Forschungspaket PLANET: EP-4: Gebrauchsdauer und Alterung

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2010/544
• Projekttitel Englisch: Research package PLANET: EP-4 Durability and Ageing

Schlüsselwörter (Deutsch)

Niedertemperaturasphalt, WAM, Alterung, Lebensdauer

Schlüsselwörter (Englisch)

Low temperature asphalt, WAM, ageing, durability

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Aus ökonomischen und ökologischen Überlegungen wird der Bau von Strassenbelägen mit Niedertemperaturasphalten (WAM) zunehmend attraktiver. Dabei wird es für den Bauherren immer schwieriger aus unzähligen Varianten den optimalen Niedertemperaturasphalt auszuwählen, da klare Entscheigungskritieren mangels Vergleichuntersuchen fehlen. Dabei spielt das Langzeitverhalten, respektive die Lebensdauer eine zentrale Rolle.

In diesem Teilprojekt wird deshalb das Langzeitverhalten von acht verschiedenen Niedertemperaturasphalten und einem klassischen Heissasphalt miteinander verglichen. Dies beinhaltet die Alterung von der Herstellung bis zum projektierten Ende der Lebensdauer. Da befürchtet wird, dass gewisse Niedertemperaturbeläge sensibler auf Feuchtigkeit reagieren, wird die Langzeitalterung nicht nur durch eine konstante thermische Belastung simuliert, sondern durch zyklische Temperaturverläufe die zudem mit Feuchtigkeitszyklen ergänzt werden. Vor und nach der Bewitterung werden die Prüfkörper auf Ermüdung, Spurrinnenbildung und Steifigkeitsmodul untersucht. Aus den Resultaten wird die Entwicklung der Spurrinnenbildung, Ermüdung und Lebensdauer der Niedertemperaturbeläge mit klassischen Modellen abgeschätzt. Die Bindemittelalterung wird noch genauer untersucht, wozu das Bitumen aus den Prüfkörpern extrahiert und mit dem Ausgangszustand verglichen wird.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The construction of low temperature asphalt pavements (WAM-pavements) becomes more and more attractive because of economic and ecological reasons make. However, the increasing number of different WAM-types creates problems for the road authorities as the proper selection of the ideal pavement is difficult due to the lack of clear decision criteria. Durability considerations and lifetime predictions are key parameters in the selection process.

This sub-project compares the long term performance of eight different low temperature asphalt types and one hot mix asphalt. This comprises the ageing behaviour from the asphalt production to the predicted end of service life of the road pavement. Because there are some doubts concerning the water resistance of low temperature asphalt pavements, the common artificial ageing treatment of asphalt specimens at constant temperature is probably not sufficient. Therefore, an ageing protocol will be applied which includes cyclic temperature and humidity sequences. The asphalt specimens will be tested for stiffness modulus, fatigue and rutting behaviour before and after the ageing treatment. The ageing behaviour of the binder will be investigated in more detail. For this purpose, the binder will be extracted from the asphalt specimens and compared to its performance in the original state. The resulting data will be used to estimate the life time of low temperature asphalt pavements using classical analytical models.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Strassenbeläge aus Niedertemperaturasphalt werden aufgrund des geringeren Energieverbrauchs und ökologischen Überlegungen immer öfters verwendet. Insbesondere wächst der politische und gesellschaftliche Druck zur Verwendung sogenannter umweltfreundlicher Beläge und in einigen Ländern wird dieser Aspekt in Ausschreibungen berücksichtigt. Inzwischen werden über ein Dutzend verschiedene Varianten auf dem Markt angeboten und es ist für den Bauherren schwierig, sich für den optimalen Niedertemperaturasphalt zu entscheiden, da klare und unabhängige Vergleiche zwischen den verschiedenen Varianten fehlen. Insbesondere das Langzeitverhalten, respektive die Lebensdauer dieser Niedertemperaturbeläge ist für ihn von höchster Bedeutung.

Im Rahmen des Einzelprojektes EP-4 werden die vier vorgeschlagenen WAM-Typen des roten Fadens, vier zusätzliche WAM-Typen des Zusatzprogrammes sowie als Referenz ein Heissmischgut untersucht. Die Beurteilung des Langzeitverhaltens wird oft durch eine Langzeitalterung des losen Mischgutes simuliert, da dies einfacher und weniger aufwändig ist. Diese Methode wiederspiegelt aber die Verwitterung des Belages schlecht, da beispielsweise auch der Hohlraumgehalt eines eingebauten Belages einen grossen Einfluss auf die Verhärtung des Bindemittels hat (Drainasphalt). Demgegenüber ist der Hohlraumgehalt bei einem unverdichteten Mischgut irrelevant. Zudem wird durch die Verhärtung des Bindemittels während der Mischgutalterung auch die Viskosiät des Bindemittels verändert, was einen Einfluss auf die spätere Verdichtung der Prüfkörper hat. Dies führt dazu, dass der Hohlraumgehalt von Prüfkörpern aus ungealtertem und gealtertem WAM unterschiedlich sein kann und somit bei den Prüfungen an den verdichteten Prüfkörpern ein zusätzlicher Einflussfaktor ins Spiel kommt, der eine Aussage über das Langzeitverhalten der mechanischen Belagseigenschaften stark erschwert.

Aus diesem Grunde wird vorgeschlagen, die Langzeitalterung an verdichteten Prüfkörper durchzuführen. Gemäss Literaturstudium besteht diese oft aus einer viertägigen Ofenalterung bei 85°C ohne Witterungseinflüsse [harv1]. Sie ist auch für Heissmischgut nicht unumstritten und dürfte für gewisse Niedertemperaturasphalte nicht geeignet sein. Insbesondere der Einfluss von Wasser dürfte eine grössere Rolle spielen, da Wasser bei WAM teilweise für die Herstellung des Belages verwendet wird. Es ist durchaus denkbar, dass das nachträgliche Verdunsten reversibel ist, das heisst, dass bei feuchter Witterung wieder Feuchtigkeit aufgenommen wird. Deshalb ist vorgesehen zyklische Temperaturzyklen teilweise mit Wassereinwirkung durchzuführen. Die Bewitterung wird von oben erfolgen und simuliert so die Witterungseinflüsse auf einen Deckbelag, zum Beispiel auch einen schockartigen Platzregen auf einen heissen Belag im Sommer, wobei sich auf den Verbund zwischen Gestein und Bindemittel einwirkender Dampf bildet. Diese Situation stellt somit eine Extremsituation dar und ist nicht unbedingt anwendbar für andere Schichten. Wenn sich die Niedertemperaturasphalte aber unter diesen extremen Bedingungen gut verhalten, werden sie in tieferen Schichten auch keine Probleme verursachen.

Durch Vergleich der mechanischen Eigenschaften wie Ermüdung, Modul und Spurrinnenbildung vor und nach der Langzeitalterung kann das Langzeitverhalten der verschiedenen WAM untereinander und auch gegenüber von Heissmischgut verglichen werden. Basierend auf einfachen klassischer Modellen (Paris' Law, Palmgreen-Miner Regel) werden die gewonnenen Resultate für die Abschätzung der Lebensdauer und der Entwicklung von Spurrinnen und Ermüdung verwendet.

In diesem Projekt wird verlangt, dass neben der Alterung des Belages die Veränderung der Bindemitteleigenschaften durch die Alterung gesondert beurteilt wird. Dies ist nicht so einfach, da bei einigen WAM die viskositätsvermindernde Wirkung durch das Aufschäumen des Bindemittels mit Wasser oder einer Änderung der Mischreihenfolge erfolgt. Konventionelle Alterungsmethoden wie RTFOT können deshalb nur für die Varianten angewandt werden, wo die Viskosität des Bindemittels durch Additive reduziert wird. Allerdings muss dabei die Prüftemperatur, die für Heissmischgut 163°C beträgt, auf die WAM-Mischtemperatur angepasst werden. Um auch Bindemittel von WAM-Varianten ohne Additive beurteilen zu können, wird zusätzlich die Alterung des Bindemittels in den verdichteten WAM-Prüfkörpern beurteilt. Die Beurteilung der Bindemittel erfolgt hauptsächlich mittels rheologischer Kenngrössen (DSR, Erweichungspunkt Ring und Kugel, ev. FTIR, GPC). Darauf basierend werden mögliche Einflussparameter diskutiert und ein Alterungsmodell der Bindemitteleigenschaften während dem Mischen, Einbauen und dem Einsatz im Belag erarbeitet.

Auf die Entwicklung einer speziellen Prüfung für die Alterung von Niedertemperaturbindemitteln wird also vorerst verzichtet, da der Nutzen nicht offensichtlich ist. Falls die Untersuchungen an den rückgewonnenen Bindemittelproben jedoch zeigt, dass die Bindemittelalterung ein grosses Problem darstellt, könnte dies in einem zusätzlichen Projekt durchgeführt werden. Bei WAM mit Bindemitteladditiven wird für Vergleichszwecke parallel eine Alterung mit RTFOT und PAV durchgeführt.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Die Alterung und in diesem Zusammenhang die Langlebigkeit eines Strassenbelages hat einen sehr grossen ökonomischen Stellenwert. Durch möglichst lange Lebensdauer reduzieren sich die Unterhaltskosten, ganz abgesehen von den durch Baustellenbehinderungen verursachten Staukosten. Durch Vergleich des Alterungsverhaltens und der abgeschätzten Lebensdauer verschiedener Niedertemperaturasphaltbelägen stehen dem Bauherr Entscheidungsgrundlagen zur Verfügung, um den für seine Verhältnisse optimalten Niedertemperaturbelag auszuwählen.

Methoden (Deutsch)

Die WAM des roten Fadens werden auf der Anlage und im Labor hergestellt, während die zusätzlichen WAM nur im Labor hergestellt werden. Im Rahmen von EP4 werden insgesamt 14 Mischungen untersucht:

- 4 Niedertemperaturasphalte des roten Fadens, im Labor hergestellt

- 4 Niedertemperaturasphalte des roten Fadens, im Mischwerk hergestellt

- 4 Niedertemperaturasphalte der Zusatzliste, im Labor hergestellt [buec]

- Heissmischgut als Referenz im Labor hergestellt

Die Kurzzeitalterung, welche die Alterung während Herstellung, Transport und Einbau simuliert wird sinnvollerweise nur an den Labormischungen durchgeführt, da das Mischgut von der Anlage nach Transport an die Empa die Kurzzeitalterung schon beinhaltet. Für die Kurzzeitalterung wird in Anlehnung an die AASHTO-Methode PP2-00 [aash] das Mischgut während 4 h bei der Mischtemperatur gelagert. Die Herstellung der Niedertemperaturasphalte wird im Labor mit den gleichen Rezepten wie in der Anlage durchgeführt, um zu vermeiden, dass Unterschiede in der Zusammensetzung die Resultate beeinflussen (gleiche Korngrössenverteilung, identischer Bindemittelgehalt, gleiche Mineralstoffe). Ausserdem wird der Mischprozess mit dem EP-3 koordiniert. Für die Variante WAM-FOAM ist vorgesehen, ein Labor-Bitumenschaumgerät einzumieten, damit alle geforderten Mischungen im Labor hergestellt werden können.

Aus dem Mischgut werden an der Empa mit einem geeigneten Verdichtungsgerät (z.B. Spurrinnenverdichter) einheitliche Belagskörper hergestellt. Die eine Hälfte wird für die Bestimmung der Anfangskennwerte benötigt, während die andere Hälfte für die Simulation der Langzeitalterung einer künstlichen Verwitterung ausgesetzt wird. Diese Belagskörper werden seitlich eingefasst und von oben einer zyklischen künstlichen Bewitterung aus Wärme, UV-Bestrahlung und Feuchtigkeit ausgesetzt. Die genauen Parameter für die Bewitterungen werden nach Vorversuchen unter Einbezug weiterer Experten an der Empa und nach Rücksprache mit der Begleitkommission festgelegt. Es ist wichtig, dass für die Bewitterung einheitliche Prüfkörper verwendet werden, damit die Form des Prüfkörpers die Alterung nicht beeinflussen kann. Deshalb werden die eigentlichen Prüfkörper für die mechanischen Prüfungen erst danach aus den bewitterten Belagskörpern geschnitten. Neben den in der Ausschreibung verlangten Spurrinnenprüfungen nach EN und den Ermüdungsprüfungen werden als weitere wichtige Kenngrössen die Steifigkeit nach EN 12697-26 mit der Spaltzuge-Methode (IT-CY) bei 22°C und die Modulbestimmung bei verschiedenen Temperaturen und Frequenz mit den gleichen Prüfkörpern bestimmt. Dies erlaubt die Erstellung von Masterkurven, die für die Dimensionierung weiterverwendet werden können. Die Ermüdung wird mittels 4-Punkt-Biegung ermittelt und nur an den Prüfkörpern des roten Fadens aus dem Labor durchgeführt, da die Ermüdungsprüfungen viel Zeit beanspruchen. Schon mit der vorgeschlagenen Minimalvariante müssen 90 Prüfkörper jeweils ca. 24 h geprüft werden. An den ungealterten Prüfkörpern werden Versuche mit zwei Lastamplituden durchgeführt mit je 6 Prüfkörpern. Diese Resultate werden für die Vorhersage der Lebensdauer benötigt. An den gealterten Prüfkörpern wird nur mit einer Lastamplitude geprüft, da eine Prüfung gealterter Prüfkörpern keine Vorhersage der Lebensdauer ermöglicht. Auf die Durchführung der Wasserempfindlichkeitsprüfung wird verzichtet, da dies in der Bewitterung der Prüfkörper schon beinhaltet ist.

Der Vergleich von im Labor und im Mischwerk hergestelltem Mischgut ist aus unserer Sicht etwas fragwürdig im Hinblick auf die Beurteilung der Alterungsbeständigkeit, zumal ja nicht alle Mischungen im Mischwerk hergestellt werden sollen (Zusatzmischungen).

Für eine grobe Verifizierung der witterungsbedingten Alterung und der Lebensdauerprognosen ist es notwendig, aus den Versuchsstrecken Prüfkörper entnehmen zu können. So könnte die effektive Alterung mit der im Labor durchgeführten Bewitterung überprüft werden. Der Vergleich erfolgt mittels Steifigkeitsmodul (Spaltzugmethode). Allerdings müsste die Probenahme aufgrund der beschränkten Projektdauer schon nach etwa einem halben Jahr erfolgen.

Für die Ermittlung des Alterungsverhaltens des Bindemittels wird aus den Belagskörpern das Bindemittel mit Toluol extrahiert. Nach Rückgewinnung werden am Bindemittel der Erweichungspunkt Ring und Kugel sowie DSR Kennwerte bestimmt und mit den Werten im Anlieferungszustand verglichen. Punktuell werden zusätzliche Analysemethoden wie FTIR oder GPC durchgeführt. Bei den WAM-Varianten mit Bindemittel-Additiven wird das Bindemittel einer Kurzzeitalterung (mittels RFT bei Mischtemperatur) und einer Langzeitalterung (mittels PAV bei 100°C) unterzogen und analog untersucht.

Bemerkung:

Gemäss Ausschreibung beinhaltet das Einzelprojekt EP-4 die Untersuchung der langzeitlichen Auswirkung der Alterung auf die mechanischen Eigenschaften von Niedertemperaturasphaltbelägen, während im EP-2 die Kurzzeiteigenschaften nach dem Einbau behandelt werden. Allerdings ist die Abgrenzung nicht konsequent, da in EP-4 auch die Entwicklung der Bindemitteleigenschaften im Laufe des Misch- und Einbauprozesses untersucht werden soll.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Labor Bitumen Foaming Unit, Bewitterungsstand

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Die Alterung von Mischgut und an verdichteten Prüfkörpern wurde im Rahmen des SHRP-Projektes untersucht und im Feld überprüft [bell, klie, harv2]. Die vorgeschlagenen Alterungsmethoden beruhen aber ausschliesslich auf einer Ofenlagerung bei erhöhter Temperatur und sind deshalb umstritten. Sie sind aus diesem Grunde in Europa auch nicht normiert. Eine RILEM-Arbeitsgruppe hat kürzlich ein geändertes Alterungsprotokoll vorgeschlagen und in einem Ringversuch getestet [roch].

Die Vorhersage der Lebensdauer eines Belages ist komplex, da verschiedene Einflussparameter zu berücksichtigen sind. Nicht nur Belagsaufbau, Asphalteigenschaften und Lasteinwirkung spielen eine Rolle, sondern auch Heilungseffekte, Dauer der Belastung, Belastungsgeschichte etc. sind miteinzubeziehen. Die Entwicklung von geeigneten Modellen ist deshalb ein aktuelles Forschungsthema und wird auch in der RILEM-Gruppe über Ermüdung untersucht [bene1]. In der Regel basieren diese Vorhersagen auf Ermüdungsversuchen, die für Heissmischgut schon seit längerer Zeit durchgeführt werden. [prow, bene2]

Generell bestehen keine umfassenden Vergleichsversuche zwischen verschiedenen WAM-Typen. Gewisse Verfahren für die Herstellung von Niedertemperaturasphalten sind relativ jung und entsprechende Lanzeiterfahrungen fehlen dort grösstenteils. Für das LEA-Verfahren wurden in Frankreich Ermüdungsversuche durchgeführt, die durchwegs annähernd gleich gute Performance erreichten wie Heissasphalt [nguy, sauz].

Das Alterungsverhalten des im WAM enthaltenen Bitumen ist unterschiedlich erforscht. Mit Wachsen modifizierte Bindemittel sind relativ gut untersucht, da diese durch die Bitumenindustrie vermarktet werden [nätt, soen]. Bei vielen WAM-Verfahren kann das Bindemittel nicht alleine betrachtet werden, da zusätzliche Parameter ins Spiel kommen, wie die Mischsequenz oder kleine Mengen von Wasser (z. B. bei Verwendung von Zeolithen). In diesen Fällen ist wenig über die Bindemittelaterung im WAM bekannt.

Die Empa besitzt eine langjährige Erfahrung in den Spurrinnenprüfungen, die sie teilweise auch im VSS-Forschungsprojket "" erarbeitet hat [vss1]. Ebenfalls bei den Ermüdungsprüfungen ist sie unter anderem mit einem laufenden Forschungsprojekt mit dem LAVOC stark engagiert [vss2, kim1,kim2].

Projektziele (Deutsch)

Dieses Einzelprojekt untersucht das Langzeitverhalten von Niedertemperaturasphalten (WAM) und den darin enthaltenen Bindemitteln.

Dies beinhaltet im Einzelnen:

- Beurteilung des Alterungverhaltens von WAM mittels mechanischer Prüfmethoden

- Beurteilung des Alterungverhaltens von Bindemitteln im WAM mittels rheologischer Prüfmethoden

- Vorhersage der Lebensdauer, der Evolution des Ermüdungsverhaltens und der Spurrinnenbildung von WAM-Belägen unter Anwendung klassischer Modelle

Erarbeitung von Empfehlungen für die Verwendung von WAM.

Projektziele (Englisch)

This sub-project investigates the ageing behaviour of low temperature asphalt (WAM) and the bituminous binders therein. This includes the following items:

- assessment of the ageing behaviour of WAM using mechanical test methods

- assessment of the ageing behaviour of the binder contained in WAM using rheological test methods

- prediction of the life time, the evolution of the fatigue and the rutting behaviour of WAM-pavements using classical models

recommendations for the use of WAM

Forschungsplan (Deutsch)

Zeitplan siehe link unten.pdf

Meilenstein 1: SFr 50'000.-; Planung, Literaturstudie über geeignete Modelle, Vorversuche Bewitterung

Meilenstein 2: SFr 74'281.-; Alterung und Prüfungen an Mischgut roter Faden, Bindemittelalterungen Zwischenbericht

Meilenstein 3: SFr 95'000.-; Alterung und Prüfungen an Mischgut der Zusatzliste

Meilenstein 4: SFr 30'000.-; DatenaufbereitungSchlussbericht

Prüfplan: siehe Beilage

Kostenzusammenstellung: siehe Beilage.

Zugehörige Dokumente

• Zeitplan.pdf [PDF] 84 kB

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die gewonnen Kenntnisse über die Alterung und Dauerhaftigkeit von Niedertemperaturasphaltbelägen können als Grundlage für die Erarbeitung von Empfehlungen, Normen und Anforderungen durch die zuständigen Behörden wie ASTRA und VSS verwendet werden. Insbesondere können die Vergleiche des Alterungsverhaltens die Entscheidungsfindung bei der Ausschreibung von Strassenbelägen erleichtern, da eine Abschätzung der Lebensdauer der Niedertemperaturasphalte möglich wird.

Berichtsnummer (Deutsch)

1583

Berichtsnummer (Englisch)

1583

Literatur (Deutsch)

AASHTO PP2-00 Standard Practice for Mixture Conditioning of Hot Mix Asphalt (HMA), American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO)

[bell] Bell, C.A., Summery Report on Aging of Asphalt-Aggregate Systems, SHRP Publicaton, 1989.

[bene1] Di Benedetto, H., et al., Fatigue of bituminous mixtures. Materials and Structures/Materiaux et Constructions, 37(267), 2004, p. 202-216.

[bene2] Di Benedetto, H., Fatigue of bituminous mixtures: different approaches and RILEM group contribution, M.N. Partl, RILEM Publications SARL. 1993, p. 15-38.

[buec] Bueche, N., A.G. Dumont, and C. Angst, Projet initial – Enrobés bitumineux à faibles impacts énergétiques et écologiques, Editor V. Eidgenössisches Departement für Umwelt, Energie und Kommunikation UVEK, Bundesamt für Strassen, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Laboratoire des voies de circulation (LAVOC), 2010.

[harv1] Harvey, J. and B. Tsai, Long Term Oven Aging Effects on Fatigue and Initial Stiffness of Asphalt Concrete. Transportation Research Record, 1590, 1997, p. 89 -98.

[harv2] Harvey, J., et al., Fatigue Performance of Asphalt Concrete Mixes and Its Relationship to Asphalt Concrete Pavement Performance in California, Editor 1995.

[kim1] Kim,H., Partl, M.N., Pimenta, R., Hean, S.: Experimental Investigation of Grid-Reinforced Asphalt Composites Using Four-Point Bending Beam Test, J of Composite Materials, Vol 44 no 5, pp 575-592 (2010).

[kim2] Kim, H., Sokolov, K., Poulikakos, L.D., Partl, M.N.: Fatigue Evaluation of Carbon FRP-Reinforced Porous Asphalt Composite System Using a Model Mobile Load Simulator. Transportation Research Record, Vol.2116, pp.108-117 (2009).

[klie] Kliewer, J.E., C.A. Bell, and D.A. Sosnovske, Investigation of the Relationship between field performance and laboratory aging properties of asphalt mixtures, in Engineering properties of asphalt mixtures and the relationship to their performance, D.S.D. Gerald A. Huber, 1995, American Society for Testing and Materials ASTM: Philadelphia.

[nätt] Nättorp, A., Vorteile bei Verwendung von Wachsbitumen im Strassenbau. Strasse und Verkehr, (6), 2009, p. 23-26.

[nguy] Nguyen, M. L., C. Sauzéat and H. Di Benedetto, "Comportement en fatigue d'enrobés bitumineux semi-tièdes". Rapport Final du contrat : ENTPE - EIFFAGE Travaux Publics. (2007) 145p.

[prow] Prowell, B.D., et al., Validating the Fatigue Endurance Limit for Hot Mix Asphalt, Report 646, TRANSPORTATION RESEARCH BOARD, 2010, p. 128.

[roch] de la Roche, C., et al., Development of a laboratory bituminous mixtures ageing protocol. Advanced Testing and Characterisation of Bituminous Materials, Vols 1 and 2, ed. A. Loizos, et al. 2009, p 331-345.

[sauz] Sauzéat, C., et al. Fatigue behaviour of half-warm mix asphalts ISAP, Zürich 2008, p. 231-241.

[soen] Soenen, H., et al., A laboratory study on the use of waxes to reduce paving temperatures, Eurasphalt & Eurobitumen congress, Copenhagen 2008, p. 12.

[vss1] M. N. Partl, K. Sokolov, Erhöhung der Aussagekraft des LCPC Spurbildungstests, Forschungsauftrag ASTRA 2001/052, Forschungsbericht 1241, 2009.

[vss2] VSS-Forschungsprojekt 2006/503 " Performance orientierte Mischgutanforderungen"