Gussasphalt als nachhaltiger Straßenbaustoff

Abstract

Gussasphalt hat im Gegensatz zu den anderen Asphaltsorten annähernd keine Hohlräume und kann selbstverdichtend eingebaut werden. Die Gesteine „schwimmen“ in dem Mastix (Bitumen und Füller) und haben nur wenige Berührungspunkte miteinander. Aus diesem Grund hat die Gesteinskörnung einen geringeren Einfluss auf die Standfestigkeit des Gussasphaltes im Vergleich zum Walzasphalt. Um eine ausreichende Verformungsstabilität zu gewährleisten, ist es notwendig sehr hartes Bitumen zu verwenden. Das harte Bitumen und der hohe Mastixanteil sind Voraussetzung für Einbautemperaturen bis zu 250 C, damit eine niedrigere Viskosität erreicht wird. Höhere Temperaturen führen zu einem höheren Energieverbrauch und einer höheren Exposition von Emissionen, die seit einigen Jahren in Verdacht stehen gesundheitsschädlich zu sein. Daher ist eine Reduktion der Herstellungs- und Einbautemperatur von Gussasphalt von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit wird die Temperaturabsenkung von Gussasphalt näher beleuchtet und eine neue, effiziente Methode für die Temperaturabsenkung speziell für Gussasphalt entwickelt. Basis der neuen Methode ist die teilweise oder vollständige Substitution des bisher üblichen und laut Richtlinien auch vorgeschriebenen Kantkorns durch Rundkorn. Während dieser Ansatz für Walzasphalt aufgrund der Lastabtragung über Korn-Interaktion und der notwendigen Kantkörnung für eine entsprechende Griffigkeit bei Deckschichten nicht möglich ist, stellt die Umstellung der Kornform für Gussasphalt eine Alternative dar, nachdem die Last- abtragung von dem Mastix übernommen wird und aufgrund des Bindemittelüberschusses bei Deckschichten ohnehin ein Absplitten vor Verkehrsfreigabe notwendig ist, um ausreichende Griffigkeit herzustellen.Um die Temperaturabsenkung bestimmen zu können, sollte zuerst die Verarbeitbarkeit der modifizierten Mischgüter gemessen werden. Zur Kontrolle der Verarbeitbarkeit wurden zwei Prüfmethoden eingesetzt bzw. entwickelt. Die erste Methode ist die Bestimmung des Drehmoments während des Mischvorgangs und die zweite Methode ist die Bestimmung des Ausbreitmaßes von Gussasphalt. Der Zusammenhang zwischen Drehmoment, Ausbreitmaß und Streichversuch im Feld wurde im Detail untersucht und festgestellt, dass der Ausbreitmaßversuch geeigneter als der Drehmomentversuch ist, um die Verarbeitbarkeit von Gussasphalt zu bestimmen.Für die Optimierung der Temperaturabsenkung wurden vier Gussasphalte (MA 11, MA 8 und zwei MA 4) untersucht. Das Temperaturabsenkungspotenzial steigt bis auf ein Maximum (50 C Absenkung), wenn beide Methoden (Wachszugabe und vollständige Substitution des Kantkorns durch Rundkorn) eingesetzt werden. Es sind keine signifikanten Unterschiede bei der Beständigkeit gegen Kälterisse zwischen den Mischgütern zu beobachten und alle Mischgüter zeigen eine hohe Beständigkeit gegen Verformung bei + 50 C.Das MA 8 Mischgut wurde zuerst im Labor optimiert und untersucht und als letzter Schritt vor einer routinemäßigen Übernahme der innovativen Gussasphalte in die Praxis war der Einbau einer Probestrecke mit Zustandserfassung auf dem öffentlichen Straßennetz der Stadt Wien vorgesehen. Die Baustelle war im August 2016 und es wurden vier MA 8 Varianten eingebaut. Zudem wurde Mischgut während des Einbaus entnommen und im Labor auf das Gebrauchsverhalten hin untersucht, um ggf. Unterschiede zu auf Labormaßstab produziertem Mischgut feststellen zu können. Es wurde eine gute Wiederholbarkeit zwischen Labor und Baustelle nachgewiesen. Im Rahmen der Probestrecke wurden Querebenheit-, Griffigkeitsmessungen und visuelle Zustandserfassung an der Probestrecke „Oberdorfstraße“ durchgeführt. Bis zum Frühjahr 2018 wurden keine Oberflächenschäden oder Änderungen festgestellt. Es ist zu empfehlen weitere Zustandserfassungen über mehrere Jahre durchzuführen, um ein vollständiges Bild während der Lebensdauer der Fahrbahn zu bekommen.Im Rahmen der Bauarbeiten wurden gesundheitsrelevante Emissionen und die Veränderung durch Temperaturabsenkung untersucht. Bei der umfassenden Emissionsanalyse von Gussasphaltarbeiten hat sich gezeigt, dass deutliche Unterschiede in der Emission zwischen den untersuchten Mischgütern/Einbautemperaturen bestehen und eine Emissionsreduktion von ca. 80% durch eine Temperaturabsenkung von 50 C möglich ist.Die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen temperaturabgesenkter Gussasphalte wurden anhand von Emissions-, Energie- und Kostenanalysen untersucht und über den Lebenszyklus bilanziert. Auf der Emissionsebene konnten Einsparungen von 33 % der Gesamtemissionen berechnet werden, wenn die Produktionstemperatur um 50 C abgesenkt wird.Insgesamt zeigt sich also durch den kombinierten Einsatz von Rundkorn und Wachs ein sehr gutes Temperaturabsenkpotential für Gussasphalt. Das Gebrauchsverhalten wird dadurch nicht beeinflusst und die Partikelemissionen auf der Baustelle verringern sich deutlich durch die Temperaturabsenkung. Auch die Ge- samtemissionen über den Lebenszyklus können reduziert werden.Das Arbeitsprozess zur Optimierung der Temperaturabsenkung von Gussasphalt hat zu den Gedanken geführt, dass die Wiederverwendung von Gussasphalt unkomplizierter als von Walzasphalt funktionieren sollte. Hauptprobleme bei der Wiederverwendung von Asphaltmischgütern ist das harte (gealterte) Bindemittel und die Änderungen (Verfeinerung) in der Sieblinie in Folge der Fräsarbeiten. Diese Nachteile für Walzasphalte können als Vorteile für den Gussasphalt angesehen werden. Gussasphalte werden in der Regel mit einem härteren Bitumen hergestellt. Die Sieblinie ist grundsätzlich füllerreich vorgesehen.Im letzten Kapitel wird die Machbarkeitsstudie zum Recycling-Potential von Gussasphalt durchgeführt. Ziel und Ergebnis für diese Machbarkeitsstudie war die Wiederverwendung von Gussasphalt bei einem RAP (reclaimed asphalt pavement) Anteil von über 98 M% bei einer Gewährleistung der höchsten Anforderungen für die Beständigkeit bei tiefen und hohen Temperaturen.

Among the different asphalt mix types, mastic asphalt (MA) holds a special position due to its composition, application and load transfer. Mainly the mastic is responsible for load transfer and usually hard and in some cases, polymer modified binders are employed for MA. To keep the mix pourable, the viscosity of the mastic and mix has to be low enough at the construction site. Thus, high temperatures of up to 250C are necessary for mixing and paving. Higher temperature leads to lower viscosity, but higher temperature means also more particulate matter emissions and energy consumption. Several reports show that workers health is increasingly affected when bitumen is handled at temperatures over 200C. For these reasons, a temperature reduction in MA is seen as crucial for enhanced energy efficiency and a healthier work environment. In this work, a state-of-the-art modification is compared to a new, efficient alternative for temperature reduction of MA. For the state-of-the-art method, a wax-modified bitumen is used as the binder component for the asphalt mix. In the new method for temperature reduction, crushed aggregates are substituted by round aggregates within the MA. This substitution brings a significant temperature reduction potential. The new approach is not applicable to other asphalt mix types, because all other mix types are based on coarse aggregate interaction for load transfer.Two testing methods for workability of mastic asphalt were developed and applied to determine the optimal temperature for the optimal viscosity: (a) measurement of mixing torque in a conventional lab mixer for asphalt mix production; (b) modified flow table test (slump test) for mastic asphalt. Different modified asphalt mixes were placed on a testing field at different temperatures to examine the optimal laying temperature. It was found, that the flow table test results are closer to the field results. This can be explained by the fact that the mastic asphalt is applied in practice by spreading on the surface. The torque only plays role in the mobile mastic asphalt transporter, where the mix is stirred.Four mastic asphalt mixes (MA 11, MA 8 and two MA 4) were optimised. Due to the combination of round aggregates and amide wax, a temperature reduction of up to 50 C was reached without any negative changes in the mechanical performance of the materials.After the development of the different modified mastic asphalt mixes in the laboratory the MA 8 opti- mised mixes were produced in a conventional batch plant and finally applied on the road network of the city of Vienna. The workability and the mechanical performance of the mixes were tested and compared through all these three steps (laboratory, batch plant and construction site). Crucial was to test and provide the same quality through the whole production cycle (from the laboratory through the mixing plant to the construction site). The difference between the small and large production scale plays important role. In the small-scale production, there is lower short-term binder aging and the mix design, the production, transport and laying temperature can be adjusted more precisely. At the end the results proved a good repeatability between the laboratory, the mixing plant and the construction site. As a part of the construction site we did a condition surveys every six months from the end of the construction works until the first half of 2018. During this period there were not any changes or damages. However, it is recommendable to carry out further condition surveys in order to obtain a complete picture during the lifetime of the roadway.In addition to the construction works we investigated the particulate matter emissions and made material flow analyses (MFA) for the different mastic asphalts. An emission reduction of 80 % and energy saving of 10 % were a result to a temperature reduction of 50 C. Typical for the mastic asphalt are a fine grading curve and hard binders. It transfers load mainly by the stiff mastic and can be produced with round aggregates. A current topic nowadays is the reclaimed asphalt pavement (RAP). One crucial problem for the reclaimed asphalt (RAP) is the hard (aged) binder. This disadvantage for the other asphalt types is an advantage for the mastic asphalt, where we need a stiff mastic (binder plus filler) by default. This idea led us to go beyond the current state and we developed a mastic asphalt with more than 98 % recycled material, ensuring the highest requirements for resistance at low and high temperatures.