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Inkrementelle Berechnungsmethode zur Beschreibung der strukturellen Schädigung von Asphaltbeton
(2016)
Es existieren erhebliche Diskrepanzen zwischen labortechnischen, analytischen und Feld-Performance-Untersuchungen bezüglich der Entwicklung verschiedener Zustandsgrößen (Schädigungen) von Asphaltbefestigungen in Abhängigkeit von der Zeit. Es gibt mehrere Gründe, weshalb sich die im Labor ermittelten Funktionen zur Beschreibung der Schadensentwicklung nicht mit den realen Entwicklungen in Übereinstimmung bringen lassen. Gegenwärtige Asphalt-Performance-Modelle können die Eigenschaftsänderungen von Baustoffen und Asphaltschichten in Abhängigkeit von Zeit, Verkehrsbelastung und Klima in der Regel nicht genau beschreiben. Daher kann die Schadensentwicklung von Asphaltbefestigungen mit diesen Modellen nur bedingt prognostiziert werden. Alterungsbedingte Veränderungen der Asphalteigenschaften wurden bislang nicht in die Modellbildung mit einbezogen, sodass bislang keine inkrementellen Methoden zur Berücksichtigung der alterungsbedingten Änderung der Materialkenngrößen existierten. Eine Berechnung der Auswirkungen der Materialveränderung durch Alterung auf die Schädigungsmechanismen erfordert eine Modellierung auf der Basis von Zeitinkrementen. Um solche Zeitinkremente sinnvoll einsetzen zu können, ist die Kenntnis der Änderungen der Asphalteigenschaften in Abhängigkeit von der Zeit erforderlich. Der Beitrag stellt Forschungsergebnisse zur Entwicklung und Validierung einer neuen inkrementellen Methode für mechanische Schädigungsmodelle von Asphaltbefestigungen vor. Diese Methode kann die inkrementellen Veränderungen der mechanischen und Performance-Eigenschaften von Asphalt berücksichtigen und somit die daraus resultierende Reaktion über den Verlauf der Nutzungsdauer beschreiben, was einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung eines neuen rechnerischen Prognoseverfahrens für die Nutzungsdauer von Asphaltbefestigungen darstellt.
Das in den vergangenen Jahrzehnten zu beobachtende und auch für die Zukunft anzunehmende Wachstum der Gütertransportleistung auf den Bundesfernstraßen sowie die allmähliche Einführung von Funktionsbauverträgen, die dem ausführenden Bauunternehmen die Verantwortung für sein Bauwerk über Jahrzehnte in die Hand geben, lässt die Frage nach der Nutzungsdauer von Straßenbefestigungen zunehmend in den Vordergrund treten. Für die Oberbauweisen aus Asphalt werden zur Ermittlung eines Substanzwertes, auf dessen Basis gleichfalls eine Bemessung wie auch eine Restwertbestimmung durchführbar sein soll, zum einen analytische Berechnungsverfahren, zum anderen Verfahren, in denen Ergebnisse aus Ermüdungsversuchen vergleichend bewertet werden, verfolgt. Letzteres Verfahren, das vorrangig für die Bestimmung der Restsubstanz einer bereits langjährig unter Verkehr liegenden Asphaltbefestigung angewendet werden soll, wird im Folgenden vorgestellt.
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
Ansätze zur Bewertung der Restsubstanz und insbesondere der Restnutzungsdauer von Asphaltschichten basieren in der Regel auf Ermüdungshypothesen. Allen Modellen liegt das mit unterschiedlichen Laborverfahren ermittelte Ermüdungsverhalten von Asphaltprobekörpern zugrunde. Im Rahmen dieses Projektes sollte der Effekt der Materialermüdung an Asphaltschichten nachgewiesen werden, die bereits über den Nutzungszeitraum der RStO 86/89 von 20 Jahren hinaus dem Klimageschehen und der Verkehrsbelastung ausgesetzt waren. Dazu wurde ein E-Modul-Vergleich zwischen Asphaltproben aus der äußeren Radspur - dem "belasteten Bereich" - und der Fahrstreifenmitte - dem "unbelasteten Bereich" - durchgeführt. Es wurden 17 Straßen (Bundesstraßen, Landstraßen) mit jeweils 500 m Länge aus dem ehemaligen Forschungsvorhaben der BASt "Langzeitbeobachtungen an ausgewählten Streckenabschnitten" in die Untersuchungen einbezogen. Insgesamt wurden 1320 Probekörper aus der Deck- und Tragschicht der entnommenen Bohrkerne hergestellt und an ihnen mittels Zweipunkt-Biegeversuch der absolute E-Modul bestimmt. Die Auswertung ergab, dass sich beim absoluten E-Modul nach 27 Jahren Verkehrsbelastung keine einheitliche Tendenz zwischen belastetem und unbelastetem Bereich abzeichnete. Genauso häufig wie an Probekörpern aus dem belasteten Bereich ein kleinerer E-Modul bestimmt wurde, galt dies auch umgekehrt, und zwar für die Deckschicht als auch für die Tragschicht gleichermaßen. Häufig war auch kein Steifigkeitsunterschied zwischen beiden Bereichen feststellbar. Diese Ergebnisse werden durch parallel durchgeführte Deflexionsmessungen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) bestätigt. Eine Abschätzung oder gar Bestimmung der Restnutzungsdauer von verkehrsgerecht dimensionierten flexiblen Straßenbefestigungen erscheint derzeit nicht möglich. Die Ergebnisse deuten an, dass die Nutzungszeiträume für nach den RStO ausgelegten und ausgeführten Fahrbahnbefestigungen wesentlich länger anzusetzen sind. Die Ermüdung von Asphaltschichten kann dennoch nicht ausgeschlossen werden. Nach den durchgeführten Untersuchungen muss davon ausgegangen werden, dass die Ermüdung in Straßenbefestigungen andersartig und in wesentlich längeren Zeiträumen als bisher angenommen verläuft und geeignetere Übertragungsfunktionen für Ergebnisse aus Laboruntersuchungen auf das Gebrauchsverhalten entwickelt werden müssen. Als ausschlaggebendes Verhaltenskriterium für schwerer belastete Asphaltbefestigungen erweist sich die Spurrinnenbildung. Hieraus kann die Notwendigkeit einer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Asphaltdecke gegenüber der Spurrinnenbildung abgeleitet werden. Die Notwendigkeit, die Schicht-Konstruktions-dicken von Fahrbahnbefestigungen zu erhöhen, konnte nicht nachgewiesen werden.
In dem Beitrag werden Forschungsergebnisse zum Einfluss ausgewählter Parameter hinsichtlich der Gemischzusammensetzung auf die Steifigkeit und das Ermüdungsverhalten von Asphaltgemischen vorgestellt. Grundlage der Untersuchungen bildeten die Ergebnisse von Spaltzug-Schwellversuchen zur Ermittlung von Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktionen und Ermüdungsfunktionen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Asphaltkomponenten wie Bindemittel (Straßenbaubitumen und Polymermodifizierte Bitumen (PmB)) und Gestein, sowie deren Kombination (Gemischrezepturen) eines Asphalttragschichtgemisches untersucht. Zur Abschätzung der Auswirkungen der ermittelten Unterschiede auf das Verhalten einer Befestigung (Berechnung des Ermüdungsstatus) sind Berechnungen mit dem Programm PaDesTo durchgeführt worden.
Im Rahmen dieses Projektes sollte anhand von Laborversuchen überprüft werden, inwiefern die Verwendung von Epoxydharz als Bindemittelzusatz und der damit entstehende Epoxy Asphalt einen Beitrag zur Entwicklung eines hochstandfesten und langlebigen Asphaltdeckschichtbelages liefern kann. Die Bearbeitung des Forschungsprojektes gliederte sich in drei Phasen. Die erste Phase beinhaltete grundlegende Untersuchungen mit unterschiedlichen Epoxydharzsystemen. Ziel dieser Versuche war die Identifizierung des Materialverhaltens im Asphaltmischgut, der dafür geeigneten Bedingungen sowie eine Bestimmung erster mechanischer Eigenschaften. In der zweiten Phase wurden mit dem in Phase I ausgewählten Epoxydharzsystem in unterschiedlichen Konzentrationen die wichtigsten Bindemittel- und Mischgutkennwerte von Epoxy Asphalt mit Hilfe von standardisierten Prüfverfahren ermittelt und den Kennwerten von konventionellem Bindemittel bzw. Asphalt gegenübergestellt. Die Bindemitteluntersuchungen an den Bitumen-Epoxy-Gemischen lieferten als wesentliche Erkenntnis, dass die Zugabe des Epoxydharzes eine deutliche Reduzierung der Viskosität bewirkt. Die Epoxy Varianten besaßen eine deutlich verbesserte Verformungsbeständigkeit bei Wärme, wie die Ergebnisse der Spurbildungs- und der dynamischen Druckschwellversuche gezeigt haben. Die Probekörper aus Epoxy Asphalt wiesen erheblich kleinere Verformungen als die Probekörper der Referenzvarianten auf. Durch die Zugabe von Epoxydharz konnte sowohl das Haftverhalten des Bindemittels am Einzelkorn als auch das Haftverhalten im Mischgut gegenüber den Referenzvarianten wesentlich verbessert werden. Ferner konnte festgestellt werden, dass mit der Zugabe von Epoxydharz in das Asphaltmischgut der Widerstand gegen wiederholte zyklische Belastungen und damit der Ermüdungswiderstand deutlich verbessert wird. In der Phase III wurde zusätzlich die Reaktion des Epoxydharzes im Bitumen, die Extrahierbarkeit von Epoxy Asphalt, eine Bewitterung von Probekörpern sowie die Griffigkeitsentwicklung unter einer Verkehrsbelastung untersucht. Nach Abschluss der Untersuchungen sind die Auswirkungen von Epoxydharz im Asphaltmischgut bekannt und die Veränderungen der Eigenschaften konnten identifiziert werden. Das Potential von Epoxy Asphalt als alternative und innovative Bauweise für hochbelastete Verkehrsflächen mit hoher Dauerhaftigkeit konnte im Labormaßstab zweifelsfrei nachgewiesen werden. Der Originalbericht enthält als Anhänge eine Beschreibung der Prüfverfahren (ANH. 1) sowie die Ergebnisse der BBR-Prüfungen (ANH. 2), der Spurbildungsversuche (ANH. 3), der Druckschwellversuche (ANH. 4), der Affinitätsprüfungen (ANH. 5) und der Dreipunkt-Biegeversuche (ANH. 6). Auf die Wiedergabe der Anhänge wurde in dieser Veröffentlichung verzichtet. Sie liegen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen vor und sind dort einsehbar. Verweise auf die Anhänge im Berichtstext wurden zur Information des Lesers beibehalten.