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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Recycling von Fahrbahnmaterialien
wie gealterte Fahrbahnbeläge,
bestehend aus mit einem bituminösen
Bindemittel eingebetteten Granulaten, die in Form von bituminösen Fräßgütern aufgemacht
sind und als bituminöse
Mischgüter
im Straßenbau
wiederverwendet werden.
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Üblicherweise
sind bituminöse
Fahrbahnen Verbundstrukturen, die über eine Dicke von einigen
Zentimetern aus mit bituminösen
Bindemittel eingebetteten Granulaten bestehen. Nach einer gewissen
Zeit erleiden diese Beläge
jedoch eine Alterung, die durch die durch den Verkehr und die klimatischen
Bedingungen erzeugten Belastungen verursacht wird, was eine Verhärtung des
Bindemittels, das Auftreten von Rissen und/oder das Spurrinnenphänomen hervorruft.
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Daher
muss man eine Behandlung der Fahrbahn vornehmen, um diesen Degradationen
zu begegnen.
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Dafür wurden
verschiedene Recyclingverfahren aufgewendet, die insbesondere Techniken
verwenden, die aus dem Fräsen
des bestehenden Belags mit einer Maschine bestehen, um ein "Fräsgut" genanntes Material
zu erhalten, welches dann zur Regeneration mit einem bituminösen Bindemittel
mittels eines Kalt- oder Heißverfahrens
gemischt wird.
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Das
herkömmliche
Recycling der Straßenmaterialien,
die seit mehreren Jahren Gegenstand zahlreicher Arbeiten gewesen
ist, appellierte an eine breite Palette von Techniken, die insbesondere
auf bituminöse Mischgüter angepasst
sind. Diese verschiedenen Verfahren, die von den Straßenbaufirmen
entwickelt wurden und nun gut beherrscht werden, verwenden für das Recycling
zentral oder direkt Vorort spezielle Einrichtungen, und für die bituminösen Materialien
beruht das verwendete Prinzip auf der Kenntnis der Erneuerung des in
der wiederaufzubereitenden Schicht vorhandenen Bitumens und zur
Korrektur der Siebkurven durch Zufuhr von neuen Granulaten und möglicherweise
von Feingütern.
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In
Bezug auf das bituminöse
Bindemittel ist es das Ziel, das alte Bitumen, dessen Verhärtung von
der Verflüchtigung
seiner leichtesten Teile herrührt,
durch Korrektur seiner chemischen Zusammensetzung mittels eines
angepassten Bindemittels zu regenerieren, um ein finales Bindemittel
zu erhalten, das die Eigenschaften eines klassischen Bitumens aufweist.
Zu diesem Zweck haben die Ölgesellschaften
Bindemittel zum Recycling auf den Markt gebracht, die einen aromatischen
Charakter und geringe Gehalte an Asphalten haben.
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Diese
Verfahren beziehen sich auf Kalt- und Warmtechniken.
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Ein
derartiges Regenerationsverfahren bei Kälte ist insbesondere im Europäischen Patent
EP-0 286 531 beschrieben,
welches die Verwendung eines Bindemittels zur Regeneration lehrt,
das aus einem Bitumen hoher Durchdringbarkeit und einem hohen Gehalt
an aromatischen Verbindungen besteht, wobei dieses Bindemittel etwa
10% eines im wesentlichen aromatischen Solvens enthält, dessen
Eigenschaften und Applikationsgehalt in Abhängigkeit von den Eigenschaften
des gealterten Mischguts bestimmt wird, insbesondere der Art des
Granulats sowie dem Gehalt und den Eigenschaften des anfänglichen
Bindemittels.
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Es
ist außerdem
aus der europäischen
Patentanmeldung
EP-0 810 276 bekannt,
ein Bitumenrecyclingverfahren zu verwenden, das aus dem Zerkleinern
des gealterten Asphalts in Partikel kleiner als 5 mm, dem Trennen
dieser Partikel in mindestens zwei Fraktionen und deren getrennter
Erwärmung besteht,
bevor sie, zum Beispiel in Form einer Emulsion, mit dem neuen Bitumen
gemischt werden.
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Neueste
Entwicklungen haben versucht, diese Probleme unter Verwendung von
den in-situ Wiederaufarbeitungen der Fräsgüter bei Kälte teilweise zu lösen, entweder
mit Zement oder indem Zement und Bitumenemulsion verbunden werden,
ohne jedoch die wichtigen Steifigkeitsmodule sicher zu erhalten.
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Dies
ist insbesondere in der Deutschen Patentanmeldung
DE-3 729 507 der Fall, die sich auf
ein Recyclingverfahren von Straßenbitumen
durch Mischung von Granulaten bezieht, die durch Auflösen der
Oberflächenschicht
in einer wässrigen
Bitumenemulsion erhalten werden, in welcher 1 bis 5 Gew.-% eines
hydraulischen Bindemittels, wie Zement, eingebaut sind, um die mechanische
Widerstandsfähigkeit
des Materials zu verbessern.
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Allerdings
erlauben diese Verfahren nicht, sich von der wesentlichen technischen
Einschränkung
zu befreien, welche die Notwendigkeit ist, über homogene Fräsgüter zu verfügen, sowohl
vom granulometrischen Standpunkt als auch vom Standpunkt der Zusammensetzung,
was die Eigenschaften der gealterten Bindemittel betrifft, deren
Regeneration durch Mischung mit einem neuen Bindemittel erreicht
werden muss.
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Dies
stellt nun aber einen beträchtlichen
Nachteil für
das Management der Sammlung, der Verteilung und der Lagerung des
zu recycelnden Materials dar, was das ökonomische Interesse an diesen
klassischen Recyclingverfahren deutlich verringert hat und die Entwicklung
des Recyclings in Frankreich begrenzt hat.
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Das
Patent
FR 2 589 853 beschreibt
die Herstellung von Mischgütern
bei Wärme
auf der Grundlage von Fahrbahnmaterial- Recyclingmaterial, von neuen Granulaten
und von Bitumen harter Qualität,
die Durchdringbarkeiten von über
60 Zehntel Millimeter aufweisen. Das Recyclingmaterial wird zum
Preis einer hochgezüchteten
Zerkleinerung, die ökonomisch
wenig interessant ist, in die Form von mit Füllstoff angereichertem Sand
gebracht.
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Die
vorliegende Erfindung strebt an, ein Verfahren vorzuschlagen, das
es erlaubt, sich von den oben genannten Nachteilen zu befreien.
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Auf überraschende
Weise ist gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen worden, die Vorstellung der Regenerierung
von in den Fräßgütern enthaltenen
gealtertem Bitumen zu verlassen, und diese als einfache Granulate
zu betrachten, die durch Mischen mit einem bituminösen Bindemittel
harter Qualität
zu stabilisieren sind.
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Zu
diesem Zweck weist die vorliegende Erfindung als ersten Gegenstand
ein bituminöses
Mischgut auf Basis von Fahrbahnmaterial-Recyclingfräßgütern auf,
dadurch gekennzeichnet, dass es in Mischung umfasst: ein aus neuen
Granulaten und Fahrbahnmaterial-Recyclingfräßgütern zusammengesetztes mineralisches
Material, wobei die Fräsgüter eine
Kornklassierung 0/10 oder 0/14 aufweisen, wobei 98% der Teilchen ein
Sieb mit Maschenweite 10 oder 14 mm passieren, wobei die Menge an
Fräßgütern 1 bis
70 Gew.-% des gesamten eingeschlossenen mineralischen Materials
beträgt,
und ein bituminöses
Bindemittel harter Qualität, das
eine Durchdringbarkeit bei 25°C
von 10 bis 30 Zehntel mm aufweist, und dass es ein bei 15°C und 10Hz gemessenes
Steifigkeitsmodul E* von 9·103 bis 15·103 MPa
zeigt.
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Diese
Werte ordnen das Leistungsniveau dieses Mischguts über das
eines schweren Bitumens ein (in Kurzform GB), wie es durch die Norm
NF P 98-138 definiert ist (E* ≥ 9·103 MPa) und deutlich auf ein Niveau nahe eines
Mischguts mit hohem Steifigkeitsmodul (in Kurzform EME), wie es
gemäß der Norm
NF P 98-140 (E* ≥ 14·103 MPa) definiert ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Mischgut etwa 70 Gew.-% Fräsgüter im Verhältnis zum
Gesamtgewicht des mineralischen Materials.
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Das
bituminöse
Bindemittel harter Qualität
weist eine Durchdringbarkeit bei 25°C von 10 bis 30 Zehntel mm auf,
und der Gehalt an bituminösem
Bindemittel harter Qualität
beträgt
bevorzugt 2,5 bis 6 Gew.-%, im Verhältnis zum Gesamtgewicht des
eingeschlossenen mineralischen Material.
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Darüber hinaus
zeigt dieses Mischgut bei 30000 Zyklen und bei 60°C (Test gemäß der Norm
NF P 98-253-1) eine Spurtiefe geringer als 5 mm und eine Kompaktheit
PCG bei 100 Umdrehungen höher
als 95% (Verdichtungstest von der Presse zur Drehscherung PCG, gemäß der Norm
NF P 98-252), sowie ein Ermüdungsverhalten
bei alternierender Biegung bei 10°C
und 25 Hz, welches sich in einen relativen Deformierwert εσ, der
größer oder
gleich 110·10–6 ist, übersetzen
lässt (Test
gemäß der Norm
NF P 98-261-1).
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Ein
zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Recyclingverfahren
von Fahrbahnmaterial in Form bituminöser Fräsgüter, wie bituminöse Mischgüter im Straßenbau,
die ein Steifigkeitsmodul E*, gemessen bei 15°C und 10 Hz, von 9·103 bis 15·103 MPa
zeigt, umfassend die Mischung eines mineralischen Materials, das aus
neuen Granulaten und Fahrbahnmaterial-Recyclingfräsgütern zusammengesetzt
ist, wobei die Fräsgüter eine
Kornklassierung 0/10 oder 0/14 aufweisen, wobei 98% der Teilchen
ein Sieb mit Maschenweite von 10 oder 14 mm passieren, wobei die
Menge an Fahrbahnmaterial-Recyclingfräsgut 10 bis 70 Gew.-% des gesamten
eingebauten Materials umfasst, und eines bituminösen Bindemittels harter Qualität, das bei
25°C eine Durchdringbarkeit
von 10 bis 30 Zehntel mm aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
die Erzielung einer Matrix mit viskoelastischem Verhalten, dank
des Mischguts aus Fräsgütern mit
einem harten Bitumen, was also die Köhasion des erhaltenen neuen
Materials sichert, ohne dass das gealterte Bindemittel regeneriert
wird.
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Ein
wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher das
Vermögen,
die Arten von nicht homogenen Fräsgütern unterschiedlicher
Herkunft zu recyclen, ohne Notwendigkeit, sie vorher zu separieren.
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In
vorteilhafter Weise beträgt
der Gehalt an bituminösem
Bindemittel harter Qualität
2,5 bis 6 Gew.-% im Verhältnis
zum Gesamtgewicht des mineralischen Materials. Weiter bevorzugt
kann der Gehalt an bituminösem
Bindemittel harter Qualität
3,5 Gew.-% betragen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Eigenschaft der Erfindung beträgt der Gesamtgehalt an Bindemittel
5 bis 10 Gew.-% im Verhältnis
zum Gesamtgewicht des mineralischen Materials.
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Das
Verfahren der Erfindung beinhaltet zunächst einen Zerkleinerungs-
und Durchsiebungsschritt der Fräsgüter, um
eine Kornklassierung 0/10 oder 0/14 zu erhalten (wobei 98% der Teilchen
ein Sieb mit Maschenweite von 10 oder 14 mm passieren), und einen
Schritt der Zufuhr neuer Granulate zu einer Mindestrate von 30 Gew.-%
des gesamten mineralischen Materials, um eine Siebkurve von der
Art eines Mischguts hoher Härte (EME)
anzunehmen, wie sie in der Norm NF P 98-140 definiert ist.
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Darüber hinaus
wird der Mischgut-Schritt bei einer Temperatur von mindestens 180°C mit einer
Mischungszeit von mehr als ungefähr
30% derjenigen eines herkömmlichen
Belags durchgeführt.
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Bevorzugt
weisen die bituminösen
Fräsgüter einen
Gehalt an gealtertem Bindemittel von mindestens 3 Gew.-% im Verhälnis zu
den Granulaten auf.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung von wie
oben beschriebenem bituminösem
Mischgut oder von durch das wie oben beschriebene Verfahren erhaltenem
Mischgut im Straßenbau, zum
Herstellen von liegenden Straßenschichten
oder von verbindenden Schichten.
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Die
nachfolgend berichteten Versuche, die keinen einschränkenden
Charakter aufweisen, sind in einem Labor mit Mischungen aus Fräsgütern, neuen
Granulaten und hartem Bitumen gemäß dem Straßenüberzug bei Wärme durchgeführt worden,
und zu ihrer mechanischen Auswertung vergleichend zu einem klassischen
Mischgut mit gehobenem Modul EME, also mit einem schweren Bitumen,
und sie sind zum Veranschaulichen der Ausführung der Erfindung und der
Vorteile von dieser bestimmt.
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Beispiel 1
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Formulierung eines erfindungsgemäßen Mischguts
E
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Die
für die
durchgeführten
Versuche verwendeten bituminösen
Fräsgüter haben
eine Kornklassierung 0/14 (wobei 98% der Teilchen ein Sieb mit Maschenweite
14 mm passieren) und einen Gehalt von 4,1 Gew.-% an Bindemittel,
das eine Durchdringbarkeit bei 25°C
von 20 1/10 mm hatte.
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Um
ein bituminöses
Material zu erhalten, das mit einer Straßenbauverwendung vereinbar
ist, das heißt,
gegenüber
Spurrillen, mechanischer Ermüdung
und thermischen Zyklen resistent ist, wurde aus folgender Gewichtszusammensetzung
ausgewählt:
– Fräsgüter | 70% |
– Granulate:
0/10, Typ Meilleraie | 30% |
– Bindemittel:
Bitumen Viatotal 10/20 (hergestellt von TOTAL; Durchdringbarkeit
bei 25°C
von 10 bis 20 1/10 mm) | 3,5
ppc (Teil pro Gewichtsprozent) |
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Die
Mischung wird in einem Rührwerk
bei einer Temperatur von 180°C
gemacht, nach Vorwärmung der
Fräsgüter bei
dieser Temperatur.
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Ein
erster Verdichtungsversuch in der Presse zur Drehscherung (PCG),
durchgeführt
gemäß der Norm NF
P 98-252, hat bei 100 Umdrehungen eine Kompaktheitsrate von 98,5%
ergeben, während
ein Mischgut mit gehobenem Modul (EME) der Klasse 2, wie es gemäß der Norm
NF P 098-140 definiert ist, diese Rate größer oder gleich 94% sein soll,
und während
für einen
schweren Bitumen (GB) der Klasse 3, wie er durch die Norm NF P 98-138
und die Kornklassifizierung 0/14 definiert ist, soll die Rate größer oder
gleich 90% sein. Dieses Ergebnis veranschaulicht eine gute Widerstandsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Mischguts
gegenüber
Ermüdung.
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Ein
gemäß der Norm
NF P 98-253-1 durchgeführter
Spurrillenversuch ergibt einen durchschnittlichen Spurrillenwert
von 0,90% im Verhältnis
zur Prüflingsdicke
(10 cm), nämlich
0,9 mm, während
dieser Wert für ein
Mischgut gehobenen Moduls (EME) geringer oder gleich 8% sein soll
und im allgemeinen zwischen 4 und 5% liegt, und für ein schweres
Bitumen (GB) kleiner oder gleich 10% sein soll. Dies zeigt ein gutes
Verhalten bei Wärme
des erfindungsgemäßen Mischguts.
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Eine
Vergleichsauswertung der mechanischen Leistungen mit einem klassischem
Mischgut mit gehobenem Modul (EME) sowie mit einem schweren Bitumen
(GB), ist gemacht worden, indem durchgeführt wurden:
- – Versuche
zum Widerstand gegenüber
Verdichtung und zum indirekten Zug, gemäß der Mohr-Coulomb-Theorie
- – Versuche
zur Messung des Steifigkeitsmoduls gemäß der internen Methode TOTAL
762/95
- – Versuche
zur Bestimmung des Ermüdungswiderstands
gemäß der Norm
NF P 98-261-1.
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A) Versuche zum Verdichtungswiderstand
und zum indirekten Zug
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Auf
der Grundlage von den Verdichtungs- und Zugzyklen und der Art ihrer
Einsetzung erlaubt die Theorie von Mohr-Coulomb, angewandt auf die
granulären
Materialien Informationen über
die Bruchart, die Kohäsion,
die Sprödigkeit
und die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Scherung zu erhalten.
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Wenn
R der Widerstand gegenüber
der Verdichtung und r der Widerstand gegenüber dem indirekten Zug ist,
ist gemäß dieser Theorie
und der geometrischen Analyse der Zyklen bekannt, dass:
- – die
Köhasion
C = 1/2 (Rr)0,5
- – der
interne Reibungswinkel φ ist
durch das Verhältnis
sin φ =
R–r/R+r
definiert (wenn φ = π/2 entspricht das
einem rein elastisches Verhalten des Materials, und einem rein viskosen
Verhalten, wenn φ =
0)
- – der
Scherungswiderstand σ =
R·r/R+r.
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Die
Vergleichsversuche zwischen dem erfindungsgemäßen Mischgut (E1), dessen Zusammensetzung
oben beschrieben worden ist, und einem EME genannten Mischgut, das
eine Kornklassifizierung 0/14 aufweist, von der durch die Norm NF
P 98-140 definierten Art ist und das den gleichen Anteil (3,5 ppc)
Bindemittel Viatotal 10/20 enthält,
sind mit Duriez-Prüflingen
bei 18°C
durchgeführt
worden. Die erhaltenen Ergebnisse, die in der nachfolgenden Tabelle
zusammengefasst sind, zeigen für
das erfindungsgemäße Mischgut sehr ähnliche
Eigenschaften, insbesondere für
die Kohäsion
und den Widerstand gegenüber
Scherung, was zumindest dem EME äquivalente
Widerstandsverhalten gegen Straßenverkehrsbelastung
bei durchschnittlicher und niedriger Temperatur vermuten lässt. Tabelle
Probe | Kompaktheit
[%] | R
[MPa] | r
[MPa] | φ [°] | Kohäsion [MPa] | σ [MPa] |
E1
EME | 97,3
96 | 16,3
11,4 | 2,4
2,7 | 48
48 | 3,1
3,1 | 2,09
2,18 |
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B) Messung des dynamischen Steifigkeitsmoduls
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Zur
Bestimmung des Werts des dynamischen Moduls E*, das aus dem komplexen
Modul E* hervorgeht, verwendet man eine TOTAL-interne Zug/Druck-Versuchsmethode
762/95 mit vorgeschriebener Verformung in einem zylindrischen Prüfling, der
einer sinusförmigen
Belastung (mit einem Inströn-Gerät) unterworfen wird.
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Bei
einer Temperatur von 15°C
und einer Frequenz von 10 Hz beträgt das Steifigkeitsmodul E*
12500 MPa, wobei der Wert denjenigen eines GBs, dessen E* größer oder
gleich 9000 MPa beträgt,
und denjenigen eines EMEs, dessen E* größer oder gleich 14000 MPa ist,
umfasst.
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Der
Wert des dynamischen Moduls wird in den Dimensionierungs-Berechnungen von
Fahrbahnen verwendet, und je größer dieser
ist, umso mehr kann die Dicke des Fahrbahnbelags reduziert werden.
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Man
kann so bewerten, dass der Gewinn an Dicke für eine liegende Straßenschicht,
welche mit dem erfindungsgemäßen Mischgut
hergestellt wurde, im Verhältnis
zu schwerem Bitumen der Klasse 3 (GB) zwischen 10 und 40% liegt.
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C) Auswertung des Ermüdungswiderstands
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Das
gemäß der Norm
NF P 98-261-1 verwendete Verfahren basierte auf der konstanten Belastung
trapezförmiger
Trägerprüflinge an
der Spitze durch sinusförmige
Biegung. Jeder Prüfling
wird bis zum konventionellen Bruch bei gegebener Amplitude mit einer
kontinuierlichen sinusförmigen
Wellenzug belastet. Mehrere Biegungsamplituden sind nötig, um
die Steigung der Ermüdungsgeraden
zu bestimmen, die auf der Grundlage der die die Lebensdauern N (oder
Anzahl der Zyklen) für
die ausgewählten
Deformationsniveaus darstellenden Resultate festgelegt wird, indem
eine lineare Regression der Art ln N = A0 +
A1·lnε gemacht
wird, wobei ln den natürlichen
Logarithmus bezeichnet, der das Berechnen des relativen Deformierwerts εσ erlaubt,
welcher im Durchschnitt 106 Belastungszyklen
entspricht. Je höher
dieser Wert ist, desto mehr widersteht das Produkt der Ermüdung.
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Für die bei
einer Temperatur von 10°C
und einer Frequenz von 25 Hz durchgeführten Versuche war εσ =
142·10–6,
während
dieser Wert für
ein EME und ein GB jeweils größer oder
gleich 130.10-6 bzw. größer oder gleich
110.10-6 sein soll.
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Diese
Werte zeigen deutlich, wie das erfindungsgemäße bituminöse Mischgut ein bezogen auf
das eines GBs deutlich verbessertes Ermüdungsverhalten zeigt, und bezogen
auf das eines EMEs sogar leicht überlegen
ist.
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Beispiel 2
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Eine
zweite der Erfindung entsprechende Mischgutformulierung ist untersucht
worden. Diese Formulierung hatte folgende Gewichtszusammensetzung:
– Fräsgüter | 30% |
– Granulate:
0/10, Typ Meilleraie | 70% |
– Bindemittel:
Bitumen Viatotal 10/20 | 4,0
ppc (Teile in Gewichtsprozent) |
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Die
Messung des dynamischen Steifigkeitsmoduls (gemäß dem Verfahren TOTAL 762/95)
ergibt bei einer Temperatur von 15°C und einer Frequenz von 10
Hz einen Wert von 13940 MPa, ein Wert, der zwischen denen eines
schweren Bitumens und denen eines EME (zwischen 9·103 und 15·103 MPa)
liegen.
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Im
Ergebnis: in Anbetracht der Ergebnisse von mit dem erfindungsgemäßen Mischgut
durchgeführten Versuchen,
einschließlich
den bituminösen
Fräsgütern, erlauben
es die Leistungen dieses Materials, dieses in zufriedenstellender
Weise für
liegende Straßenschichten
und/oder für
verbindende Schichten zu verwenden, wobei die Zwänge des klassischen Recyclings
gänzlich
reduziert werden und daher das Recycling von bituminösen Fräsgütern in
beachtlichen Mengen begünstigen.
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Man
muss auch die Erweiterung dieses Verfahrens zum Recycling von weiterer
Straßenabfällen in
Erwägung
ziehen, insbesondere von mit hydraulischen Bindemitteln behandelten
Materialien, wie Betone oder schwere Zemente.