Plamena Plachkova-Dzhurova, Katharina Heide-Dörr, Max Ulrich

• Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, einerseits Erkenntnisse über die zu erwartenden Temperaturverteilungen und deren Häufigkeiten in Asphaltschichten auf Brückenbauwerken zu erlangen, um den Zeithorizont abzuschätzen, ab dem mit einer maßgeblichen Beeinträchtigung der Nutzungsdauer standardisierter Asphaltoberbaukonstruktionen zu rechnen ist. Andererseits sollten unter Berücksichtigung der prognostizierten extremen Klimaeinwirkungen hochverformungsbeständige Asphalte neu konzipiert werden, die auch bei tiefen Temperaturen eine ausreichende Kälteflexibilität aufweisen. Um diese Ziele zu erreichen, erfolgte zunächst eine umfangreiche Literaturanalyse zur Bestandsaufnahme der Klimarandbedingungen und der prognostizierten Klimaänderungen. Als Referenzperiode wurde dabei die aktuelle klimatologische Periode 1991 bis 2020 ausgewählt. Zusätzlich wurden Temperaturdaten, die über ein Jahr lang in den Asphaltschichten auf der Neckartalbrücke und auf der Weserbrücke gemessen wurden, zur Verfügung gestellt und berücksichtigt. Auf dieser Datengrund-lage wurde ein Finite-Elemente-Modellierungsansatz (FEM) entwickelt, der es ermöglicht, die vertikale Wärme- und Temperaturverteilung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu berechnen. Mithilfe eines Machine-Learning Algorithmus (ML) können die Erkenntnisse auch auf das gesamte Bundesgebiet übertragen werden. Aus den Daten der Referenzperiode wurde für die drei unterschiedlichen Klimaszenarien RCP2.6, RCP4.5 sowie RCP8.5 jeweils die zukünftige Entwicklung der Klimakenngrößen abgeschätzt, und mit dem aufgestellten Modell zur Prognose der vertikalen Temperaturverteilung im Asphaltoberbau auf Brückenbauwerken kombiniert. So konnte für jeden Tag eine maximale mittlere Asphaltdeckschichttemperatur berechnet werden. Sie diente im Weiteren als Grundlage für die Bewertung der zukünftigen Entwicklung plastischer Verformungen. Für die Neukonzeption klimaoptimierter Guss- und Walzasphalte wurden zunächst im Rahmen einer umfangreichen Literaturrecherche Erkenntnisse zu Kompensationsmaßnahmen zusammengetragen, die zu einer Reduzierung der negativen Folgen des Klimawandels auf die Dauerhaftigkeit von Guss- und Walzasphalten beitragen können und bislang untersucht und / oder erprobt wurden. Auf dieser Grundlage wurde zunächst eine Vorauswahl der Ausgangsstoffe (Bindemittel, Füller, Gesteinskörnung) getroffen. Anschließend erfolgten Voruntersuchungen sowohl an den ausgewählten Bindemitteln und Füllern, als auch an verschiedenen daraus hergestellten Mastixvarianten. Dabei fanden auch Materialkomponenten Berücksichtigung, die noch nicht standardmäßig im einschlägigen technischen Regelwerk etabliert sind, aber aufgrund ihres optimierten Gebrauchsverhaltens eine frühzeitige Schadensentwicklung verhindern und eine lange Nutzungsdauer gewährleisten können. Die finale Auswahl der Ausgangsstoffe für die Asphaltmischgutherstellung wurde anhand der gewonnenen Ergebnisse aus den Voruntersuchungen festgelegt. Insgesamt wurden acht Walzasphaltvarianten (jeweils vier splittreiche Asphaltbetone und Splittmastixasphalte) sowie fünf Gussasphaltvarianten konzipiert und labortechnisch hergestellt. Dabei erfolgte eine Variation der Bindemittelart und -sorte sowie der Füllerart, wobei ausschließlich Kalksteinmehl und ein Mischfüller zum Einsatz kamen. Die anschließenden Performance-Untersuchungen zur Verformungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen sowie zur Kälteflexibilität und Ermüdung der Asphaltvarianten zeigten signifikante Unterschiede. Bei den Verformungsversuchen wurden die Prüftemperaturen erhöht, um den prognostizierten höheren Temperaturen Rechnung zu tragen. Bei der gesamtheitlichen Betrachtung der Ergebnisse konnten Zusammensetzungen bzw. Materialkombinationen präferiert sowie die prinzipielle Übertragung der Erkenntnisse auf andere Asphaltschichten beschrieben werden. Das erstellte Modell zur vertikalen Temperaturverteilung in Asphaltschichten auf Brückenbauwerken sowie die in Laborversuchen ermittelte Temperaturabhängigkeit der plastischen Verformungen konnten schließlich miteinander kombiniert werden, um die Auswirkungen der erhöhten klimatischen Beanspruchung auf die Dauerhaftigkeit und das Gebrauchsverhalten von Asphaltschichten auf Brückenbauwerken einzuschätzen. Letztendlich konnte auch im Modell gezeigt werden, dass die heute verwendeten konventionellen Asphalte mit „normaler“ Verformungsbeständigkeit bereits jetzt an ihre Grenzen stoßen und eine Optimierung hinsichtlich der klimatischen Beanspruchung dringend erforderlich ist. Anschließend wurden konkrete Empfehlungen zur Weiterentwicklung und Verbesserung des aufgestellten Modells sowie Möglichkeiten zur weiteren Optimierung der Asphalte im Zuge des Klimawandels gegeben.
• The aim of the research project was, on the one hand, to gain insights into the expected temperature distributions and their frequencies in asphalt layers on bridge structures in order to estimate the time horizon from which a significant impairment of the service life of standardized asphalt structures is to be expected. On the other hand, considering the predicted extreme climatic effects, highly deformation-resistant asphalts should be redesigned, which have sufficient flexibility even at low temperatures. In order to achieve these goals, an extensive literature review was first carried out to take stock of the climate boundary conditions and the predicted climate changes. The current climatological reference period 1991 to 2020 was selected as the period. In addition, temperature data measured over a year in the asphalt layers on the Necker Valley Bridge and the Weser Bridge were made available and taken into account. On this data basis, a finite element modelling approach (FEM) was developed, which makes it possible to calculate the vertical heat and temperature distribution with high temporal and spatial resolution. With the help of a machine learning algorithm (ML), the findings could also be transferred to the whole of Germany. From the data of the reference period, the future development of the climate parameters for the three different climate scenarios RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5 was estimated and combined with the model established for estimating the vertical temperature distribution in the asphalt structure on bridge building. In this way, it was possible to calculate a maximum average asphalt surface course temperature for each day. It also served as a basis for evaluating the future development of plastic deformations. For the new design of climate-optimized mastic and asphalts, findings on compensation measures that contribute to reducing the negative consequences of climate change on the durability of mastic and asphalts and have so far been investigated and / or tested were compiled as part of an extensive literature review. On this basis, a pre-selection of the raw materials (binders, fillers, aggregates) was first made. Subsequently, preliminary tests were carried out on the selected binders and fillers as well as on various mastic variants produced from them. Material components were also taken into account that are not yet established as standard in the relevant technical regulations, but which can prevent early damage development and ensure a long service life due to their optimized usage behavior. The final selection of raw materials for the production of asphalt mixtures was finally determined on the basis of the results obtained from the preliminary investigations. A total of eight rolled asphalt variants (four chip-pings-rich asphalt concretes and four stone mastic asphalts) as well as five mastic asphalt variants were designed and produced in the laboratory. In particular, there was a variation of the type and type of binder as well as the type of filler, whereby only limestone powder and a mixed filler were used. The subsequent performance studies on the deformation resistance at high temperatures as well as on the cold flexibility and fatigue of the asphalt variants showed significant differences in the performance of the variants. During the deformation tests, the test temperatures were increased to take account of the predicted higher temperatures. In the holistic consideration of the results, compositions or material combinations could be preferred and the principle transfer of the findings to other asphalt layers could be described. The model of the vertical temperature distribution in asphalt layers on bridge buildings and the temperature dependence of the plastic deformations determined in laboratory tests could finally be combined to assess the effects of the increased climatic stress on the durability and performance of asphalt layers on bridges. Ultimately, it was also possible to show in the model that the conventional asphalts used today with "normal" resistance to deformation are already reaching their limits and that climate optimization is urgently needed. Subsequently, concrete recommendations were given for the further development and improvement of the established model as well as with regard to future verification and further optimization of the asphalts in the course of climate change.