Temperaturabgesenkter Asphalt: nicht nur ökologisch Dipl.-Ing. Michael Gehrke Lehrstuhl für Verkehrswegebau Ruhr-Universität Bochum Gebäude IA 2/137 44780 Bochum Telefon ++49-234-3227345 Telefax ++49-234-3214152 Email: michael.m.gehrke@rub.de Internet: www.lvw.rub.de 1
Gliederung 1. Entwicklung der Temperaturabgesenkten Asphalt 2. Umsetzung der Temperaturabsenkung 3. Temperaturabgesenkter Asphalt in der Praxis 4. Aktuelle Entwicklungen 2
REACh? DNEL: 2,9 DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 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
Quelle: Dr. Rühl, Gussasphalt-Symposium, Köln, Februar 2011 Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 4
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
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
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
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
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
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
Komplexer Schermodul: G* = τ (t) / γ (t) [Pa] mit: τ (t) = Scherspannung γ (t) = Deformation Organische Zusätze 11
Δ G* 25 % Organische Zusätze 12
Phasenwinkel: 0 δ 90 elastisch viskos Quelle: Thomas Mezger, Das Rheologie-Handbuch Organische Zusätze 13
Organische Zusätze 14
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
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
Geschäumtes Bitum bei max. Expansion Expansion (fach) maximale Expans DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 Schaumbitumen 16 14 In diesem Beispiel: - Expansion = 12-fach - Halbwertszeit = 10 Sekunden (= 17 Sec - 7 Sec) 12 10 8 Hälfte der maximalen Expansion 6 4 Ausgangsvolumen des ungeschäumten Bitumens = 1 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Zeit (Sekunden) Halbw ertszeit (s) Geschäumtes Bitumen bei Hälfte der max. Expansion Meßbehälter mit ungeschäumtem Ausgangsbitumen Wasser als Zusatz 17
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
Cecabase RT Evotherm Rediset WMX HyperTherm / Grundprinzip: QualiTherm Reduzieren der Oberflächenspannung (keine Veränderung der Viskosität) Herkunft Frankreich USA Kanada, USA Vertrieb Seit 2004 1,5 Mio. t WMA weltweit Seit 2004 7,5 Mio. t WMA weltweit Seit 2007 weltweit verarbeitet Seit 2007 100.000 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
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
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
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
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: 2.250 cm 3 Quelle: M TA 11 Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 23
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
kg CO 2 2 je t Asphalt 30 25 20 15 10 Kaltasphalt Semi-warm Asphalt ΔT = 30 C ΔCO 2 20 % TA Asphalt - organische Zusätze - Zeolith Heißasphalt Nachteil: Großer Energieaufwand zur Herstellung der Additive 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Quelle: Miranda et al. Temperatur [ C] Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 25
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
Frühe Verkehrsfreigabe Quelle: Schaumburger Nachrichten Quelle: Straßen.NRW Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 27
18 C Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 28
Verdichtungswiderstand D [-] DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 36 35 34 Asphaltbeton mit viskositätsverändertem (Fischer-Tropsch-Wachs) Bindemittel 34 33 32 31 30 29 29 30 30 28 27 28 Erstarrungstemperaturbereich von Fischer-Tropsch-Wachsen 18 C 26 145 135 120 105 90 Temperatur [ C] Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 29
PVE-Tester (statisch) Modifiziertes Fallgewichtsgerät (dynamisch) Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 30
Irreversibler Verformungsanteil [mm] DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Einsatz von TA Zeit nach Einbau [min] Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 31
Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 32
ε el ε pl Quelle: WeltOnline Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 33
ε el ε pl Quelle: WeltOnline Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 34
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
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
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
Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Quelle: www.op-online.de Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 38
Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Quelle: www.bauforum24.biz Quelle: TL Asphalt-StB 07 Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 39
Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 40
Einsatzmöglichkeiten von viskositätssenkenden Additive bei konventionellen Verarbeitungstemperaturen Quelle: Einsatz von TA Entwicklung der TA Umsetzung der TA TA in der Praxis Aktuelle Entwicklungen 41
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
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
Gliederung 1. Entwicklung der Temperaturabgesenkten Asphalt 2. Umsetzung der Temperaturabsenkung 3. Temperaturabgesenkter Asphalt in der Praxis 4. Aktuelle Entwicklungen 44
Erst- bzw. Kontrollprüfungen an Temperaturabgesenktem Asphalt Wiederverwendung von Temperaturabgesenktem Asphalt Nachweis von viskositätsverändernden Zusätzen Klassifizierung viskositätsveränderter Bindemittel 45
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 14770 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 110/130 20 15-30 25 20-30 30 25-45 40 30-45 50 30-70 50 50 30-70 50 70 40 - - 100 70 70 40 - - 100 70 > 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 > 65 100 C > 65 < 55 > 65 < 55 > 65 < 55 > 65 110 C > 75 < 55 > 75 < 55 > 75 < 55 > 75 > 80 > 80 > 80 > 80 > 80 > 80 > 80 120 C < 55 < 55 < 55 > 80 46
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
Nachweis der Zusätze mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie Differential Scanning Calorimetry (DSC) Wärmefühler Referenz Probe Wärmequelle 48
DSC /(mw/mg) DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 Nachweis der Zusätze mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie Differential Scanning Calorimetry (DSC) 3.0 2.5 2.0 Montanwachs FT - Wachs Amidwachs 1.5 1.0 0.5 [3.5] [1.5] [2.5] 0 Quelle: Sasol 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Temperatur / C 49
50
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Komplexer Schermodul G* [Pa] DAV Informationsveranstaltung, Herbst 2011 1,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+00 40 60 80 100 120 140 Temperatur [ C] 52
Quelle: Haus der bayerischen Geschichte 53