Michael P. Wistuba, Johannes Büchner, Tess Sigwarth, Konrad Mollenhauer, Jens Wetekam, Elena Rudi

• In diesem Forschungsprojekt wurde eine Prüfsystematik für eine ganzheitliche (rheologische und chemische) Charakterisierung und systematische Materialbewertung von bitumenhaltigen Bindemitteln für den Asphaltstraßenbau entwickelt. Die neue Prüfsystematik basiert auf Prüfungen im Dynamischen Scherrheometer (DSR) zur Charakterisierung des rheologischen Materialverhaltens im gesamten Gebrauchstemperaturbereich unter Berücksichtigung der viskoelastischen Eigenschaften, des Verformungsverhaltens, des Kälteverhaltens und des Alterungsverhaltens. Die Prüfsystematik wird vervollständigt durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR-Spektroskopie) zur Bestimmung chemischer Materialeigenschaften. Zunächst wurden rheologische und chemische Prüfverfahren zusammengestellt und an einer repräsentativen Auswahl an bitumenhaltigen Bindemitteln systematisch analysiert und anhand von Parameterstudien weiterentwickelt. So wurde aus einem Set an verschiedenen Prüfverfahren eine neue, ganzheitliche Prüfsystematik entwickelt. Die rheologische Prüfsystematik besteht im Wesentlichen aus dem Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren (BTSV), einem 8 mm Temperatur-Sweep (T-Sweep), einem 25 mm Single Shear Creep Test (SSCT) und einer 4 mm Relaxationsprüfung. Diese wird ergänzt durch FTIR-Analysen insbesondere für die Identifikation verschiedener Bindemittelmodifizierungen sowie der weitergehenden Bewertung des Alterungszustandes. Die neue Prüfsystematik ist für die Anwendung in der Praxis gut geeignet. Sie kann bei einer Einfachbestimmung innerhalb eines Arbeitstages mit einem DSR und bei einer Mehrfachmessung mit dem FITR innerhalb von 30 Minuten durchgeführt werden. Es folgten systematische Reihenuntersuchungen der neuen Prüfsystematik an 102 verschiedenen repräsentativen bitumenhaltigen Bindemitteln in unterschiedlichen Alterungszuständen. Daraus wurden geeignete Bewertungsparameter für die Erstellung einer Charakterisierungsmatrix identifiziert. Die aus den Prüfverfahren abgeleiteten Bewertungsparameter sind einfach interpretierbar und in der Praxis sofort anwendbar. Sie umfassen das Materialverhalten im gesamten Temperaturbereich des Gebrauchsverhaltens sowie die chemische Zusammensetzung und weisen eine gute Wiederholbarkeit für eine eindeutige Differenzierbarkeit unterschiedlicher Bindemittel auf. Auf Grundlage der untersuchten 102 Materialvarianten und einer systematischen Auswertung unter Berücksichtigung des aktuellen Technischen Regelwerks, konnten Orientierungswerte für unterschiedliche Anwendungszwecke in Abhängigkeit von der zu erwartenden Schwerverkehrsbeanspruchung der Straße abgeleitet werden. Dies umfasst Vorschläge an Orientierungswerte für die Äqui-Schermodultemperaturen T(G*=15 kPa) und T(G*=5 MPa) sowie an die Änderung der jeweiligen Kennwerte durch Alterung. Außerdem werden beanspruchungsabhängige Orientierungswerte an die Kriechrate zur Beurteilung des Verformungswiederstands und an die prozentuale Spannungsrelaxation zur Beurteilung des Widerstands gegen Kälterissbildung vorgeschlagen. Ergänzt werden diese durch Orientierungswerte für Indexwerte aus dem FTIR. Die neue Prüfsystematik wurde abschließend zusammen mit den vorgeschlagenen Orientierungswerten anhand von Erprobungsstrecken in der Praxis validiert. Dafür wurden sieben Bauvorhaben mit zehn verschiedenen Asphaltschichten identifiziert und an unterschiedlichen Stellen Asphaltproben entnommen. Die vorgeschlagenen Orientierungswerte konnten anhand der Proben aus den Erprobungsstrecken validiert werden. Außerdem konnte die laborübergreifende und herstellerunabhängige Anwendbarkeit der Prüfsystematik und der Orientierungswerte in der Baupraxis demonstriert werden. Die Prüfverfahren weisen eine zufriedenstellende und zuverlässige Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit auf und sind in der Baupraxis lückenlos anwendbar.
• In this research project, a test methodology was developed for the holistic (rheological and chemical) characterization and systematic material evaluation of asphalt binders for asphalt pavements. The new test system is based on Dynamic Shear Rheometer (DSR) tests to characterize the rheological material behavior in the whole service temperature range, considering viscoelastic properties, deformation behavior, low temperature behavior and aging behavior. The test system is complemented by Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy to determine chemical material properties. Initially, rheological and chemical test methods were collated and systematically analyzed on a representative selection of bituminous binders and further developed based on parameter studies. A new holistic test system was developed from a set of different test methods. The rheological test system essentially consists of the Binder-Fast-Characterization-Test (BTSV), an 8 mm Temperature-Sweep (T-Sweep), a 25 mm single shear creep test (SSCT) and a 4 mm relaxation test. This is complemented by FTIR analysis, particularly for the identification of various binder modifications and further evaluation of aging conditions. The new test system is well suited for practical use. It can be completed in one working day with a DSR and an FTIR for a single determination. This was followed by systematic serial testing of the new test system on 102 different representative asphalt binders in various states of aging. Suitable evaluation parameters were identified for the creation of a characterization matrix. The evaluation parameters derived from the test methods are easy to interpret and can be used immediately in practice. They include the material behavior in the entire temperature range of the service behavior as well as the chemical composition and have a good repeatability for a clear differentiation of different binders. On the basis of the 102 material variants investigated and a systematic evaluation considering the current technical regulations, guide values could be derived for different applications depending on the expected traffic load on the road. This includes proposals for guide values for the equi-shear modulus temperatures T(G*=15 kPa) and T(G*=5 MPa) as well as for the change in the respective characteristic values due to aging. In addition, load-dependent guide values are proposed for creep rate to assess resistance to deformation and for the stress relaxation in percent to assess resistance to low-temperature cracking. These are supplemented by guide values for FTIR index values. Finally, the new test system and the proposed guide values were validated in the field using test sections. For this purpose, seven construction projects with ten different asphalt layers were identified and asphalt mixture samples were taken at different locations. The proposed guide values were validated using the samples from the test sections. It was also possible to demonstrate the inter-laboratory and device-independent applicability of the test system and the guide values in construction practice. The test methods show satisfactory and reliable repeatability and comparability and can be applied seamlessly in construction practice.