Stephan Büchler, Frederik Kollmus, Michael P. Wistuba, Konrad Mollenhauer, Jens Wetekam

• Als Konsequenz der Festlegung eines neuen Grenzwerts für Asphaltdämpfe und Aerosole beim Einbau von Asphaltmischgut muss neben technischen Lösungen am Asphaltfertiger (Absaugreinrichtung) auch der Asphaltmischguteinbau temperaturabgesenkt erfolgen. Dabei muss sichergestellt werden, dass eine Temperaturabsenkung die mechanische und funktionale Qualität sowie das Gebrauchsverhalten und die Dauerhaftigkeit des hergestellten Asphaltmischguts nicht gefährdet. Mit diesem Forschungsprojekt wurde das Ziel verfolgt, für Zusätze und Technologien zur Herstellung von Temperaturabgesenkten Asphalten (TA-Asphalte) jeglicher Art, einen einheitlichen Nachweis der Temperaturabsenkung im Labor zu entwickeln. Dazu wurden Probekörper bei unterschiedlichen Temperaturen mit erhöhter Verdichtungsenergie hergestellt. Die dabei berechneten Raumdichten wurden funktional beschrieben (Verdichtungsfunktion), so dass für eine übliche Verdichtungsenergie die mögliche, abgesenkte Verdichtungstemperatur und/oder für eine gewünschte Temperatur die benötigte Verdichtungsenergie ermittelt werden konnte. Zum Nachweis dieses Vorgehens wurden die relevanten Technologien zur Herstellung von TA Asphalten bezogen auf ihre Wirkungsweise untersucht: Grenzflächenaktive Zusätze, Rheologie bzw. Reaktivmodifizierende Zusätze, Mineralische Zusätze (Zeolith), die Schaumbitumen-Technologie und teilweise die bereits bewährten Viskositätsverändernden Zusätze (VVZ). Zunächst wurde das Vorgehen an einem Asphaltmischgut für Asphaltdeckschichten der Sorte AC 11 D S mit 5 temperaturabsenkenden Zusätzen / Verfahren sowohl mit dem Marshall-Verdichtungsgerät, als auch mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät und dem Gyrator überprüft. Zusätzlich wurde der Verformungswiderstand mittels Druck-Schwellversuchen an den hergestellten Probekörpern bewertet. Während des Mischprozesses konnte anhand des Drehmoments im Labormischer nachgewiesen werden, dass TA-Asphalte geringere Mischarbeiten benötigen. Das Marshall-Verdichtungsgerät erwies sich als geeignetes Verdichtungsverfahren mit einer guten Spreizung bzgl. der Verdichtungstemperaturen, den geringsten Streumaßen und als technisch günstig und einfach in der Handhabung. Die damit temperaturabgesenkt hergestellten Probekörper waren bzgl. des Verformungswiderstandes unauffällig. Ein Ausschlusskriterium konnte für kein Verdichtungsgerät gefunden werden. Die Validierung des Vorgehens erfolgte an weiteren vier Asphaltmischgutsorten, welche in Fachkreisen teilweise als kritisch für die Temperaturabsenkung angesehen werden: SMA 8 S, AC 11 D S (mit 20 % Asphaltgranulat (AG)), SMA 16 B S (mit 30 % AG) und AC 32 T S (mit 60 % AG). Für jede Asphaltmischgutsorte wurden 3 Varianten hergestellt: Neben der Referenzvariante zwei temperaturabgesenkte Varianten, wobei als oberflächenaktive Zusätze jeweils Produkte unterschiedlicher Hersteller eingesetzt wurden. Die temperaturabsenkende Wirkung wurde mit allen Zusätzen / Verfahren und an allen Asphaltmischgutsorten nachgewiesen und funktional beschrieben. Es wurde festgestellt, dass die Kombination von Asphaltmischgutart/-sorte und TA-Technologie im Labor optimiert werden muss, so ist zum Beispiel eine Zugabe der Zusätze ohne Optimierung der Zugabemenge nur bedingt zielführend. Diese Optimierung war nicht Gegenstand dieses Projekts. Der Einsatz von Zeolith in Kombination mit Splittmastixasphalten war im Projekt problemlos möglich, zeigte jedoch keine Vorteile bzgl. der Temperaturabsenkung. Weiterhin wurde für das Asphaltmischgut für Asphalttragschichten der Sorte AC 32 T S die Wirkung der Temperaturabsenkung sowohl mit Zeolith, als auch mit dem grenzflächenaktiven Zusatz nachgewiesen. Aufgrund der hier eingesetzten Materialien trat der Effekt jedoch erst bei einer Temperaturreduzierung von >10 °C auf. Die Überprüfung der Streumaße für die Raumdichten der Marshall-Probekörper zeigte, dass keine übermäßigen Streuungen aufgrund der Zusätze / Verfahren auftraten. Auch erwiesen sich die temperaturabsenkenden Zusätze / Verfahren als unproblematisch bzgl. des Verformungswiderstands. Insgesamt kann mit dem hier vorgestellten und überprüften einheitlichen Vorgehen zur Herstellung von Probekörpern im Labor für unterschiedlichste TA-Technologien ihr Potential beschrieben werden, ohne signifikante negative Auswirkungen bzgl. der Performance oder der Reproduzierbarkeit erwarten zu müssen.
• As a consequence of the definition of a new limit value for asphalt mixture fumes and aerosols during the asphalt paving process, defined by the Committee on Hazardous Substances (AGS) of the Federal Institute for Occupational Safety and Health in Germany, in addition to technical solutions on the asphalt paver (extraction equipment), the temperature of the asphalt mixture has to be reduced. But it must be ensured that a temperature reduction does not jeopardize the mechanical and functional quality as well as the performance and durability of the asphalt mixture produced at a lower temperature (Warm Mix Asphalt (WMA) mixtures). The aim of this research project was to develop a standardized procedure or proof of temperature reduction in the laboratory for additives and technologies for the production of all types of temperature-reduced asphalts (Warm Mix Asphalt (WMA) mixtures). For this purpose, specimens were compacted at different temperatures with increased compaction energy using different compaction methods. The calculated bulk densities were described functionally (compaction function), so that the possible lowered compaction temperature for a normal compaction energy and/or the required compaction energy for a desired temperature could be detected. To demonstrate this approach, the relevant technologies for the production of WMA were included in relation to their mode of action: Surfactants, rheology or reactive modifying additives, mineral additives (zeolite), foamed bitumen technology and, in some cases, the already proven viscosity reducing additives. First, the procedure was tested on an asphalt mixture for asphalt surface courses (Asphalt Concrete AC 11 D S) with 5 temperature-reducing additives / processes using the Marshall Compactor, the Steel Roller compactor and the Gyrator. In addition, the resistance to permanent deformation was evaluated using Cyclic compression test in accordance with German standard TP Asphalt-StB Part 25 B1. During the mixing process in the laboratory, the torque in the laboratory mixer clearly demonstrated that the WMA require less mixing work. The Marshall Compactor proved to be a suitable compaction device with a good spread in terms of compaction temperatures, the lowest scattering dimensions and as technically favourable and easy to handle. The specimens produced at a reduced temperature were unremarkable in terms of resistance to permanent deformation. No exclusion criterion could be found for any compaction device. The procedure was validated using further four types of asphalt mixtures, some of which are usually considered problematic for temperature reduction: Stone Mastic Asphalt (SMA 8 S), Asphalt Concrete (AC 11 D S) with 20 % Reclaimed Asphalt Pavement (RAP), SMA 16 B S with 30 % RAP and AC 32 T S with 60 % RAP. Three variants were produced with each asphalt mixture type, two temperature-reduced variants in addition to the reference variant, whereby products from different manufacturers were used for the surfactants. The temperature-reducing effect was demonstrated and functionally described with all additives/processes and on all asphalt mixture types. It was found that the combination of asphalt mixture type/grade and temperature reducing technology must be optimized in the laboratory; for example, adding the additives without optimizing the quantity added is only partially effective. This optimization was not the subject of this project. The use of zeolite in combination with stone mastic asphalt mixtures was possible in the project without any problems, but showed no advantages in terms of temperature reduction. Furthermore, for the asphalt mixture for asphalt base course (AC 32 T S), the effect of temperature reduction was demonstrated both with zeolite and with the surfactant. However, due to the materials used here, the effect only occurred at a temperature reduction of more than 10 °C. Checking the scattering measures for the bulk densities of the specimens compacted with the Marshall Compactor showed that no excessive scattering due to the additives/processes occurred. The temperature-reducing additives / processes also proved to be unproblematic in terms of the resistance to permanent deformation. Overall, the procedure presented and tested here for the compaction of specimens in the laboratory can be used to describe the potential for a wide variety of TA technologies without expecting significant negative effects in terms of performance or reproducibility.