88 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Technische Aspekte einer Kaltrecyclingbauweise von Asphalt ohne Zusatz von Bindemittel Literatur [1] Torbjörn Jacobson and Andreas Waldemarson, 2010, Återvinning av asfaltgranulat vidmotorvägsbygget på E4, Markaryd Uppföljningar åren (Recycling of crushed asphalt pavement on highway construction on E4, Markaryd - follow-up period) 2005-2010, VTI (Swedish National Road and Transport Research Institute), SE-581 95 [2] EN 13286-2 (2010): Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische - Teil 2: Laborprüfverfahren zur Bestimmung der Referenz-Trockendichte und des Wassergehaltes - Proctorversuch, Beuth-Verlag, Berlin [3] EN 13286-47 (2012): Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische - Teil 47: Prüfverfahren zur Bestimmung des CBR-Wertes (California bearing ratio), des direkten Tragindex (IBI) und des linearen Schwellwertes; Beuth-Verlag, Berlin [4] Lottmann A. (2003): Tragfähigkeit und Frostempfindlichkeit von kalkbehandelten bindigen Böden im Planumsbereich von Verkehrsflächen; Dissertation, Technische Universität Cottbus, S. 48 [5] Laura Gaillard, Cyrille Chazallon, Pierre Hornych and Juan Carlos Quezada, (2019), Study of the Mechanical Behaviour of Reclaimed Asphalt Aggregates Without Binder Addition, E3S Web of Conferences, Volume 92, on 7th International Symposium on Deformation Characteristics of Geomaterials (IS-Glasgow 2019), https: / / doi.org/ 10.1051/ e3sconf/ 20199210004 [6] Christiane Raab and Manfred Partl, (2020), Laboratory Evaluation and Construction of Fully Recycled Low-Temperature Asphalt for Low-Volume Roads, Advances in Materials Science and Engineering, Volume 2020 |Article ID 4904056 | https: / / doi.org/ 10.1155/ 2020/ 4904056 [7] DIN EN 1426 (2015): Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Nadelpenetration, Beuth-Verlag, Berlin [8] EN 14769 (2012): Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Beschleunigte Langzeit-Alterung mit einem Druckalterungsbehälter (PAV), Beuth-Verlag, Berlin [9] Lu X., Isacsson U., (2002), Effect of ageing on bitumen chemistry and rheology. Constr.Build. Mater.; 16: 15-22 [10] Le Guern M. et al., (2010), Physico-chemical analysis of five hard bitumens: Identification of chemical species and molecular organization before and after artificial aging, Fuel 89, 3330-3339 [11] A. Brzuska, S. Cypra, C. Holldorb und M. Stöckner, (2018), CO2-Emissionen bei der Straßenerhaltung, Straße und Autobahn, Jg. 69, Nr. 10, S. 845-853 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 89 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich Marius Winter Universität Kassel, Hessen Konrad Mollenhauer Universität Kassel, Hessen Zusammenfassung Die Wiederverwendung von Asphaltgranulat im europäischen Straßennetz gewinnt zunehmend an Bedeutung. Neben den konventionellen Möglichkeiten der Wiederverwendung (z. B. in Heißasphaltmischgut), findet auch die Verwertung in Tragschichten als Kaltrecycling-Baustoff Anwendung. Ein europäischer Vergleich zeigt, dass die Dimensionierungsverfahren sowohl unter dem Einsatz von Heißasphalt als auch von Kaltrecyclingmischgut international voneinander abweichen. Allerdings macht die Analyse der verschiedenen Regelwerke deutlich, dass trotz unterschiedlicher Verfahrensansätze teilweise ähnliche Schichtdicken innerhalb der Befestigungen resultieren (insb. für Heißasphalt). Im Allgemeinen führt die Verwendung von Kaltrecyclingmischgut zu einer Zunahme der Schichtdicke im Vergleich zum Standardaufbau. Des Weiteren können verschiedene Sicherheitsparameter identifiziert werden, welche im Rahmen der internationalen Dimensionierungen Anwendung finden. Grundsätzlich lassen die untersuchten Verfahren eine Differenzierung zweier Ansätze zu. Zum einen findet die rechnerische Dimensionierung Anwendung, welche die Ermittlung der erforderlichen Schichtdicken ermöglicht. Zum anderen können empirische Verfahren zur Dimensionierung herangezogen werden. 1. Einführung Da das europäische Straßennetz fast vollständig ausgebaut ist, wird die bauliche Erhaltung der bestehenden Straßen einen zunehmenden Anteil der künftigen Investitionen in die Straßeninfrastruktur abdecken. Der überwiegende Anteil der Straßen wird mit Asphaltbelägen gebaut, wobei das übliche Verfahren darin besteht, den gesamten Asphaltaufbau oder die obere(n) Schicht(en) davon zu entfernen und auf dem verbleibenden Aufbau neuen Asphalt einzubauen. Infolgedessen führt das zunehmende Alter des Straßennetzes zu steigenden Mengen an Ausbauasphalt bzw. Asphaltgranulat (AG). Dieses wird vornehmlich in Asphalttragschichten recycelt. Da überwiegend Asphaltdeck- und -binderschichten erneuert werden, kommt es zu einem Überschuss an AG. Kaltrecycling (KRC) von AG ist ein Verfahren, bei dem hohe Recyclingraten von in der Regel ≥ 75 % bei geringerer Empfindlichkeit bezüglich der AG-Eigenschaften erreicht werden [1] im Vergleich zu anderen Recyclingoptionen (z. B. in Heißasphaltmischungen). KRC wird erfolgreich in zahlreichen Straßenstrukturen unterschiedlicher Verkehrsbelastungen eingesetzt. Da das Mischgut bei Umgebungstemperatur hergestellt wird, wird der Prozess mit dem höchsten Energieverbrauch die Erwärmung und Trocknung der Zuschlagstoffe vermieden. Dadurch können die herstellungsbedingten CO 2 -Emissionen signifikant reduziert werden. [2] Trotz der praktischen Erfahrungen mit kaltrecycelten Materialien sind die Versagensarten dieser Schichten noch nicht vollständig verstanden. Dies lässt sich zum Teil durch die häufige Anwendung innerhalb des Straßennetzes mit vergleichsweise geringem Verkehrsaufkommen sowie mit geringer Fachkenntnis und geringem Bedarf an Erhaltungsprognosen und Dauerhaftigkeitsbewertung erklären. Die mechanischen Eigenschaften von Kaltrecyclingmaterial sind in laborgestützten Projekten gut erforscht. Dabei werden in der Regel geringere Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften im Vergleich zu Heißasphaltmischungen (HMA) festgestellt. Daher führen verfügbare Dimensionierungsverfahren auf der Grundlage von Ermüdungsversagenskriterien, die üblicherweise auf Heißasphalte angewendet werden, zu hohen erforderlichen Tragschichtdicken und sind daher in der Praxis unwirtschaftlich [3]. Die in der Praxis angewandten Dimensionierungsverfahren unterscheiden sich somit erheblich und reichen von den gleichen Dickenabschätzungen wie bei heißen bituminösen Materialien (z. B. in der Schweiz) bis zu Dickenerhöhungsfaktoren von z. B. 50 % [4] im Vergleich zu Heißasphaltschichten. Ein Grund für diese vorsichtigen Dimensionierungen liegt in der zeitabhängigen Änderung der Materialfes- 90 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich tigkeit während der Aushärtung, die dazu führt, dass die Tragfähigkeit von KRC-Schichten über Monate oder sogar Jahre hinweg zunimmt [5]. Internationale Erfahrungen zeigen die Anwendbarkeit von Kaltrecyclingmaterial auch bei stark befahrenen Autobahnkonstruktionen [6]. Da die mechanistischen Bemessungsansätze noch nicht vollständig akzeptiert sind und Versagensmodi für kaltrecycelte Materialien innerhalb der Verfahren nicht implementiert sind, wurden die bestehenden empirischen Dimensionierungsverfahren in mehreren Ländern verglichen. Da die für konventionelle Materialien (insbesondere Heißasphalte) angewandten Standardbemessungsverfahren von Land zu Land sehr unterschiedlich sind, werden diese Ansätze in einem ersten Schritt verglichen. Danach werden spezielle Ansätze für kaltrecycelte Materialien vorgestellt. Zum Vergleich der Dimensionierungsverfahren sowohl für Befestigungen mit Tragschichten aus HMA als auch aus KRC-Material werden empirische und mechanistische Dimensionierungsverfahren aus fünf ausgewählten europäischen Ländern, die das Spektrum der klimatischen Bedingungen innerhalb Europas abdecken, für acht gängige Modellbeläge mit unterschiedlichen Verkehrs- und Untergrundbedingungen herangezogen. Aus diesen Ergebnissen werden die Erwartungen an KRC-Material im Vergleich zu HMA bewertet. 2. Empirische Dimensionierungsverfahren für Straßenbefestigungen 2.1 Betrachtete nationale Dimensionierungsverfahren Die innerhalb Europa angewendeten Verfahren für die Dimensionierung von Straßenbefestigungen unterscheiden sich erheblich. Um den strukturellen Aufbau von KRC-Tragschichten, wie sie in verschiedenen Ländern angewendet werden, zu vergleichen, werden zunächst die Gemeinsamkeiten der Bemessungsansätze diskutiert. Die für Standard-Asphalttragschichten sowie für ungebundene und zementstabilisierte Tragschichten angewandten Bemessungsansätze werden als Referenz für den Vergleich der Befestigungen mit KRC-Tragschichten verwendet. Die aktuellen Richtlinien für die Dimensionierung von Straßenbefestigungen in Großbritannien werden in dem Design Manual for Roads and Bridges der Highway Agency (HA) beschrieben [7][8][9]. Die Vorschriften der schwedischen Verkehrsbehörde sind in der TRVK Väg [10] festgelegt und beschreiben, dass die Bemessung des Oberbaus durch die Begrenzung der horizontalen Dehnung an der Unterseite der unteren gebundenen Asphaltschicht und der vertikalen Dehnung an der Oberseite des Untergrunds erfolgen sollte. Zusätzliche Anforderungen bezüglich der Mindestdicken für die verschiedenen Schichten müssen ebenfalls erfüllt werden. In Italien ist das einzige verfügbare offizielle Referenzdokument zur Dimensionierung ein Befestigungskatalog, „CATALOGO DELLE PAVIMENTAZIONI STRADA- LI“, der 1994 vom Nationalen Forschungsrat veröffentlicht wurde (CNR) [11]. Der Katalog wurde nach der Entwurfsmethode entwickelt, die im „AASHTO Guide for Design of Pavement Structures“ beschrieben ist. Neben dem Katalog des CNR wird ein Entwurfsdokument für kaltrecycelte Materialien angewandt, welches auch die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen in Norditalien berücksichtigt [12]. In Deutschland ist das Bemessungsverfahren für Straßenbefestigungen in der RStO 2012 festgelegt [13]. Das Verfahren berücksichtigt die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Straßenbaustoffe, die ihrerseits in Mischgutnormen festgelegt sind, sowie die Umweltbedingungen. Die Vorgaben für die Dimensionierung unter Berücksichtigung von KRC-Material sind im M KRC [14] enthalten. Das französische Dimensionierungsverfahren für Straßenbefestigungen wird in der Norm NF P98-086 [15] beschrieben, die die Anwendung eines mehrschichtigen elastischen Schichtenmodells für die Schichtdickenermittlung beschreibt. In erster Linie werden die berechneten Spannungen und Dehnungen in den Schichten mit Werten verglichen, die hauptsächlich von der Anzahl der äquivalenten Achslastübergänge und den Schichteigenschaften abhängen. 2.2 Allgemeiner Aufbau von Straßenbefestigungen Innerhalb Europas hat fast jedes Land unterschiedliche Ansätze für den Entwurf von Straßenbefestigungen. Trotz unterschiedlicher Werkzeuge zur Berücksichtigung von Verkehrsbelastungen und Untergrundbedingungen sind die allgemeinen Aufbauten jedoch ähnlich, mit zunehmender Steifigkeit, Tragfähigkeit und Widerstand gegen Rissbildung und/ oder permanente Verformung von der Unterseite bis zur Oberseite des Oberbaus. Abbildung 1 und Tabelle 1 zeigen die schematische Darstellung des allgemeinen Oberbaus und angewandten Fachbegriffe aus den fünf ausgewählten europäischen Ländern, die das Spektrum der klimatischen Bedingungen innerhalb Europas abdecken. Auf dem vorhandenen, wenig tragfähigen Untergrund (z. B. Lehm) wird eine erste Tragschicht (1) entweder durch Aufbringen einer ungebundenen Tragschicht oder einer hydraulisch gebundenen Schicht hergestellt. Die Tragschicht (2) wird aufgebracht, um die Tragfähigkeit zu erhöhen sowie die Frostbeständigkeit und Wasserdurchlässigkeit des Aufbaus zu gewährleisten. 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 91 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich Abbildung 1: Schematische Darstellung der einzelnen Schichten einer Straßenbefestigung Tabelle 1: Nationale Fachbegriffe und verwendete Materialien für die Schichten der Straßenbefestigung gemäß den nationalen Vorschriften zur Dimensionierung Schicht UK 1 SWE 2 ITA 3 DE 4 FRA Deckschicht „Surface course“ (Asphalt) „Slitlager“ (Asphalt) „Tappeto di usura“ (Asphalt) „Deckschicht“ (Asphalt) „Couche de roulement“ (Asphalt) Binderschicht „Binder course“ (Asphalt) „Bindlager“ (Asphalt) „Strato di collegamento“ (Asphalt) „Binderschicht“ (Asphalt) „Couche de liaison (Asphalt) Tragschicht (2) „Base“ (Asphalt, hydraulisch gebunden oder SoB) „Bundet bärlager“ (Asphalt) „Strato di Base“ (Asphalt) „Tragschicht“ (Asphalt) „Couche de base“ (Asphalt, hydraulisch gebunden oder SoB) Tragschicht (1) - „Obundet bärlager“ (SoB) „Misto cementato“ (hydraulisch gebunden) „Tragschicht“ (hydraulisch gebunden, SoB) - Unterbau (2) „Sub-base“ (hydraulisch gebunden, SoB) „Förstärkningslager“ (SoB) „Misto granulare“ (SoB) „Frostschutzschicht“ (SoB) „Couche de foundation“ (Asphalt, hydraulisch gebunden, SoB) Unterbau (1) „Capping“ (hydraulisch gebunden, SoB) „Skyddslager“ (SoB) „Strato antigelo“ (SoB) „Bodenverfestigung“ (hydraulisch gebunden) „Couche de forme“ (hydraulisch gebunden, SoB) Planum 1 (Highways Agency, 2006), 2 (Trafikverket, 2011), 3 (Consiglio Nazionale Ricerche, 1995), 4 (FGSV, 2012), 5 (Afnor, 2011) 92 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich Die Tragschichten sorgen für die erforderliche Tragfähigkeit und können aus ungebundenen, hydraulisch gebundenen oder Asphalttragschichten bestehen. Die weitere Asphaltüberbauung besteht aus einer Asphaltbinderschicht, die einen hohen Widerstand gegen bleibende Verformungen bietet, über welcher die Asphaltdeckschicht angeordnet wird. 2.3 Dimensionierungsparameter 2.3.1 Verkehrsbelastung Die Berechnungsverfahren zur Berücksichtigung der Verkehrsbelastung sind innerhalb der ausgewählten europäischen Länder ähnlich. Tabelle 2 gibt einen Überblick über verschiedene Eingangsparameter, die innerhalb der nationalen Richtlinien angewendet werden. Der Basiswert zur Berücksichtigung der Verkehrsbelastung ist die Anzahl der Standardachslasten während der angestrebten Nutzungsdauer der Befestigung. Als Standardachslast werden 8,2 t (UK, IT), 10 t (SWE GE) oder 13 t (FR) angesetzt und die angestrebte Nutzungsdauer beträgt 30 Jahre (SWE, IT, GE, FR) bzw. 40 Jahre (UK). Alle Berechnungen berücksichtigen die durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke (DTV), den Anteil des Schwerverkehrs sowie die Straßenkategorie. 2.3.2 Untergrundbedingungen Die Verfahren zur Berücksichtigung der individuellen Tragfähigkeit des Untergrundes variieren innerhalb der Regelwerke für die Dimensionierung der Befestigung. In Deutschland ist ein Mindestwert für die Untergrundtragfähigkeit in Form eines Verformungsmoduls E V2 ≥ 45 MN/ m² definiert. Falls die Bodenverhältnisse diese Anforderung nicht erfüllen, wird der Untergrund durch hydraulische Bindemittel stabilisiert. Andere Bemessungsansätze verfügen über eine höhere Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Tragfähigkeiten des natürlichen Bodens und bieten Fundamentklassen entsprechend der verfügbaren Tragfähigkeit in Form des Elastizitätsmoduls Mr, des CBR-Wertes oder des Oberflächenmoduls. Bei geringer Tragfähigkeit des natürlichen Bodens kann zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eine Zement- oder Kalkbehandlung eingesetzt werden. Darüber hinaus wird die Frostempfindlichkeit des Untergrundes nach den deutschen, schwedischen und französischen Dimensionierungsrichtlinien berücksichtigt. Nach den Bodenparametern (insbesondere der Einstufung) wird der Boden entsprechend der Gefahr von Frosthebungen bei winterlichen Bedingungen in drei (GER, FRA) oder vier (SWE) Frostempfindlichkeitsklassen eingeteilt. Die Frostempfindlichkeitsklasse des Bodens bestimmt einen Zuschlag auf die Befestigungsdicke (in der Regel als ungebundene Frostschutzschicht). 2.3.3 Klimatische Bedingungen Der Klimaeinfluss wird von Land zu Land unterschiedlich betrachtet. In den meisten Richtlinien wird jedoch eine Landkarte mit unterschiedlichen Klimazonen (Frostzonen) angewendet. Die deutschen und schwedischen Richtlinien haben Frostzonen, die drei (GER) oder fünf (SWE) Klimazonen für die Berücksichtigung der Frosteindringungstiefe im Winter definieren, vgl. Abbildung 2. Der italienische Befestigungskatalog „CATALOGO DELLE PAVIMENTAZIONI STRADALI“ bezieht sich ausdrücklich auf die für Mittelitalien typischen klimatischen Bedingungen, während nach der norditalienischen Gestaltungsrichtlinie die Höhenlage über dem Meeresspiegel berücksichtigt wird, siehe Tabelle 3. Innerhalb Großbritanniens und Frankreichs ist der mittlere jährliche Frostindex die Grundlage für die Beurteilung der Frosttiefe, der auch zur Definition der Frostzonen (RStO) verwendet wird. Tabelle 2: Zusammenstellung der Eingangsparameter zur Ermittlung der Verkehrsbeanspruchung UK SWE ITA DE FRA Standardachslast [t] 8.2 10 8.2 10 13 DTV Anteil des Schwerverkehrs Angestrebte Nutzungsdauer [a] 40 30 30 30 20 / 30 Verkehrszuwachs Straßenkategorie Fahrbahnbreite x Anteil der Fahrzeuge innerhalb der Schwerverkehrrollspur x x Geschwindigkeitsfaktor x x x x Längsneigung x x x x 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 93 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich Abbildung 2: Klimazonen zur Berücksichtigung der Frosttiefe in Schweden (links) und Deutschland (rechts) Tabelle 3: Italienische Klimazonen gemäß Befestigungskatalog [12] Klima zone Höhe [m] Wärmste monatliche Durchschnitts-temperatur [°C] Kälteste monatliche Durchschnittstemperatur [°C] 1 bis 500 23.1 0.9 2 500 bis 1000 21.0 0.1 3 1000 bis1500 17.9 - 0.1 4 über 1500 15.8 - 1.5 2.4 Dimensionierungsverfahren Die Untersuchung der verschiedenen Dimensionierungsverfahren macht deutlich, dass es drei verschiedene grundlegende Ansätze zur Dimensionierung einer geeigneten Befestigung gibt. Das Vereinigte Königreich verwendet Nomogramme mit hinterlegten Funktionen zur Bemessung der Gesamtasphaltdicke. Die darunterliegenden Schichten werden mit Hilfe von Nomogrammen in Abhängigkeit von der Untergrundklasse des natürlichen Bodens definiert. Die Richtlinien aus Italien und Deutschland verwenden ein Katalogsystem zur Dimensionierung von Straßenbefestigungen. In Schweden und Frankreich wird ein mechanistisch-empirisches Bemessungsverfahren angewandt, das auf der Mehrschichtentheorie basiert und den Widerstand gegen Ermüdungsrisse an der Unterseite der gebundenen Schichten und gegen permanente vertikale Verformung an der Oberseite des Unterbaus berücksichtigt. Allen Verfahren gemeinsam ist, dass die Gesamtdicke der Befestigung zur Vermeidung von Frosthebungen unter Berücksichtigung der klimatischen Parameter sowie der Untergrundeigenschaften berechnet wird. Während in Schweden und Deutschland die erforderliche Dicke bis zu 80 cm betragen kann, wird in Großbritannien eine Dicke von 45 cm (35 cm in Küstenregionen) angesetzt. 2.4.1 Katalogsystem Die in Italien und Deutschland angewandten empirischen Dimensionierungsverfahren für Straßenbefestigungen basieren auf einem Katalogsystem. Für gegebene Verkehrsbelastungsklassen, Untergrundtragfähigkeiten sowie die verwendeten Tragschichtmaterialien werden geeignete Oberbauten definiert. In Frankreich existiert neben dem mechanistisch-empirischen Bemessungsverfahren auch ein Katalog [16], der vorberechnete Bemessungslösungen für einige Standardtypen von Oberbaukonstruktionen, für verschiedene Verkehrsklassen und Untergrundtragfähigkeiten bietet. 2.4.2 Nomogramm System Im Gegensatz zum Katalogsystem wenden die Richtlinien des Vereinigten Königreichs Nomogramme mit hinterlegten Funktionen an, um die Gesamtasphaltdicke des Oberbaus zu ermitteln. Für dieses Verfahren werden die Anzahl der äquivalenten Standard-Achslasten auf den Oberbau während der Nutzungsdauer sowie die aktuelle Fundationsklasse als Eingabeparameter verwendet. Abbildung 3 zeigt die Bemessungsdicke für bituminöse Oberbauten. Nach der Berechnung der Verkehrslast wird die entsprechende Fundationsklasse verknüpft (1). Die erforderliche Gesamtdicke des Asphaltoberbaus hängt vom verwendeten Asphalttragschichtmaterial ab (2). Außerdem erlaubt das Dimensionierungsverfahren, die Asphalttragschicht durch eine HBM-Tragschicht (hydraulisch gebundenes Material) zu ersetzen. 2.4.3 Mechanistisch-empirisches Dimensionierungsverfahren Im Rahmen des schwedischen und französischen Dimensionierungsverfahren wird eine auf der elastischen Mehrschichtentheorie basierende Software zur Berechnung der resultierenden Spannungen und Dehnungen im gebundenen Oberbau verwendet. Die Steifigkeitsparameter für die Asphaltschichten werden entsprechend dem jeweiligen Material gewählt. Die Untergrundsteifigkeit wird in Abhängigkeit von der Jahrestemperatur und den Frostempfindlichkeitsbedingungen (in Schweden) bzw. in Abhängigkeit von der langfristigen Tragfähigkeitsklasse des Untergrundes variiert. Im Rahmen des Verfahrens werden die Schichtdicken so festgelegt, dass die vertikalen Spannungen auf der Oberseite des Untergrundes begrenzt werden, um der tatsächlichen Anzahl von Belastungszyklen während der Nutzungsdauer des Oberbaus zu widerstehen. Darüber hinaus wird die horizontale Dehnung an der Unterseite der Asphalttragschicht bzw. die horizontale Spannung an der Unterseite der hydraulisch gebundenen Tragschicht begrenzt, um Ermüdungsrisse zu vermeiden. 94 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich Abbildung 3: Schichtdickendimensionierung für Asphaltbefestigungen [7] 3. Dimensionierungsverfahren mit Kaltrecyclingmaterial Die Verwendung von KRC-Material ist in den meisten europäischen Ländern nicht standardisiert. Daher wird es bei der Dimensionierung nur bedingt berücksichtigt. Als Alternative müssen mechanistische Verfahren für die Dimensionierung angewendet werden, wenn nicht standardisierte Straßenmaterialien verwendet werden. Für die Anwendung in Italien beschreibt die Norm der norditalienischen Provinz Bozen folgende Asphaltbaustoffe [12]: • Asphaltbeton für Deck-, Binder- oder Tragschichten, die alle mit modifiziertem SBS-Bindemittel hergestellt werden; • KRC-Tragschicht mit SBS-modifizierter Bitumenemulsion und Zement; • KRC-Tragschicht mit Schaumbitumen oder Bitumenemulsion und Zement; • Zement- oder kalkstabilisierte Fundationsschichten Alle Schichten werden unter Berücksichtigung individueller technischer Spezifikationen sowohl für die Materialien wie auch die Bauwerke dimensioniert. Die Verwendung einer KRC-Tragschicht ist oft mit einer darunter angeordneten zement- oder kalkstabilisierten Fundationsschicht kombiniert. Dies ist ein wirksames Mittel, um die Zugbeanspruchung in der KRC-Tragschicht zu begrenzen und damit deren Dauerhaftigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus erfordert die Anwendung von KRC-Tragschichten nach italienischen Spezifikationen den Bau eines Versuchsabschnitts, um den Bauablauf, die Verdichtbarkeit der Mischung und ihre mechanischen Eigenschaften zu testen. Da der Versuchsabschnitt für den Auftragnehmer mit zusätzlichen Kosten verbunden ist, ist die Anwendung von KRC-Tragschichten oft auf mittlere oder große Projekte beschränkt. In ähnlicher Weise fehlt auch in der deutschen Richtlinie zur Dimensionierung von Straßenbefestigungen die Anwendung von KRC-Mischgut [13]. Im Merkblatt für Kaltrecycling in situ im Straßenoberbau sind jedoch geeignete Oberbaustrukturen einschließlich KRC-Tragschichten enthalten, die auch aus teerkontaminiertem Asphaltmaterial bestehen können. Im Vergleich zu den betrachteten Ländern weist das deutsche KRC-Mischgut hohe Gehalte an bituminösen und zementhaltigen Bindemitteln auf. Nach den schwedischen Richtlinien gibt es bei der Verwendung von Kaltrecyclingmaterial keine besonderen Anforderungen. Das Ziel bei der Verwendung von KRC- Mischgut ist, dass die KRC-Schicht eine vergleichbare Wertigkeit zur konventionelle Asphalttragschicht aufweist. Daher ist eine individuelle Beurteilung erforderlich, um festzustellen, wann das Kaltrecyclingmaterial die Anforderungen erfüllt und als qualitativ gleichwertig mit dem konventionellen HMA angesehen werden kann. Im Vereinigten Königreich können kaltrecycelte Materialien auf zwei Arten in einer Straßenbefestigung verwendet werden [17]: • Das kaltrecycelte Material bildet die Schicht unmittelbar über der Fundation und wird bituminös überdeckt; • Bitumengebundenes Kaltrecyclingmaterial kann als Ersatz für konventionelles Heißmischgut für Inlay-Behandlungen verwendet werden, bei denen ein erheblicher Anteil der vorhandenen Befestigung als Teil des sanierten Oberbaus verbleibt. 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 95 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich Tabelle 4: Verkehrsbeanspruchung und Untergrundbedingungen der Modell-Befestigungen Verkehrsbeanspruchung Untergrundbedingungen Befestigung 1 Mittlere Verkehrsbeanspruchung: DTV = 4500 / Fahrstreifen Schwerverkehranteil: 3 % Fahrbahnbreite: 3,0 m Verkehrszuwachs: 2 %/ Jahr Hohe Tragfähigkeit: CBR: > 15 % M R = 120 MN/ m² Befestigung 2 Geringe Tragfähigkeit: CBR: 10 % M R = 50 MN/ m² Befestigung 3 Geringe Verkehrsbeanspruchung: DTV = 450 / Fahrstreifen Schwerverkehranteil: 3 % Fahrbahnbreite: 2,6 m Verkehrszuwachs: 1 %/ Jahr Hohe Tragfähigkeit: CBR: > 15 % M R = 120 MN/ m² Befestigung 4 Geringe Tragfähigkeit: CBR: 10 % M R = 50 MN/ m² Die französische Dimensionierung definiert kein spezielles Verfahren für Befestigungen mit Kaltmischgutschichten. Die Richtlinien sehen lediglich spezifische mechanische Leistungsklassen für bituminöse Kaltmischgüter (Grave-Emulsion / GE) vor. Diese Mischungen enthalten kein hydraulisches Bindemittel. Je nach dem Gehalt an bituminösem Bindemittel wird zwischen drei Typen unterschieden: • Typ 1 wird für Profilierungsarbeiten verwendet. Die maximale Korngröße kann 10 oder 14 mm betragen. • Typ 2 und 3 werden für Tragschichten verwendet. Die maximale Korngröße kann 10, 14 oder 20 mm betragen. Um die verschiedenen Dimensionierungsverfahren mit und ohne kaltrecycelten Tragschichtmaterialien vergleichen zu können, werden Modell-Befestigungen auf der Grundlage der üblichen Verkehrslasten sowie der Tragfähigkeiten im Untergrund entworfen. 4. Vergleich von Modell-Befestigungen Im folgenden Abschnitt werden die beschriebenen Dimensionierungsverfahren auf Modell-Befestigungen angewendet, die durch übliche Verkehrslasten und Untergrundbedingungen definiert sind. Für jede Befestigung werden die Modelle sowohl für eine Standardbefestigung mit einer konventionellen Asphalttragschicht als auch für eine Befestigung mit KRC-Tragschicht verglichen. Die Bedingungen für die vier Modell-Befestigungen sind in Tabelle 4 aufgeführt. Der wesentliche Unterschied zwischen den einzelnen Beispielen liegt in der Verkehrsbelastung (DTV, Fahrbahnbreite, Verkehrszunahme) und den Untergrundbedingungen. Die Befestigungen 1 und 2 sollen mittlere Verkehrsbelastungen (Bk3,2) mit hoher oder eher geringer Tragfähigkeit des Untergrundes simulieren. Im Vergleich dazu stellen die Befestigungen 3 und 4 geringe Verkehrsbelastungen (Bk0,3) dar. Als Ergebnis zeigt Abbildung 4 die resultierenden Befestigungen nach den verschiedenen Dimensionierungsverfahren für Modell-Befestigung 1. Die Konstruktionen unterscheiden sich erheblich in der Gesamtdicke. Für Deutschland ist angesichts der hohen Tragfähigkeit des Untergrundes keine Frostschutzschicht erforderlich. Die Gesamtdicke des Asphaltpaketes beträgt 22 cm. Bei Verwendung von KRC-Material als zusätzliche Tragschicht ist eine Gesamtdicke des bituminösen Oberbaus von 32 cm erforderlich, welcher sich aus 12 cm Asphalttragschicht und 20 cm KRC-Tragschicht zusammensetzt. Als Ergebnis des italienischen Verfahrens ergibt sich eine Gesamtasphaltdicke von 22 cm, einschließlich einer Asphalttragschicht von 14 cm und einer ungebundenen Tragschicht. Wenn anstelle der Asphalttragschicht eine Tragschicht aus KRC-Material verwendet wird, erhöht sich die Dicke der Tragschicht um 2 cm. Darüber hinaus muss die ungebundene Tragschicht durch eine hydraulisch gebundene Tragschicht ersetzt werden, um eine ausreichende Tragfähigkeit zu gewährleisten. In Schweden wird ein mechanistisch-empirisches Verfahren angewendet, das die tatsächlichen Steifigkeitseigenschaften der Schichten berücksichtigt. Da KRC-Material nicht spezifisch beschrieben ist, wurden die gleichen Eigenschaften wie bei HMA-Tragschichten angewendet, was zu der gleichen Gesamtdicke der Befestigung führt. Insgesamt summieren sich die Asphaltschichten auf 14 cm basierend auf 8 cm ungebundener Tragschicht. Der britische Dimensionierungsansatz führt zu einer Gesamtasphaltdicke von 28 cm, welche eine Asphalttragschicht mit einer Dicke von 16 cm enthält. Wenn KRC- Material als Alternative zu Heißasphalt als bituminöse Tragschicht verwendet wird, ist eine Dicke von 29 cm erforderlich. 96 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Dimensionierung von Asphaltbefestigungen mit Kaltrecyclingmischgut: ein internationaler Vergleich Abbildung 4: Resultierende Befestigungen für Modell-Befestigung 1 (Mittlere Verkehrsbeanspruchung, hohe Untergrundtragfähigkeit) Die Dimensionierung nach dem französischen Verfahren ergibt eine Gesamtdicke des gebundenen Oberbaus von 17 cm, welcher sich aus einer Asphaltdeckschicht mit einer Dicke von 6 cm und eine Tragschicht mit einer Dicke von 11 cm zusammensetzt. Enthält die Befestigung KRC-Material, erhöht sich die Dicke der Tragschicht mit Grave Emulsion auf bis zu 14 cm. Für die anderen in Tabelle 4 beschriebenen Modell-Befestigungen sind die resultierenden Gesamtdicken der bituminösen Schichten in Tabelle 5 zusammengefasst. Zunächst ist festzustellen, dass das deutsche und italienische Dimensionierungsverfahren zu ähnlichen Schichtdicken der Straßenbefestigung mit Heißasphalttragschichten führen. Die Befestigungen nach dem britischen Verfahren haben eine höhere Asphaltdicke, während die Befestigungen nach schwedischem und französischem Dimensionierungsverfahren mit einer dünneren Asphaltdicke ausgelegt werden. Hinsichtlich des Unterschieds zwischen Befestigungen mit einer bituminösen Tragschicht aus KRC-Material und einer Asphalttragschicht ist zu beobachten, dass nach deutscher empirischer Auslegung die Asphaltschichtdicke für hoch tragfähige Untergrundverhältnisse um 45 % und für gering tragfähige Verhältnisse um bis zu 100 % erhöht wird. In Italien und Großbritannien wird die Asphaltschichtdicke um 18 % bis 37 % erhöht, wenn KRC-Material anstelle von HMA als Asphalttragschicht aufgebracht wird. Die daraus resultierenden Befestigungen zeigen, dass bei klassischen Materialien die verschiedenen Dimensionierungsverfahren zu mehr oder weniger vergleichbaren Befestigungen führen. Offensichtlich entstammen die verschiedenen Bemessungsansätze einer gemeinsamen Grundlage. 5. Zusammenfassung Verschiedene nationale empirische Dimensionierungsverfahren, die das Spektrum der klimatischen Bedingungen innerhalb Europas abdecken, wurden auf der Grundlage gemeinsamer Verkehrs- und Untergrundbedingungen verglichen. Als Ergebnis wird gezeigt, dass unterschiedliche Entwurfsansätze zu sehr ähnlichen Befestigungen führen können. Betrachtet man die ersten Erfahrungen mit der empirischen Bemessung von Befestigungen, die kaltrecycelte Materialien enthalten, so lassen sich unterschiedliche Gewichtungen der Sicherheitsparameter feststellen. Die in Deutschland angewandten Sicherheits-Zuschläge für KRC-Schichten gegenüber Heißasphaltbefestigungen sind dabei erheblich höher als bei den anderen betrachteten Ländern. Zur Identifizierung geeigneter Dimensionierungsverfahren für diese Materialien werden zwei Ansätze verfolgt. Im Rahmen des mechanistischen Verfahrens werden Steifigkeits- und Festigkeitsparameter von KRC-Material bewertet, die die Berechnung der erforderlichen Schichtdicke ermöglichen. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass die angewandten Versagensmodelle für diese Art von nicht vollständig gebundenen Materialien tatsächlich gültig sind. Die Entwicklung ihrer Eigenschaften im Laufe der Zeit muss ebenfalls berücksichtigt werden. Auf der anderen Seite können bestehende Befestigungen mit KRC-Tragschichten überwacht werden, um das Langzeitverhalten zu beurteilen. Dies wird es ermöglichen, die empirischen Dimensionierungsverfahren zu validieren und mögliche Veränderungen zu identifizieren.