Botox für den Asphalt

Die Chemieindustrie forscht an Verjüngungsmitteln gegen Alterung von Asphalt. Wie ist der aktuelle Stand? Das wollte der asphaltprofi von keinem Geringeren als Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Michael P. Wistuba wissen.

Aufgezeichnet von: Sibylle Jung

Asphalt altert. Weshalb? Was passiert genau?
In alten Asphaltstrassendecken ist das Bindemittel Bitumen verhärtet, seine Klebkraft zur Gesteinskörnung ist herabgesetzt. Der Asphalt ist spröde und rissanfällig. Dies gilt insbesondere für sonnenexponierte Streckenabschnitte, bei hohlraumreichen und/oder dünnen Asphaltschichten, bei dünnen Bindemittelfilmen und bei Bitumen mit einem hohen Paraffinanteil.

Ursache dafür ist die Bitumenalterung. Das ist die Änderung der physikalischen und chemischen Bitumeneigenschaften mit der Zeit – während der Lagerung, im Zuge von Verarbeitung und Einbau sowie im eingebauten Zustand. Ein Mass für die Bitumenalterung ist beispielweise der Anstieg der Viskosität (das ist die Zähigkeit). Der Viskositätsanstieg wird verursacht durch eine Verschiebung der Anteile an Bitumenkomponenten: Die harten, spröden Komponenten – die sogenannten Asphaltene – nehmen zu und werden verhaltensbestimmend, die weichen ‚geschmeidigen‘ Komponenten – die sogenannten Maltene – nehmen ab. Somit verändert die Alterung die innere Struktur des Bitumens. Dies können wir beispielweise anhand von Mikroskopie-Aufnahmen gut erkennen.

Welche Faktoren beeinflussen die Alterung? Und wie?
Der Alterungsprozess wird von äusseren und inneren Faktoren bestimmt. Äussere Faktoren sind die Umgebungsbedingungen, beispielsweise die Einwirkungen von Sauerstoff, hoher Temperatur und ultravioletter Strahlung. Durch die Wahl der Produktionsbedingungen, insbesondere der Temperatur, können die äusseren Faktoren zumindest teilweise gesteuert werden. Mit den inneren Faktoren meine ich die Materialeigenschaften des Asphaltmischguts, wie Bindemittel- und Gesteins-Chemismus, Dicke des Bindemittelfilms und Hohlraumgehalt. Diese können durch eine entsprechend optimierte Asphaltmischgutkonzeption gesteuert werden.

Allgemein unterscheidet man die oxidative Alterung, die destillative Alterung und die Strukturalterung. Oxidative Bindemittelalterung ist die chemische Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff, die mit einem Anwachsen des Anteils an Asphaltenen einhergeht. Der Asphaltengehalt wird daher oft als eine Kennzahl für den Alterungsgrad herangezogen. Sauerstoffhaltige Reaktionspartner liegen in der und um die Asphaltstrasse vielfältig vor, beispielsweise in Form von Luftsauerstoff O2, Ozon O3 oder Hydroxyl-Radikal OHˉ. Weil die Wirksamkeit des Lichtes nur bis in eine maximale Tiefe von wenigen Mikrometern der Asphaltdecke und die chemischen Reaktionen mit Sauerstoff unter Lichteinwirkung wesentlich schneller ablaufen als im Dunkeln, steht die oxidative Alterung im Mittelpunkt von Untersuchungen zur Langzeitalterung.

Destillative Bindemittelalterung, auch Verdunstungsalterung genannt, ist das Abdampfen (und Verflüchtigen) von leicht flüchtigen Anteilen (also solchen mit niedriger Molekülmasse) an der Grenzfläche zu Luft. Die Verdunstungsgeschwindigkeit steigt mit zunehmender spezifischer Oberfläche an. Destillative Bindemittelalterung tritt praktisch nur bei hohen Temperaturen ab rund 150°C auf, wie sie bei der Asphaltherstellung und der Asphaltverarbeitung von Heissmischgut auftreten. Wenn während des Mischprozesses die dünnen Bindemittelfilme in Kontakt mit den heissen Gesteinskörnern kommen, verdampfen die leicht flüchtigen Anteile, was gleichzeitig mit einem relativen Anstieg der Asphaltenanteile verbunden ist und mit einem Viskositätsanstieg von bis über 100%. Vermutlich reagiert das Bindemittel dabei sehr sensibel: Eine Temperaturerhöhung um 10°C (im Verarbeitungstemperaturbereich) kann bis zu einer Verdopplung der verflüchtigten Menge führen. Andererseits kann durch gezielte Temperaturabsenkung bei der Asphaltherstellung und beim Einbau die destillative Bindemittelalterung erheblich reduziert werden, beispielweise durch Produktion von temperaturabgesenktem Asphalt.

Strukturalterung schliesslich ist das allmähliche Verhärten des Bindemittels mit der Zeit. Ursache ist ein thermodynamisches Ungleichgewicht im frischen Bindemittel, bedingt durch die ungleiche Verteilung an polaren und nicht polaren Anteilen. Denn jedes System, das sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, hat ein inneres Bestreben, ein solches zu erlangen. Die Strukturalterung von Bitumen ist ein irreversibler Prozess, der sich mit der Zeit unabhängig von äusserlichen Randbedingungen stets fortsetzt, bis ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht ist. Dabei klumpen dispergierte polare Bindemittelkomponenten zusammen. Wieder wächst dabei der Gehalt an Asphaltenen, jener der Maltene sinkt, das Bindemittel wird allmählich härter.

Unter der Bezeichnung Strukturalterung wird manchmal auch jenes Verhalten subsumiert, wenn bei niedrigen Temperaturen (auch unter 90°C beobachtet) die im Bindemittel enthaltenen Paraffine sowie Paraffin-ähnlichen Bestandteile (< 5 M.-%) auskristallisieren, wodurch die Viskosität zunimmt. Dieser Prozess ist durch Erhitzen des Bindemittels reversibel. Auch die Polymeralterung in polymermodifizierten Bindemitteln wird bisweilen der Strukturalterung zugeordnet, worunter eine alterungsbedingte irreversible Verkürzung der ursprünglich langkettigen Kunststoffe in zunehmend kurzkettigere gemeint ist.

Gibt es eine durchschnittliche Lebenserwartung von Asphalt? Wie hat sich diese in den letzten Jahrzehnten entwickelt?
Das wüsste ich auch zu gerne (lacht). Mir fehlen ausreichende statistische Daten, um diese Fragen zu beantworten. Vielleicht liegt eine richtig dimensionierte und gut zusammengesetzte Asphaltdeckschicht 15 Jahre schadlos, eine darunterliegende Asphaltbinderschicht tendenziell länger, und schliesslich die Asphalttragschicht mehr als doppelt so lang.

Über die Frage, wie sich die Lebenserwartung von Asphalt in den letzten Jahrzehnten entwickelt hat, will ich nicht mutmassen. Tatsache ist, dass wir kaum Langzeiterfahrungen zu jenen Asphaltrezepturen haben, die nach und nach in den meisten europäischen Ländern zum Regelfall werden: mehrfach modifizierte Asphalte mit Beimengung von nennenswerten Anteilen an Ausbauasphalt. So wird der Strassenbaustoff Asphalt immer mehr zu einer komplexen Mischung, deren Komponenten in ihrem Zusammenwirken das Gebrauchsverhalten und die Lebenserwartung des Asphalts bestimmen.

Wie könnte der Alterungsprozess verlangsamt werden?
Durch Zusätze zum Bindemittel, die der unerwünschten Versprödung entgegenwirken.

In der Praxis zeigt sich, dass bindemittelreiche Asphalte mit dicken Bindemittelfilmen deutlich weniger zur Alterung neigen. Hingegen sind hohlraumreiche Asphalte und solche mit porösem Gestein alterungsanfälliger. Dies ist vermutlich auf die Anfälligkeit des Bindemittels gegenüber alterungsbedingten Polaritätsänderungen zurückzuführen. Jedes Bitumen besteht im Wesentlichen aus harten hochpolaren Asphaltenen, die in einer ‚Suppe‘ aus weichen unpolaren Maltenen ‚schwimmen‘. Jeder Asphalten-Kern ist zusätzlich von einem aromatischen ‚Schutzmantel‘ von wenigen Mikrometern Dicke umgeben. Der Mantel bildet einen allmählichen Übergang zwischen dem hochpolaren Asphalten-Kern und der unpolaren Malten-Suppe. Hochpolare und unpolare Moleküle grenzen somit nicht direkt aneinander. Die Malten-Suppe dürfte weitgehend resistent gegenüber Alterung sein. Aber vermutlich wird der Schutzmantel infolge von oxidativer Alterung beeinträchtigt. Dringen nämlich geeignete Reaktionspartner bis zum Mantel vor, wo die Konzentration von Heteroatomen ansteigt, gewinnt die Oxidation an Stärke. Die Polarität im Mantel steigt an. Dadurch verringert sich die Übergangszone zwischen der unpolaren Malten-Suppe und dem hochpolaren Asphalt-Kern. Das bedeutet, der Schutzmantel löst sich auf und seine stabilisierende Wirkung geht verloren. Folglich altert das Bindemittel, es wird instabil, spröde und rissanfällig und beginnt zu zerfallen.

Geeignete Zusätze in Form von Rejuvenatoren – auch ‚Verjüngungsmittel‘ genannt – sollten so wirken, dass sie die im gealterten Bindemittel verlorengegangenen Komponenten ergänzen und somit den Schutzmantel wiederherstellen. Vermutlich funktioniert ein Rejuvenator optimal, wenn die ursprünglichen Polaritätsverhältnisse zwischen der unpolaren Malten-Suppe und dem hochpolaren Asphalten-Kern wiederhergestellt sind und die Konzentration im stabilisierenden Schutzmantel dem Ausgangszustand entspricht. So kann das gealterte Bindemittel durch gezieltes Herabsetzen der Viskosität weitgehend wieder in den Zustand eines lieferfrischen, ungealterten Bindemittels versetzt werden.

Die Forschung zu Rejuvenatoren steckt noch in den Kinderschuhen, ich erwarte in den nächsten Jahren viele neue Erkenntnisse zur Verlangsamung des Alterungsprozesses.

Vielleicht wird es gar nicht um eine Verlangsamung des Alterungsprozesses allein gehen, sondern vielmehr um eine Steuerung. Heute wird die Bindemittelalterung im Allgemeinen als eine nachteilige Materialeigenschaft von Asphalt aufgefasst. Es ist heute nicht erschöpfend erforscht, ob der mit der Alterung verbundene Steifigkeitsanstieg des Bindemittels das Gebrauchsverhalten von Asphalt nicht auch vorteilhaft beeinflussen könnte. Vorausgesetzt die Festigkeit eines gealterten Bindemittels ist ausreichend und die Sprödigkeit wenig ausgeprägt, ist es grundsätzlich vorstellbar, das Gebrauchsverhalten von Asphalt mit einem gealterten Bindemittel mit Hilfe von geeigneten Zusätzen zu verbessern. Das wäre eine hervorragende Voraussetzung für die oftmalige Wiederverwendung von Ausbauasphalt.

Die Chemieindustrie forscht an «Verjüngungsmitteln». Wie ist der aktuelle Stand?
Grundsätzlich kann das Verjüngen durch die Zugabe von frischem, weichem Bindemittel erfolgen. Je viskoser das gealterte Bindemittel bzw. je höher die Zugaberate an Ausbauasphalt ist, umso mehr Frischbindemittel muss zugegeben werden. Allerdings ist die mögliche Zugabemenge begrenzt: Wenn der Ausbauasphalt extrem gealtert ist oder in grosser Menge zugegeben werden soll, überschreitet die zur Kompensation theoretisch notwendige Menge an frischem Bindemittel den maximal möglichen Bindemittelgehalt, das Asphaltmischgut würde zu weich.

Bei hohen Recyclingraten wird daher anstelle von oder zusätzlich zum Frischbindemittel ein Verjüngungsmittel zugegeben. Verjüngungsmittel verringern die Viskosität des gealterten Bindemittels stärker als frische Bindemittel, bei deutlich geringerer Zugabemenge.

Die internationale Forschung zu Verjüngungsmitteln ist auf den Einsatz im Rahmen von Asphaltrecycling fokussiert, also zur Asphaltmischgutproduktion unter Mitverwendung von Ausbauasphalt. Das Verjüngungsmittel wird entweder dem Asphaltgranulat zugegeben oder im Mischer zugemischt und dient der Viskositätsabsenkung des gealterten Bindemittels im Ausbauasphalt. Der Einsatz von Verjüngungsmitteln zum Versiegeln von Asphaltdeckschichten als Sanierungsmassnahme ist in der heutigen Forschung hingegen nicht relevant. Hierbei wird darauf abgezielt, das Verjüngungsmittel grossflächig zur Viskositätsabsenkung von sprödem Bindemittel in gealterten Asphaltdeckschichten aufzubringen und die alterungsbedingte Schadensbildung (wie z. B. Kornausbruch, Schlaglochbildung) präventiv zu minimieren.

Die Produktpalette an Verjüngungsmitteln ist riesig. Dies resultiert auch daher, dass zur Markteinführung heute keine bestimmten Anforderungen gestellt werden. Ein Nachweis der Wirksamkeit aus einer Erprobungsstrecke wird als zweckmässig gesehen, ist aber oft keine Bedingung. Heute sind beispielweise Verjüngungsmittel in Form von Naturbitumen, Mineralölen oder Fluxölen (teilweise aus aufbereiteten Altölen), biogenen Produkten (Pflanzenöle, Fettsäuren, Harze, organische Lösungsmittel) und chemischen Erzeugnissen (Bsp. Siloxane) auf dem Markt. Teilweise sind die Verjüngungsmittel gleich oder ähnlich den viskositätsverändernden Mitteln. Allerdings geben die Anbieter von Verjüngungsmitteln aus schutzrechtlichen Gründen keinen bzw. kaum Einblick in die Zusammensetzung und die Wirkweise ihrer Produkte. Oft beschränken die Hersteller die Anwendung ihrer Produkte teilweise auf eine maximale Verwendungsrate an Asphaltgranulat und bieten unterschiedliche Produkte an, je nachdem ob im Asphaltgranulat Strassenbaubitumen oder polymermodifiziertes Bitumen enthalten ist. Die Dosierung wird vom Hersteller ‚eingestellt‘ oder empfohlen, meist in Abhängigkeit vom Erweichungspunkt Ring und Kugel, von der Nadelpenetration und der Menge des im Asphaltgranulat enthaltenen Bindemittels.

Worauf muss bei der Entwicklung eines solchen Mittels speziell geachtet werden?
Grundvoraussetzung für alle Produkte sind Arbeitssicherheit und Umweltschutz – die Forderung einer toxikologischen Bewertung ist zweckmässig. Dies gilt für den gesamten Lebenszyklus, also auch für den Fall der Wiederverwendung am Ende der Gebrauchsdauer.

Ich meine auch, dass Verjüngungsmittel eine bitumenähnliche Zusammensetzung haben sollten, oder besser gesagt, sie sollten ein verjüngtes Bindemittel nicht so verändern, dass dessen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Bindemitteln untypisch sind. Und sie sollten im Asphaltmischgut möglichst vollständig aufgehen, das heisst, sich mit dem Bindemittel vollständig vermischen.

Was sind mögliche Vor- und Nachteile, die ein solches Mittel mit sich bringen? Wo gibt es Chancen? Wo liegen die Herausforderungen?
Der grösste Vorteil liegt in der Wiederverwendung von Strassenbaustoffen. Die Asphaltbranche drängt heute schon – wie kaum ein anderer Industriezweig – nachdrücklich darauf, die umweltverträgliche Bewirtschaftung von Asphalt im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetzes im grossen Stil sicherzustellen. Dabei hat Asphalt ein hohes Potential – auch wegen der Entwicklung von Verjüngungsmitteln – mehrfach wiederverwendet zu werden. Schon heute werden zunehmend Ausbauasphalte – das sind alte Asphalte, die aus aufgebrochenen Asphaltstrassen gewonnen werden – wiederverwendet, die bereits vor Jahrzehnten mit Anteilen an Ausbauasphalt hergestellt wurden. Dies macht Asphalt zu einem überaus nachhaltigen Baustoff. Voraussetzung dafür ist, dass beim Prozess der Wiederverwendung dem Asphalt keine Stoffe zugefügt werden, die ihrerseits nicht rezyklierbar sind. Das wäre eine nachteilige Entwicklung.

Es sind heute unterschiedliche Varianten zur Verwertung von Ausbauasphalt üblich. Die Recyclingstrategien zielen ab auf eine möglichst hochwertige Wiederverwendung. Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen wird daher das echte ‚Re-cycling‘, also die Wiederverwendung von Ausbauasphalt in neuen Asphaltschichten, gegenüber einem ‚Down-cycling‘, beispielsweise wenn der Ausbauasphalt in ungebundenen Schichten verbaut wird, bevorzugt. Das echte Recycling ist auch eine grosse Chance im Wettbewerb mit anderen Bauweisen. In vielen Ländern ist heute das Heissrecycling von Fräsasphalt in Asphaltmischanlagen die angestrebte Variante, das bedeutet die Herstellung von Heissmischgut in der Asphaltmischanlage unter Mitverwendung von Asphaltgranulat oder Recycling an Ort und Stelle, indem die Asphaltstrasse direkt auf der Baustelle erwärmt, aufgenommen und nach Zugabe von Gesteinskörnungen, Bindemittel oder neuem Asphalt qualitativ verbessert und wieder eingebaut wird.

Eine wesentliche Herausforderung für die Weiterentwicklung der Asphaltbauweise sehe ich darin, die Technologie des Heissrecyclings in eine Technologie des Warm- oder Kaltrecyclings zu überführen. Ziel dabei ist, die zukünftigen Produktions- und Einbautemperaturen von Asphalt deutlich abzusenken, zur Energieeinsparung und zur Reduktion von CO2-Emissionen. Dazu sind auch die Möglichkeiten der Verjüngung weiterzuentwickeln.

Wie schaut es mit Langzeitstudien aus?
Die wenigen die es vielleicht gibt, reichen nicht aus, um daraus allgemein gültige Gesetzmässigkeiten abzuleiten.

Angenommen, das ultimative «Verjüngungsmittel» schafft den Durchbruch.
Was passiert dann?
Dann ist die Wiederverwendung von Ausbauasphalt für die Herstellung von Niedrigenergieasphalt eine interessante Option, weil infolge der Temperaturreduktion während der Asphaltproduktion kaum noch eine Bindemittelalterung stattfinden dürfte und dadurch extrem hohe Recyclingraten prozesssicher funktionieren, und ausserdem lange Lebensdauern erzielt werden. Dies würde die Nachhaltigkeit der Asphaltbauweise nochmals deutlich steigern.