4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 231 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Ronny Sorge Fachhochschule Potsdam Patrick Hörmann BABIC - Bayerische Bitumen-Chemie GmbH, Kaufering Stefan Heberle BABIC - Bayerische Bitumen-Chemie GmbH, Kaufering Hannes Birnstiel Fachhochschule Erfurt 1. Einleitung/ Problemstellung/ Zielsetzung Im Dezember 2019 wurde der European Green als Konzept der Europäischen Kommission vorgestellt. Darin wurden eine Reihe Zielsetzungen und Maßnahmen u. a. mit Hinblick auf die Emission von klimaschädlichen Treibhausgasen verankert [1]. Es folgten 2020 das Europäische Klimaschutzgesetz sowie ein weiterer Aktionsplan der Kreislaufwirtschaft [2]. Die Umsetzung des Europäischen Klimaschutzziele erfolgt auf nationaler Ebene in Deutschland mit dem Bundes-Klimaschutzgesetz. Abweichend der europäischen Vorgaben soll gemäß KSG eine Klimaneutralität bis 2045 erreicht werden [3 KSG]. Das bisherige Monitoring zeigt, dass insbesondere der Verkehrssektor den jährlich bewerteten Treibhausgase weit außerhalb der vorgegebenen Werte liegt [4]. In allen Sektoren werden versucht Einsparpotentiale zu detektieren. Im Asphaltstraßenbau beinhalten sowohl Wiederverwendung als auch die Veränderung der Herstell- und Einbautemperatur sowie die Verringerung von Transportwegen Einsparpotential. Aktuell produzieren rund 550 Asphaltmischanlage in Deutschland etwa 38 Mio.-t Asphaltmischgut [5]. In Abhängigkeit der Gesteinsfeuchte liegt der Energiebedarf für Erwärmung des Gesteins von 20 °C auf 180 °C zwischen 61 und 98 kwh/ t. Dementsprechende liegen resultierende die CO 2 -Emissionen des Trocknungsprozesses im Bereich 35 kg CO- 2 eq unter der Verwendung von Braunkohlestaub und in etwa bei 20 kg CO 2 eq/ t bei Erdgas. Allein die Temperierung emittiert somit direkt zwischen 0,7 - 1,33 Mio.t CO 2 bezogen auf die jährliche Mischgutproduktion [6]. Betrachtet nun auch die Vorketten der Gesteine und Bitumen kommen verschiedene Studien i. M. auf 60 - 75 kg CO 2 eq/ t Asphaltmischgut, was wiederum eine jährliche CO 2 -Emission von ca. 2.700 Mio. t CO 2 eq führt [7 Schweizer VÖ plus 9 Ökobaudat 8 Finzel, Sorge]. Eine Möglichkeit Teile dieser Potentiale abzurufen, bieten Kaltrecycling-Bauweisen. Die Bauweise muss dabei hinsichtlich der verwendeten Bindemittel und des Ortes der Auf bereitung des Ausbauasphaltes differenziert werden [10, 11]. Als Bindemittel können hydraulische Bindemittel und Bitumenemulsion oder Schaumbitumen zu Einsatz kommen oder diese auch kombiniert verwendet werden. Gemäß Merkblatt M KRC [10] wird der Bindungstyp bei kombinierter Anwendung in bitumendominant oder zementdominant differenziert. Die Wiederverwendung oder auch Verwertung kann dabei in situ - somit vorort oder auch in plant in einer mobilen oder zentralen Mischanlage geschehen. Die Verwendung des Bindemittels hat direkten Einfluss auf die Parameter der Verarbeitbarkeit und die Festigkeitsentwicklung der Asphaltgemische. Bei kombinierter Verwendung wird das Brechverhalten der Bitumenemulsionen durch die Art und Menge des hydraulischen Bindemittels beeinflusst. Gleichzeitig beeinflussen die Bindemittel die Bilanzierung der Treibhausgas-Äquivalente unterschiedlich. Dabei wird in der nachfolgenden Tabelle Bezug auf die Ökobaudat (Stand 2024) des Bundesministeriums für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauen [12] und der Datenbank EPD International [13] genommen und das s. g. Global Warming Potential (GWP) der betrachteten Bindemittel abgebildet. Da die Datensätze große Spannweiten aufweisen wird der größte recherchierte Werte aus den Datenbanken dargestellt. Bitumen PmB Bitumenemulsion CEM I CEM II CEM III GWP [kg CO 2 e *t] 297 356 952 876 503 232 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Abbildung 1 Lebenszyklusphasen gemäß DIN EN 15804 Die Werte der Tabelle beziehen sich dabei auf die Lebenszyklusphasen A1 - A3 gemäß DIN EN 15804. Die Systemgrenzen liegen im Bereich der Rohstoffgewinnung bis zur Produktion der Baustoffe. Trotz Reduktion der Klinkeranteile liegt das Niveau des GWP oberhalb der Werte, für Bitumen und Bitumenemulsion. Die Datenlage für bitumenhaltige Bindemittel ist insgesamt begrenzt. Umfangreiche Untersuchungen der Phasen A1 bis A5 werden aktuell im Bundesland Brandenburg unter Zusammenarbeit des Ministeriums für Infrastruktur und Landesplanung (MIL), dem Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg (LS Brandenburg) und der Fachhochschule Potsdam (FHP) durchgeführt. Die Datenerhebung geschieht dabei an verschiedenen Erprobungsstrecken. Bei der regelwerkskonformen Anwendung von KRC Bauweisen in Europa gibt es zahlreiche länderspezifischen Variationen hinsichtlich der Mischgutkonzeption, der Probekörperherstellung im Labor und auch der Beprobung der relevanten Eigenschaften der Materialien [12]. Die Gehalte der Bindemittel variieren bei Bitumen zwischen 1 - 6 M-% und bei hydraulischen Bindemitteln bis zu 6 M-% in Abhängigkeit des Bindungstyps der KRC Baustoffe und somit des Anwendungsbereichs. Abbildung 2 Vergleich der Bauweisen nach Tonnage im internationalen Vergleich Unter der Zielsetzung die maximalen Potentiale auszunutzen, sollte im Forschungsvorhaben AsphaPlus der Verzicht von hydraulischen Bindemitteln in kalten Tragschichten unter Verwendung von roher Gesteinskörnung bis hin zu vollständiger Verwendung von Asphaltgranulat untersucht und erforscht werden. Dabei lagen die Schwerpunkte der Entwicklung der Festigkeitsentwicklung über definierte Zeiträume. Im europäischen Vergleich zeigt sich, dass Frankreich Vorreiter bei der Durchführung von Kaltbauweisen ist und Deutschland dieses Potential noch nicht ausschöpft. 2. Vorgehensweise 2.1 Materialien Zur Rezepturfindung wurden alle über bestehende Lieferanten angebotenen kommerziellen Emulgatorsysteme für Bitumenemulsionen, welche kationische langsambrechende Emulsionen erzeugen, erprobt. Hierzu wurden zunächst ein Screening der Emulgatortypen mittels Titration vollzogen, um das Verhalten - insbesondere den Säurebedarf und damit ein grobes Indiz zur Ergiebigkeit - in Abhängigkeit vom pH-Wert zu betrachten. Hierbei wird verglichen, wie sich bei schrittweiser Säurezugabe der pH-Wert einer verdünnten wässrigen Emulgatorlösung verändert. Erläuterung: Der Violette Emulgator im Diagramm hat einen erheblich höheren Säurebedarf als alle anderen. 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 233 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Mit ausgewählten Emulgatortypen wurden Wasserphasen- Mischungen in abgestuften Emulgatorgehalten von 0,5 bis 2,0 % sowie verschiedenen pH-Werten zwischen 4 und 2 hergestellt, mit Straßenbaubitumen in einem Emulsionswerk im Labormaßstab emulgiert und auf Partikelgrößenverteilung (ein Maß für die Stabilität) und Verhalten im Mischversuch mit Gesteinskörnungsgemisch untersucht. Die Emulgatoren basierten primär auf lang(C14-C18)- und kurzkettigen (C10-C12) Fettsäureaminen und -amiden sowie deren Derivaten. Abbildung 3 Titration der Emulgatoren Variante Emulgator- Gehalt [%] C14-C18 Komponente Emulgator- Gehalt [%] C10-C12 Komponente Gesamt Emulgatorgehalt [%] Emulgatorsystem Herstellercode Optimaler pH-Wert der Wasserphase V05 0,325 0,175 0,5 V 2,0 V10 0,65 0,35 1,0 V 3,0 V15 0,975 0,525 1,5 V 3,0 V20 1,30 0,7 2,0 V 3,0 W05 0,325 0,175 0,5 W 2,0 W10 0,65 0,35 1,0 W 2,5 W15 0,975 0,525 1,5 W 2,5 W20 1,30 0,7 2,0 W 2,5 X05 0,325 0,175 0,5 X 3,5 X10 0,65 0,35 1,0 X 3,5 X15 0,975 0,525 1,5 X 3,5 X20 1,30 0,7 2,0 X 4,0 Y05 0,325 0,175 0,5 Y 2,3 Y10 = A 0,65 0,35 1,0 Y 2,5 Y15 0,975 0,525 1,5 Y 2,7 Y20 1,30 0,7 2,0 Y 3,0 Z05 0,325 0,175 0,5 Z 2,5 Z10 0,65 0,35 1,0 Z 2,7 Z15 = B 0,975 0,525 1,5 Z 2,7 Z20 1,30 0,7 2,0 Z 3,0 234 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Das Mischungsverhältnis der Emulgatorkomponenten von 65: 35 basiert auf Vorversuchen und Erfahrungen zu Löslichkeit, Stabilität und Emulsionsverhalten, wobei die langkettige Komponente das langsame Brechverhalten bewirkt und die kurzkettige zur Lagerstabilität beiträgt. Ausgangspunkt war eine C60B9-BEM mit dem Ziel, dieser den Bedarf nach Zement zur Festigkeitsentwicklung zu nehmen. Vorzugsvarianten nach Beurteilung der Emulsionen sind „Y10“, im Weiteren A genannt und „Z15“, im Weiteren B. Diese Emulsionssorten wurden für die FH Erfurt produziert und geliefert. Für die Produktion der MSV (Mischgutsystemvarianten) standen der FH Erfurt unterschiedliche Ausgangstoffe zur Verfügung. Diese wurden durch den Projektpartner und Bitumenemulsionsproduzenten BABIC, die Bayerische Bitumen-Chemie GmbH, in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt, sodass ein Wechsel in den Materialeigenschaften (mit Ausnahme der Emulsion) während der gesamten Projektlaufzeit ausgeschlossen werden konnte. Als Rohgestein wurde ein vorkonfektioniertes Gesteinskörnungsgemisch der Korngröße 0/ 11 geliefert. Die Asphaltgranulate (Recyclingasphalt) wurden in den Stückgrößen 0/ 8 und 0/ 22 bezogen. Die Eignung aller mineralischen und recycelten Ausgangsstoffe wurde durch Prüfzeugnisse belegt und durch Untersuchungen (Sieblinie, rheologische Versuche am zurückgewonnenen Bitumen) an der Fachhochschule Erfurt bestätigt. Auffällig bei allen untersuchten Proben war der relativ hohe Anteil an hellen, sehr haftkritischen Gesteinen. Diese lagen beim 0/ 22 Fräsgut zum Teil als ungebrochener Rundkies vor. Abbildung 4 Ausgangsstoffe der Mischgutsystemvarianten an der FHE Das Versuchsprogramm wurde im Projektverlauf zudem durch einen Ausbauasphalt der Stückgröße 0/ 16 ergänzt, dass bei einem bereits erfolgreich durchgeführten Einbauversuch zum Einsatz kam. Dies war aufgrund der Limitierung der vor Ort zur Verfügung stehenden Mischtechnologie erforderlich. Während die MSV mit einem Größtkorn von 8- mm, 11-mm und 16-mm bereits gebrauchsfertig und stetig abgestuft verwendet werden konnten, wurden für die Herstellung der Tragschichtvarianten (Größtkorn 22- mm) die Ausgangsmaterialien so zusammengestellt, dass die Sieblinie den Vorgaben der Technischen Lieferbedingungen für Asphalt für Tragschichten für normale Beanspruchungen entsprach (AC 22 T N nach TL-Asphalt-StB). Grundsätzlich konnten, ausgehend von den zuvor beschriebenen Ausgangsmaterialien, fünf verschiedene Sieblinien mit ansteigendem Größtkorn hergestellt werden. Der Recyclinganteil variierte hierbei zwischen 0 %, 70 % und 100-%, wobei die Mischgüter mit einem Größtkorn von 11-mm ausschließlich aus Rohgestein und Mischgüter mit einem Größtkorn von 8-mm nur aus recyceltem Material hergestellt werden konnten. Nur die 0/ 22 Tragschichtvarianten konnten mit einen Recyclinganteil von 70-% und 100-% vergleichend untersucht werden. Durch die Variation des Bitumenemulsions- und Wassergehalts sowie unterschiedlicher Probekörperbehandlungen wurden letztendlich 46 Varianten und über 600 Probekörper in den Laboren der Fachhochschule Erfurt untersucht. Dies entspricht einer Mischgutmenge von etwa 2,5 Tonnen zuzüglich sämtlicher erforderlicher Tastversuche und ergänzenden Untersuchungen. Abbildung 5 Geprüfte Probekörper 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 235 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Tabelle 1: Übersicht der MSV Bezeichnung Emulsion Gesteinskörnung/ Granulat Emulsionsgehalt Wassergehalt n-PK A12 C60B6-BEM 100 % 0/ 11 Rohgestein 8-9 % 8-9 % 114 HMA: A12 Bitumen 70/ 100 100 % 0/ 11 Rohgestein 4,8-5,4 % 0 30 A24 C60B6-BEM 30 % 0/ 11 roh; 20 % 0/ 8 RC; 50 % 0/ 22 RC 5 % 3-5 % 108 A24-Z C60B6-BEM 30 % 0/ 11 roh; 20 % 0/ 8 RC; 50 % 0/ 22 RC (+2 % Zement) 5 % 5 % 18 HMA: A24 Bitumen 70/ 100 30 % 0/ 11 roh; 20 % 0/ 8 RC; 50 % 0/ 22 RC 3 % - 3 A31 C60B6-BEM 100 % 0/ 8 RC 4-9 % 6-11 % 90 HMA: A31 Bitumen 70/ 100 100 % 0/ 8 RC 2,4-5,4 % - 12 A34 C60B6-BEM 40 % 0/ 8 RC; 60 % 0/ 22 RC 5 % 5 % 24 A34-Z C60B6-BEM 40 % 0/ 8 RC; 60 % 0/ 22 RC (+2 % Zement) 5 % 5 % 24 HMA: A34 Bitumen 70/ 100 40 % 0/ 8 RC; 60 % 0/ 22 RC 3 % - 12 B34 C60B9-BEM 40 % 0/ 8 RC; 60 % 0/ 22 RC 5 % 5 % 105 B33 C60B9-BEM 100 % 0/ 16 RC 5-8 % 7-8 % 72 2.2 Untersuchungsprogramm Die als lager- und absetzstabil und prinzipiell im anwendungsnahen Mischtest positiv bewerteten Emulsionen wurden bzgl. der dynamischen Viskosität bei 40 °C am Dynamischen Scherrheometer nach DIN EN13302 mittels C25-Zylinder-Becher-Geometrie, dem Brechverhalten mit Sand nach DIN EN 13075-1 und der Partikelgrößenverteilung mittels Laserstreuung charakterisiert. Die Partikelgrößenverteilungen wurden nach dem Prinzip der Laserstreuung ermittelt und sind der geeignetste Indikator für die Bewertung von Stabilität und Emulgierbarkeit. Dabei wird neben dem Medianpartikeldurchmesser auch die Breite der Streuung dieser Verteilung und die Kurvenform in Betracht gezogen. Abbildung 6 Partikelgrößenverteilung in Emulsionen An der Fachhochschule Erfurt wurden im ersten Arbeitsschritt die Kornbzw. Stückgrößenverteilung der angelieferten Ausgangsmaterialien im Siebverfahren gemäß der DIN EN 933-1 ermittelt. Wegen der hierfür vorgeschriebenen Trocknung der Proben bei über 100 °C wurde das Verfahren für die Asphaltgranulate, aufgrund der Gefahr der Agglomeration der Feinanteile, leicht abgewandelt und eine schonende Trocknung bei 50 °C über eine Zeit von mindestens 24 Stunden als zweckmäßig evaluiert. Dennoch ist es nicht auszuschließen, dass der geringe Anteil feiner Korngrößen, wie in Abbildung 7 zu sehen ist, auf die Trocknung der Granulate zurückzuführen ist. Es wurden fortlaufende Kontrollsiebungen durchgeführt, um eine gleichbleibende Qualität der Ausgangsstoffe sicherzustellen. Die Ausbauasphalte wurden darüber hinaus für die weitere Analyse nach DIN EN 12697-1 extrahiert. Im Anschluss konnte demnach die Korngrößenverteilung der verbleibenden Gesteinskörnung (≠ Stückgröße) nach DIN 933-1 und verschiedene Bindemittelkennwerte bestimmt werden. Zu den standardmäßig durchgeführten Untersuchungen der extrahierten Bitumen zählen der Erweichungspunkt Ring und Kugel (RuK) nach DIN EN 1427, der Nadelpenetrationswert (Pen) nach DIN EN 1426 und verschiedene Versuche mit dem Dynamischen-Scher- Rheometer (DSR) gemäß der Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Verformungsverhaltens von Bitumen (AL DSR-Prüfung). 236 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Abbildung 7 Korngrößenverteilung: Beispiel einer Sieblinie für die Mischgutproduktion Abbildung 8 Bindemitteluntersuchungen an der FH Erfurt Die bereits zur Verfügung stehenden Emulsionen wurden indes einer Fremdkontrolle durch die FH Erfurt unterzogen. Hierzu wurde eine Bindemittelrückgewinnung nach DIN EN 13074-1 durchgeführt und die daraus erhaltenen Bindemittel einem kongruenten Versuchsprogramm wie die extrahierten Bitumen unterzogen. Aus den Ergebnissen der Bindemittelrückgewinnung konnte zudem der Wasser- und Bindemittelanteil der Emulsionen bestimmt werden, welche einen erheblichen Einfluss auf die spätere Probekörperproduktion nehmen. Zur Ermittlung des optimalen Wassergehalts der Ausgangsstoffe wurde der (modifizierte) Proctorversuches nach DIN EN 13286-2 bzw. gemäß Merkblatt M VB-K bestimmt. Aufgrund der sehr flachen Verläufe der Proctorkurven und der daraus ermittelten Maxima, die einen hohen Wasserbedarf der Mischgüter attestierten, welcher sich jedoch als nicht praktikabel erwies, wurde dieses Vorgehen im Projektverlauf verworfen. Da der Wassergehalt der Kaltmischgüter allerdings ein entscheidender Parameter für deren Brechverhalten und deren Verdichtbarkeit darstellt, wurde in Folge eine verkürzte Erstprüfung (vergleichbar mit der Bestimmung des optimalen Bindemittelgehalts bei Heißasphalt) durchgeführt. Hierbei wurden, für jede verwendete Sieblinie, verschiedene Mischgüter mit einer hohen Varianz des Wasser- und Emulsionsgehaltes hergestellt, verdichtet (wird im Folgenden beschrieben) und am Folgetag mittels statischen Spaltzugversuch nach DIN EN 12697-23 beprobt. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde anhand der Spaltzugfestigkeiten, der erreichten Hohlraumgehalte, der Verarbeitbarkeit des Mischguts und unter Einbeziehung wirtschaftlicher Überlegungen ein Bereich für die Variation der Einflussgrößen (Wasserbzw. Emulsionsgehalt) für die folgenden Versuchsserien festgelegt. Die Mischgutproduktion für kleinere Versuche erfolgte von Hand. Für die Produktion von Versuchsserien wurde dagegen ein herkömmlicher Zwangsmischer für Heißasphalt (ohne Heizung) verwendet. Hier zeigte sich bereits der große Einfluss der Mischenergie oder der Mischzeit auf das Abbindeverhalten. Zwangsmischung erzeugt ein schneller brechendes Gemisch. Auch bei der kontinuierlichen Mischgutproduktion mittels DSK-Verlegemaschine, wie sie bei dem bereits erfolgreich durchgeführten Probeeinbau verwendet wurde, musste der im Labor ermittelte Wassergehalt der Vorzugsvariante korrigiert werden, um das Brechverhalten der Emulsion zu optimieren. Im Folgenden wird das Verfahren via Labormischer näher beschrieben, dass für die Produktion der meisten Versuchsreihen Anwendung fand. Das aus Fraktionen hergestellte Korngemisch wurde homogenisiert und die Feuchte bestimmt. Zuschlagwasser und Bitumenemulsion wurden zugegeben und gemischt und das Mischgut darauf hin solang im Mischer belassen, bis die Bitumenemulsion vollständig gebrochen war (Vgl. „Grave Emulsion“). Bei niedrigen Wassergehalten war dies bereits unmittelbar nach dem Mischen der Fall, wohingegen feuchtere Mischgüter für diesen Vorgang bis zu einer weiteren halben Stunde benötigten und im Anschluss für weitere 30 Sekunden homogenisiert wurden. Um die Eignung der Mischgüter für die nachfolgende Verdichtung zu verifizieren, wurden diese mit einem weißen Zellstofftuch abgetupft. Blieb keine Bitumenemulsion haften, war die Mischgutproduktion abgeschlossen (Vgl. TP Asphalt-StB Teil 91: Handrührtest). 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 237 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Abbildung 9 Erscheinungsbild des Mischguts der Korngröße 0/ 22 vor der Verdichtung Das fertige Mischgut konnte anschließend in die Verdichtungsformen überführt werden, um Probekörper mit einem Durchmesser von 150-mm eine Höhe zwischen 11 und 13-cm zu erhalten. Verdichtet wurde nach dem Doppelkolbenprinzip aus Merkblatt M-VB-K. Abweichend von diesem Merkblatt wurde eine konstante Anzahl von fünf Verdichtungszyklen mit der Höchstlast von 49-kN (2,6-N/ mm²) angesetzt, um eine einheitliche Verdichtung aller Mischgutvarianten zu gewährleisten. Probekörper, die mit Mikrowellen bestrahlt wurden, und deren Vergleichsserien, wurden zum Teil einen weiteren Verdichtungsdurchlauf unterworfen. Nach diesem Vorgehen wurden verschiedenste Mischgüter mit variierenden Bindemittelgehalt, Wassergehalt und Recyclinganteil hergestellt. Teilweise wurden für diese Mischgüter Vergleichsvariationen in Heißbauweise und mit Zementzugabe angefertigt und beprobt. Die Mischgutvarianten wurden gravimetrisch, jeweils über einen Zeitraum von 28 Tagen, beobachtet und in einem wöchentlichen Intervall mittels statischen Spaltzugversuch nach DIN EN 12697-23 beprobt. Die Prüf bedingungen, insbesondere die Prüftemperatur von 5-°C, wurden aus dem Merkblatt M-VB-K übernommen. Abbildung 10 Doppelkolben und Spaltzugversuchsaufbau Ein weiterer Bestandteil des BMBF Forschungsprojektes AsphaPlus war die Implementierung von mikrowellenbasierenden Technologien. Hierfür wurde durch den Projektpartner Synantik, ein StartUp, dass auf die Entwicklung und Produktion von elektronischen Baugruppen und Geräten für industrielle, wissenschaftliche und private Anwendungen spezialisiert ist, ein Versuchsstand zur Verfügung gestellt, der es ermöglicht Asphaltprobekörper leistungsgesteuert und kontinuierlich mit Mikrowellen zu bestrahlen. Dabei sollte der Einfluss von Mikrowellen auf das Trocknungsverhalten und damit auf die Festigkeitsentwicklung sowie die Verdichtbarkeit von Kaltasphaltmischgut systematisch untersucht werden. Hierzu wurden die Probekörper wie oben beschrieben hergestellt, in den Versuchsstand gegeben und zu verschiedenen Zeitpunkten (unmittelbar nach der Verdichtung beziehungsweise vor der Prüfung) mit unterschiedlichen Intensitäten bestrahlt. Um den Einfluss auf die Verdichtbarkeit zu prüfen, wurden zudem einige Probekörper nach der Bestrahlung ein weiteres Mal verdichtet. Um den Trocknungsverlauf auch im Feldversuch, ohne Probekörperentnahme zu verifizieren und kritische, feuchte Bereiche einer Asphaltflächenbefestigung in Kaltbauweise zu detektieren, wurde zudem durch den Projektpartner Ilmsens ein Radarsystem zur Verfügung gestellt, dass kontaktlose und zerstörungsfreie Feuchtigkeitsbestimmung im Asphalt ermöglicht. Das innovative Kleinunternehmen aus Ilmenau, dass sich auf die Entwicklung von Hochleistungssensoren spezialisiert hat, soll somit dazu beitragen, die angewendete Trocknungstechnologie energieeffizient einzusetzen. Zur Kalibrierung der dazu eingesetzten Rechenmodelle wurden an der Fachhochschule Erfurt diverse Messungen an einzelnen Probekörpern und im Freiflächenversuch durchgeführt. Abbildung 11 Versuchsstände Projektpartner 238 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen 2.3 Versuchsstrecken Abbildung 12 Einbauversuch, Herstellung des Mischgutes in Situ und Einbau mittels Fertiger Es konnte der Einbau einer solchen bitumenstabilisierten Tragschicht am 27.06.24 im Zuge einer Einbau-Vorführung bei der Geiger-Gruppe in Herzmanns bei Immenstadt im Allgäu demonstriert werden. Der Aktionstag mit Live-Einbau-Event bei Geiger stand unter dem Motto der Kreislaufwirtschaft und Verbesserung der Ökobilanz von Asphaltbauweisen. Hierzu wurden in einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine Recycling-(RC)-Granulat, Bitumenemulsion und Wasser gemischt und dieses Mischgut auf ein Haufwerk produziert. Nach kurzer Brech- und Reifezeit auf dem Haufwerk kann das Mischgut in einen konventionellen Fertiger beschickt, eingebaut und mit Walzen verdichtet werden. In diesem Versuch vor Publikum und auf einer weiteren bereits im Vorfeld in Kooperation mit der Geiger-Gruppe gebauten Probestrecke konnte gezeigt werden, dass sich ressourcenschonend unter Verwendung von Recyclingmaterial leistungsfähige bitumenstabilisierte Tragschichten realisieren lassen. Im Frühjahr 2025 ist ein Feldversuch mit Probeentnahmen und -untersuchung geplant. Hierbei sollen auch mikrowellenbasierte Trocknungs- und Monitoringtechniken zur Erprobung gelangen. In Vorbereitung hierauf wurde auf dem Gelände der FH Erfurt ein Versuchsfeld angelegt, um die hierfür benötigten Versuchsstände zu erproben. 3. Ergebnisdarstellung und Interpretation Die final für die eingehenden Mischgutuntersuchungen an der FH Erfurt und Einbauversuche im industriellen Maßstab im Werk produzierte Emulsionsvariante Y10 hat durch die gänzliche Verzichtbarkeit auf Zement in der Mischung bestochen und kommt eben hierdurch dem Ziel einer Ressourenschonung durch Unnötig-machen dieses besonders klimakritischen Zuschlagstoffes entgegen. Die Lagerstabilität ist hervorragend und konnte nach mehrmonatiger Lagerung zwischen 10 und 25 °C problemlos verarbeitet werden, eine leichte Sedimentation lässt sich aufrühren. Gerade diese Punkte sind für die Fa. BABIC als Inverkehrbringer sowie Selbstverwender von besonderer wirtschaftlicher und logistisch-organisatorischer Bedeutung. Die Probeeinbaustrecken wurden in der Folge überbaut. Im Folgenden werden die Ergebnisse aus den Untersuchungen der ermittelten Vorzugsvariante dargestellt. Dabei handelt es sich um eine Tragschichtvariante der Korngröße 0/ 22, deren Sieblinie vollständig aus Recyclingasphalt konzipiert wurde. Der optimale Bindemittelsowie Wassergehalt für dieses Mischgut wurde mit fünf Prozent ermittelt. Um eine bessere Einordnung der Ergebnisse im bestehenden Regelwerk zu ermöglichen, sind in Abbildung 13 die Festigkeitssowie Feuchtigkeitsentwicklung der Vorzugsvariante mit und ohne Zementzugabe gegenübergestellt. Da bei der Produktion von Kaltmischgut, aufgrund der zu niedrigen Temperaturen während der Herstellung, keine Aktivierung des im Ausbauasphalt enthaltenen Bindemittels möglich ist und diese daher mechanisch wie rohe Gesteinskörnungen agieren (sogenannte „Black Rocks“), wird zudem nicht näher auf die Ergebnisse der Bindemitteluntersuchungen eingegangen. Das zur Emulgierung verwendete Straßenbaubitumen der Sorte 70/ 100 zeigte dabei keine nennenswerten Auffälligkeiten. Das extrahierte Bitumen der recycelten Asphalte dagegen zeigte einen starken Grad der Alterung. Dieses konnte der Bitumensorte 20/ 30 zugeordnet werden, was die Annahme der Funktion als „Black Rocks“ unterstreicht. 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 239 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Abbildung 13 Vorzugsvariante mit und ohne Zement In Abbildung 13 ist zu sehen, dass es mit der im Forschungsprojekt entwickelten Emulsion möglich ist, ein Kaltasphaltmischgut zu konzipieren, welches trotz dem Verzicht roher Gesteinskörnung und ohne Zugabe von Zement den Vorgaben der bestehenden Normung entspricht. Im Merkplatt für die Verwertung […] von Asphaltgranulat in bitumengebundenen Tragschichten durch Kaltauf bereitung in Mischanlagen (M VB-K) sind hierfür beispielsweise Anforderungen an die Spaltzugfestigkeit nach 7 und nach 28 Tagen gestellt. Bereits ohne die Zementzugabe konnte der Grenzwert von 600 kPa (7 Tage) beziehungsweise 700 kPa (28 Tage) überschritten werden. Dabei zeigt die Vergleichsvariante mit Zement zwar eine höhere Anfangsfestigkeit, welche sich im Beobachtungszeitraum (insbesondere durch die Trocknung der Probekörper im Wärmeschrank) nahezu angleicht. Der Festigkeitsvorteil, der aus der Zementzugabe resultiert, scheint daher auf den Wasserentzug bei der Zementhydration rückführbar zu sein. Um den Festigkeitsnachteil, der sich aus der fehlenden Zugabe von Zement ergibt, auszugleichen, war ein weiterer Schwerpunkt des Forschungsprojektes die Implementierung einer mikrowellenbasierenden Trocknungs- und Verdichtungseinheit. Dabei wurde die Vorzugsvariante mit verschiedenen Intensitäten (Leistung und Zeit) bestrahlt. Die hierdurch erreichte homogene Erwärmung der Probekörper führte dabei in allen Fällen zu einer Reduzierung des Wassergehaltes der Probekörper. Überraschenderweise wurde, wie in Abbildung 14 zu sehen ist, die Festigkeitsentwicklung der Probekörper hierdurch allerdings nicht beeinflusst. Dies könnte mit dem gleichzeitigen Anstieg der Hohlraumgehalte korrelieren, der einerseits durch entstehende Dampf blasen oder durch leichte Verschiebungen der Sieblinie (Versuchszeitraum zwischen den Varianten betrag mehrere Monate) zu erklären ist. Abbildung 14 Vorzugsvariante bestrahlt und unbestrahlt 240 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Kalte Tragschicht - Bitumenstabilisierte Tragschichten mit Bitumenemulsionen Abbildung 15 Nachverdichtung mit und ohne Mikrowelle Da durch die Bestrahlung der Probekörper mit Mikrowellen einerseits die Temperatur erhöht und damit auch die Steifigkeit der Bindemittel reduziert wurden und andererseits der Verformungswiederstand durch den erhöhten Hohlraumgehalt vermindert wurde, wurde eine Nachverdichtung der Probekörper als zielführend erachtet. In der Praxis könnte dieses Vorgehen durch die Implementierung der Mikrowelleneinheit am Walzenzug realisiert werden. Da die Versuchsreihen im Berichtzeitraum noch andauern, sind in Abbildung 15 daher nur die vorläufigen Ergebnisse enthalten. Durch das Nachverdichten konnte bereits ohne den Einsatz von Mikrowellen, die Spaltzugfestigkeit erhöht werden. Ähnlich wie bei den Versuchen mit reiner Probekörperbestrahlung nach der Herstellung ist der Effekt jedoch gering. Erst durch die Kombination aus Mikrowellenbestrahlung und Nachverdichtung konnten die Probekörperkennwerte bereits im frühen Stadium der Probekörperreifung auf das Niveau der Zementvariante angehoben werden. Da zur besseren Veranschaulichung nur die maximale Bestrahlungsintensität (800W, 300s, ∆T ≈ 20K) durchgeführt wurde, müssen weitere Versuche diesen Verhalten bestätigen und aufzeigen ab welcher Leistung sichtbare Effekte eintreten. 4. Zusammenfassung Das Potential kalter Asphaltbauweisen ist in Deutschland noch nicht ausgeschöpft. Forschungsvorhaben wie das laufende Projekt AsphaPlus leisten einen Beitrag zum Verständnis und bei der Einführung innovativer kalter Bauweisen. Literatur [1] Europäische Kommission, 2019, MITTEILUNG DER KOMMISSION AN DAS EUROPÄISCHE PARLAMENT, DEN EUROPÄISCHEN RAT, DEN RAT, DEN EUROPÄISCHEN WIRTSCHAFTS- UND SOZIALAUSSCHUSS UND DEN AUS- SCHUSS DER REGIONEN - Der europäische Grüne Deal, Brüssel [2] Europäische Kommission, 2020, MITTEILUNG DER KOMMISSION AN DAS EUROPÄISCHE PARLA- MENT, DEN RAT, DEN EUROPÄISCHEN WIRT- SCHAFTS- UND SOZIALAUSSCHUSS UND DEN AUSSCHUSS DER REGIONEN, Ein neuer Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft Für ein saubereres und wettbewerbsfähigeres Europa, Brüssel [3] Bundesgesetzblatt, 2019 Bundes-Klimaschutzgesetz (KSG), § 1 Zweck des Gesetzes, Berlin [4] K. Wehnenmann, K. Schultz, Umweltbundesamt, 2024, Treibhausgas-Projektionen 2023 - Ergebnisse kompakt, Dessau [5] Deutscher Asphalt Verband, 2024, Asphaltproduktion in Deutschland, Bonn [6] Verein Deutscher Ingenieure, 2023, VDI Richtlinien 2283, Emissionsminderung - Anlagen zur Herstellung von Asphalt, Düsseldorf [7] S. Kytzia, T. Pohl, 2021, Ökobilanz der Herstellung von Asphaltbelägen, Themenheft Asphaltrecycling, Straßen und Autobahn, Kirchbaum Verlag, Bonn [8] C. Finzel, R. Sorge, 2023, Vergleichende Analyse und Bewertung verschiedener Technologien zur Wiederverwendung von Asphalt im Straßenbau in Hinsicht auf deren Primärenergiebedarf und Treibhausgasemissionen, Fachhochschule Potsdam [9] T. Pohl, P. Bodmer, 2020, RC-Plus Küsnacht - Berichtteil Ökobilanz» Hochschule für Technik Rapperswil HSR, Rapperswil [10] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, 2005, Merkblatt für Kaltrecycling in situ im Straßenbau M KRC, FGSV-Verlag, Köln [11] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, 2007, Merkblatt für die Verwertung von pechhaltigen Straßenbaustoffen und von Asphaltgranulat in bitumengebundenen Tragschichten durch Kaltaufbereitung in Mischanlagen, FGSV- Verlag, Köln [12] K. Mollenhauer, Bericht der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft S 114, Anhang, 2017, Studie zum Anwendungspotenzial von werksgemischten Kaltbauweisen - Asphalt, BASt, Bergisch Gladbach