Insights into the homogeneity of asphalt mixtures containing reclaimed asphalt pavement (RAP)

Liu, Quan; Oeser, Markus (Thesis advisor); Wellner, Frohmut (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

In den letzten zwei Jahrzehnten hat wiedergewonnener Asphaltbelag (RAP) aufgrund des Klimawandels und der Anforderungen an die Ressourcenschonung zunehmende Aufmerksamkeit erfahren. Die derzeit hohe Wiederverwendungsrate von Altasphalt reduziert die Deponieflächen der Entsorgung und die damit verbundenen Umweltauswirkungen grundlegend. Daher kann der Einsatz von RAP neben der Reduzierung der Baukosten und des Verbrauchs natürlicher Ressourcen auch erhebliche Umweltvorteile schaffen, wie beispielsweise die Lösung der Entsorgungsprobleme. Diese Diplomarbeit wurde mit dem Schwerpunkt auf der Homogenität von Asphaltmischungen mit RAP-Materialien aus multiskaliger Perspektive durchgeführt. Die Homogenität von Asphaltmischungen bestimmt in hohem Maße die Leistungsfähigkeit von Asphaltmischungen bei entsprechender Materialauslegung. Die Verteilung von Gesteinskörnungen, die Bindemittelmigration und die Diffusion von Bindemitteln im Mischprozess von losen Asphaltmischungen werden durch die Mischvorrichtung, Mischtemperaturen und Mischdauern usw. beeinflusst. Im Rahmen des Multiskalenrahmens wird daher diese Arbeit betrachtet die Variablen wie Mischtemperatur, Mischzeit, Wärmeleitfähigkeit, Zuschlagstofftyp, um einen Einblick in die Homogenität von Asphaltmischungen mit RAP zu erhalten. Der Einfluss der Mischbedingungen auf die makroskalige Homogenität wurde untersucht. Das experimentelle Design berücksichtigte eine thermische Gleichgewichts-Mischumgebung. Es wurden ein indirekter Zugmodul in mehreren Richtungen und eine morphologische Charakterisierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine lange Mischzeit die Bildung des homogenen Zustands begünstigte, insbesondere für das Aufbrechen von Clustern in RAP-Materialien. Mit zunehmender Mischzeit nahm die Makrohomogenität der Asphaltmischung vom Zustand "momentane Homogenität" bis zum Zustand "reale Homogenität" (Mischmodell im Makromaßstab) zu. Während eine hohe Mischtemperatur eine negative Rolle bei der Materialverteilung spielte, wurde behauptet, dass der Temperaturanstieg das Aufbrechen von Clustern behindern und die Zustandsverschiebung in Richtung eines "echten Homogenitätszustands" verlängern würde. Der Einfluss der Mischungsbedingungen auf die Homogenität auf der Mesoskala sowohl in thermischen Gleichgewichts- als auch in thermischen Nichtgleichgewichts-Umgebungen wurde untersucht. Als Messverfahren werden das dynamische Scherrheometer (DSR) und die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass in Bezug auf Migration und Diffusion die Mischtemperatur eine wichtigere Rolle spielte als die Mischzeit. Als migrationsdominierte Phase gefolgt von der diffusionsdominierten Phase wurde ein zweistufiges Modell (Mikro- und Mesoskaliges Mischmodell) vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde das Asymmetric Gaussian Model (AGM) entwickelt, um die Mischgeschwindigkeit mit der Mischzeit quantitativ zu beschreiben. Die Diffusion zwischen RAP-Bindemittel und neuem Bitumen war eng mit der mesoskaligen Homogenität von Asphaltmischungen (Bindemittelmigration) verbunden. Mit anderen Worten, die Diffusion erfolgte nur, wenn das RAP-Bindemittel und neues Bitumen zusammenwirkten. Die Molekulardynamiksimulation wurde bei der Untersuchung des Alterungsgradienten in Bitumen und der Diffusion zwischen RAP-Bindemittel und neuem Bitumen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Alterungsgradient zusammen mit der Tiefe existierte. Auf molekularer Ebene kann die Grenzfläche zwischen Neubitumen und Altbitumen aufgrund der Migration von Harzkomponenten schnell erreicht werden. Der Diffusionsprozess war jedoch im Vergleich zur Grenzflächenbildung erheblich langsam. Darüber hinaus kann die Zuschlagschicht durch Anhaften an den polaren Molekülen in Bitumenbindemitteln den Diffusionsprozess zwischen neuem und gealtertem Bitumen beschleunigen. Zusätzlich zur Veranschaulichung der Errungenschaften schlug diese Dissertation drei relative Forschungsthemen vor, die für zukünftige Arbeiten verdient sind: (1) Quantitative Charakterisierung der Probenmorphologie von zweidimensional (2D) zu dreidimensional (3D); (2) Die Entwicklung der Multi-Scale Synchro-adjust Methodology (MSM) hin zu einer nahezu perfekten homogenen Asphaltmischung; (3) Der Einsatz computergestützter Verfahren bei der Bemessung von RAP-haltigen Asphaltmischungen von Anfang bis Ende.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen [313410]