Verein zur sinnvollen Verwendung von Ausbauasphalt und Straßenaufbruch unter Berücksichtigung der Umweltschutzbelange e.V.

25. April 2013 VSVA Vortragsveranstaltung

100% Recycling – Asphalt ohne frisches Bitumen?

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Asphalt-Recycling in Deutschland

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1978: Autobahn A48, Rheinland-Pfalz, : 65 % Asphaltgranulat in Trag- und Binderschicht

1987 – 1995: Steigerung der Wiederverwendungsrate von 40 auf > 80%

2000 – 2005: Entwicklung und Verwendung von PmB RC und PmB RC+

2009: Rejuvenatoren / “100% - Recycling”

…

Asphaltrecycling – Systematik und Regelwerk in Deutschland

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Wertschöpfungskette

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Transport und Einbau des Asphalts

Gebrauch des Asphalts als Straßenbelag

Mischung

Wertschöpfungskette

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Gebrauch des Asphalts als Straßenbelag

Mischung mit Gestein + Asphaltgranulat

Selektives Fräsen

Transport / Lagerung Management des Asphaltgranulats

∞?

Recycling von Asphalt - Regelwerk

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Aktuelle Anforderungen beziehen sich auf das fertige Mischgut:

TL Asphalt-StB 07: Bei der Zugabe von AG muss TR&Bmix innerhalb der Sortenspanne des geforderten Bitumens [der fertigen Schicht] liegen. Das frische zuzugebende Bitumen darf höchstens eine Sorte weicher als die Zielsorte der fertigen Schicht sein, aber nicht weicher als 70/100*. Die Gleichmäßigkeit des Asphaltgranulats bestimmt die maximale Zugabemenge. Maschinentechnik ist zu beachten.

* Ausnahme: Asphalttragdeckschicht

Recycling von Asphalt - Regelwerk

ZTV Asphalt-StB 07: – Die Anforderung an den Erweichungspunkt des rückgewonnenen

Bindemittels aus dem Asphaltgranulat wurde gestrichen – es gilt die Tabelle 16 mit Höchstwerten für den EP RuK aus der fertigen Schicht (Obergrenze der TL Bitumen plus 8°C; bei PmB: Untergrenze der TL Bitumen plus 16 °C).

– Falls das Bindemittel für die fertige Schicht PmB ist, muss die „… elastische Rückstellung des aus dem Asphaltmischgut [der fertigen Schicht] rückgewonnenen PmB … bei Walzasphalt mindestens 40% … betragen. Dies gilt auch bei vorzeitigem Reißen des Fadens, wobei die Ausziehlänge dann anzugeben ist.

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Recycling von Asphalt - Konzepte – Hamburg war und ist Vorreiter für die

höchstwertige Anwendung von AG mit Normbitumen – PmB RC - Konzept

• Elastische Rückstellung als neue Anforderung für das zurückgewonnene Bindemittel aus der fertigen Schicht

• Einführung der PMB RC – z.B. Cariphalte RC 25/55-55 – 1. Produktion: 10.01.2000, Caribit 25 RC für NMW

Sandauhafen

• Einführung von PMB RC+ - z.B. Cariphalte RC+ 10/40-65 – 1. Produktion 26.04.2005, Caribit 25 RC+ für Köhlbrand

Asphaltmischwerke

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AC TN AC TS AC BN AC BS AC DN AC DS SMA N SMA S MA PA

Recycling von Asphalt - Konzepte

25. April 2013 10

0

10

20

30

40

50

60

70

1983 1992 1996 2005 2007

Max

imal

er A

ntei

l an

Asph

altg

ranu

lat (

M.-%

)

Entwicklung der Wiederverwendung von Ausbauasphalt in Hamburg

AT AC B AC BS AC D MA SMA

Recycling von Asphalt - Konzepte – Baden-Württemberg – Maximalrecycling

• Maximalrecycling 90 – 85% AG in der Deckschicht, 90% AG in der Tragschicht – durch Beigabe von Additiven (z.B. 0,4 – 0,8 % Öl-Wachs-Gemisch) – Beurteilung der Beschaffenheit des Asphaltgranulats über den EP

Ring und Kugel • Maximalrecycling 50/75

– 50% AG in der Deckschicht, 75% AG in der Tragschicht – durch weichere Bitumen-Sorten (45/80-50 und 70/100)

• „So ist neben dem Vorhandensein einer Paralleltrommel für die Erwärmung des Ausbauasphaltes eine Nachmischzeitverlängerung von zehn Sekunden pro Charge – besser mehr – gegenüber herkömmlich produziertem Mischgut für Asphaltdeckschichten erforderlich.“

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Zusammenfassung: Anforderungen

– Bindemittel aus der fertigen Schicht: • Erweichungspunkt Ring und Kugel • Elastische Rückstellung

– Asphaltgranulat • Gleichmäßigkeit

– Maschinentechnik

Welche Eigenschaft des Bitumens bestimmt die Art der Verwertung und die maximale Zugabemenge des Asphaltgranulats?

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Recycling und die Alterung von Bitumen

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Asphalt-Recycling in Deutschland

Bitumen - Zusammensetzung

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Bitumen

Maltene

„Harze“

Aromaten

Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Asphaltene

OH

N H

O O

COOH OH

Naphthene

Paraffine

S

Molgewicht: 500 – 15000

Der Weg des Bitumens - ALTERUNG

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Erdöl – Enstehung der Moleküle

Raffinerie – Abtrennung kleiner Moleküle, ggf. Bildung von Asphaltenen (Oxidbitumen)

T = 370 °C , dann 150 bis 180 °C, kein Luftzutritt, Wochen

Der Weg des Bitumens

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Mischung mit Gestein T = 150 bis 190 °C, kein Luftzutritt, Minuten

Transport / Einbau des Asphalts T = 130 bis 180 °C, Luftzutritt,

große Oberfläche, Stunden

Asphaltbelag T = -20 bis 70 °C, Luftzutritt je nach Hohlraumgehalt, Jahre

Abfräsen / Transport / Lagerung des Asphaltgranulats

T = -20 bis 70 °C, Luftzutritt, große Oberfläche, Tage bis Jahre

Lagerung / Transport / Lagerung am Mischwerk

T = 130 bis 180 °C, kein Luftzutritt, Wochen - Monate

Alterung von Bitumen - Chemie

• Wie kann man den Alterungszustand des Bitumens im Asphaltgranulat beurteilen? – Untersuchungen von Neumann und Zenke

unterscheiden drei Arten der Bitumenalterung: • destillative Alterung • oxidative Alterung • Strukturalterung

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Alterungsprozesse: Destillativ

Verdampfen von kleineren Molekülen – ausgeprägt bei höheren Temperaturen (> 80 °C) – ausgeprägt bei großer Oberfläche – keine chemische Veränderung der verbleibenden

Moleküle – Auswirkungen: Anstieg der Viskosität, geringere

Klebkraft, höhere Sprödigkeit – Bei PmB: kein Unterschied zu Normbitumen

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Alterungsprozesse: Oxidativ Reaktion von Bitumenmolekülen mit Sauerstoff

– Schnelle Reaktion bei höheren Temperaturen – Schnelle Reaktion bei großer Oberfläche (z.B. auf Gestein) – Reaktion durch UV-Licht (Energie) und durch

saure/oxidierende Gesteine begünstigt – Bildung von größeren, polareren Molekülen – Abspaltung von Wasser und Kohlendioxid – Anstieg der Viskosität, geringere Klebkraft, höhere

Sprödigkeit – Bei PMB:

• Reaktion von Polymermolekülen mit Sauerstoff, bei höherer Temperatur: Spaltung von Polymerketten und Reaktion mit Bitumenmolekülen

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Alterungsprozesse: Strukturalterung

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Bindemittel aus der unteren Tragschichtlage sind stärker gealtert / härter! Begründung: Zutritt von Sauerstoff von unten.

Rückgewinnung von Bitumen aus Tragschichten nach langer Liegezeit

EP RuK

Alterungsprozesse: Strukturalterung

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Untersuchung von rückgewonnenen Bitumen: mit fortschreitender Alterung steigt der Asphaltengehalt und der Maltengehalt fällt

EP RuK EP RuK

Alterungsprozesse: Strukturalterung

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… die Polarität steigt!

EP RuK

Alterungsprozesse: Strukturalterung

– Langsame Reaktion bei Umgebungstemperatur führt zur Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts.

– Bildung von größeren und polareren Asphaltenmolekülen.

– Im Gleichgewicht / am Ende des Vorgangs ein Zweiphasensystem: keine Micellen mehr, keine Klebkraft mehr (“tote Asphaltene”).

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Zusammenfassung: Alterung von Normbitumen

– Alle Alterungsprozesse bewirken eine Verschiebung der Zusammensetzung von Bitumen hin zu größeren, polareren Molekülen (Asphaltenbildung, Verlust von Harzen und kleineren Molekülen).

– Die Kombination von asphaltenreichem Bitumen mit

niedrigviskosen / flüchtigen Ölen ist potentiell anfällig gegen eine ausgeprägte weitere destillative und oxidative Alterung.

– Der Asphaltengehalt des resultierenden Bindemittels aus Asphaltgranulat in Kombination mit frischem Bitumen hat also Einfluss auf die Anfälligkeit gegen weitere Alterung.

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Recycling von Asphaltgranulat mit Normbitumen

Daraus folgt: – Für eine erfolgreiche Wiederverwendung muss die

Struktur des gealterten Bitumens wieder hergestellt werden.

– Der Ersatz von destillativ verlorengegangenen Bestandteilen des Bitumens reicht i.d.R. nicht aus, um die Mehrphasigkeit wieder rückgängig zu machen.

– Kleinere / ursprüngliche Asphaltenmoleküle (Harze) oder ähnliche Moleküle werden für homogenes, gut klebendes Bitumen benötigt.

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Wiederverwendung von Asphalt – Normbitumen – Was gibt es bei PmB und Recycling zu beachten?

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Renken, Lobach: FE 07.205

Generell: – 8. Die Nachmischzeit stellt sich als dominante

Einflussgröße dar. Sowohl auf die Verformungs- als auch auf die Kälte- und Ermüdungseigenschaften wirken sich lange Nachmischzeiten positiv aus.

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Renken, Lobach: FE 07.205 Zum AG – 9. Die Asphaltgranulatqualität (mit

Straßenbaubitumen/mit PmB) zeigt einen Einfluss auf die Verformungseigenschaften. Die Varianten mit dem AG mit Straßenbaubitumen weisen höhere Stempeleindringtiefen auf als die Varianten mit PmB… Bei Warmzugabe: die […] Ermüdungsversuche werden durch den Einsatz des AG mit PmB etwas günstiger beeinflusst.

– 1. Das aus dem Asphaltgranulat P zurückgewonnene Bindemittel wurde anhand mehrerer Prüfmerkmale eindeutig als PmB identifiziert und zeigte trotz Liegedauer und Rückgewinnung noch die PmB-typischen Bindemittelmerkmale.

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Renken, Lobach: FE 07.205

Zum Zugabebindemittel: – 7. Das frisch zugegebene PmB-Produkt zeigt …

einen deutlichen Einfluss – insbesondere bei den Kälte- und Ermüdungseigenschaften. Dieser dominante Einfluss ist auch bei Zugabe der Asphaltgranulate erkennbar.

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PmB und Recycling

…. Daraus folgt: PmB sollte bei der Wiederverwendung besonders berücksichtigt werden: – Die bessere Kohäsion von PmB kann im Vergleich mit

Normbitumen gerade beim Recycling von stark gealtertem Bitumen den Effekt der Nachhärtung positiv beeinflussen.

– PmB im Asphaltgranulat kann aufgrund der nach wie vor vorhandenen Eigenschaften des Polymers ausgenutzt werden - es bedeutet eine Verschwendung von Ressourcen, wenn dies nicht geschieht.

– Frage: wie altert polymermodifiziertes Bitumen?

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Recycling von Asphalt mit PmB

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Alterungsprozesse: Oxidativ Reaktion von Bitumenmolekülen mit Sauerstoff

– Schnelle Reaktion bei höheren Temperaturen – Schnelle Reaktion bei großer Oberfläche (z.B. auf Gestein) – Reaktion durch UV-Licht (Energie) begünstigt – Bildung von größeren, polareren Molekülen – Abspaltung von Wasser und Kohlendioxid – Anstieg der Viskosität, geringere Klebkraft, höhere

Sprödigkeit – Bei PmB zusätzlich:

• Reaktion von Polymermolekülen mit Sauerstoff, bei Temperatur > 160 °C: Spaltung von Polymerketten und Reaktion mit Bitumenmolekülen

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Erweichungspunkt Ring und Kugel in PmB

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Polymergehalt

Erw

eich

ungs

punk

t RuK

EP Ring und Kugel ist abhängig vom Polymergehalt und von der Polymerstruktur:

Alterung von Polymeren in Bitumen – Reaktion bei hohen Temperaturen – Reaktion mit Sauerstoff

– Kettenabriss (aus größeren Molekülen werden kleinere)

• Reaktion der Bruchstücke mit Bitumen und mit Polymer

– Auswirkungen:

• Elastizität bleibt weitgehend erhalten (oder steigt sogar an) • Viskosität steigt an (Nadelpenetration fällt) • EP Ring und Kugel steigt an • Bei hohen Polymergehalten: EP Ring und Kugel fällt ab

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Kurz- und Langzeitalterung von PMB – Je 10 Cariphalte 25/55-55 und Cariphalte RC 25/55-55

(Lieferstelle: TIB Mannheim) aus dem Zeitraum 20.07. bis 20.08.12 wurden in verschiedenen Alterungszuständen im Shell Bitumen Labor EUSC untersucht:

• Frisch – EP RuK, Penetration, Kraftduktilität

• Nach Kurzzeitalterung 12607-1, RTFOT – EP RuK, el. Rückstellung

• Nach Langzeitalterung PAV – EP RuK, Penetration, el. Rückstellung

– Vergleich mit dem Grundbitumen 50/70 und 70/100 ex Raffinerie Karlsruhe

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Prüfgeräte Alterung

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Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) DIN EN 12607-3 75 Minuten, 163 °C

Pressure Ageing Vessel (PAV) DIN EN 14769 6 Tage, 100 °C

Kurz- und Langzeitalterung

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25/55-55 RC 25/55-55

50/70

70/100

Erw

eich

ungs

punk

t RuK

Ergebnisse

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Cariphalte 25/55-55*

Cariphalte RC 25/55-55*

50/70 70/100

Nadelpenetration frisch (dmm) 39,4 37,7 56 89

Erweichungspunkt frisch (°C) 57,6 59,4 51,4 45,2

Anstieg EP RuK nach RTFOT (°C) 7,9 7,7 4,8 4,8

Anstieg EP RuK nach PAV (°C) 10,2 9,6 8,2 8,6

Anteil des PAV an der gesamten Alterung (%) 56 55 63 64

Penetration nach RTFOT + PAV (dmm) 16,5 17,0 21 29

Verbleibende Penetration nach RTFOT + PAV (%) 42 45 38 33

El. Rückstellung nach RTFOT (%) 64 74 - -

El. Rückstellung nach RTFOT + PAV (%) 63 65 - -

Anstieg des EP Ruk durch Alterungsverfahren

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50%

52%

54%

56%

58%

60%

62%

64%

66%

50/70 70/100 25/55-55 RC 25/55-55

Anteil des PAV am gesamten Anstieg des EP Ring und Kugel

Recycling von Asphalt mit PMB – Gemessen am Erweichungspunkt RuK…

• altert PmB oxidativ/destillativ stärker als Normbitumen (Kurzzeitalterung, RTFOT)

• verläuft der Alterungsprozess von PmB danach eher langsamer als bei Normbitumen (Langzeitalterung, PAV)

– Gemessen an der Elastischen Rückstellung… • findet bei PmB praktisch keine Alterung statt.

– Die Nadelpenetration kann zur Beurteilung von AG mit PmB benutzt werden.

– Alternativen: G*, Phasenwinkel (DSR), Kriechsteifigkeit (BBR), Kraftduktilität

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Konzepte für optimales Recycling

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Konzepte für optimales Recycling

– Die Zusammensetzung von Asphaltgranulat ändert sich:

• AC D S mit 25/55-55 • SMA S mit H-PmB 40/100-65 • Asphalt mit viskositätsveränderten Bitumen oder

viskositätsveränderten PmB • SMA, AC B S und PA mit Gummimodifiziertem Bitumen

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Konzepte für Optimales Recycling – RC-PmB dienen zunächst nur zur Erzielung der

geforderten elastischen Rückstellung der fertigen Schicht, wirken aber aufgrund des erhöhten Polymergehalts und verbesserter Kohäsion dem Resultat des Alterungsprozesses entgegen.

– Rejuvenatoren / Öle erlauben die Erfüllung der Anforderung an den Erweichungspunkt. Allerdings können sie, entsprechend der Theorie, die Alterung des Bitumens nicht vollständig kompensieren. In der Praxis werden jedoch bisher gute Ergebnisse erzielt.

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Konzepte für Optimales Recycling – Die Zusammensetzung des Asphaltgranulats muss

berücksichtigt werden. – Es gelten Anforderungen an das zurückgewonnene

Bitumen aus der fertigen Schicht. • Der Erweichungspunkt Ring und Kugel ist allerdings kein

Performance-Kriterium für PmB. • Die elastische Rückstellung ist ebenfalls kein Performance-

Kriterium. • Neuere Methoden (DSR / BBR / KD) bedeuten einen hohen

Aufwand für die Messung aber die beste Möglichkeit ein umfassendes Bild zu generieren.

• Die Nadelpenetration gibt einen ersten Hinweis auf die Viskosität bei Raumtemperatur, diese sollte begrenzt werden.

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Recycling-Konzepte - Zusammenfassung

– Performance-Eigenschaften der fertigen Schicht bleiben das Ziel! – RC – PmB waren der erste und richtige Schritt in Richtung optimierter

Performance. – Bei der Alterung verloren gegangene Maltene und Harze müssen bei

der Wiederverwendung für eine dauerhafte Qualität ersetzt werden. – Weichere Bitumen (160/220 bis 500/650) sind daher als Alternative zu

betrachten. – Neue, weichere RC – PmB scheinen zur Ausnutzung von AG mit PmB

noch vielversprechender. Vorschläge: • Cariphalte RC 45/80-50 • Cariphalte RC 120/200-45 ? • Cariphalte RC 200/300-40 ?

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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100% Recycling –�Asphalt ohne frisches Bitumen?Foliennummer 2Asphalt-Recycling in DeutschlandFoliennummer 4WertschöpfungsketteWertschöpfungsketteRecycling von Asphalt - RegelwerkRecycling von Asphalt - RegelwerkRecycling von Asphalt - KonzepteRecycling von Asphalt - KonzepteRecycling von Asphalt - KonzepteZusammenfassung: AnforderungenAsphalt-Recycling in DeutschlandBitumen - ZusammensetzungDer Weg des Bitumens - ALTERUNGDer Weg des BitumensAlterung von Bitumen - ChemieAlterungsprozesse: DestillativAlterungsprozesse: OxidativAlterungsprozesse: StrukturalterungAlterungsprozesse: StrukturalterungAlterungsprozesse: StrukturalterungAlterungsprozesse: StrukturalterungZusammenfassung: Alterung von NormbitumenRecycling von Asphaltgranulat mit NormbitumenWiederverwendung von AsphaltRenken, Lobach: FE 07.205Renken, Lobach: FE 07.205Renken, Lobach: FE 07.205PmB und RecyclingFoliennummer 31Alterungsprozesse: OxidativErweichungspunkt Ring und Kugel in PmBAlterung von Polymeren in BitumenKurz- und Langzeitalterung von PMBPrüfgeräte AlterungKurz- und LangzeitalterungErgebnisseAnstieg des EP Ruk durch AlterungsverfahrenRecycling von Asphalt mit PMBFoliennummer 41Konzepte für optimales RecyclingKonzepte für Optimales RecyclingKonzepte für Optimales RecyclingRecycling-Konzepte - ZusammenfassungFoliennummer 46