Aus (Asph)alt mach neu: Schweiz auf dem Weg zu nachhaltigem Straßenbau

DMZ –  FORSCHUNG / MM ¦ AA ¦                          

Dübendorf, St. Gallen und Thun - Die Schweiz hat ein gut ausgebautes Straßennetz, aber trotz Recycling entsteht mehr Ausbauasphalt, als in neuen Straßen wiederverwendet werden kann. Der Empa-Forscher Martins Zaumanis hat sich zum Ziel gesetzt, den Anteil des Recycling-Asphalts zu erhöhen. Dies soll durch angepasste Herstellungsmethoden und praxisnahe Anleitungen erreicht werden. Die Ergebnisse zweier Teststrecken in Uster und auf dem Lukmanierpass sind vielversprechend.

Im Frühjahr erwachen nicht nur die Blumen, sondern auch die Baustellen auf den Schweizer Straßen. Überall wird repariert, ausgebessert und erneuert. Ein Teil des alten Asphalts wird recycelt, aber immer noch landen jährlich etwa 750.000 Tonnen auf Deponien, wo sie zu wachsenden schwarzen Bergen werden. Obwohl der Bund und die Kantone, die die meisten Straßen besitzen, sich einig sind, dass dieser Asphalt zurück in das Schweizer Straßennetz soll, werden in der Schweiz kaum noch neue Straßen gebaut.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Anteil des Recycling-Asphalts in den bestehenden Straßen so hoch wie möglich zu halten. "Dafür benötigen wir ein besseres Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen Ausbauasphalt und neuem Material, angepasste Herstellungsverfahren und vor allem praxisnahe Anleitungen und Werkzeuge für die Industrie", sagt Empa-Forscher Martins Zaumanis. Diese Ziele verfolgte das Forschungsprojekt "HighRAP", das Zaumanis von 2019 bis Anfang 2023 gemeinsam mit dem Bundesamt für Strassen (ASTRA), dem Bundesamt für Umwelt (BAFU), den Kantonen Zürich und Graubünden sowie mehreren Industriepartnern durchführte.

Asphalt besteht aus einer Gesteinsmischung und dem Bindemittel Bitumen, das für hochbelastete Straßen teilweise mit Polymeren modifiziert wird. Bisherige Einschränkungen bei der Verwendung von Ausbauasphalt (RAP - "Reclaimed Asphalt Pavement") für den Bau neuer Straßen resultieren vor allem aus der Tatsache, dass das Bitumen im Laufe der Zeit altert und steif wird, was zu Rissen führen kann. Darüber hinaus kann es schwierig sein, das alte Material während des Mischprozesses gut mit dem neuen zu vermengen. Ein weiteres Problem ist die oft ungleiche Qualität von RAP: Materialien aus verschiedenen Straßenschichten und verschiedenen Altersstufen werden zusammengeführt, und unterschiedliche Granulatgrößen treffen aufeinander. Die Herstellung von hochwertigem Asphalt erfordert jedoch gleichmäßige Materialien. Es gibt etablierte Designmethoden für die Mischgutentwicklung und standardisierte Tests zur Qualitätskontrolle. Aber beim Hinzufügen von Ausbauasphalt zu den bestehenden Produktionsprozessen stoßen diese Methoden an ihre Grenzen.

Um den RAP-Gehalt insgesamt zu erhöhen, sind daher Innovationen auf verschiedenen Ebenen erforderlich - einschließlich des Ausbaus des alten Asphalts und seiner Aufbereitung. Asphalt wird normalerweise von der Straße gefräst oder gebrochen und anschließend zerkleinert. "Im besten Fall bleibt die ursprüngliche Gesteinskörnung erhalten, und es entsteht möglichst wenig Staub oder Füllermaterial", erklärt Zaumanis. Diese Faktoren erschweren die Wiederverwendung. In seiner Studie stellt er neue Kriterien für die Charakterisierung der RAP-Verarbeitung vor, die die Wiederverwendung erleichtern sollen. Neben Korngröße und Staubanteil sind vor allem der ursprüngliche Bitumenanteil und dessen Eigenschaften entscheidend, die je nach Quelle stark variieren können. Daher bietet Zaumanis ein einfaches Berechnungsmodell für Praktiker an, das die zulässige Variabilität je nach zukünftiger Anwendung festlegt.

Ein ähnlich praktisches Berechnungsmodell entwickelt er auch für die Dosierung des "Verjüngungsmittels". Diese öligen Substanzen erweichen das alte Bindemittel im Ausbauasphalt und machen es wiederverwendbar. Diese Verjüngungsmittel basieren beispielsweise auf Tallöl, einem Nebenprodukt der Papierherstellung.

Die Herstellung von Asphalt mit RAP ist aufgrund der Vielzahl von Materialien und Substanzen, die gemischt werden, erheblich komplexer als die Herstellung von neuem Asphalt. Hinzu kommt die Unsicherheit über die tatsächlichen Eigenschaften der Materialien und deren Zusammenspiel. "Das Vorgehen nach Rezeptbuch, wie es beim traditionellen Mischgutdesign üblich ist, reicht daher nicht aus", sagt Zaumanis. Stattdessen schlägt er vor, leistungsorientierte Testmethoden in den Prozess einzuführen, um das Material auf Rissbildung oder plastische Verformung zu überprüfen.

"Letztendlich sind es vor allem erfolgreiche Pilotprojekte und reale Teststrecken, die den Straßeneigentümern und Straßenbauern das Vertrauen in Asphalt mit hohem RAP-Gehalt vermitteln können", sagt der Empa-Forscher. Aus diesem Grund wurde im Rahmen seines Projekts auf zwei Straßenabschnitten "HighRAP-Asphalt" eingebaut - in Uster auf der vielbefahrenen Aathalstraße und auf der Lukmanierpassstraße, wo aufgrund der Höhenlage andere Anforderungen an den Straßenbelag gestellt werden.

In Uster konnte in der Deckschicht problemlos ein RAP-Gehalt von 30 % ohne Leistungseinbußen verwendet werden. "Typischerweise wird für stark befahrene Straßen in der Deckschicht heutzutage komplett auf RAP verzichtet", erklärt Zaumanis. In der darunter liegenden Binderschicht wurde in Uster gezeigt, dass zwischen 40 und 50 % RAP möglich sind. In beiden Fällen wird standardmäßig Asphalt mit polymermodifiziertem Bindemittel verwendet. "Um den RAP-Gehalt noch weiter zu erhöhen, könnte hoch polymermodifiziertes Bindemittel eingesetzt werden, um den Mangel an Polymeren im RAP-Bindemittel auszugleichen", schlägt Zaumanis vor.

Im Gegensatz zur Straße in Uster ist die Strecke über den Lukmanierpass zwar nicht stark befahren, aber dennoch den rauesten klimatischen Bedingungen ausgesetzt. "In dieser Höhenlage von 1900 Metern können starke Temperaturschwankungen zu Rissen im Straßenbelag führen", sagt Zaumanis. Sein Projekt zeigte jedoch, dass auch Asphalt mit hohem RAP-Gehalt diesen Bedingungen standhalten kann. Es wurde Asphalt mit einem RAP-Gehalt von 85 % in der Fundationsschicht und einem RAP-Gehalt von 70 % in den darüber liegenden Trag- und Binderschichten verwendet, und zwar ohne Probleme. Nach Laboruntersuchungen erwies sich der Belag insbesondere als sehr widerstandsfähig gegenüber Rissbildung aufgrund von Temperaturschwankungen.

Die beiden Teststrecken in Uster und auf dem Lukmanierpass werden in den kommenden Jahren weiter überwacht, um das Langzeitverhalten des RAP-Asphalts zu untersuchen. Martins Zaumanis ist jedoch bereits heute optimistisch, dass die schwarzen Berge auf den Deponien in den kommenden Jahren nicht mehr so stark anwachsen werden. Dies liegt einerseits an Projekten wie seinem, das die technologischen Möglichkeiten demonstriert, andererseits daran, dass auf politischer Ebene bereits Rufe nach einem Deponierverbot für Ausbauasphalt laut geworden sind. Dadurch sollen die Anreize für eine vollständige Wiederverwertung von Ausbauasphalt erhöht werden.

Herausgeber: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, www.empa.ch