Martin Radenberg, Miomir Miljkovic, Volker Schäfer

• Im derzeitigen Regelwerk der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen können mit Bitumenemulsion gebundene Tragschichten nur unzureichend auf Basis empirischer Erfahrungswerte bei der Dimensionierung eines Oberbaus berücksichtigt werden. Hierzu fehlen Erfahrungen über die Höhe der dimensionierungsrelevanten Materialkenndaten und deren beeinflussende Parameter. Die Auswertung der begleitenden Untersuchungen einer großflächigen Baumaßnahme mit einer bitumendominaten Tragschicht in Kaltbauweise (BAB 30) belegt eine zwar gleichmäßige, aber wenig tragfähige Materialqualität. Mit dem Ziel der Optimierung der dimensionierungsrelevanten Kennwerte einer bitumendominaten Tragschicht in Kaltbauweise wurden zunächst Art und Gehalt der Bitumenemulsion und des Asphaltgranulates variiert. Zur Festlegung der Gemischzusammensetzungen wurden die volumetrischen Kenndaten sowie die zeitliche Entwicklung der Steifigkeiten im Spaltzugversuch ermittelt. Die ermittelten Steifigkeiten zeigen, dass statische Spaltzugfestigkeiten von 1,1 bis über 1,5 MPa nach 28 Tagen Probenlagerung erreicht werden können. Die zum Vergleich herangezogene statistische Auswertung von baubegleitenden Untersuchungen der BAB 30 belegt einen deutlichen Unterschied. Hier lagen die mittleren Spaltzugfestigkeiten nach 28 Tagen nur bei 0,5 bis 0,7 MPa. Die Bruchdehnungen der in diesem Forschungsprojekt untersuchten Gemische von über 2,5 ‰ dokumentieren zudem einen eindeutigen emulsions-dominaten Mischgutcharakter. Auch die statischen E-Moduln sind mit bis zu 5000 MPa als hoch für eine Bitumenemulsion gebundene Asphalttragschicht einzustufen. Mit den ausgewählten Gemischen wurden anschließend Probeplatten mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellt. Hierzu wurden die Verdichtungsbedingungen leicht modifiziert. An den aus den Probeplatten herausgebohrten Bohrkernen wurden mittels dynamischem Spaltzug-Schwellversuch die Steifigkeiten bei Prüftemperaturen von -10 bis 20 -°C, sowie bei den Prüffrequenzen von 0,1, 1, 5 und 10 Hz bestimmt. Darüber hinaus wurde, ebenfalls im Spaltzug-Schwellversuch, das Ermüdungsverhalten bei 20 -°C ermittelt. Die Ergebnisse der dynamischen Spaltzug-Schwellversuche zeigen, dass die Steifigkeiten der mit Bitumenemulsion gebundenen Asphalttragschichten nicht das Niveau einer Heißasphalttragschicht erreichen. Fast über den gesamten Temperatur- und Frequenzbereich sind deutlich niedrigere Steifigkeiten ermittelt worden. Tendenziell erreichen die Gemischvarianten mit dem weicheren Asphaltgranulat zumindest bei niedrigeren Prüftemperaturen und/oder niedrigeren Prüffrequenzen höhere Steifigkeiten im Vergleich zu den Gemischen mit dem härteren Bindemittel im Asphaltgranulat. Die aus den Laborversuchen abgeleiteten Ermüdungskurven zeigen im Vergleich zum Referenzasphalt eine ähnliche Situation. Auch hier ist ein signifikant schlechteres Verhalten im Vergleich zum Niveau einer Heißasphalttragschicht erkennbar. Ebenso zeigt die Mehrzahl der Gemischvarianten mit dem weicheren Bindemittel im Asphaltgranulat im Vergleich zu den Varianten mit dem härteren Asphaltgranulat ein etwas besseres Ermüdungsverhalten. Die Dimensionierungsberechnungen haben ergeben, dass die Einbindung einer Kaltasphalttragschicht in den hohen Belastungsklassen nur sehr bedingt möglich ist. Hier lassen sich lediglich unter Berücksichtigung einer konventionellen Asphalttragschicht als unterste Asphaltschicht brauchbare Lösungen errechnen. Bei Belastungsklassen Bk3,2 und niedriger konnten wirtschaftlich und bautechnisch sehr sinnvolle Lösungen dargestellt werden. Hier bietet sich offensichtlich ein sehr interessantes Anwendungsgebiet für Kaltasphalttragschichten an. Allerdings haben nur wenige der untersuchten Gemischvarianten zu einer wirtschaftlichen Oberbaudicke geführt. Die Varianten mit dem weicheren Asphaltgranulat (AG1), und hier besonders die Varianten mit hohem Asphaltgranulatanteil lieferten die wirtschaftlichsten Oberbaukonzepte. Zukünftige Forschungsprojekte mit Kaltasphaltbauweisen sollten die mechanische Wirksamkeit des Emulsionswassers in zeitlicher Betrachtung berücksichtigen. Hierzu konnte gezeigt werden, dass auch weit über 28 Tage hinaus noch eine deutliche positive Veränderung der mechanischen Eigenschaften an mit Bitumenemulsion gebundener Asphalttragschichten zu erwarten ist.
• After the current Regulations of the Research Society for Roads and Traffic, bitumen emulsion bound base layers can be only inadequately considered for pavement design based on empirical experience vales. Therefore, experiences about the values of the design relevant material properties and their influential parameters are missing. Evaluation of the accompanying investigations of a large surface construction project with a cold bitumen dominant base layer (BAB 30) showed an uniform but low bearing capacity material quality. With the objective of optimizing the design relevant properties of a bitumen dominant cold base layer, thereafter were type and content of a bitumen emulsion and reclaimed asphalt varied. For defining of the mixture compositions, volumetric properties as well as the development of the indirect tensile strengths were determined. The determined stiffness shows that the static indirect tensile strengths from 1,1 to over 1,5 MPa after 28 days of specimen curing are possible to be reached. The performed comparative statistical evaluation of the testing during the construction of BAB 30 showed a significant difference. Here, the average indirect tensile tests after 28 days are only from 0,5 to 0,7 MPa. The failure strains of the mixtures tested in this research project of more than 2,5 ‰ proof thus a highly bitumen emulsion dominant character of the mixture. Also the static E-modules of up to 5000 MPa were qualified as high for a bitumen emulsion bound asphalt base layer. Afterwards, asphalt plates of selected mixtures were produced by a roller compactor. For this purpose the conditions of compaction were slightly modified. The specimens bored from the asphalt plates were subjected to determination of stiffness at test temperatures from "10 to 20 -°C as well as at the test frequencies of 0,1, 1, 5, and 10 Hz by dynamic indirect tensile testing. Thereafter, also by the dynamic indirect tensile test the fatigue function at 20 -°C was also determined. The results of the dynamic indirect tensile test show that the stiffness of the bitumen emulsion bound asphalt base layers do not reach the level of the hot asphalt mixtures. The significantly lower stiffness was determined for almost the entire temperature and frequency range. There is a tendency that the mixture variants with the softer reclaimed asphalt reach higher stiffness compared to the mixtures with harder bitumen in the reclaimed asphalt at lower test temperatures and/or low test frequencies. The fatigue functions derived from the laboratory testing show a similar situation in comparison to the reference asphalt. The significantly worse performance in comparison to hot asphalt base layer is here also recognisable. Similarly, numerous mixture variants with the softer bitumen in the reclaimed asphalt show a a better fatigue behaviour comparing to the variants with the hard reclaimed asphalt. The pavement design calculations resulted in that the inclusion of a cold asphalt base layer is only conditionally possible in higher traffic load classes. Here it is only possible to achieve useful solutions by considering a conventional asphalt base layer as a lower layer. At the load class Bk3,2 and bellow, economically and constructively very reasonable solutions could be presented. Here, a very interesting field of application for cold asphalt base layers is offered. However, only few tested mixture variants led to economically pavement/layer thicknesses. The variants with the softer reclaimed asphalt (AG1), and here especially the variants with the higher contents of reclaimed asphalt, supplied the most economical pavement concepts. Future research projects with cold asphalt pavements should consider the effect of the water from the emulsion on the mechanical performance over time. Here it could be shown that a positive change of the mechanical properties of bitumen emulsion bound asphalt mixtures could be expected far beyond 28 days.