Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik
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Untersuchung der Eignung von Gesteinsmehlen als Füller zur Herstellung von Asphaltbetondeckschichten
(1982)
In der Asphalttechnologie gab es bei der Beurteilung von Gesteinsmehlen und anderen feinkörnigen Stoffen für die Herstellung von bituminösem Mischgut unterschiedliche Auffassungen. Die Ursachen für diese Schwierigkeiten wurden insbesondere in uneinheitlichen Prüfverfahren, aber auch in der Aussagekraft einzelner Prüfverfahren selbst hinsichtlich der Bedeutung der granulometrischen feinsten Mineralstoffe im Asphalt vermutet. Somit war es naheliegend, verschiedene Gesteinsmehle und Mischungen daraus sowohl im Laboratorium als auch auf der Straße unter Verkehrs- und Witterungsverhältnissen zu untersuchen und zu beurteilen. Die Auswahl der elf Gesteinsmehle wurde bewusst darauf abgestimmt, solche mit unterschiedlich zu erwartendem Verhalten zu untersuchen; man folgte hierbei dem Gedanken, auch solche Gesteinsmehle für die Herstellung des Mischgutes zu verwenden, die kritisch wegen der Quellfähigkeit beurteilt wurden. Bei den Untersuchungen hatte man erwartet, dass eine vollständige Beurteilung von Gesteinsmehlen für Deckschichten aus Asphaltbeton allein auf Grund von labormäßigen Prüfverfahren möglich ist. Diese Erwartungen haben sich nicht bestätigt. Die bisherige Erfahrung über die stabilisierende Wirkung von Gesteinsmehlen wurde erneut durch einige Prüfverfahren erwiesen. Gemäß den Forderungen der Technischen Vorschriften und Richtlinien bezüglich der quellfähigen Bestandteile konnten einige Tendenzen bei den Versuchen im Laboratorium beobachtet werden, die bei der gegebenen Spreizung der Ergebnisse zunächst einen Anlass boten, das eine oder andere Gesteinsmehl zukünftig von der Verwendung bei der Herstellung von Mischgut für Deckschichten aus Asphaltbeton auszuschließen. Nachdem die Ergebnisse aus den Feldversuchen jedoch vorliegen und diese fast gleichartiges Verhalten in den Gebrauchseigenschaften anzeigen, ist ein solcher Anlass nicht gegeben.
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Asphalt verhält sich viskoelastisch und viskoplastisch. Diese beiden rheologischen Eigenschaften sind aus Versuchen an Probekörpern und auch aus Messungen an Straßenbefestigungen bekannt. In der vorliegenden Arbeit werden insbesondere die Ergebnisse von dynamischen Versuchen an Asphalt-Probekörpern theoretisch interpretiert und daraus Folgerungen für das Verhalten des Baustoffes in Straßenbefestigungen bei bewegten Verkehrslasten gezogen. Zur Beschreibung des viskoelastischen Verhaltens werden die grundlegenden Begriffe der Viskoelastizität, die Kriechfunktion und der komplexe Elastizitätsmodul und ihre Beziehungen zueinander eingehend behandelt. Die Anwendung dieser Begriffe auf die Experimente führt schließlich zur Definition eines effektiven Elastizitätsmoduls für Asphalt, welcher Anstelle des E-Moduls im konventionellen Sinne bei elastizitätstheoretischen Bemessungsbesprechungen von Straßenbefestigungen verwendet werden kann. Infolge seines viskoplastischen Verhaltens kommt es bei Asphalt zu bleibenden Verformungen, die sich z.B. bei Straßen als Spurrinnen zeigen und die Befahrbarkeit wesentlich beeinträchtigen. Es werden die physikalischen Zusammenhänge des viskoplastischen Verhaltens erarbeitet. Damit werden Grundlagen für Verfahren bereitgestellt, mit deren Hilfe aus Verformungsmessungen an Probekörpern (Impulskriechversuche) bleibende Verformungen in Asphalt-Befestigungen von Straßen berechnet werden können.
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Flexible Straßenbefestigungen werden durch den Verkehr mit nichtzeitkonstanten Kräften belastet und reagieren mit nichtzeitkonstanten Spannungen und Dehnungen. Bei linearelastischen Körpern sind Spannung und Dehnung durch ein Modul verknüpft. Für den viskoelastischen Baustoff Asphaltbeton hingegen gilt dies nicht in der herkömmlichen Form: Das "Modul" ist eine von der Temperatur und der Belastungszeit abhängige Funktion. Eine solche Modulfunktion kann zur Beschreibung des viskoelastischen Baustoffes benutzt werden und Materialkennwerte für Bemessungsrechnungen liefern. Hierfür wird häufig der temperaturabhängige absolute Modul /E/ bei einem Frequenzwert von 10 Hz verwendet. Die experimentelle Ermittlung von Modulfunktionen für bituminöse Straßenbaustoffe war das Thema der vorliegenden Arbeit. Hierzu wurden grobe Körper aus Mischgut hergestellt oder aus Ausbruchstücken oder Bohrkernen gesägt und in Belastungseinrichtungen sinusförmigen Kräften unterworfen. Die Probekörpertemperatur wurde variiert. Mehrere einfache Lastfälle wurden benutzt: Ein Biegeversuch, ein Zug-Druckversuch, zwei Schubversuche und ein Torsionsversuch. Nachteil der Belastungseinrichtungen war eine Beschränkung auf geringe Kräfte, Vorteile lagen in der großen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Problemstellungen. Durch die Messung von Kräften, Dehnungen und Bewegungen werden die Verformungswiderstände der Probekörper, die Steifigkeiten, bestimmt. Zwischen diesen Werkstückgrößen und den Werkstoffgrößen, den Moduli, schafft ein die Versuchsanordnung beschreibender "Formfaktor" die Verknüpfung. Die Berechtigung, einen solchen mit den Mitteln der Elastizitätstheorie abgeleiteten Formfaktor auch bei viskoelastischen Baustoffen und zeitveränderlichen Belastungen anwenden zu dürfen, wird nachgewiesen. Dabei muss Linearität zwischen Spannung und Dehnung vorausgesetzt werden. Die Querkontraktionszahl, die für linearelastische Stoffe die Verknüpfung der Moduli E und G beschreibt, ist ebenfalls temperatur- und frequenzabhängig. Auch für viskoelastische Stoffe lässt sich eine Verknüpfung zwischen den Modulfunktionen E und G mit Einschränkungen nachweisen. Eine Weiterverarbeitung der experimentell ermittelten Modulfunktionen wird nicht vorgenommen. Es kann hier aber auf eine theoretische Arbeit in der Bundesanstalt für Straßenwesen verwiesen werden, die die gefundenen Modulfunktionen benutzt und zu einem weitgehenden Verständnis des Verhaltens bituminöser Straßenbaustoffe führen konnte.
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Im Jahre 2002 wurden 66 Fahrbahnübergänge aus Asphalt auf 31 Brückenbauwerken, verteilt auf Landesstraßen, Bundesstraßen und Autobahnen, nach ihrem an der Belagsoberfläche sichtbaren Zustand bewertet. Die Übergänge waren zwischen sechs und acht Jahren alt und somit noch vor Einführung des hierfür gültigen Regelwerkes (ZTV-BEL-FÜ), Ausgabe 1998) eingebaut worden. Es zeigte sich bei den Landes- und Bundesstraßen ein zufriedenstellendes Ergebnis mit nur geringen Quoten an gravierenden Mängeln (jeweils ca. 8 % pro Straßenklasse). Dagegen waren bei den insgesamt 14 Übergängen in Autobahnen mit zunehmender Schwerverkehrsbelastung gravierende Mängel festzustellen. Acht Übergänge (57 %) waren in den vom Schwerverkehr benutzten Fahrstreifen entweder repariert oder gänzlich durch Deckenbau-Asphalt ersetzt worden. Die Schwerverkehrsstärken lagen bei den geschädigten Übergängen zwischen 4.400 bis 11.300 Kfz/24 h. Im Jahr 2004 wurde die Zustandserfassung an 27 Fahrbahnübergängen aus Asphalt auf 9 Brücken ausschließlich in Autobahnen fortgesetzt. Um Objekte bewerten zu können, die sowohl nach Einführung der ZTV-BEL-FÜ als auch nach Eröffnung der "Zusammenstellung der geprüften Fahrbahnübergänge aus Asphalt" eingebaut worden waren, musste auf relativ junge Übergänge mit einem Alter von 2 bis 3 Jahren zurückgegriffen werden. Als Ergebnis zeigte sich ein wesentlich günstigeres Bild als bei der Erfassung 2002, dennoch hatten 18 der Übergänge gravierende Mängel, sodass sie in den Schwerverkehrsbereichen bereits repariert werden mussten. Die Schwerverkehrsstärken auf den ausgewählten Brücken waren mit 4.200 bis 9.000 Kfz/24 h für Autobahnen nur durchschnittlich hoch. Auf stark befahrenen Autobahnen können Schwerverkehrsstärken von 15.000 Kfz/24 h und mehr auftreten. Da die Baustoffe nach Einführung der ZTV-BEL-FÜ durch die Gütesicherung eine gleichmäßige Qualität aufweisen müssten, wird vermutet, dass die in ihrer Häufigkeit nicht tolerierbaren Mängel in den Autobahnen auf Unzulänglichkeiten der Bauausführung zurückzuführen sind. Es wird empfohlen, den Einbau durch eine fachkundige Bauaufsicht überwachen zu lassen.