Korrelationen zwischen chemischen und rheologischen Alterungsindizes/Indikatoren von Asphaltbindemitteln bei hohen Temperaturen

Warum die Alterung von Straßen uns alle betrifft

Wer schon einmal über ausgefahrene oder rissige Fahrbahnen gefahren ist, hat erlebt, was mit Straßen passiert, wenn sie altern. Im Zentrum jeder Asphaltstraße steht ein klebriges, teerähnliches Material, das Bindemittel, das die Steine zusammenhält. Über Jahre unter Sonne, Hitze und Luft härtet dieses Bindemittel aus und wird spröder, wodurch sich das Fahrverhalten unter Verkehr ändert. Diese Studie untersucht, wie sich chemische Veränderungen im Bindemittel als Änderungen seines Fließ- und Steifigkeitsverhaltens zeigen, mit dem Ziel, Vorhersagen zu erleichtern, wann Straßen Spurrillen bilden oder reißen, und wie recycelte Materialien sicherer eingesetzt werden können.

Wie sich Asphalt mit Zeit und Verkehr verändert

Asphaltbindemittel bestehen aus vielen verschiedenen organischen Molekülen, die mit dem Sauerstoff in der Luft reagieren. Beim Mischen und Einbau ist das Bindemittel hohen Temperaturen und Luft ausgesetzt, was eine erste Alterungsschub auslöst und neue Beläge bereits vor dem ersten Verkehr steifer macht. Danach setzt sich über Jahre eine langsamere Alterung unter dem gemeinsamen Einfluss von Hitze, Sauerstoff, Sonnenlicht und Feuchtigkeit fort. Dieser langfristige Prozess erhöht die Steifigkeit weiter: Straßen widerstehen bei hohen Sommertemperaturen möglicherweise dauerhaftem Spurreifen eher, werden aber gleichzeitig weniger flexibel und anfälliger für Ermüdung und Kaltwitterungsrisse. Mit dem Klimawandel, der mehr Hitzewellen bringt, und dem zunehmenden Einsatz von zurückgewonnenem Asphalt (RAP) wird das Verständnis dieses Gleichgewichts zwischen „guter“ und „schlechter“ Alterung immer wichtiger.

Untersuchung der Bindemittelchemie und -eigenschaften

Die Forschenden untersuchten drei gebräuchliche Asphaltbindemittel unterschiedlicher Weichheitsklassen und setzten sie im Labor kontrollierter Kurzzeit- und Langzeitalterung aus. Sie verwendeten einen rolling thin-film oven, um das Erhitzen und die Luftexposition beim Mischen nachzuahmen, und anschließend ein bis drei Zyklen in einem pressure aging vessel, um Jahre der In-Service-Alterung zu simulieren. Um chemische Veränderungen zu verfolgen, nutzten sie Infrarotlicht, um das Wachstum spezifischer sauerstoffreicher Gruppen zu messen, die bei der Oxidation des Bindemittels entstehen. Diese Signale wurden zu einem einzigen „Alterungsindex“ kombiniert, der ansteigt, wenn sich die Chemie des Bindemittels weiter vom frischen Zustand entfernt. Parallel dazu maßen sie, wie leicht das Bindemittel bei hohen Temperaturen fließt und sich verformt, mithilfe von Geräten, die kleine Bindemittelproben verdrehen oder rotieren, und gewannen Mengen in Bezug auf Viskosität, Steifigkeit unter oszillierenden Belastungen und detailliertere viskoelastische Modellparameter.

Die erste Phase verursacht den größten Schaden

Bei allen drei Bindemitteln bewegte sich jeder Alterungsindikator in dieselbe Richtung: Die chemische Oxidation nahm zu, die Hochtemperatursteifigkeit stieg und der Widerstand des Bindemittels gegen Fließen wuchs. Der Sprung war insbesondere nach dem ersten Langzeitalterungszyklus stark; spätere Zyklen erhöhten die Alterung weiterhin, jedoch in kleineren Schritten. Dieses Muster zeigte sich im infrarotbasierten Index, in der sogenannten Zero-Shear-Viscosity, die das Fließverhalten bei sehr langsamer Belastung repräsentiert, und in einem weit verbreiteten Spurrillenparameter, der widerspiegelt, wie stark eine Fahrbahn dauerhafte Fahrspureinsenkungen widersteht. Parameter aus einem erweiterten viskoelastischen Modell, die beschreiben, wie das Bindemittel von federndem zu viskosem Verhalten übergeht, nahmen ebenfalls systematisch mit der Alterung zu und erwiesen sich als empfindlich gegenüber dem Härtungsprozess.

Einfache Muster verknüpfen Chemie mit Leistung

Im Blick über alle Messungen fanden die Forschenden klare, mathematisch einfache Beziehungen zwischen chemischen und mechanischen Indikatoren. Für eine gegebene Bindemittelklasse stieg der Infrarot-Alterungsindex linear in Abhängigkeit vom Logarithmus der Zero-Shear-Viscosity und in Abhängigkeit eines Schlüsselparameters des Modells, der die Form der Steifigkeitskurve bestimmt. Der Spurrillenparameter zeigte eine starke Potenzgesetz-Verbindung zum chemischen Index und eine exponentielle Verknüpfung zur Zero-Shear-Viscosity. Die hochtemperatur-rotationelle Viskosität — die relativ leicht und häufig in der Praxis gemessen wird — korrelierte eng mit dem Spurrillenparameter über alle getesteten Bindemittel und war ebenfalls eng mit dem komplexeren Viskositätsmaß verbunden. Diese Trends hielten innerhalb jeder Bindemittelklasse konsistent, und einige, wie die Verbindung zwischen einfacher Viskosität und Spurrillensteifigkeit, blieben stark, selbst wenn man alle Klassen zusammenführte, die aus derselben Rohölquelle stammten.

Trends in praktische Werkzeuge ummünzen

Für eine*n Laien ist die Kernbotschaft, dass dieselbe Oxidationschemie, die Straßenbindemittel langsam erhärtet, einen klaren Fingerabdruck in deren Fließ- und Deformationsverhalten hinterlässt. Indem gezeigt wird, dass eine Messgröße (zum Beispiel ein schneller Viskositätstest) zuverlässig andere Größen (wie detaillierte chemische Spektren oder erweiterte Steifigkeitsmodelle) innerhalb einer Bindemittelfamilie nachzeichnet, legt diese Arbeit den Grundstein für einfachere, datengetriebene Prüfungen zur Straßenalterung. Ingenieur*innen könnten diese Trendlinien mit wenigen Messungen kalibrieren und dann leichter zugängliche Tests als Stellvertreter für aufwändigere oder teurere Messungen verwenden. Letztlich kann das Straßenbehörden helfen, Beläge zu entwerfen, RAP-Gehalte auszuwählen und Wartungsarbeiten so zu planen, dass ein Ausgleich zwischen Spurrillenresistenz und Rissrisiko entsteht, die Lebensdauer von Belägen verlängert und Materialien besser genutzt werden.

Zitation: Taheri, A., Khodaii, A. & Hajikarimi, P. Correlations among chemical and rheological aging indices/indicators of asphalt binder at high temperatures. Sci Rep 16, 9186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40007-6

Schlüsselwörter: Asphaltalterung, Fahrbahnhaltbarkeit, Bindemitteloxidation, Rheologie, recycelter Asphalt