Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

Technische Zusammenfassung: Experimentelle Untersuchung und Lebenszyklusanalyse von RAP, modifiziert mit Fe2O3 und Altspeiseöl-Zusatzstoffen

Problemstellung
Asphaltdecken leiden häufig unter Schadbildern wie thermischen Rissen bei niedrigen Temperaturen, Spurbildung bei hohen Temperaturen und Feuchtigkeitsschäden, die durch schweren Verkehr, Konstruktionsmängel und Umweltfaktoren verursacht werden. Während Asphaltadditive die Leistungsfähigkeit verbessern können, verbessern einzelne Modifikatoren selten gleichzeitig alle Eigenschaften. Darüber hinaus stützt sich die Straßenbauindustrie stark auf natürliche Ressourcen und energieintensive Prozesse, was erheblich zur Umweltverschmutzung beiträgt. Obwohl Reclaimed Asphalt Pavement (RAP), Altspeiseöl (WCO) und Nano-Fe2O3 einzeln untersucht wurden, mangelt es an Forschung bezüglich ihrer kombinierten Anwendung in RAP-Mischungen und der systematischen Quantifizierung ihrer kombinierten mechanischen und ökologischen Auswirkungen.

Methodik
Diese Studie verwendete einen dualen Additiv-Modifikationsansatz, um RAP-Asphaltmischungen zu bewerten. Fünf verschiedene Mischungen wurden vorbereitet und getestet:

1. Kontrollmischung (Virgin-Asphalt).
2. RAP-Mischung (20 % RAP).
3. RAP-Mischung, modifiziert mit Altspeiseöl (WCO) in variierenden Dosierungen (5 %, 7 %, 9 %).
4. RAP-Mischung, modifiziert mit Nano-Fe2O3 in variierenden Dosierungen (2 %, 3 %, 4 %).
5. RAP-Mischung mit einem Komposit aus Nano-Fe2O3 und WCO.

Experimentelle Auswertung:

• Probenherstellung: Es wurde eine Trockenmischmethode angewandt. Die Gesteinskörnungen wurden auf 175 °C erhitzt, mit den Zusatzstoffen vermischt, anschließend mit Virgin-Bitumen (Grad 60/70) bei 160–170 °C und zuletzt mit dem Füller versetzt.
• Mechanische Tests:
  • Marshall-Test: Bestimmung des optimalen Bindemittelgehalts, der Stabilität, des Fließverhaltens, der Dichte und der Hohlräume.
  • Spurmaßprüfung (Hamburg): Bewertung des Widerstands gegen Spurbildung bei 60 °C unter 0,7 MPa Druck.
  • Marshall-Immersionsprüfung: Bewertung des Widerstands gegen Feuchtigkeitsschäden (Feuchtigkeitsempfindlichkeitsverhältnis - MSR).
  • Indirekte Zugfestigkeit (ITS): Messung des Widerstands gegen thermische Rissbildung bei -5 °C.
• Lebenszyklusanalyse (LCA):
  • Funktionelle Einheit: 1 km Länge × 1 m Breite der Deckschicht (15-jährige Auslegungsdauer, 20.000 Fahrzeuge/Tag).
  • Systemgrenzen: Umfasste die Rohstoffproduktion, die Herstellung des Asphaltgemisches, den Transport und den Bau der Deckschicht. Ausgeschlossen waren die Phasen Design, Nutzung und Lebensende.
  • Werkzeuge & Daten: SimaPro 9.1.0 Software mit der Ecoinvent-Datenbank (V 3.6) und der CML2001-Wirkungskategorien-Methode.
  • Wirkungskategorien: Bewertung von 10 Kategorien, einschließlich Treibhauspotenzial (GWP), Versauerung (AP), Eutrophierung (EP), Ozonabbau (OLD) und verschiedener Toxizitätspotenziale.

Wichtigste Ergebnisse

• Mechanische Leistung:
  • Widerstand gegen Spurbildung: Nano-Fe2O3 verbesserte den Widerstand gegen Spurbildung signifikant. Die Kompositmischung (M8) erzielte die größte Verbesserung und reduzierte die Spurtiefe im Vergleich zur Kontrolle um 38,60 %. WCO allein erhöhte die Spurtiefe leicht.
  • Thermische Rissbildung: WCO zeigte eine überlegene Wirkung auf den Widerstand gegen thermische Risse im Vergleich zu Nano-Fe2O3. Die Kompositmischung (M8) verzeichnete die höchste indirekte Zugfestigkeit (ITS) und verbesserte diese gegenüber der Kontrolle um 30,21 %.
  • Feuchtigkeitsbeständigkeit: Nano-Fe2O3 zeigte eine größere Wirkung auf den Widerstand gegen Feuchtigkeitsschäden als WCO. Die Kompositmischung (M8) erreichte das höchste Feuchtigkeitsempfindlichkeitsverhältnis (MSR), was einer Steigerung von 8,24 % gegenüber der Kontrolle entspricht.
  • Optimale Dosierungen: Basierend auf den Marshall-Testergebnissen wurden 4 % Nano-Fe2O3 (M4) und 9 % WCO (M7) als optimale Dosierungen für die Einzelmodifikator-Mischungen identifiziert.
• Umweltleistung (LCA):
  • Einzelne Modifikatoren: Die RAP-Mischung (M1) verbesserte die Umweltauswirkungen in allen Kategorien im Vergleich zur Kontrolle. Die mit Nano-Fe2O3 modifizierte Mischung (M4) wies das beste Gesamtumweltprofil unter den modifizierten Mischungen auf, zeigte jedoch geringfügige negative Auswirkungen in den Kategorien EP, GWP, TETP und OLD. Die WCO-Mischung (M7) verbesserte das Profil ebenfalls, zeigte aber in ähnlichen Kategorien negative Auswirkungen.
  • Komposit-Modifikator: Die Kompositmischung (M8) verbesserte im Allgemeinen das Umweltprofil im Vergleich zur Kontrolle, wies jedoch die höchsten negativen Auswirkungen in mehreren Kategorien (TETP, AP, EP, OLD, GWP) im Vergleich zu anderen modifizierten Mischungen auf.
  • Prozessbeiträge: Die Bitumenproduktion war der Haupttreiber für AP, EP, GWP, HTP, FWETP, MAETP und POFP. Die Herstellung des Asphaltgemisches trieb die OLD-Auswirkungen voran, während der Transport die ADP- und TETP-Auswirkungen beeinflusste.
  • Gewichtung: Unter Verwendung einer kanadischen Panel-Gewichtungsmethode wiesen alle modifizierten Mischungen geringere Gesamtumweltauswirkungen auf als die Kontrollmischung. Die mit Nano-Fe2O3 modifizierte Mischung (M4) hatte die geringsten Gesamtumweltauswirkungen, gefolgt von der Kompositmischung (M8).

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass diese Studie die erste systematische Untersuchung der kombinierten Modifikation von RAP-Asphalt unter Verwendung von sowohl WCO als auch Nano-Fe2O3 darstellt. Die Forschung zeigt, dass während einzelne Additive spezifische Stärken haben (Nano-Fe2O3 für Spurbildung und Feuchtigkeit; WCO für thermische Rissbildung), ein kombinierter Ansatz die beste Gesamtmechanik liefert und dadurch die Widerstandsfähigkeit gegen Spurbildung, Feuchtigkeitsschäden und thermische Risse gleichzeitig signifikant verbessert.

Hinsichtlich der ökologischen Nachhaltigkeit kommt die Studie zu dem Schluss, dass, obwohl die Kompositmischung die überlegenen mechanischen Eigenschaften bietet, die Einzelmodifikation mit Nano-Fe2O3 das günstigste Gesamtumweltprofil unter Berücksichtigung der gewichteten Wirkungskategorien aufweist. Das Paper postuliert, dass Komposit-Additive eine praktikable Strategie sind, um die Gesamteffizienz und Lebensdauer von Asphaltmischungen zu verbessern, ohne die ökologische Nachhaltigkeit zu gefährden, und liefert Daten zur Unterstützung von Entscheidungen für die Straßenbaupolitik in Ägypten und ähnlichen Kontexten. Die Autoren betonen, dass kein einzelnes Additiv alle Mischungseigenschaften gleichermaßen verbessern kann, was die Notwendigkeit von Kompositlösungen rechtfertigt.