Chemical analysis of  bio-based oils as additives in bitumen

I. Citic; F. Sprachowitz; L. Mortier, M. Sc., A-Wien
Dr. techn. S. Werkovits, A-Wien und Nottingham
Univ.-Prof. Dipl.-Chem. Dr. H. Grothe, A-Wien

Aus Straßen zurückgewonnenes Asphaltmischgut (Ausbauasphalt; engl. RAP für Reclaimed Asphalt Pavement) bildet eine wertvolle Rohstoffquelle für neue asphaltbasierte Baustoffe. Das im Ausbauasphalt enthaltene Bitumen (Altbitumen oder RAP-Bitumen) ist jedoch durch oxidative Alterungsprozesse meist stark gealtert, spröde und rissanfällig. Um diesen Effekt zu mindern, werden dem RAP-Bitumen (Altbitumen) in geringen Mengen Regeneratoren (auch Rejuvenatoren, Verjüngungsmittel) zugesetzt. Bislang ist nicht vollständig geklärt, wie diese Regeneratoren die Alterungseigenschaften von Bitumen chemisch verändern. Am Christian Doppler Labor für Chemo-Mechanische Analyse von bituminösen Materialien in Wien wurden die chemischen Auswirkungen der Alterung unter Temperatureinfluss auf drei Bindemittel untersucht, die aus RAP-Bitumen und Regeneratoren aus biobasierten Ölen zusammengemischt wurden. Die Sauerstoffaufnahme wurde mittels Infrarotspektroskopie bestimmt, der Abbau aromatischer Strukturen über Fluoreszenzspektroskopie verfolgt und die Reaktivität der Bio-Öl-eigenen Alkene durch Kernresonanzspektroskopie charakterisiert. Als Referenz diente ein RAP-Bitumen ohne Zusätze. Die Ergebnisse zeigen deutliche Veränderungen im Alterungsverhalten gegenüber den unmodifizierten Bitumenproben. Sie erweitern damit das Verständnis um die molekularen Wirkmechanismen von biobasierten Regeneratoren und unterstützen die Entwicklung nachhaltiger Strategien zur hochwertigen Wiederverwendung von Asphalt.

Asphalt mix recovered from roads (reclaimed asphalt pavement, or RAP) is a valuable source of raw materials for new asphalt-based construction materials. However, the bitumen contained in reclaimed asphalt (old bitumen or RAP bitumen) is usually heavily aged, brittle, and prone to cracking due to oxidative aging processes. To mitigate this effect, small amounts of rejuvenators (also known as rejuvenating agents) are added to the RAP bitumen (old bitumen). It is not yet fully understood how these rejuvenators chemically alter the aging properties of bitumen. At the Christian Doppler Laboratory for Chemo-Mechanical Analysis of Bituminous Materials in Vienna, the chemical effects of aging under the influence of temperature were investigated on three binders that were mixed together from RAP bitumen and regenerators from bio-based oils. Oxygen uptake was determined using infrared spectroscopy, the degradation of aromatic structures was tracked using fluorescence spectroscopy, and the reactivity of the bio-oil's own alkenes was characterized using nuclear magnetic resonance spectroscopy. RAP bitumen without additives served as a reference. The results show significant changes in aging behavior compared to the unmodified bitumen samples. They thus expand our understanding of the molecular mechanisms of bio-based rejuvenators and support the development of sustainable strategies for the high-quality reuse of asphalt.

doi.org/10.53184/STA4-2026-3

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Partial substitution of bitumen with lignin: A holistic view of the performance behavior

Dr.-Ing. Frederic Otto; A. Rink; S. Stelter, Dr.-Ing. V. Rosauer; Dr.-Ing. U. Stöckert, Bergisch Gladbach

Zu den zentralen gegenwärtigen Herausforderungen im Straßenbau zählen die Ressourcenschonung, die Reduzierung von Treibhausgasemissionen und die Abkehr von fossilen Rohstoffen. Mögliche Ansätze zur Bewältigung dieser Herausforderungen bestehen in der teilweisen oder vollständigen Substitution von Bitumen durch Produkte, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Lignin als Biopolymer bietet aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit zum Bitumen ein hohes Potenzial der zumindest teilweisen Substitution von Bitumen. Für einen zweckmäßigen und zielgerichteten Einsatz ist jedoch die grundlegende Erforschung relevanter Verfahren zur chemischen Charakterisierung von Lignin als Rohstoff, der Methoden zur Vermischung von Lignin mit Bitumen und der Bewertung der Eigenschaften des hieraus resultierenden alternativen Bindemittels erforderlich. Einige dieser Fragestellungen wurden im Rahmen der Eigenforschung an der Bundesanstalt für Straßen- und Verkehrswesen adressiert und werden nachfolgend ausführlicher vorgestellt. Die hieraus generierten Erkenntnisse zeigen, dass Lignin ein hohes Potenzial hat, als Komponente in einem
alternativen Bindemittel eingesetzt zu werden. Über einen ganzheitlichen Einsatz wurde der Fokus auf die Auswirkung von Lignin auf die Veränderung von Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften eines konventionellen Straßenbaubitumens gelegt. Diese Erkenntnisse dienen als Grundlage für weitere Forschungs- und Entwicklungsansätze auf diesem Gebiet und sollen einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung des Straßenbaus hin zu mehr Nachhaltigkeit leisten.

The main current challenges in pavement construction include preserving resources, reducing greenhouse gas emissions and moving away from fossil raw materials. Possible approaches to overcome these challenges include the partial or complete substitution of bitumen with products based on renewable raw materials. Due to its chemical similarity to bitumen, lignin as a biopolymer offers a high potential for the partial substitution of bitumen. However, for an appropriate and targeted use, fundamental research into relevant processes for the chemical characterization of lignin as a raw material, the methods for mixing lignin with bitumen and the evaluation of the properties of the resulting alternative binder is required. Some of these issues were addressed as part of the in-house research at the Federal Highway and Transport Research Institute and are presented in more detail below. The findings generated from this show that lignin has a high potential to be used as a component in alternative binders. Using a holistic approach, the focus was placed on the effect of lignin on changing the processing and performance properties of a conventional paving bitumen. These findings serve as a basis for further research and development approaches in this field and should make an important contribution to the development of pavement construction towards greater sustainability.

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Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV): TP Bitumen-StB, FGSV 757/1, 2025 Teil 2 A: Prüfung im Dynamischen Scherrheometer (DSR) – Temperatursweep mit 25 mm Platte (2024) Teil 2 B: Prüfung im Dynamischen Scherrheometer (DSR) – Temperatursweep mit 8 mm Platte, Teil 3: Prüfung im Dynamischen Scherrheometer (DSR) – Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren (BTSV) (2024), Teil 4: Prüfung im Biegebalkenrheometer (BBR) (2024), FGSV Verlag, Köln
 

Pilot project to test a sustainable asphalt construction method – asphalt base course made from 100 M.-% asphalt granulate

Dr.-Ing. T. Patzak, Dr.-Ing. J. Eicher, München
Dr. A. Alisov, Hofolding

Auf einem Testgelände in der Nähe von München wurde ein innovatives, ressourcenschonendes Konzept für Asphalttragschichten erfolgreich realisiert. Das Asphaltmischgut bestand vollständig aus Asphaltgranulat zuzüglich geeigneter Zusätze. Ziel war neben der ökologischen Optimierung eine Reduzierung der Produktionstemperatur um mindestens 25 °C im Vergleich zu konventionellem Asphaltmischgut sowie ein uneingeschränkter, praxisgerechter Einbau. Die Untersuchungen bestätigen die Einhaltung der Anforderungen des Technischen Regelwerks. Ergänzende Performanceprüfungen verdeutlichen zugleich die Grenzen der Anwendbarkeit dieses Konzepts.

An innovative, resource-saving concept for asphalt base courses was successfully implemented at a test site near Munich. The asphalt mix consisted entirely of asphalt granulate plus suitable additives. In addition to ecological optimization, the aim was to reduce the production temperature by at least 25 °C compared to conventional asphalt mix, as well as to enable unrestricted, practical installation. The investigations confirm compliance with the requirements of the technical regulations. Supplementary performance tests also highlight the limits of the applicability of this concept.

doi.org/10.53184/STA4-2026-5

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temperaturabgesenktem Walzasphalt in Verbindung mit Absaugeinrichtungen am Straßenfertiger; www.stmb.bayern.de/assets/stmi/
vum/strasse/bauunderhalt/49_ars_anlage_09_2021.pdf); zuletzt geprüft am 17.10.2024

From asphalt calculator to SABINA: Practical life cycle assessment for the road infrastructure of tomorrow

T. Pohl, M. Sc., CH-Hombrechtikon
Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. P. Wistuba, Braunschweig
Dipl.-Ing. Dr. Techn. A. Weninger-Vycudil, A-Wien

Klimaneutralität im Straßeninfrastrukturbereich erfordert belastbare Informationen über Umweltwirkungen von Bauweisen, Materialien und Aufbauvarianten. Der Beitrag zeigt, wie Ökobilanzen – gestützt durch digitale Werkzeuge wie den Asphaltrechner-Schweiz und den kürzlich neu entwickelten SABINA-Bilanzrechner – fundierte und vergleichbare Bewertungen ermöglichen. Neben produktspezifischen CO₂-Werten werden auch Systemvergleiche (Asphalt- vs. Betonbauweise) sowie direkte und indirekte Emissionen über den gesamten Lebenszyklus betrachtet. Am Beispiel eines 10 km langen Autobahnabschnitts wird illustriert, wie differenziert solche Bewertungen ausfallen können – und welche Potenziale in der frühzeitigen Integration ökologischer Kriterien in Planung und Ausschreibung liegen. Für Deutschland eröffnen sich daraus praxisnahe Ansätze zur Umsetzung von Klimazielen im Straßenbau.

Achieving climate neutrality in road infrastructure is predicated on the availability of reliable information regarding the environmental impacts of construction methods, materials and pavement design variants. This article demonstrates how life cycle assessments (LCAs) – supported by digital tools such as the Swiss Asphalt Calculator and the SABINA tool – enable robust and comparable evaluations. In addition to product-specific CO₂ data, system comparisons (e. g. asphalt vs. concrete pavements) and both direct and indirect emissions over the entire life cycle are examined. Utilizing the case study of a 10 km motorway segment, the article elucidates the intricacies inherent in such evaluations and underscores the efficacy of integrating environmental criteria into planning and procurement procedures at an early stage. For Germany, this development offers pragmatic avenues for the implementation of climate objectives within the infrastructure sector.

doi.org/10.53184/STA4-2026-6

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[17] Ecoinvent, „The ecoinvent database 3.11“, Ecoinvent, Zürich, 2025
[18] T. K e s s e l , J. P a s d e r s k i , C. F a l t e r , M. W i s t u b a , S. B ü c h l e r und T. P o h l : «Nachhaltigkeitspotenziale im Straßenbau mit
dem Fokus auf Treibhausgasemissionen, Energiebedarf und Ressourcenschonung, FE 04.0341/2021/ARB, Schlussbericht Ressortforschungsplan
des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr», Bundesanstalt für Straßenwesen BASt, Bergisch Gladbach, 2024
[19] Baustoff Kreislauf Schweiz, „Ökobilanzrechner für Beton“, baustoffkreislauf.ch, [Online]. Available: oekobilanz-rechner.ch. [Zugriff am 24.7.2025]

Reimagining road construction: Effective measures for reducing CO_₂e

E. Thudt; Dipl.-Ing. R. Zimmermann, Heidelberg

Das Klimaschutzgesetz schreibt bis 2030 eine Reduzierung der Treibhausgase (CO₂e) um 65 % gegenüber 1990 vor. Im Asphaltstraßenbau bringt die Autobahn GmbH Niederlassung Südwest dieses Ziel in greifbare Nähe: Der Ansatz: Bei der Vergabe eines Pilotprojekts wurde neben dem Preis auch der CO₂e-Fußabdruck gewertet – eine Möglichkeit zur Bewertung der Nachhaltigkeit. Die Berechnung erfolgte im Zuge der Ausschreibung softwarebasiert auf Grundlage von belastbaren CO2e-Stammdaten für alle Baustoffe und Zusätze. Um die vertraglich vereinbarten Gesamtemissionen einzuhalten, kamen in der Bauphase mehrere Instrumente und Technologien zum Einsatz, darunter temperaturabgesenkter Asphalt, ein auf genauer Vorerkundung basierendes, maximales Recycling des Asphalts aus der Bestandsfahrbahn, digitale Steuerung und Optimierung der Bauprozesse sowie Biobrennstoffe in den Asphaltmischwerken und Biokraftstoffe in den Lkws. Das Erreichen der vereinbarten Gesamtemissionen wurde mit Hilfe einer KI-gestützten Nachbilanzierung geprüft. Das Pilotprojekt auf der A6 zeigt, dass mit heutigen Verfahren mehr als 70 % CO₂e-Reduktion gegenüber 1990 möglich sind. Im Beitrag wird beschrieben, dass mit Hilfe von temperaturabgesenktem Asphalt, Wiederverwendung von hohen Asphaltgranulatzugaben und alternativen Brennstoffen an Asphaltmischanlagen und in der Logistik die Klimaschutzziele erreicht werden können.

The Climate Protection Act requires a 65% reduction in greenhouse gases (CO_₂e) by 2030 compared to 1990. In asphalt road construction, the Autobahn GmbH is bringing this goal within reach. Their approach: when awarding a pilot project, both price and the CO₂e footprint were evaluated — introducing a new way to assess sustainability. The calculation was carried out during the tendering process using software based on reliable CO_₂e baseline data for all construction materials and additives. To meet the contractually agreed total emissions, several tools and technologies were used during construction, including warm-mix asphalt, maximum recycling of RAP from the existing pavement based on precise preliminary investigations, digital control and optimization of construction processes, as well as biofuels in asphalt mixing plants and biogenic fuels in trucks. Compliance with the agreed total emissions was verified through AI supported post calculation. The pilot project on the A6 highway demonstrates that more than 70 % CO_₂e reduction compared to 1990 is achievable with today’s methods. The article describes how warm-mix asphalt, high reclaimed asphalt content, and alternative fuels in asphalt mixing plants and logistics can enable the achievement of climate protection targets.

doi.org/10.53184/STA4-2026-7

Literaturverzeichnis

[1] RStO 12: Richtlinie für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen, Ausgabe 2012, FGSV Verlag, Köln
[2] RDO Asphalt 09: Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht, Ausgabe 2009,
FGSV Verlag, Köln
[3] DIN EN 15804:2022 Nachhaltigkeit von Bauwerken – Umweltproduktdeklarationen – Grundregeln für die Produktkategorie Bauprodukte
[4] Quellen: BEHG Brennstoffemissionshandelsgesetz; eurobitume 2020: The Eurobitumen Life-Cycle Inventory for Bitumen, Version 3.1, Eurobitumen, Brüssel 2020; TRL Report 960, 2019; UBA; Umweltbundesamt, CO₂-Emissionsfaktoren für fossile Brennstoffe
[5] HVA B-StB: Handbuch für die Vergabe und Ausführung von Bauleistungen im Straßen- und Brückenbau. Bundesministerium für Verkehr und
digitale Infrastruktur