Das Asphaltmischgut ist im Asphaltmischwerk entsprechend der festgelegten Rezeptur herzustellen.
Die grundsätzliche Kenntnis der Abläufe in dem Herstellungsprozess von der Anlieferung der Materialien am Asphaltmischwerk bis zur Lagerung des gemischten Asphaltmischguts in den Silos wird bei den folgenden Erläuterungen vorausgesetzt (bei Bedarf geben zum Beispiel [Hutschenreuther, Wörner 1998], [Riechert, Nolle 1999] und [Bleßmann u.a. 2008] einen Überblick). Die für die Aufgabenstellung der Arbeit wesentlichen Aspekte der einzelnen Prozessschritte werden in den folgenden Abschnitten näher erläutert.
Die Verwendung von Asphaltgranulat wird bei der Erstellung des Modells nicht berücksichtigt, da zum einen sehr selten Asphaltgranulat in der Asphaltdeckschicht verwendet wird und zum anderen die detaillierte Berücksichtigung seiner Verwendung die Komplexität des Modells deutlich erhöhen würde. Grundsätzlich haben aber Untersuchungen gezeigt, dass sich die Verwendung von Asphaltgranulat nicht nachteilig auf die Homogenität und das Langzeitverhalten von Asphaltdeckschichten auswirkt [Dengiz, Kössl, Vassiliou 1991].
3.4.2 Lagerung der Materialien
Der Boden der Lagerstätten für die Gesteinskörnung sollte fest, konstruktiv ausgebildet, sauber und trocken sein, um die Befahrbarkeit mit den Maschinen zu gewährleisten und Verschmutzungen in der unteren Lage der Gesteinskörnungen durch Erde, Gras, Wurzeln etc. zu verhindern [Martin, Cooley, Hainin 2003]. Die Verschmutzung des Gesteins kann sich unter anderem ungünstig auf die Adhäsion zwischen Gestein und Bitumen auswirken.
Ebenso muss eine Vermischung benachbarter Korngruppen und die Entmischung der einzelnen Korngruppen verhindert werden. Ersteres kann einfach durch eine bauliche Trennung (zum Beispiel
Boxen) oder einen ausreichenden Abstand geschehen, wobei der Bau von Boxen üblich ist. Die Entmischung kann ebenfalls durch bauliche Maßnahmen zur Reduzierung des Schüttkegels und die Reduzierung der Abwurfhöhe (vgl. hierzu auch Abschnitt 3.5.2) minimiert werden. Sind die Gesteinskörnungen vermischt oder innerhalb einer Korngruppe entmischt, können daraus deutliche Abweichungen in der Korngrößenverteilung des Asphaltmischguts resultieren. ([Martin, Cooley, Hainin 2003], [Bleßmann u.a. 2008]) Die Absiebung der Gesteinskörnung nach der Trocknung kann dies nur in einem geringen Teil auffangen.
Weiterhin sollte die Gesteinskörnung überdacht gelagert werden, damit möglichst keine Feuchtig-keit (zum Beispiel durch Regen) eingetragen und von dem Gestein aufgenommen wird; dies gilt insbesondere für die Gesteinskörnung von bis zu 5 mm [Bleßmann u.a. 2008]. Die Feuchtigkeit kann zwar in der Trockentrommel verdampfen, jedoch wäre dann der Trocknungsprozess kontinuierlich dem unterschiedlichen Wassergehalt der Gesteine anzupassen. Zudem bedeutet dies einen höheren Energieverbrauch. Wird der angestrebte Restwassergehalt durch eine zu kurze Verweildauer oder eine zu geringe Temperatur in der Trockentrommel nicht eingehalten, können Abweichungen in der realen Dosierung der Gesteinskörnungen die Folge sein, da die Dosierung nach dem Gewicht erfolgt. Ferner wird die Adhäsion zwischen Bitumen und Gestein beeinträchtigt.
Die Tanks, in denen das Bitumen gelagert wird, sind gut sichtbar mit Informationen über ihren Inhalt zu beschriften. Für die gängigen, am meisten verwendeten Bitumensorten sollten eigene Tanks vorgesehen werden. Am besten ist es, je Bitumensorte einen Tank vorzusehen, damit sich das Bitumen – würde ein Tank nacheinander für mehrere Bitumen verwendet – nicht mit dem Rest des zuvor in dem Tank gelagerten Bitumens vermischt. (Dass dies in der Praxis nicht selbstverständlich ist, zeigen die Untersuchungsergebnisse in [Bellin 1983].) Aus Gründen der Praktikabilität und der Wirtschaftlichkeit ist die Minimierung der Anzahl der Tanks jedoch nachvollziehbar.
Die Lagerung des Bitumens im beheizten Tank sollte so kurz wie möglich gehalten werden, damit auch hier die Bitumeneigenschaften möglichst nicht verändert werden.
Bei Polymermodifizierten Bitumen kann es bei einer längeren, unbewegten Lagerung in Abhängigkeit von der Kompatibilität des Bitumens und der Polymere zur Entmischung der Polymere kommen, sodass das für die Asphaltmischung aus dem Silo abgezogene Bitumen mit der Zeit deutlich unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Die Kompatibilität der Polymere (oder allgemein der Additive) und des Bitumens wird unter anderem von ihrer Zusammensetzung, Struktur und Physik beeinflusst. Sind die Polymere polar, kristallin und hochmolekular, weisen sie eine schlechte Kompatibilität. Das Bitumen weist eine schlechte Kompatibilität auf, wenn es asphaltenreich, hochviskos und oxidiert ist. Um die Entmischung zu vermeiden, ist die Lagerzeit weitestgehend zu reduzieren. Weiterhin könnten entweder die Bitumentanks mit einem Rührwerk ausgestattet werden oder die Zusätze zur Polymermodifizierung erst im Asphaltmischer hinzugefügt werden. Letzteres führt jedoch zu einer unterschiedlichen Verantwortung hinsichtlich der Gewährleistung (die Verantwortung geht vom Bitumenlieferant auf den Asphaltmischguthersteller über) und birgt die Gefahr, dass die Additive nicht homogen im Asphaltmischgut verteilt sind.
[Vondenhof, Schmeisser 2008]
3.4.3 Dosierung der Materialien
Die Rezepturtreue bei der Herstellung des Asphaltmischguts ist abhängig von der Prozesssteuerung, der Kalibrierung der Asphaltmischanlage und der genauen Anpassung an die einzelnen Rezepturen.
Häufig wird die Dosierung mit Hilfe von Steuerungselementen koordiniert und stetig kontrolliert, ein „blindes Vertrauen“ in die Technik sollte aber unterbleiben. Der Mischmeister kann mit seiner Erfahrung und relevanten Informationen aus dem Herstellungsprozess (zum Beispiel Füllstands-anzeige der Silos, Temperaturangaben an den einzelnen Stationen, Angabe der Einwaagen, Videobilder nicht einsehbarer Bereiche, Kontakt zu weiteren an der Herstellung Beteiligten) den Herstellungsprozess ergänzend überwachen, die Angaben auf Plausibilität prüfen und so erheblich zur Qualitätssicherung und -verbesserung beitragen. Bei Abweichungen ist ein schneller Eingriff erforderlich. ([Opel 2006], [Riechert, Nolle 1999])
Bei der Kalibrierung der Steuerung ist die sogenannten Freifallkomponente zu berücksichtigen, das heißt die Menge zwischen Zugabeeinheit und Wiegeeinrichtung, die noch nach Schließen der Zugabeeinheit bzw. Beenden der Zugabe dem abgewogenen Teil zufällt. Diese Freifallkomponente steht unter anderem in Abhängigkeit von der Füllhöhe der Taschen. Daher wird die Dosierung gleichmäßiger und präziser, wenn die Füllmengen in den einzelnen Taschen des Silos angemessen und nahezu konstant sind. Die Toleranzen der Verwiegung beträgt in der Praxis üblicherweise 3 bis 5 %. ([Opel 2006], [Bleßmann u.a. 2008])
In einer Untersuchung [Opel 2006] von verschiedenen in elf unterschiedlichen Asphaltmischwerken hergestellten Asphaltmischungen (ohne Zugabe von Asphaltgranulat) ließen sich folgende Abweichungen ermitteln. Der Gesamtanteil der Gesteinskörner wies anlagenspezifisch eine systematische Abweichung zwischen -0,48 % und 0,06 %, im Mittel -0,13 % auf und der Bitumen-gehalt zwischen -1,12 % und 7,83 %, im Mittel 2,10 %. Demnach wurden tendenziell feinere Asphaltmischungen mit einem höheren Bitumengehalt hergestellt als nach Rezeptur vorgegeben.
(Eine ältere Untersuchung zeigte hingegen, dass im Durchschnitt der Soll-Bitumengehalt unterschritten wurde [Bellin 1983].) Der zufällige Fehler, ausgedrückt in der Standardabweichung, lag durchschnittlich für den Gesamtanteil der Gesteinskörner bei 0,29 %, für den Bitumengehalt bei 4,58 %. Der Vergleich der Einzelwerte mit dem Regelwerk zeigte, dass die Abweichungen überwiegend im Rahmen der Toleranzen lagen: Nur 15 von 264 Proben überschritten die Grenzen in ihrer Sieblinie für die Anteile an Füller, feiner und/oder grober Gesteinskörnung, 27 Proben überschritten die Grenzen für den Bitumengehalt. Eine Abhängigkeit von der Asphaltmischgutart und -sorte wurde nicht festgestellt.
Bei der Asphaltkonzeption kann die Bitumenmenge reduziert und ein magerer Asphalt entworfen werden, um dessen Verformungsbeständigkeit zu erhöhen. Gleichzeitig steigt damit aber das Maß der Bitumenalterung, da sie bei „ruhendem“ Bitumen unter anderem von der Dicke des Bitumenfilms abhängt. Für die Dauerhaftigkeit der Asphaltdeckschicht, einen guten Widerstand gegen Ermüdung und Rissbildung, die gute Verklebung der Gesteinskörner und eine gute Adhäsion zwischen Bitumen und Gesteinskorn ist somit ein dicker Bitumenfilm günstiger. Herstellungsbedingt kann die Dicke des Bitumenfilms schwanken: Mit steigendem Bitumengehalt nimmt bei gleicher Korngrößenverteilung die Dicke des Bitumenfilms zu, ebenso bei gleicher Bitumenmenge und gröberer Korngrößenverteilung (da die spezifische Oberfläche der Gesteinskörner sinkt). Bei geringerem Bitumengehalt oder feinerer Korngrößenverteilung gilt der Umkehrschluss. ([Vonk, Korenstra, van Hek 2003], [Zenke 1975])
Gleichzeitig sinkt mit der Überdosierung von Bitumen oder von feiner Gesteinskörnung der Hohlraumgehalt (was ebenso die Bitumenalterung reduzieren kann). Dabei ist ein Asphaltmischgut mit konzeptionell einem höheren Anteil an feiner Gesteinskörnung in seinen Eigenschaften sehr empfindlich gegenüber Bitumenschwankungen [Hutschenreuther, Wörner 1998]. Werden mehr Gesteinskörner mit einem großen Korndurchmesser dem Asphaltmischgut hinzugefügt und die Bitumenmenge entsprechend der Soll-Einwaage konstant gehalten, so gleicht das – aufgrund der geringeren spezifischen Oberfläche der größeren Gesteinskörner – einer Erhöhung des Bitumengehalts. Für den Einbau hat dies eine höhere Verdichtungswilligkeit zu Folge und für die Nutzung eine geringere Verformungsbeständigkeit. [Arand, Renken 1980]
In einer niederländischen Untersuchung [van der Heide, van der Zwan 1985] wurde gezeigt, dass die Reduzierung des Bitumengehalts bei dichten Gemischen (Asphaltbeton) von 6,5 auf 6,0 M.-%
die Lebensdauer verkürzt. Bei offenen Gemischen wurde bei einer Reduzierung des Bitumengehalts von 6,0 auf 5,4 M.-% eine Verkürzung der Lebensdauer um mehr als die Hälfte von mindestens 8 Jahren auf 3 Jahre beobachtet.
Für den weiteren Herstellungsprozess ist von Bedeutung, dass die Reduzierung des Bitumens (bereits um 0,2 M.-%) die strukturelle Entmischung des Asphalts (vgl. Abschnitt 3.5.2) begünstigen kann [Brown, Collins, Brownfield 1989].
3.4.4 Mischen der Materialien Mischtemperatur
Das Gesteinskörnungsgemisch ist in der Trockentrommel so stark zu erhitzen, dass nach Zugabe des Füllers die für das Mischen erforderliche Temperatur erhalten bleibt [TL Asphalt-StB 07]. Demnach ist die Temperatur in der Trockentrommel typischerweise höher als in dem Mischer. Sofern notwendig oder für den Prozess günstiger, kann der Füller auch erwärmt zugegeben werden.
Bei der Zugabe des Bitumens zu dem Gesteinskörnungsgemisch ist darauf zu achten, dass sich das Bitumen nicht – neben einer begrenzten Verhärtung infolge der Alterung – schädlich verändert; dies kann insbesondere bei einer zu starken Erhitzung des Gesteins auftreten.
Für die Verhärtung des Bitumens stellt der Mischprozess den wesentlichen Einflussfaktor im gesamten Herstellungsprozess dar. Dabei gilt: Je höher die Mischtemperatur ist, desto stärker verhärtet das Bitumen. Liegt die Asphaltmischguttemperatur rund 40 K oberhalb der günstigen Temperatur, bei der das Bitumen eine geeignete Viskosität aufweist, ist mit einer Erhöhung des Erweichungspunktes Ring und Kugel der Straßenbaubitumen von etwa 6 K zu rechnen, anstelle von etwa 3,4 K bei der günstigen Temperatur [Richter 1989] – allerdings liegen diesem Ergebnis nur wenige Versuche (16 Proben bei günstiger Temperatur und 9 Proben bei erhöhter Temperatur) zugrunde.
Bei der Auswertung von 15 Asphaltmischungen mit Polymermodifiziertem Bitumen zeigten sich ähnliche Ergebnisse: Der Erweichungspunkt Ring und Kugel stieg durch den Mischprozess an dem Splittmastixasphalt um 2,5 bis 11 K an, wobei die hohen Anstiege bei den weicheren Bitumen gemessen wurden. Die Abnahme der Nadelpenetration war ebenfalls bei den weicheren Bitumen höher als bei den härteren Bitumen, an den Polymermodifizierten Bitumen aber tendenziell etwas geringer als an den Straßenbaubitumen. Die Unterschiede in der Alterung konnten neben der Viskosität des Bitumens teilweise auf die verschiedenen Bitumenhersteller (und damit anzunehmen die unterschiedliche Herkunft) zurückgeführt werden. [Renken, Hagner, Feßer 2001]
Wird das Bitumen im Mischprozess erst nach der Vermischung von grober und feiner Gesteins-körnung sowie Füller beigemischt, ist die Verhärtung stärker, als wenn das Bitumen vor der Zugabe des Füllers bzw. der feinen Gesteinskörnung und des Füllers beigemischt wird [Kronig 1988].
Mischdauer
Der Mischvorgang und die Mischdauer ist grundsätzlich so zu wählen, „dass eine vollständige und gleichmäßige Umhüllung aller Gesteinskörnungen mit dem Bitumen sowie eine homogene Einmischung der Zusätze erzielt wird und ein gleichmäßiges Asphaltmischgut entsteht.“ [TL Asphalt-StB 07] Die gleichmäßige und gute Umhüllung des Gesteins dient unter anderem dem hohen Widerstand gegen schädigende Einflüsse von Feuchtigkeit während der Nutzungsphase [Martin, Cooley, Hainin 2003], kann aber auch das Auftreten von einer strukturellen Entmischung (vgl. Abschnitt 3.5.2) reduzieren [Brown, Collins, Brownfield 1989]. Die Homogenität des Asphaltmischguts ist für eine hohe Qualität beim Einbau wichtig (siehe Abschnitt 3.5) und kann im Mischprozess nur erreicht werden, wenn die Dauern für das Mischen der einzelnen Komponenten in dem Mischer und die Nachmischzeit hinreichend bemessen sind. Die Angaben der Hersteller der Komponenten, insbesondere von Bitumen und Zusätzen, sind dabei zu berücksichtigen.
Die gesamte Mischdauer für das Asphaltmischgut ist abhängig von der Kapazität des Mischers (meist 3 bis 5 t) und seinem Füllungsgrad, der Asphaltart und -sorte und damit auch der enthaltenen Komponenten. Sie wird mit etwa 35 bis 50 Sekunden angegeben und ist bei Verwendung von Zusätzen um etwa 10 bis 15 Sekunden zu erhöhen. Für eine gute Homogenität des Asphaltmischguts hat sich eine Gesamtmischdauer von im Durchschnitt mindestens 50 Sekunden durchgesetzt – besonders für das Asphaltdeckschichtmischgut. ([Kronig 1988], [Richter 1989], [Drüschner, Schäfer 2000]).
Nach theoretischen Überlegungen ist bei konstanter Gesamtmischdauer für die Homogenität und gute Umhüllung des Asphaltmischguts eine Mischfolge zu bevorzugen, bei der zunächst die grobe Gesteinskörnung für eine gute Umhüllung mit dem Bitumen (für etwa 15 s) gemischt und danach die feine Gesteinskörnung und Füller sowie gegebenenfalls stabilisierende Zusätze hinzugefügt und zusammen (für ebenfalls 15 s) vermischt werden. Dem steht die konventionelle Mischfolge gegenüber, bei der zunächst die grobe und feine Gesteinskörnung mit Bitumen gemischt werden, relativ zeitnah der Füller hinzugefügt wird und dann die gesamten Komponenten (für etwa 30 s) vermischt werden. In Untersuchungen [Kronig 1988] bestätigte sich diese Theorie jedoch nicht eindeutig, weshalb im Rahmen der vorliegenden Arbeit derartige Abhängigkeiten nicht betrachtet werden.
3.4.5 Lagerung des Asphaltmischguts
Die Dauer für die Lagerung des Asphaltmischguts ist in Abhängigkeit von seiner Art und der Art des Silos begrenzt, zum Beispiel um ein Ablaufen des Bitumens zu verhindern oder eine weitere Verhärtung des Bitumens zu vermeiden, wie es im Zuge des exothermen Prozesses möglich ist.
In dem exothermen Prozess wird das silierte Asphaltmischgut infolge von Wärme, die bei chemischen Reaktionen freigesetzt wird, weiter erhitzt, sodass das Bitumen weiter verhärtet oder sogar geschädigt werden kann. Für das Auftreten eines exothermen Prozesses ist eine wesentliche Voraussetzung die Sauerstoffzufuhr. Relativ viele und große Hohlräume im Asphaltmischgut, sodass eine relativ große Oberfläche vorhanden ist und ein einfach zu durchdringendes Hohlraumsystem entsteht (Kaminwirkung), ein relativ dünner Bitumenfilm an den Gesteinskörnern und ausreichend Sauerstoff im Silo begünstigen den exothermen Prozess. Vor diesem Hintergrund soll die Teilfüllung des Silos vermieden werden, da der Anteil des verfügbaren Sauerstoffs dann relativ größer ist und somit den exothermen Prozess fördert. Der exotherme Prozess geschieht zunächst nur langsam und wird mit steigender Temperatur schneller. Strömt kein weiterer Sauerstoff nach, ist der Prozess nur zeitlich begrenzt möglich und die Temperatur stabilisiert sich schließlich. Aufgrund der Rahmenbedingungen ist dieses Phänomen vorrangig bei Asphaltmischungen der Asphalttrag- und -binderschicht bedeutsam; in einer Untersuchung konnten bei der Lagerung von Asphalttragschicht-mischgut über eine Dauer von 10 Stunden Temperaturanstiege um etwa 30 K bestimmt werden.
[Lehdrich 1981] Bei relativ hohlraumreichen Asphaltmischungen für die Asphaltdeckschicht sollte er aber ebenso berücksichtigt werden.
Der Anstieg des Erweichungspunktes Ring und Kugel als oxidativer Alterungsprozess (vgl. Abschnitt 3.3.2) bei der Heißsilierung wurde im Rahmen einer Untersuchung an Asphaltbetonmischgut mit im Mittel 1,7 K festgestellt und betrug damit nur die Hälfte des Anstiegs des Erweichungspunktes Ring und Kugel an Asphaltbindermischgut. Die Einflussfaktoren auf das Maß der Bitumenverhärtung entsprechen denen des exothermen Prozesses. Im Vergleich zu der Verhärtung des Bitumens beim Mischprozess ist die Verhärtung infolge der Lagerung jedoch tendenziell geringer. [Richter 1989] Der Anstieg des Erweichungspunktes Ring und Kugel bei der Lagerung von Splittmastixasphalt mit Polymermodifiziertem Bitumen wurde in einer Untersuchung mit überwiegend höchstens 1 K, im Einzelfall bis zu 5 K ermittelt [Renken, Hagner, Feßer 2001].
Demzufolge muss bei dem Transport des Asphaltmischguts aus dem Mischer in das Silo und bei der Lagerung im Silo die Luftzufuhr vermieden werden, um die Alterung des Bitumens zu reduzieren und ein Auskühlen sowie eine durch den exothermen Prozess bedingte Erhitzung des Asphaltmischguts zu vermeiden. Weiterhin sollten die Transporteinheit und das Silo isoliert werden [Bleßmann u.a. 2008].
Auf die Eigenschaften der Gesteinskörnung hat die Lagerung keine Auswirkung. Lediglich auf die Homogenität des Asphaltmischguts ist zu achten, Erläuterungen zur strukturellen Entmischung werden aufgrund des thematischen Zusammenhangs in Abschnitt 3.5 bzw. 3.5.2 gegeben.
3.4.6 Teilmodell Herstellung des Asphaltmischguts
Zur Erläuterung der grafischen Darstellungen siehe Abschnitt 2.4. Eine vergrößerte Darstellung des Modells ist in dem Anhang, Abschnitt 8.4.1 abgebildet.
3.5 Transport des Asphaltmischguts – von dem Asphaltmischwerk bis zur Bohle