Materialtechnische Untersuchungen von Bitumen und Asphalt mit funktionalen Prüfmethoden

Abstract

Modernen Asphaltmischgütern werden bis zu 40 M.% recyclierter Asphalt beigemischt, wodurch sie nicht mehr nur aus neu gewonnenen Rohstoffen bestehen. Einerseits entsteht dadurch ein großes Einsparungspotential an Ressourcen sowie CO2-Emissionen, andererseits ist es erforderlich,aussagekräftige Prüfmethoden für die Materialeigenschaften anzuwenden. Die reine Nutzung von empirischen Methoden, die derzeit am häufigsten zum Einsatz kommen, reicht nicht aus, um die immer komplexer werdenden Asphaltmischgüter aufgrund der schon mehrfach gealterten bzw.eingesetzten Bestandteile optimal abzubilden. Zu den empirischen Prüfmethoden gibt es auch gebrauchsverhaltensorientierte Prüfungen (GVO), diese bilden komplexe Mischgüter besser ab.Bei einzelnen Prüfungen nach dem GVO-Ansatz ist der Material- und Arbeitsaufwand wesentlich größer als bei den empirischen Prüfmethoden. Aus diesem Grund ist fürs Vorantreiben des GVO-Ansatzes die Etablierung neuer Prüfungen gefordert.In dieser Arbeit wird anhand von unterschiedlichen Versuchen auf Asphaltmischgutebene sowie Bindemittelebene ermittelt, ob gewisse Prüfungen durch unaufwändigere beziehungsweise aussagekräftigere Prüfungen ersetzt/ergänzt werden können. Als Ausgangsmaterial wurde immer das selbe Asphaltmischgut, aus dem auch Bindemittel extrahiert wurde, herangezogen. Die Einzelbestandteile des Asphaltmischgut, wie der beigemengte Recycling-Asphalt (RA) oder das Zugabebindemittel, wurden ebenfalls separat untersucht. Zusätzlich wurde die Möglichkeit der Herstellung eines Bindemittelsystems im Labor untersucht. Dieses sollte die gleichen Eigenschaften wie das im untersuchten Asphaltmischgut vorkommende Bindemittelsystem besitzen.Aus den zahlreichen Versuchen wird ersichtlich, wie komplex die Herstellung solch eines Bindemittelsystems ist. Drei verschiedene Laborbindemittelsysteme wurden aus unterschiedlichen Ausgangsstoffen im Labor gemischt und keines konnte das extrahierte Bindemittelsystem ausdem Asphaltmischgut in allen Temperaturbereichen in dessen Eigenschaften simulieren.Auf Bindemittelebene wird das Potential des Dynamisches Scherrheometer (DSR) eines möglichen Universalprüfgerätes, welches über das gesamte Temperaturspektrum prüfen kann,prinzipiell bestätigt. Dieses Prüfgerät wird nach der SUPERPAVE-Methode derzeit schon für Prüfungen zwischen 0°C und 82°C eingesetzt. Für den Einsatz im Tieftemperaturbereich gibt es bereits Untersuchungen aber noch keine Normierung. Nach einer bereits publizierten Methodik wurden im Zuge dieses Prüfprogramms Versuche sowie Auswertungen durchgeführt. Es fehlt noch die Feinabstimung bzw. Validierung der Grenzwerte bei einer größeren Stichprobenanzahl,damit in Zukunft die bis dato sehr aufwendigen Prüfungen auch in diesem Temperaturbereich von Versuchen am DSR übernommen werden können.Auf Asphaltmischgutebene werden zwei verschiedene Ermüdungsprüfungen (4-Punkt-Biegeprüfung und Spaltzugschwellprüfung) über die dissipierte Energie pro Lastwechsel (DELC) miteinander verglichen. Dieser Ansatz stammt aus einer Studie, in der über DELC eine Ermüdungsprüfung auf Mastixebene mit einer auf Asphaltmischgutebene erfolgreich korreliert wurde. In den Untersuchungen für diese Arbeit wurde kein Zusammenhang aufgrund der sehr verschiedenen Mechanismen der zwei Prüfungen gefunden.Bei erfolgreicher Implementierung der teilweise neuen Prüfmethoden, kann der Prüfaufwand reduziert werden. Gleichzeitig wird bei den Prüfungen auf Bindemittelebene ein besseres Verständnis des Materialverhaltens durch die Vielzahl an Informationen, die die neuen Prüfungen zur Verfügung stellen, möglich.

Up to 40 percent of reclaimed asphalt pavement (RAP) asphalt is added to modern asphaltmixes, which means that they no longer consist solely of newly extracted resources. On the onehand, this results in a large potential for saving resources and CO2 emissions, but on the otherhand creates the necessity to use more meaningful/expressive test methods. The mere use of empirical methods, which are currently the most frequently used, is not sufficient to optimally map the increasingly complex asphalt mixtures due to the multiple aged components. In addition to the empirical test methods, there are performance based tests , which are better at simulating the conditions in the field. For individual tests according to the GVO approach, however, the amount of material and labour required is high. In order to advance this performance based testing approach, the establishment of new, more efficient test methods is required.In this thesis, many different tests are carried out at asphalt mixture level as well as at binderlevel to determine whether certain tests can be supplemented by less complex or more meaning fultests. The same asphalt mix from which the binder was extracted was always used as the starting material. The individual components of the asphalt mix, such as the added RAP or the added binder, were also available for the tests. In addition, the possibility of producing a binder system in the laboratory with the same properties as the asphalt mix was investigated.The numerous tests show how complex it is to produce such a binder system in advance. Three different laboratory binder systems were mixed from different raw materials in the laboratory and none of them were able to simulate the properties of the binder system extracted from the asphalt mix in all temperature ranges.At the binder level, the potential of a possible universal testing device, the DSR, which can test over the entire temperature spectrum, is confirmed in principle. This testing device is already being used for tests between 0°C and 82°C. Studies have already been carried out for use in the low temperature range. Tests and evaluations have been carried out in the course of this testprogramme according to an already published methodology. Fine tuning and validation of the limit values with a larger number of samples is still required so that in future the complex tests carried out to date can also be used in this temperature range in tests with the DSR.At asphalt mix level, two different fatigue tests are compared using the dissipated energy perload cycle (DELC). This approach originates from a study in which a fatigue test at mastic level was successfully correlated with one at asphalt mix level using DELC. However, no correlation was found in the investigations carried out in this work due to the very different mechanisms ofthe two tests.If the partially new test methods are successfully implemented, the testing effort can be reduced. At the same time, a better understanding of the material behaviour is possible withthe tests at binder level due to the large amount of information provided by the new tests.