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Nachhaltige Entwicklung in der Verkehrsinfrastruktur
Die Klimakrise in den 1970er Jahren, das Kyoto-Protokoll von 1997 und das wachsende Bewusstsein für den Klimawandel haben Fachleute für Verkehrsinfrastruktur dazu veranlasst, nach Innovationen zu suchen, um natürliche Ressourcen zu schonen und den Energieverbrauch und die Emissionen beim Bau von Fahrbahnen zu senken.
Einschichtiger Asphalt, der gleichzeitig die Rolle der Tragschicht und der Deckschicht übernimmt, stellt eine interessante Alternative zu mehrschichtigen Strukturen dar und ermöglicht insbesondere eine Reduktion der Bau- und Unterhaltskosten sowie des Rohstoffverbrauchs. Solcher Asphalt wird jedoch selten verwendet. Sein Anwendungsbereich ist derzeit auf Fahrbahnen mit geringer Beanspruchung beschränkt.
Gleichzeitig können wir beim Bau wie auch beim Unterhalt der Strasseninfrastruktur durch den Einsatz neuer, oft als umweltfreundlich qualifizierter Technologien und Materialien einen grösseren Beitrag zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Bauweise leisten. Unter diesen neuen Technologien wurde der Verwendung von Asphalt mit niedrigeren Herstellungstemperaturen wie Niedertemperaturasphalt NTA (Warm Mix Asphalt - WMA) besondere Aufmerksamkeit gewidmet [1]. Grundsätzlich kann mit der WMA-Technologie die Produktions- und Verdichtungstemperatur im Vergleich zu herkömmlichem Heissmischasphalt um 20 bis 60 °C gesenkt werden. Durch die WMA-Produktion mit chemischen Zusätzen kann zum Beispiel die Luftverschmutzung um 24 bis 30 Prozent und der Verbrauch fossiler Brennstoffe um 18 Prozent reduziert werden [2].
Darüber hinaus wurde in den letzten zwei Jahrzehnten ein wachsendes Interesse an recyceltem Asphaltmaterial (Reclaimed Asphalt Pavement – RAP) als teilweiser oder vollständiger Ersatz für die natürlichen Zuschlagstoffe im Heissmischasphalt beobachtet [3], [4]. Studien im Zusammenhang mit dem Einsatz von RAP in WMA sind jedoch immer noch relativ rar.
Wachse und Zusatzstoffe sowie die chemischen Zusätze [5], [6]. Zu den organischen Zusatzstoffen gehören Wachse wie Sasobit®, die die Viskosität des Bindemittels (Bitumen) oberhalb seines Schmelzpunktes senken, sodass die reduzierte Temperatur die Verarbeitbarkeit der Mischung für die Produktion und den Bau erfüllen kann [5], [7]. Unter den chemischen Zusätzen ist Evotherm® [8] zu erwähnen, das Vermischungsverhalten des Bitumens mit den Zuschlagstoffen bei niedrigeren Temperaturen verbessert. Der Zusatz reguliert und reduziert die Reibungskräfte an den Grenzflächen zwischen dem Bindemittel und den Gesteinskörnungen, was die Verdichtung erleichtert [9], [10]. Das Aufschäumen von Bitumen mit Wassereinspritzung ist in der Schweiz weit verbreitet. Dabei reduziert die Ausdehnung des Schaums (Schaumbitumen) die Viskosität und erleichtert die Umhüllung der Zuschlagstoffe bei niedrigeren Temperaturen [11], [12].
Der Grossteil der konsultierten nationalen und internationalen Arbeiten hebt insbesondere die folgenden Vorteile dieser Technologien hervor: (a) geringere Emissionen [13] [6], (b) bessere Arbeitsbedingungen durch weniger schädliche Gase, (c) geringerer Energieverbrauch bei der Herstellung der Bitumenmischung [14] und (d) schnellere Freigabe für den Verkehr.
Die Schweizer Normen erwähnen zwar einschichtigen Asphalt (Tragdeckschicht – TDS), führen aber keine spezifischen Anforderungen oder Richtlinien dafür auf, weder für die Zusammensetzung noch für die mechanischen Eigenschaften [15], [16].
Die Entwicklung eines einschichtigen bituminösen Asphalts mit einem hohen Anteil an Recyclingmaterial (RAP) und tieferen Herstellungstemperaturen trägt wesentlich zur nachhaltigen Entwicklung bei und stellt gleichzeitig eine schnelle und leistungsstarke Methode für das Einbringen von Strassenbelägen dar. Dieser Aspekt bildet den Kern des Projekts, das im Bereich Verkehrsinfrastrukturen der BFH durchgeführt wird.
In diesem Zusammenhang hat das in Kooperation mit dem Unternehmen JPF Construction SA (Bulle) ins Leben gerufene Innosuisse-Projekt zum Ziel, einschichtige bituminöse Asphalte mit geringen energetischen und ökologischen Auswirkungen zu entwickeln, deren optimierte mechanische Leistung einen Einsatz im Rahmen von Projekten für den Bau und den Unterhalt von kantonalen und kommunalen Strassen begünstigen werden. Die Innovation besteht also aus einem einschichtigen bituminösen Asphalt, der mindestens 80 Prozent RAP enthält und unter Einsatz von chemischen Zusätzen bei 130 °C (warm) hergestellt wird. Das Endprodukt muss zudem ausreichend hohe mechanische Leistungseigenschaften für einen breiten Einsatzbereich aufweisen. Dies ist bei den derzeit existierenden Produkten, die auf Oberflächen mit (sehr) geringer Beanspruchung angewendet werden und nur begrenzte Energie- und Umweltleistungsdaten aufweisen, nicht der Fall.
Um die oben genannten Ziele zu erreichen, führte das Forschungsteam im BFH-Labor eine breit angelegte Versuchsreihe zu folgenden Aspekten durch:
(a) Rohstoffe, (b) recycelte Zuschlagstoffe (RAP), (c) Asphalte, die mit der Warmmischtechnik unter Verwendung verschiedener chemischer Zusätze hergestellt werden, (d) rückgewonnenes Asphaltmaterial aus dem Zentralwerk von JPF und schliesslich (e) rückgewonnenes Asphaltmaterial von verschiedenen Strassenbaustellen, die im Rahmen dieses Projekts begleitet wurden. Aufgrund dieser Laborversuche wählte das Team mehrere Zusammensetzungen von einschichtigem Asphalt für die Fabrikation von In-situ-Testbelägen aus. Erste vielversprechende Ergebnisse konnten bereits erzielt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die entwickelte Innovation eine nachhaltige Nutzung der Ressourcen, eine Senkung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen und schliesslich eine Erweiterung des Anwendungsbereichs von einschichtigem Asphalt im Infrastrukturbereich in der Schweiz ermöglichen wird.