Entwicklung von langlebigen Deckschichten aus Asphalt unter Verwendung von Epoxydharz

Das deutsche Straßennetz besteht aus mehr als 600.000 km befestigten Straßen, von denen mehr als 90% in Asphaltbauweise ausgeführt wurden. Dieses Asphaltstraßennetz von Bund, Länder und Kommunen bildet u. a. die Grundlage für die Wirtschaftskraft des Standortes Bundesrepublik Deutschland. Auf Grund dessen besteht das Bestreben, neben den bereits in der Praxis etablierten und bewährten Baustoffen mit Innovationen neue Baustoffgemische zu entwickeln, die hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Eigenschaften und Anforderungen wie nachhaltige Verformungsbeständigkeit und Gebrauchstauglichkeit eine zusätzliche Steigerung der Qualität und Wirtschaftlichkeit erzielen sollen. Eine Orientierung an den zur Zeit auf dem Markt vorhandenen und gebräuchlichen Baustoffen und Produkte zeigt, dass tatsächlich Möglichkeiten bestehen, mit denen langlebige Deckschichten entwickelt werden könnten. Eine dieser Möglichkeiten stellt die Verwendung von Epoxydharz als Bindemittelzusatz bzw. einer teilweisen Substitution der gesamten Bitumenmenge im Asphaltmischgut und der dadurch entstehende „Epoxy Asphalt“ dar. Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, inwiefern ein solcher Epoxy Asphalt einen Beitrag zur Entwicklung eines hochstandfesten und langlebigen Asphaltdeckschichtbelages liefern kann. Die Verwendung von Epoxydharz im Bereich des Straßenbaus beschränkte sich in Deutschland in der Vergangenheit ausschließlich auf eine Kaltverarbeitung des 2-Komponentensystems. Im Ausland, namentlich in den USA sowie in China, wurde Epoxy Asphalt auf vereinzelten Stahlbrücken als Fahrbahnbelag verwendet. Die Bearbeitung der Arbeit gliederte sich in drei Phasen. Die erste Phase beinhaltete grundlegende Untersuchungen mit unterschiedlichen Epoxydharzsystemen. Ziel dieser Versuche war die Identifizierung des Materialverhaltens im Asphaltmischgut, der dafür geeigneten Bedingungen sowie eine Bestimmung erster mechanischer Eigenschaften. Hierbei stellte sich heraus, dass ein Epoxydharzsystem mit Anhydridhärter ohne Verwendung eines Beschleunigers am geeignetsten ist. In der zweiten Phase wurden mit dem in Phase I ausgewählten Epoxydharzsystem in unterschiedlichen Konzentrationen (15% und 25% Epoxy) die wichtigsten Bindemittel- und Mischgutkennwerte von Epoxy Asphalt mit Hilfe von standardisierten Prüfverfahren ermittelt und den Kennwerten von konventionellem Bindemittel bzw. Asphalt (mit Straßenbaubitumen und mit Polymermodifiziertem Bitumen) gegenübergestellt. Die Bindemitteluntersuchungen an den Bitumen-Epoxy-Gemischen lieferten als wesentliche Erkenntnis, dass die Zugabe des Epoxydharzes eine deutliche Reduzierung der Viskosität bewirkt. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass die beiden Komponenten Harz und Härter im Bitumen nicht miteinander reagieren und keine Aushärtung stattfindet. Beide Epoxy Varianten besaßen eine deutlich verbesserte Verformungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, wie die Ergebnisse der Spurbildungs- und der dynamischen Druckschwellversuche gezeigt haben. Die Probekörper aus Epoxy Asphalt wiesen erheblich kleinere Verformungen als die Probekörper der Referenzvarianten auf. Durch die Zugabe von Epoxydharz konnte sowohl das Haftverhalten des Bindemittels am Einzelkorn als auch das Haftverhalten im Mischgut gegenüber den Referenzvarianten wesentlich verbessert werden. Zudem zeigten Scherversuche, dass eine ausreichende Verklebung zwischen der Asphaltbinderschicht und der Deckschicht aus Epoxy Asphalt gewährleistet werden kann. Ferner konnte festgestellt werden, dass mit der Zugabe von Epoxydharz in das Asphaltmischgut der Widerstand gegen wiederholte zyklische Belastungen und damit der Ermüdungswiderstand deutlich verbessert wird. Darüber hinaus lassen die Untersuchungsergebnisse auch erkennen, dass eine Zugabemenge von 25% Epoxydharz zwar vereinzelt geringfügig bessere Ergebnisse bringt als „nur“ 15%, für viele Eigenschaften die Ergebnisse jedoch nahezu identisch ausfallen. Daher war nach Abschluss der durchgeführten Prüfungen festzustellen, dass eine Zugabe von 15% Epoxydharz im Asphaltmischgut für die Sicherstellung der hohen Standfestigkeit und Langlebigkeit ausreichend ist. Im Zuge der Bearbeitung der ersten beiden Phasen ergaben sich weitere spezielle Fragestellungen, die über den Rahmen der grundsätzlichen und standardisierten Prüfungen von Asphalt hinausgingen. So wurde zunächst versucht, die Ursache für das Ausbleiben der Reaktion von Harz und Härter im Bitumen zu klären. Dies geschah über eine Prüfung des Erweichungspunktes einerseits von Bindemittel-Füller-Gemischen und andererseits an mit Phosphorsäure versetzten Bindemitteln. Beide zunächst vermuteten Lösungsansätze lieferten jedoch keine Erklärung für das Ausbleiben des Härtungsvorgangs. Ferner wurde überprüft, ob und inwiefern Epoxy Asphalt nach der Aushärtung noch granuliert und anschließend extrahiert werden kann. Sowohl das Aufschmelzen des Mischgutes als auch die anschließende Trennung von Bindemittel und Gesteinskörnungen verliefen erfolgreich. Jedoch stellte sich die Frage nach dem Verbleib des Epoxydharzes nach der Extraktion. Eine chemische Analyse der Endprodukte der Extraktion (rückgewonnenes Bindemittel, Gesteinskörnungen und Füller) zeigte, dass nur etwa 60% der ursprünglich zugegebenen Epoxydharzmenge im Bitumen verbleibt. An den Gesteinskörnern sowie im Füller konnten nur geringe Mengen an Epoxydharz ermittelt werden. Der Verbleib des restlichen Epoxydharzes ist zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt. Bereits zu Beginn der Untersuchungen wurden einige Platten aus Epoxy Asphalt einer zehnmonatigen Bewitterung im Freien ausgesetzt, um eine eventuelle witterungsbedingte Veränderung der Oberfläche zu überprüfen. Dies erfolgte durch eine im Abstand von vier Wochen durchgeführte Messung der Mikrorauheit mittels SRT-Pendel. Hier konnte jedoch kein merklicher Einfluss einzelner jahreszeitlicher und damit klimatischer Veränderungen festgestellt werden. In der Rundlaufprüfanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen wurde darüber hinaus die Entwicklung der Mikrorauheit von Deckschichten aus Epoxy Asphalt unter einer Verkehrsbelastung untersucht. Deren Messung erfolgte ebenfalls mittels SRT-Pendel und brachte die Erkenntnis, dass die Rauheit des Epoxy Asphaltes etwas geringer (ca. drei SRT-Einheiten) als bei einem konventionellen Asphalt ist. Hieraus ist jedoch nicht zwangsläufig eine etwas geringere Griffigkeit des Epoxy Asphaltes abzuleiten. Mittels dynamischem 3-Punkt-Biegeversuch wurde überprüft, ob die Verwendung von Epoxydharz im Asphaltmischgut einen negativen Einfluss auf den Widerstand gegen dauerhafte Belastungen bei tiefen Temperaturen verursacht. Die Wahl der Probekörperform erfolgte in Anlehnung an die prEN 12697-44. Die ermittelten Ergebnisse zeigten, dass der Widerstand gegen die aufgebrachte Belastung beim Epoxy Asphalt keine Nachteile im Vergleich zu einem konventionellen Asphaltmischgut erkennen lässt. Nach Abschluss der hier beschriebenen Untersuchungen sind die Auswirkungen von Epoxydharz im Asphaltmischgut weitgehend bekannt und die Veränderungen der Eigenschaften konnten identifiziert werden. Das Potential von Epoxy Asphalt als alternatives und innovatives Asphaltmischgut für hochbelastete Verkehrsflächen mit hoher Dauerhaftigkeit konnte im Labormaßstab zweifelsfrei nachgewiesen werden. Mehrere der geprüften wesentlichen Gebrauchseigenschaften des Epoxy Asphaltes erwiesen sich als deutlich besser im Vergleich zu den geprüften Referenzvarianten. Daher ist zukünftig eine Fortschreibung der Untersuchungen in Form einer Anlage von Versuchsabschnitten im Maßstab 1:1 anzustreben. Hierbei sind die unter Abschnitt 10.7 aufgeführten Punkte zu beachten und die offen gebliebenen Fragestellungen zu beantworten. Für eine großmaßstäbliche Anwendung ist zunächst eine Modifizierung und Optimierung des Epoxydharzes durch den Hersteller in Bezug auf eine Verwendung im Heißmischgut erforderlich. Anschließend ist eine enge Zusammenarbeit und Abstimmung zwischen dem Hersteller des Epoxydharzes, dem Asphaltmischwerk sowie der einbauenden Firma Voraussetzung für das Anlegen erster Versuchsfelder