Entwicklung und Optimierung einer Labor-Alterungsmethode für Asphaltprobekörper zur Simulation der Langzeitalterung und Bewertung der Alterungsbeständigkeit

Abstract

Das organische Bindemittel Bitumen verändert im Laufe seiner Lebensdauer das viskoelastische Materialverhalten. Steifigkeit und Sprödheit steigen an und führen zu schlechteren Tieftemperatur- und Ermüdungsverhalten. Um diese Veränderungen im Labor zu simulieren, werden die genormten Methoden Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) und Pressure Aging Vessel (PAV) angewandt. In den letzten Jahren gab es weitere Entwicklungen, die es erlauben, Alterungssimulationen an losem Asphaltmischgut bzw. verdichteten Asphaltprobekörpern durchzuführen. Diese Methoden ermöglichen Mischgutoptimierungen, die zu einer verbesserten Dauerhaftigkeit oder einer verstärkten Möglichkeit des Recyclings von Altasphalt führen. Jedoch haben die Methoden den großen Nachteil, Prüfbedingungen, wie hohe Temperaturen und hohe Drücke, zu verwenden, die nicht den realen Belastungen einer Langzeitalterung im Feld entsprechen. Darum war es das Ziel eine Alterungsmethode zu entwickeln, die vor allem die oxidativen Vorgänge der Alterung ansprechen. Dabei werden verdichtete Asphaltprobekörper mit gasförmigem Oxidationsmittel durchströmt. Dieses ist aus ozonangereicherter Luft und Stickoxiden zusammengesetzt und maximiert somit oxidative Reaktionen. Steifigkeitsversuche an Asphaltprobekörpern (Spaltzug- Schwellprüfungen IT-CY) und am rückgewonnenen Bitumen (Dynamische Scher Rheometer Prüfungen DSR) zeigen die Veränderungen der Materialeigenschaften durch die Alterungsmethode. Bei moderaten Temperaturen (60°C) über eine Dauer von 4 Tagen und Volumenstrom von ca. 1 l/min wurde ein Alterungsniveau erreicht, das einer Langzeitalterung im Feld bzw. einem Laboralterungsniveau des Bitumens im Asphaltmischgut nach RTFOT+PAV Laboralterung entspricht.

Aging of bitumen leads to increased stiffness and brittleness. Thus, bituminous bound pavements become more prone to failure by low-temperature and fatigue cracking. Therefore, the aging behavior of bitumen has a crucial impact on durability, as well as recyclability of pavements. To simulate aging of bitumen, Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) and Pressure Aging Vessel (PAV) are standardized methods for short-term and long-term aging in the lab. For lab-aging of hot mix asphalt (HMA), various methods have been developed in the last decades. This thesis presents an optimized lab-aging procedure for compacted HMA specimens to simulate mix performance of long-term lab-aged specimens. Thus, it is possible to optimize mix design not only for short-term performance but to take into account effects of oxidative aging during its in-service life. Assessment and optimization of durability and recyclability of mixes will become possible. The procedure is based on a triaxial cell with forced flow of a gaseous oxidant agent through the specimen. The oxidant agent is enriched in ozone and nitric oxides to increase the rate of oxidation. It is shown by stiffness tests of unaged and lab-aged specimens as well as by DSR tests of recovered binder from aged specimens that asphalt mixes can be long-term aged at moderate temperatures (+60°C) and within 4 days and a flow rate of 1 l/min by applying the presented procedure. Thus, an aging procedure is at hand that can simulate long-term aging at conditions that are representative of conditions that occur in the field within an efficient amount of time.