Forschungspaket: Recycling von Ausbauasphalt in Heissmischgut Teilprojekt: Optimaler Anteil an Ausbauasphalt

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2005/452
• Projekttitel Englisch: Optimal content of recycling asphalt pavement RAP

Schlüsselwörter (Deutsch)

Recycling, Heissmischgut, Ausbauasphalt, Nachhaltigkeit, Dauerhaftigkeit.

Schlüsselwörter (Englisch)

Recycling, hot mix asphalt, recycling asphalt pavement (RAP), durability, long term performance

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Recycling des Asphalts hat vor über 20 Jahren begonnen. Obwohl für die Produktion von verschie­denen Asphalten nach Schweizer Normen SN bereits heute teil­weise grosse Anteile an Ausbauasphalt verwendet werden dürfen, wird dies oft wenig oder gar nicht aus­genutzt. Die Akzeptanz für die Verwen­dung von Ausbauasphalt ist noch zu gering. Auf der einen Seite steht die Forderung möglichst allen Aus­bauasphalt wieder in den Stoffkreislauf einzuführen und auf der anderen Seite sollten die Strassenbeläge mit Recyclingbaustoffen eine möglichst lange Lebensdauer erreichen.

Insbesondere folgende Problempunkte sollen daher untersucht werden:

• Bestimmung des optimalen Recyclinganteils für verschiedene Mischgutsorten und -typen, wobei ins­besondere auch Aussagen über die Verwendung in Deckschichten und EME-Belägen erar­beitet werden
• Variation des Recyclinganteils zwischen 0 und 80% und Beurteilung der Mischgutqualität
• Einfluss von zwei verschiedenen Recycling-Körnungen A und B
• Vergleichende Untersuchung und Beurteilung der Zugabe von Ausbauasphalt im Paralleltrom­mel- und im Batchverfahren (Warm-/Kaltzugabe)

Das Projekt dient der Abklärung, ob und in welchen Fällen das Recycling in möglichst grossen Anteilen eingesetzt werden kann, ohne dass die Qualität des Mischgutes beeinträchtigt wird. Der Zweck des Pro­jektes liegt im ökologisch-gesellschaftlichen Bedürfnis im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst stabile ge­schlossene Stoffkreisläufe zu erreichen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Recycling of asphalt started more than 20 years ago. Although, even today, high percentages of RAP are already allowed in the production of hot asphalt mixes in Switzerland, producers often do not take advan-tage of these high percentages, because the acceptance of RAP use is still relatively low. On one hand stands the demand for recycling materials and on the other hand pavements with RAP should have good long term performance and high life expectancy.

In particular the following aspects will be evaluated:

• Determination of the optimum RAP percentage for different asphalt mix types, including findings about the use of RAP in surface - and EME courses.
• Variation of the RAP percentage between 0 and 80% and evaluation of the quality of the asphalt mixes
• Influence of two different RAP gradations A and B
• Comparative determination and evaluation of RAP addition in the recycling drum and in the batch procedure (warm-/cold addition)

The research project aims to evaluate if and when high RAP percentages can be used without affecting the quality of hot asphalt mixes. The objective of the project lies in the ego-social needs to establish con­tinuous and long lasting recycling circulations.

Projektbeschreibung (Deutsch)

In dem im Initialprojekt vorgegebenen Pflichtenheft für das EP1 sind ein umfangreicher und wesentlicher Teil der Mischguttypen und –sorten sowie Prüfungen vorgegeben. Ebenfalls vorgegeben sind der Einsatz von zwei verschiedenen Körnungen von Ausbauasphalt und das Beurteilen des Einflusses der Zugabe im Warm- oder Kaltverfahren.

Rezepturen berechnen
In einem ersten Schritt sind alle Rezepturen mit den für alle EP massgebenden Materialien aus dem Mate­rialpool zu berechnen. Diese sind für alle EP an gemeinsamen Sitzungen zu koordinieren.

Abgleich aller Prüfungen, Prüfungen roter Faden und zusätzliche Prüfungen
Für die gemäss Pflichtenheft definierte Mischung AC 11 – 40% RAP sind alle Prüfungen gemäss rotem Faden und den zusätzlich verwendeten Prüfverfahren durchzuführen. Die Prüfergebnisse sind zwischen allen beteiligten Forschungsstellen abzugleichen.

Versuche mit Ausbauasphalt A, inkl. Warm- / Kaltzugabe
Durchführen von allen Prüfungen für die Nullmischungen und die Mischungen mit Ausbauasphalt A. Der Einfluss der Zugabe mittels Paralleltrommel, das bedeutet Warmzugabe, und im Batch-Verfahren (Kalt­zugabe) ist zu beurteilen. Dieser Aspekt wird am Mischgut AC 11 mit 20% Ausbau­as­phalt überprüft. Ein Entwurf des Berichtes für diesen Teil wird erstellt.

Versuche mit Ausbauasphalt B
Durchführen von allen Prüfungen für die Mischungen mit Ausbauasphalt B. Ein Entwurf des Berichtes für diesen Teil wird erstellt.

Schlussbericht erstellen
Folgerungen aus den Untersuchungsergebnissen ziehen und Grundlagen für die Bestimmung optima­ler Anteile an Ausbauas­phalt bei der Produktion von verschiede­nen Mischgutsorten und Mischguttypen erarbeiten.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Das in dem Forschungsprojekt erwarteten Erkenntnisse für Asphalt mit Ausbauasphalt helfen die Lang­zeitentwicklung durch Festsetzen von Anfor­derungen an Prüfergebnisse zu steuern. Dadurch kann die Qualität von rezyklierten Strassenbelägen langfristig sichergestellt werden.

Dadurch profitieren insbesondere

· Die Gesellschaft allgemein, da die Entsorgungs- und Material-Ressourcen-Problematik entschärft wird. Zumal die Initiatoren des Forschungspakets beabsichtigen, die Akzeptanz von Mischgut mit ho­hem Anteil an Ausbauasphalt allgemein zu verbessern und Anreize zum Recycling zu schaffen.

· Die Bauherren, denen sich bessere Managementgrundlagen für wirtschaftliche, technische und an­dere planerische Entscheide bieten. Insbesondere ist die Wiederverwendung von RAP viel günstiger als die Entsorgung in Deponien.

· Die Unternehmen und Mischguthersteller, die Dank besser verankerter Normen, Empfehlungen und Richtlinien sich auf eine breitere Grundlage zur Optimierung ihrer Prozesse bezüglich Quali­tät, Effi­zienz und Wirtschaftlichkeit abstützen können.

· Die Fachleute in der Praxis, da vertieftes Wissen einen sicheren Umgang mit der Recycling-Thema­tik bei der Lösung konkreter Aufgaben ermöglicht und gleichzeitig die persönliche interna­tionale Konkur­renzfähigkeit von Fachleuten aus der Schweiz und damit die internationale Ein­flussnahme unseres Landes in dieser Angelegenheit gefördert wird.

Methoden (Deutsch)

Eigenschaften des Mischgut mit Ausbauasphalt RAP

Die wesentliche Frage für dieses Forschungsprojekt EP-1, wie auch für EP-2, -4 und –5, sind:

- Wie lässt sich die umfassende Eignung eines Mischgu­tes beurteilen?

- Wie kann eine „Verschlechterung“/„Verbesserung“ durch das Recycling gemessen wer­den?

Der Nachweis der Eignung von Mischgut mit fundamentalen Prüfmethoden ist Gegenstand der laufenden Forschung. Verschiedene Prüfmethoden, die darin einbezogen sind und Aussicht auf Erfolg versprechen, sollen auch im Rahmen des hier vorliegenden Forschungsprojekts zur Anwendung kommen (siehe auch Tabelle 1). Insgesamt wird durch die im „roten Faden“ vorgegebenen Prüfungen bereits ein Prüfraster fest­gelegt, zudem sollen im Projekt serienmäßig oder punktuell Prüfungen wie Druck-Schwellversuch. Spurbil­dungstest, Zug-Schwellversuch und Ermüdungsversuch nach Wöhler mit einbezogen werden.

Für die Thematik des Mischgutes mit Ausbauasphalt ist speziell der Aspekt der möglichen Inhomogenität des Bindemittels von Bedeutung. Es ist - zumal bei hohen Anteilen an Aus­bauasphalt - unwahrscheinlich, dass sich das Bindemittel homogen vermischt. Ob ein Teil des Ausbau­asphaltes mit dem Zugabebinde­mittel umhüllt und verklebt wird, soll mit Dünnschliffuntersuchungen abge­klärt werden (Doppelumhüllung).

Eigenschaft	Prüfmethode
Wärmeverhalten, Verformungswiderstand	Steifigkeitsversuch /-modul Spurrinnentest Druck-Schwellversuch
Ermüdungsverhalten	4-Punkt-Biegung (Wöhler)
Kälteverhalten	Zug-Schwellversuch
Alterung	Marshall-Prüfkörper, 120 h / 85°C
Wasserempfindlichkeit	Indirekter Zugversuch vor/nach Wasserlagerung
Inhomogenität des Bindemittels	Dünnschliffprüfung

Tabelle 1: Eigenschaften von Mischgut und Prüfmethoden

Prüfumfang
Im Initialprojekt wurden Pflichtenhefte und Erläuterungen für die Ausschreibung erarbeitet. Der Prüfum­fang ist in den Pflichtenheften der einzelnen Einzelprojekte EP umfassend dargestellt und unterteilt sich in:

- gefordert von allen EP, Prüfungen gemäss rotem Faden an AC 11 mit 40% Ausbauasphalt RAP

- gefordert für das betreffende EP (blauer Umfang)

- punktuell im betreffenden EP gefordert (grüner Umfang)

- mögliche weitere Parameter (gelber Umfang)

Der für das EP1 geforderte Prüfumfang umfasst (blauer Umfang):

- 5 Mischguttypen AC 11, AC MR 8, AC T 22, AC EME 22 und AC B 16

- je 0%, 20%, 40%, 60%, 80% Ausbauasphalt RAP

- 2 verschiedene Ausbauasphalt-Materialien RAP

- Zugabe mittels Paralleltrommel und im Batch-Verfahren (Kaltzugabe) beurteilen

Würden für die im blauen Umfang vorgegebenen Mischungen alle Prüfungen gemäss „rotem Faden“ durchgeführt, wären die gemäss Ausschreibung geschätzten Projektkosten weitgehend ausgeschöpft. Alle Mischgutvarianten sind jedoch nicht möglich, da verschiedene Mischungen mit hohem RAP-Anteil nicht mehr mit der Null-Mischung vergleichbar sind. Bei zu hohem RAP-Anteil können nicht mehr alle Eigen­schaften erreicht werden, z.B. gegenüber dem Zielbindemittel zu hartes Bindemitte, oder zu hoher Sand­anteil bei SMA-Mischungen. Die für die praktische Anwendung möglichen Mischungen und Mischgutmengen wurden evaluiert, vgl. Tabellen 2 und 3.

Die Prüfungen nach rotem Faden umfassen:

- löslicher Bindemittelanteil EN 12697-1, Korngrössenverteilung der Mineralstoffe EN 12697-2

- Marshallprüfkörper gemäss EN 12697-30 und Marshall-Prüfung nach EN 12697-34

- Charakterisieren der löslichen Bindemittelanteile gemäss EN 12697-3 mit Erweichungs­punkt Ring und Kugel EN 1427, Penetration EN 1426 und Penetrationsin­dex EN 12591

- indirekter Zugversuch nach EN 12697-23 an gealterten Marshall-Prüfkörpern
- bei 22°C ohne Wasserlagerung
- bei 22°C mit Wasserlagerung nach EN 12697-12 (Wasserempfindlichkeit)

- Alterung der Marshall-Prüfkörper bei 120 h und 85°C gemäss ASTHO PP2-00

- Steifigkeitsversuch nach IT-CY der EN 12697-26 bei 5°C, gealterte Marshall-Prüfkör­per

- Steifigkeitsversuch nach IT-CY der EN 12697-26 bei 22°C, ungealterte Marshall-Prüfkör­per

- Steifigkeitsversuch nach IT-CY der EN 12697-26 bei 22°C, gealterte Marshall-Prüfkör­per

- Steifigkeitsversuch nach IT-CY der EN 12697-26 bei 40°C, ungealterte Marshall-Prüfkör­per

Zusätzlich verwendete Prüfverfahren

Neben den im roten Faden vorgegebenen Prüfmethoden ist vorgesehen, die folgenden zusätzlichen Prüf­methoden serienmäßig (z.B. Druck-Schwellversuch) oder punktuell anzuwenden (Prüfumfang grün/gelb).

Spurbildungstest
Zur Ermittlung des Widerstandes gegen Verformung bei höheren Temperaturen werden punktuell Spurrinnenversuche durchgeführt. Die Versuchsdurchführung erfolgt nach EN 12697-22 bei 60°C im LCPC Spurrinnentester, mit dem auch die Prüfkörper hergestellt wer­den [10].

Druck-Schwellversuch
Zur Ermittlung des Widerstandes gegen Verformung bei höheren Temperaturen werden Druck-Schwell-Versuche durchgeführt. Die Prüfung erfolgt nach EN 12697-25 bei 50°C [12]. Die Prüfkörper werden im Gyrator nach EN 12697–31 hergestellt.

Ermüdungsverhalten (Biegeversuch Wöhler)
Die Ermüdungsprüfungen werden an Balken mit dem Vier-Punkt-Biegeverfahren nach [11] durchgeführt. Es werden 12 Prüfkörper bei 3 Dehnungsniveaus geprüft. Die Auswertung erfolgt, neben dem Bestimmen des klassischen N50, unter Verwendung des Modells der sigmoidalen Schadensrate. Dieses Modell beschreibt die Modulabnahme als ein sigmoidaler Übergang von einer geringen (Phase 2 des Ermüdungsversuches) zu einer höheren (Phase 3) Schadensrate und erlaubt damit eine physikalisch basierte Bewertung des Zeitpunktes des Versagens. Festzulegen sind mittels Vorversuchen die Dehnungsniveaus.

Kälteverhalten
Für die Beurteilung des Kälteverhaltens existiert noch keine EN, weshalb das Zug-Schwell­verfahren [13] angewendet werden soll. Das Verfahren ist sehr ähnlich dem Druck-Schwell­verfahren, mit dem Unterschied, dass der Prüfkörper anstelle eines zyklischen Druckes mit Zug bei tiefer, noch abzuklärenden Temperatur verformt wird. Dadurch wird einerseits die Belastung durch den Verkehr (zyklischer Zug), andererseits die Kälte simuliert (statischer Zug). Er gibt somit praxisrelevantere Resultate über das Dauerverhalten bei Kälte und Schwerverkehr als ein reiner Zugversuch in der Kälte.

Dünnschliff
Mit Herstellen, Prüfen und Beurteilen von Dünnschliffen liegen in der Tecnotest AG sehr viele Erfahrun­gen vor. Routinemässig werden Dünnschliffe an Beton nach ASTM C856-95 geprüft. Verschiedentlich wurden auch Dünnschliffe und Dünnschnitte an Asphalt und Dichtungsbahnen, Bitumen- und Polymer­bitumen-Dichtungsbahnen, geprüft. Die Dünnschliffe an Asphalt werden nach einem dänischen Verfahren des Danish Road Institute ge­prüft.

Warm- und Kaltzugabe von Ausbauasphalt
Aus der Praxis ist bekannt, dass das Herstellungsverfahren für Mischgut mit Ausbauasphalt einen gros­sen Einfluss auf die Mischgutqualität hat. Insbesondere sind die Einflüsse von Mischzeit und die Warm- oder Kaltzugabe des Ausbauasphaltes gross. Diese Aspekte sind für die Umsetzung in der Mischanlage zur Hauptsache im EP5 zu bearbeiten.

In diesem EP1 ist der Einfluss der Zugabe mittels Paralleltrommel, das bedeutet Warmzugabe, und im Batch-Verfahren, Kaltzugabe, zu beurteilen. Dieser Aspekt wird am Mischgut AC 11 mit 20% Ausbau­as­phalt überprüft. Aus Praxiserfahrung ist bekannt, dass bei mehr als etwa 20% Zugabe von kaltem Aus­bauasphalt die Neumaterialien stark überheizt werden müssen um normgerechte Mischguttemperaturen zu erhalten. Kaltzugabe eignet sich somit höchstens für die Zugabe von kleinen Mengen Ausbauasphalt.

Tabelle 2 Prüfplan mit pro Mischgutsorte maximal möglichem Anteil an Ausbauasphalt: siehe bitte unten

Tabelle 3 Für die Prüfungen erforderliche Mischgutmengen (ohne Reserve für Doppelprüfungen, usw.): siehe bitte unten

Zugehörige Dokumente

• Tabelle 2.pdf [PDF] 336 kB
• Tabelle 3.pdf [PDF] 298 kB

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Keine speziellen Geräte. Verschiedene neue und moderne Prüfgeräte werden eingesetzt. Diese sind jedoch bereits vorhanden und validiert.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Der Stand der Forschung wurde im Initialprojekt VSS-FA 2005/451 durch die EMPA Dübendorf erarbeitet. Der Bericht des Initialprojektes datiert vom 20.11.2006.

Diese Zusammenstellung zeigt deutlich, dass schon viele Arbeiten im Recyclingbereich durch­geführt wurden. Allerdings wird in diesen Arbeiten in der Regel nur eine spezifische Fragenstellung behan­delt. Außerdem zeigt sich, dass die Recyclingthematik stark von natio­nalen Gegebenheiten und Eigenhei­ten (politische, räumliche, technische) geprägt ist, was die Notwendigkeit einer eigenen schweize­rischen Forschungsinitiative wichtig erscheinen lässt. Die im Rahmen der schweizerischen Strassenbaufor­schung im Laufe der letzten Jahre erstellten Einzel-Berichte stellen dabei eine wichtige Grundlage dar. So wurde im schwei­zerischen Forschungsprojekt [1] die Verwendung von höheren Anteilen an Recyclinggra­nulat evaluiert, wobei verschiedene Mischgutsorten und Belagsschichten nur punktuell untersucht werden konn­ten. Auch die im neuen deutschen Forschungsbericht [2] gemachten Aussagen beziehen sich nur spezi­fisch auf eine Asphaltbetonbinderschicht 0/16 S und berücksichtigen so eine Vielzahl von Mischsorten und –typen nicht. Dieser Bericht befindet sich in Druck und ist bisher nur in der Zusammenfassung veröf­fent­licht.

Projektziele (Deutsch)

Dieses Einzelprojekt EP1 des Forschungspaketes hat zum Ziel, Grundlagen für die Bestimmung optima­ler Anteile an Ausbauas­phalt bei der Produktion von verschiedenen Mischgutsorten und Mischguttypen zu erarbeiten und trotz­dem eine hohe Belagsqualität und lange Lebensdauer zu erhalten. Mit dem Nach­weis der normgerech­ten und geeigneten Mischguteigenschaften sollen die Vorbehalte gegenüber Belä­gen mit Ausbauasphalt abgebaut werden.

Projektziele (Englisch)

The goal of the research project EP 1 is to evaluate a base for the determination of an optimum per­centage of RAP in the production of different asphalt mix types making sure that high pavement quality and long term performance is still guaranteed. The reservation against the use of asphalt mixes contain­ing RAP will be reduced by demonstrating that such mixes are still standard conform and well performing.

Forschungsplan (Deutsch)

Die geplante Arbeit umfasst:

- Start-Abgleich und Materialdefinitionen

- Planung der Versuche, Materialbeschaffung

- Erstellen der Mischgut-Rezepturen

- Durchführen und Abgleichen der Prüfungen für roten Faden mit anderen EP

- Durchführen und Abgleichen der zusätzlichen Prüfverfahren mit anderen EP

- Beurteilung des Einflusses des Ausbauasphaltes A sowie der Warm- und Kaltzugabe

- Beurteilung des Einflusses des Ausbauasphaltes B

- Auswerten und Berichtes verfassen

Zeitlicher Ablauf und Meilensteine:

(siehe bitte Tabelle Arbeitsplan EP1 unten)

Meilenstein 1: 35'000.- Abschluss von Konzeptabgleich, Rezepturen berechnen, Versuch roter Faden, und Abgleich zusätzlicher Prüfverfahren

Meilenstein 2: 80'000.- Versuche mit Ausbauasphalt A und Evaluation Warm-/Kaltzugabe

Meilenstein 3: 65'000.- Versuche mit Ausbauasphalt B

Projektabschluss: 24'897.- Schlusszahlung: Berichterstellung inkl. Einband

Zugehörige Dokumente

• Arbeitsplan EP1.pdf [PDF] 07 kB

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Ergebnisse des gesamten Forschungspaketes „Recycling von Ausbauasphalt in Heissmischgut“ liefern Grundlagen, um die optimale Verwendung von Ausbauasphalt in Bezug auf verschiedenste As­pekte im Schweizer Normenwerk fundiert umzuset­zen.

Besonders im Forschungsprojekt EP1 geht es um die Ermittlung der maximal möglichen Anteile an Aus­bauasphalt pro Mischgut­sorte und Mischguttyp für verschiedene Anwendungen ohne Einbussen an die Mischgutqualität.

Berichtsnummer (Deutsch)

1483

Berichtsnummer (Englisch)

1483

Literatur (Deutsch)

[1] Nellen, A., Recyclingmischgut mit hohem Anteil an Asphaltgranulat, VSS 16/96, Bericht 412, (1998)

[2] Leutner, R, Lobach, T., Renken, P., Einfluss der Zugabe von Ausbauasphalten ohne und mit PmB auf die Eigenschaften von Asphaltbindervarianten bei Verwendung von PmB 45, Bericht in Vorbe­reitung

[3] Hugener, M.: Recycling of Asphalt Pavements. R'95 Congress proceedings Vol.III. ppIII.89-III.93,(1995)

[4] Hugener, M., Mattrel, P., Schmid, P., Fritz, H.W.: Recycling von Strassenbelägen – ein Umweltprob­lem?. Chimia 52, pp225-229, (1998)

[5] Hugener, M.: Alternative Recyclingmaterialien im Strassenbau. Schweizer Baublatt Nr.90, (1998)

[6] Hugener, M., Deschwanden, H., Bühler, M.: Umweltgerechtes Recycling von teerhaltigen Belägen.

Teil 1: Erfassung des Status-Quo und Abklärung der Bedürfnisse. Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Strassen Report Nr 433, August (1999)

[7] Hugener, M.: Alternative Materials in Bituminous Pavements. 20-22. Sept. Proc. of 2nd Eurobitume & Eurasphalt Congress 20-22. September, Barcelona, Book I, pp 344...350, (2000)

[8] Reid, J.M., Evans, R.D., Holnsteiner, R., Berg, F., Pihl, K. A., Milvang-Jensen, O., Hjelmar, O., Rathmeyer, H., François, D., Raimbault, G., Johansson, H.G.,Håkansson, K.,Nilsson, U., Hugener, M.: ALT-MAT Contract No.: RO-97-SC.2238. European Commission. Published on www.trl.co.uk/altmat/index.htm.(2001)

[9] Richner, P., Hugener, M.: Closing the Loop in Construction Waste Management: the Role of Interdisciplinary and Transdisciplinary Research and Innovation. Proceedings of conference on Building for a European Future, Maastricht 14.-15.Oct, Vol 1,pp497…504, (2004)

[10] 12697-25 Asphalt – Prüfverfahren für Heissasphalt – Teil 22: Spurbildungsversuch

[11] 12697-26:2004: Asphalt – Prüfverfahren für Heissasphalt – Teil 26: Steifigkeit

[12] 12697-25 Asphalt – Prüfverfahren für Heissasphalt – Teil 25: Druckschwellversuch

[13] Leutner, R., Lorenzl, H., Mollenhauer, K., Ermittlung von Materialkennwerten mittels Zugschwell-Versuch und dynamischem Triaxialversuch für die analytische Bemessung, Strasse und Autobahn, Nr. 11, S. 692 - 698 (2006).