Forschungspaket PLANET: EP-6: Anforderungen und Qualitätskontrolle

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2010/546
• Projekttitel Englisch: EP6 - Requirements and quality control

Schlüsselwörter (Deutsch)

Niedertemperatur-Asphalte, Anforderungen, Qualitätskontrolle, Versuchsfelder

Schlüsselwörter (Englisch)

Warm-Mix-Asphalt, Requirements, Quality Control, Test Fields

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das ausgeschriebene Projekt lässt sich in folgende Schritte gliedern:

·          Q-Kontrollen:
Die Kontrollen der Ausgangsmaterialien, der Aufbereitung sowie der Verdichtung von NT-Asphalte basiert teilweise auf andere Voraussetzungen als dies bei Heissmischgut der Fall ist. Die bestehenden Prüfmethoden sind hinsichtlich deren Anwendung bei NT-Asphalte kritisch zu hinterfragen und es sind Empfehlungen zu formulieren. Auch sind allenfalls Anforderungen für die NT-Verfahren in Bezug auf die Ausgangsmaterialien, den Herstellungsprozess, den Einbau und die Verdichtung zu formulieren.

·          Bau von 3 Versuchsfelder:
Mit ausgewählten NT-Verfahen sind Versuchsfelder mit einer Länge von je 300 m einzubauen. Dabei werden die im ersten Schritt festgelegten Q-Kontrollen angewendet und validiert. Die Aufbereitung des Mischgutes und der Einbau werden vollständig dokumentiert. Zudem werden die Versuchsfelder mit Temperatur- und Deformationssensoren instrumentalisiert, das Verhalten regelmässig aufgenommen (Oberflächenzustand, Spurrinnenbildung), die Tragfähigkeit (FWD) gemessen und die E-Moduli berechnet.

·          Versuchsreihen im Labor:
An einem ausgewählten NT-Verfahren und dem Referenzmischgut werden umfassende Materialprüfungen bei sehr unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt.

Die drei Versuchstrecken in situ sind zudem Teil des EP7 und werden auch unter dem Aspekt der Arbeitshygiene begleitet.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project can be divided into three main topics:

·          Q-Controls:
The control of the materials, of the mixing procedure and of the compaction of warm-mix-asphalt relies on quite different assumptions as for hot-mix-asphalt. The existing test methods have to be critically evaluated when applied to warm-mix-asphalt and specific suggestions have to be formulated. Apart from the revaluation of the test methods, certain requirements concerning the materials used for the production of warm-mix-asphalt, the mixing procedure, the laying and the compaction may be formulated.

·          Construction of three test fields:
Three test fields of 300 m length each have to be build with respect to various warm-mix processes. These test fields will allow to carry out the controls and to test the requirements as defined previously. The mixing and laying procedures will be fully documented. In order to analyse deformation and creep of the test fields, remote controlled temperature and strain gauges will be embedded. In parallel bearing capacity tests will be carried out by FWD and the elasticity module will be calculated.

·          Laboratory test series:
One reference asphalt and warm-mix-process will be chosen to perform various laboratory tests at temperatures varying from below zero to over 50°C.

As reported from subproject EP7, some aspects of the work hygiene will involve measurements during the laying of the three test fields.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Das Projekt wird durch zwei Forschungsstellen unter der Federführung des IMP durchgeführt. Das LAVOC wird schwergewichtig das Monitoring der Versuchsfelder (Auswertung der Sensoren / periodische Kontrollmessungen) übernehmen, sowie Spezialprüfungen im Labor durchführen. IMP übernimmt das Thema der Q-Kontrollen, das Baumanagement der Versuchsfelder inkl. der Ausführungskontrollen. Die übrigen Aufgaben teilen sich die ausführenden Stellen.

Ein Literaturstudium und eine Analyse der Kontrollmethoden werden zu Empfehlungen für die Qualitätskontrollen bei NT-Asphalt führen. Anschliessend werden spezifische Anforderungen für die NT-Verfahren ermittelt, wobei Untersuchungen hinsichtlich der Eingangskontrolle der Ausgangsmaterialien (wie kann das gelieferte Produkt im Sinne einer Eingangskontrolle an der Schnittstelle Verkäufer/Käufer überprüft werden?), sowie der Anwendbarkeit der üblichen Laborverfahren (beispielsweise Bestimmung des löslichen Bindemittelgehaltes) im Vordergrund stehen. Die Untersuchungen an den Ausgangsmaterialien werden im Labor an mindestens 6 unterschiedlichen Produkten durchgeführt.
Die Problematik der Nachbehandlung von NT-Verfahren auf Wasserbasis (Schaumbitumen, Zeolithe etc) wird sowohl im Labor wie auch auf den Versuchsfeldern untersucht. Es handelt sich hier vorwiegend um Fragen des geeigneten Zeitpunktes für Bohrkernentnahme, Prüfung des Schichtenverbunds, Prüfung der mechanischen Eigenschaften und zum allerwichtigsten der Verkehrsfreigabe.

Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit und der Verdichtbarkeit werden für Heissmischgut keine Anforderungen gestellt. Da bei NT-Verfahren infolge der Temperaturabsenkung das Risiko besteht, dass das Mischgut zu kalt wird und daher kaum zu verarbeiten ist, muss die Verarbeitbarkeit und Verdichtbarkeit als Funktion der Mischguttemperatur untersucht werden. In einer Voruntersuchung wird die geeignete Labormethode festgelegt (Gyrator EN 12697-31, Bestimmung des Verdichtungswiderstandes gem EN 12697-10 etc). Danach sollen mit dem geeigneten Prüfverfahren Verdichtungskurven bei verschiedenen Temperaturen ermittelt werden. Bei den wachsmodifizierten NT-Verfahren ist davon auszugehen, dass die sog. „Kristallisationstemperatur“ eine wichtige Rolle spielt, wobei zu beachten ist, dass diese Temperatur produktespezifisch ist. Es ist vorgesehen, 6 verschiedene Wachse zu beschaffen, deren Kristallisationstemperatur zu ermitteln und mit einer Auswahl von 3 Produkten Bitumen zu modifizieren und dann Mischgut ACB 16 herzustellen. Zudem wird mit der gleichen Rezeptur ein Referenzmischgut mit einem B 50/70 hergestellt. Die Verdichtungskurven werden bei unterschiedlichen Temperaturen aufgenommen. Aus diesen Versuchsreihen können wichtige Hinweise auf die Verdichtbarkeit der wachsmodifizierten Asphalte gewonnen werden.

Das Baumanagement der Versuchsfelder beinhaltet Kontakte mit einer Bauunternehmung, einem Mischwerk und einer Bauherrschaft wobei die Koordination mit den anderen Einzelprojekten zu berücksichtigen ist. Die Wahl der Mischgutsorte ist durch den „roten Faden“ und die minimale Schichtdicke gegeben. Ausgangsmaterialen, Mischprozess, Mischgut und eingebaute Schichten werden geprüft um die im vorherigen Schritt definierten Qualitätsanforderungen sicherzustellen.

Das Monitoring der Versuchsfelder besteht aus einem System von Temperatur- und Verformungssensoren die eingebettet werden. Zudem wird periodisch der Zustand der Belagsoberfläche visuell und messtechnisch begutachtet. Auch wird der Verlauf der Tragfähigkeit sowie der aus den FWD-Messungen ermittelten E-Moduli als Funktion der Anzahl LW-Überrollungen dargestellt.

Im Labor werden Versuchsreihen an zwei festzulegenden Mischgutsorten derart durchgeführt, dass das Verhalten in einem grossen Temperaturbereich ermittelt werden kann. Es ist vorgesehen den direkten Zugversuch bei minus 15°C durchzuführen (prEN 12697-46), um das Kälteverhalten zu bestimmen. Auch sind dynamische Druckschwellversuche bei 40°C und 60°C vorgesehen, um das Wärmeverhalten anzusprechen. Ermüdungsversuche und die Bestimmung der Steifigkeit runden das umfassende Untersuchungsprogramm ab.

Die Empfehlungen, die sich aus diesen Arbeiten ergeben, werden in Form eines Handbuches als Hilfe für eine optimale und schnelle Anwendung der NT-Asphalte zusammengefasst.

Schliesslich wird das Projekt mit einem Bericht abgeschlossen, welcher als Grundlage für die Normierungsarbeit dient.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Die erwarteten Erkenntnisse sind eine Auswahl von zuverlässigen, spezifisch auf die NT-Verfahren abgestimmten Prüf- und Kontrollverfahren zur Qualitätskontrolle der Produktion und des Einbaus. Es wird eine Antwort auf die Frage der Qualitätskontrolle bei der Aufbereitung und dem Einbau von NT-Mischgut erwartet. Diese Frage hat einen entscheidenden Einfluss auf die Anwendung der NT-Verfahren in der Praxis. Die Erkenntnisse des EP6 liefern die Basis für die Förderung umweltschonender Bauweisen im Asphalt-Strassenbau.

Das EP soll ein Handbuch als Hilfe für eine optimale und schnelle Anwendung der Niedertemperatur-Technologien auf der Baustelle erarbeiten. Es werden Empfehlungen für die Zulassungs- und Eignungsunterlagen als Basis der Normierung in diesem Bereich erarbeitet.

Die Anwendung von Niedertemperatur-Verfahren hat einen erheblichen Einfluss auf den CO2-Ausstoss des schweizerischen Strassenbaus. Nutzniesser ist die gesamte Gesellschaft.

Methoden (Deutsch)

Siehe Projektbeschreibung

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Mehrere Universalprüfmachinen zur Durchführung dynamischer Versuche, Spurrinnentestgeräte, verschiedene Labor-Verdichtungsgeräte zur Herstellung von Platten, Prüfstand zur Durchführung der Ermüdungsversuche und der Bestimmung der Moduli an trapezförmigen Balken, FWD-Fallgewicht, chemisch-analytisches Labor für die Bitumenanalytik.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Die beiden Forschungsstellen LAVOC und IMP waren Autoren des Berichtes VSS 2008/502 „ Projet initial - Enrobés bitumineux à faibles impacts énergétiques et écologiques“. Sie haben sich im Rahmen dieses Initialprojektes intensiv mit dem Problemkreis auseinandergesetzt. IMP hat im Jahr 2009 eine Fachtagung (Forum Strasse in Olten) dem Thema „Temperaturabsenkung im Belag“ gewidmet

Projektziele (Deutsch)

Das Ziel des gesamten Forschungspakets besteht in der Erarbeitung von zuverlässigen technischen Grundlagen zur Aufbereitung und zum Einbau von Mischgutsorten mit geringen energetischen und ökologischen Belastungen.

Im Rahmen des EP 6 sollen die aktuellen Kontrollmethoden (z.B. die Einbaukontrolle), die bei der Abnahme von Einbauten mit Heissmischgut eingesetzt werden auf ihre Anwendbarkeit bei NT-Asphalte überprüft werden. Eine kritische Analyse ihrer Anwendbarkeit wird durchgeführt, und es werden allfällige Anpassungen vorgeschlagen.

Das Ziel dieses Einzelprojektes ist es, Methoden der Qualitätskontrolle festzulegen sowie deren Anforderungen zu definieren.

Projektziele (Englisch)

The aim of the overall research project PLANET is to provide road experts with technical know-how for the production of bituminous mixtures and paving with low energy and environmental impacts.

Concerning the subproject EP6, the objectives are to assess the methods of control (for instance the compaction follow-up) that are usually applied to hot mixes. These methods of control will be critically analysed for their suitability for use in relation with warm mix asphalt. Propositions to make any necessary adjustments will be discussed.

Broadly the subproject EP6 aims at specifying methods and requirements to asses the quality of warm mix pavements.

Forschungsplan (Deutsch)

Kosten und Meilensteine

Es werden die Honoraransätze des Bundesamt für Strassen verwendet unter Berücksichtigung der Unterscheidung für Private und ETH. Die Kosten der Phase 2 decken den Einbau und die Instrumentalisierung von 3 Versuchsfeldern. Von den insgesamt budgetierten 150'000 CHF fallen 30'000 CHF auf Kosten des ausführenden Unternehmens, so dass der Beitrag des Projektes EP6 an den Versuchsfelder (Bau der Felder, Instrumentalisierung und Messungen) gemäss Ausschreibung 120'000 CHF beträgt. Folglich beantragt das Forschungsteam einen Kredit von 387'473 CHF. 

(Arbeitsschritte siehe Tabelle unten)

Arbeitsprogramm und Meilensteine

Die Arbeit erstreckt sich über 2 Jahre, wobei zu beachten ist, dass der Einbau der Versuchsfelder im Sommer 2011 stattfindet soll. Die vorgesehenen Meilensteine sind mit dem Buchstaben M gekennzeichnet.

 

(Arbeitsprogramme siehe Tabelle unten)

Zugehörige Dokumente

• Arbeitsschritte & Programme.pdf [PDF] 93 kB

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die im Rahmen des Forschungspaketes PLANET durchgeführten Arbeiten führen zu einem VSS Normenpaket.

Die zunehmenden Energie-Kosten sowie das wachsende Umweltbewusstsein verlangen Ressourcen-schonende Bauweisen. Das FP liefert die technischen Grundlagen zur breiten Umsetzung und Anwendung der NT-Verfahren im Strassenbau. Diese eignen sich sowohl für Neubauten als auch für Instandsetzungen, und dies in allen Schichten (Trag-, Binder- und Deckschichten).

Berichtsnummer (Deutsch)

1589

Literatur (Deutsch)

[1]       Temperaturabsenkung im Strassenbau, Zusammenfassung des Forum Strasse 2009, Herausgeber C. Angst, IMP Bautest AG

[2]       N. Bueche, A.-G. Dumont, C. Angst, Projet initial - Enrobés bitumineux à faibles impacts énergétiques et écologiques, Rapport OFROU en cours de publication

 

[3]       Laurent, G., Evaluation économique des chaussées en béton et classiques sur le réseau routier national français, ed. LCPC, 2004, Paris.

[4]       Prowell, B.D. and G.C. Hurley, Warm-Mix Asphalt: Best Practices, NAPA Editor, 2007.

[5]       Kuennen, T., Warm Mixes are a hot topic. Better Roads Magazine, 2004: p. 8.

[6]       Brosseaud, Y., Ecologiques, sécuritaires, confortables, les enrobés de demain se feront autrement: Présentation des enrobés tièdes. 2006, LCPC. p. 11.

[7]       Brosseaud, Y. and D. Sicard, Etat du développement des enrobés tièdes en France. Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2007. 857: p. 8.

[8]       Bonvallet, J., Les enrobés sont pluriels. Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2001. 799: p. 3.

[9]       Carbonneau, X., J.-P. Henrat, and F. Létaudin, Enrobé 3E de Colas: Une réponse sûre à la problématique des enrobés dits "tièdes". Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2006. 849: p. 6.

[10]    Sicard, D. and Y. Brosseaud, Réalisation à basses températures des enrobés denses et des asphalts: Panorama des filières technologiques, in Journée technique LAVOC. 2006: Lausanne (Switzerland).

[11]    Middleton, B. and R.W. Forfylow, An evaluation of warm mix asphalt produced with the double barrel green process, in Transport Research Board (TRB). 2009: Washington (USA). p. 14.

[12]    Hurley, G.C. and B.D. Prowell, Evaluation of aspha-min zeolite for use in warm mix asphalt, N.R. 05-04, Editor. 2005, NCAT (National Center for Asphalt Technology): Auburn University. p. 30.

[13]    D'Angelo, J., et al., Warm-Mix Asphalt: European Practice, A. FHWA, NCHRP, Editor. 2008. p. 68.

[14]    Kristjánsdóttir, O., et al., Assessing the Potential of Warm Mix Asphalt Technology Adoption, in Transport Reserach Board (TRB). 2007: Washington (USA). p. 19.

[15]    Hunt, D., Double Barrel Green system. Hot Mix Magazine (www.hotmixmag.com), 2008. 13, N°1.

[16]    Hurley, G.C. and B.D. Prowell, Evaluation of Sasobit for use in warm mix asphalt, N.R. 05-06, Editor. 2005, NCAT (National Center for Asphalt Technology): Auburn University. p. 27.

[17]    Alliance, A.P. Environmental Innovations in Asphalt. in Asphalt Pavement Conference 2006 2006. Orlando (USA).

[18]    Marmier, F., Colas invente Végécol; un substitut du bitume? Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2004. 833: p. 2.

[19]    Hurley, G.C. and B.D. Prowell, Evaluation of Evotherm for use in warm mix asphalt N.R. 06-02, Editor. 2006, National Center for Asphalt Technology - NCAT: Auburn. p. 49.

[20]    Grampre, L., J.A.G. Leon, and G. Barreto, Warm Asphalt Mixtures by chemical additivation: Filed tests and laboratory studies, in 4th Eurasphalt & Eurobitume Congress. 2008: Copenhagen (Denmark). p. 7.

[21]    Lecomte, M., F. Deygout, and A. Menetti, WAM: Environmental benefits of reducing asphalt production and laying temperature. 2007, Shell Bitumen. p. 11.

[22]    Koenders, B.-G., et al., Innovative process in asphalt production and application to obtain lower operating temperatures, in 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress. 2000: Barcelona (Spain). p. 11.

[23]    Larsen, O.R., et al., WAM Foam asphalt production at lower operating temperatures as environmental friendly alternative to HMA, in 3rd Eurasphalt & Eurobitume Congress. 2004: Vienna (Austria). p. 10.

[24]    Koenders, B.G., et al., WAM-Foam, asphalt production at lower operating temperatures, in 9th International Conference on Asphalt Pavement (ISAP). 2002: Copenhagen (Denmark). p. 8.

[25]    Olard, F., C.L. Noan, and A. Romier, Les enrobés basse énergie EBE et basse température EBT: Bilan des chantiers réalisés en 2005 et 2006. Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2006. 854.

[26]    Olard, F. and C.L. Noan, Les enrobés basse température (Prix AIPCR du développement durable), in Routes, AIPCR/PIARC, Editor. 2008. p. 14.

[27]    Landa, P.-A., T. Kneepkens, and J.T.v.d. Zwan, Low temperature-asphalt, a production process with the possibility to produce and pave hot mix asphalt at temperatures below 100°C or 212°F, in 3rd Eurasphalt & Eurobitume Congress. 2004: Vienna (Austria). p. 8.

[28]    Harder, G., et al., Energy and environmental gains of warm and half-warm asphalt mix: quantitative approach, in Transport Research Board (TRB). 2008: Washington (USA). p. 20.

[29]    Loi fédérale sur la réduction des émissions de CO2 (loi sur le CO2), in 641.71. 2007. p. 6.

[30]    Villeglé, B.M.d.l., B. Pégain, and X. Carbonneau, Développement des bétons bitumineux à l'émulsion: Ecomac. Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2005. 841: p. 6.

[31]    Olard, F., et al., Low energy asphalts for sustainable road construction, in 4th Eurasphalt & Eurobitume Congress. 2008: Copenhagen (Denmark). p. 12.

[32]    Mogawer, W.S., et al., Incorporating high percentages of recycled asphalt pavement (RAP) and warm mix asphalt (WMA) technology into thin hot mix asphalt overlays to be utilized as a pavement preservation strategy, in Transport Research Board (TRB). 2009: Washington (USA). p. 21.

[33]    Jullien, A., et al., Environmental assessment of a hot mix asphalt process, in International Symposium on Asphalt Pavements and Environment. 2008: Zurich (Switzerland). p. 12.

[34]    Zammataro, S. Monitoring and accounting GHG emissions from road infrastructure: The IRF GHG Calculator. in 2nd Roads & Environment Conference. 2008. Geneva (Switzerland).

[35]    Räss, E., A.-G. Dumont, and M. Pittet, Réduction de la consommation d'énergie dans les enrobés bitumineux. 2007, EPFL-LAVOC: Lausanne. p. 45.

[36]    SUVA, Valeurs limites d'exposition aux postes de travail, SUVA, Editor. 2009. p. 153.

[37]    Paranhos, R.S., Approche multi-échelles des émissions d'un procédé d'élaboration des enrobés à chaud, in Physique, énergétique. 2007, Rouen: Rouen. p. 295.

[38]    Ohlson, K.G., Demonstration of KGOII asphalt mix production 1988, Royal Institute of Technology: Stockholm (Sweden).

[39]    Paquin, Y., Applications québécoises en enrobés tièdes. 2007.

[40]    Andersen, E., et al., Expérimentation routière en Norvège avec des liants à base d'huile végétale. Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2008. 866: p. 5.

[41]    González-León, J.A., L. Grampre, and G. Barreto, Warm Mix Asphalts with low dosage chemical additives, in Transport Research Board (TRB). 2009: Washington (USA). p. 12.

Serfass, J.-P., Enrobés à l'émulsion: Particularités et nouvelle méthode d'étude. Revue Générale des Routes et Aérodromes, 2002. 808: p. 2.