ist das Gebot der Stunde. Nach dem Stand des geltenden Technischen Regelwerkes kann die durch Zugabe von Ausbauasphalt

5 Asphaltschicht Bruchtemperatur C Asphaltdeckschicht minus 20 Asphaltbinderschicht minus 15 Asphalttagschicht minus 10 Tabelle 1: Richtwerte für die Bruchtemperatur bedingte Änderung der Kornverteilung, der Bindemittelmenge und Bindemittelhärte angepasst werden, wenn eine kontrollierte Gleichmäßigkeit des Ausbauasphaltes gegeben ist. In den Technischen Lieferbedingungen sind jedoch keine physikalischen/mechanischen Eigenschaften des Asphalts mit und ohne Zugabe von Ausbauasphalt beschrieben. Versuchsergebnisse werden immer variieren je nach Art und Menge der Zugabe von Ausbauasphalt. Die beschriebenen Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch deutliche Trends auf: Die Zugabe von Asphaltgranulat führt immer zu einer Erhöhung der Verdichtungswilligkeit des heißen Mischgutes, also zu einer höheren Raumdichte bzw. zu geringerem Hohlraumgehalt bei gleicher Verdichtungsarbeit. Oder anders ausgedrückt: die erforderliche Gesamtbindemittelmenge ist geringer, wenn Ausbauasphalt zugegeben wird. Dies liegt an der teilweise vorhandenen Vorumhüllung des Asphaltgranulats. Durch Zugabe von Asphaltgranulat wird die Standfestigkeit in der Wärme erhöht, auch wenn ein weicheres neues Bindemittel verwendet wird, nachgewiesen durch eine höhere Marshall-Stabilität, eine geringere Verformungsrate im Druckschwellversuch und eine höhere Zugfestigkeit. Spurbildungsversuche ergeben keine ausreichende Spreizung der Untersuchungsergebnisse. Mit Hilfe von Druckschwellversuchen kann bei Walzasphalten mit und ohne Asphaltgranulat die optimale Gesamtbindemittelmenge ermittelt werden. Sie stellt sich ein, wenn in Abhängigkeit von der Bindemittelmenge die geringste Verformungsrate gemessen wird. Die Wasserempfindlichkeit des Asphaltgemisches neu und alt wird zuverlässig im zentrischen Zugversuch ermittelt, im Vergleich der Werte vor und nach Wasserlagerung. Mit zunehmender Menge an Ausbauasphalt nimmt der Zugfestigkeitsabfall zu. Entscheidend sind aber die absoluten Werte der Zugfestigkeit, die bei 50 % Asphaltgranulatzugabe nach Wasserlagerung noch höher liegen können, als bei einem neuen Asphalt ohne Asphaltgranulatzugabe. Vergleiche der Spaltzugfestigkeit vor und nach Wasserlagerung zur Ansprache der Wasserempfindlichkeit von Asphalt (entsprechend EN- Norm) haben sich nicht bewährt. Die Menge an Ausbauasphalt bestimmt auch die Kälteflexibilität des Asphalts. Mit zunehmender Menge an Asphaltgranulat wird die Kälteflexibilität ungünstiger. Bei der Beurteilung der Ergebnisse ist die Lage der Asphaltschicht im Straßenkörper zu berücksichtigen. Nach vorliegenden Erfahrungen können Tragschichten im Abkühlversuch (zentrischer Zugversuch) bis unter -10 C, Asphaltbinderschichten bis unter -15 C und Asphaltdeckschichten bis unter -20 C als ausreichend kälteflexibel eingestuft werden. Anschrift des Verfassers: Prof. Dr.-Ing. Kurt Schellenberg Dr.-Ing. Peter Schellenberg IfM Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg Rottweil GmbH Rottweiler Straße Rottweil rottweil@ifm-dr-schellenberg.de Abbildung 7: Ergebnisse am Rottweiler-Kältprüfstand an Asphalttragschichten AC 32 Abbildung 8: Bruchtemperaturen im Abkühlversuch bei variablen Mengen an Asphaltgranulat 35