Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Untersuchungen für die Dimensionierung von Straßenbefestigungen bei realitätsnaher Berücksichtigung des nichtlinear-elastischen und plastischen Verformungsverhaltens von ToB in Straßenbefestigungen in Abhängigkeit von klimatischen Bedingungen (Frost-/Tauperioden, Schwankungen des Wassergehaltes in den ToB) durchgeführt. Hierzu wurden experimentelle Versuchsmethoden im Labormaßstab, insbesondere Triaxialversuche an ungebundenen Baustoffgemischen (UBG) weiterentwickelt und optimiert. Die Arbeiten im Labor wurden durch entsprechende Berechnungen mit der Finite Elemente Methode (FE-Methode) begleitet, um das Beanspruchungsniveau von ToB als Grundlage für die Versuchsdurchführung zu ermitteln. Die in den Triaxialversuchen angewendete Versuchsprozedur sicherte eine gute Erfassung des Materialverhaltens und ist geeignet, sowohl die Steifigkeiten von UBG als auch deren plastisches Verformungsverhalten zu charakterisieren. Auf Grundlage der Versuche wurden Materialparameter für das erweiterte modifizierte Universal-Modell (elastisches Verhalten) und das dehnungsbasierte plastische Modell bestimmt. Die erzeugte Materialantwort lieferte jedoch keine präzisen Informationen zum plastischen Shakedown-Limit und dem charakteristischen Grenzdehnungszustand. Zur Integration dieser Grenzkriterien in das Prüfprogramm und deren schärferer Eingrenzung ist eine Anpassung zweckmäßig. Voraussetzungen und Untersuchungskriterien für die analytische Dimensionierung der ToB wurden zusammengetragen und ein auf den untersuchten Stoffmodellen basierendes Verfahren zur Berechnung der plastischen Verformungen in ToB vorgestellt. Anhand dieser Ergebnisse wurden Arbeitsschritte und Algorithmen zur Implementierung der Ergebnisse in die Verfahrensweise nach den RStO und RDO Asphalt und Beton als Grundlage für eine programmtechnische Umsetzung erarbeitet. In Ergänzung zu den Triaxialversuchen wurden zyklische Ödometer- und CBR-Versuche durchgeführt. Ziel war es, zu untersuchen, ob mit den Ergebnissen dieser Versuche eine vereinfachte Klassifizierung von UBG möglich ist. Das elastische Verformungsverhalten der geprüften Materialen konnte auf Grundlage der zyklischen Ödometerversuche gut abgeschätzt und verglichen werden. Mit den Ergebnissen der zyklischen CBR-Versuche war keine befriedigende Charakterisierung des plastischen Verformungsverhaltens möglich. Eine Klassifizierung auf Basis zyklischer Ödometer- und CBR-Versuche scheint im gegenwärtigen Entwicklungsstadium nicht möglich, hierzu sind Triaxialversuche notwendig. Es wurden verschiedene Klassifizierungsverfahren verglichen und eine neue Darstellungsvariante entwickelt, mit der das Potenzial von UBG besser bewertet und verschiedene Materialien verglichen werden können.

Aktuell dient bei der rechnergestützten Erneuerungs- und Instandsetzungsplanung von Bundesfernstraßen das Arbeitspapier 9, Reihe S (AP 9/S) als Hilfsmittel für die flächendeckende bzw. netzweite Substanzbewertung der gebundenen Straßenbefestigungsschichten. Das Ziel des Forschungsprojektes war es, durch die Anwendung der Entwurfsfassung der RSO Asphalt (Richtlinie für die Bewertung der strukturellen Substanz des Oberbaus von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise) eine realitätsnähere Ermittlung des strukturellen Substanzwertes zu erreichen und dadurch die Ergebnisqualität der rechnergestützten Erhaltungsplanung netzweit und objektscharf zu erhöhen. Um auf Grundlage des AP 9/S und der RSO Asphalt Vergleichsrechnungen für ein synthetisches Analysenetz durchführen zu können, wurden, neben einigen objektspezifischen Beprobungen, auf Grundlage aller den Autoren zugänglichen Materialuntersuchungen allgemeingültige Materialeigenschaften für Asphaltdeck-, -binder- und -tragschichten ermittelt. Die allgemeingültigen Materialeigenschaften beschreiben für jede Asphaltmaterialart ein oberes, mittleres und unteres Steifigkeitsmodul sowie für Asphalttragschichtmaterialien zusätzlich eine obere, mittlere und untere Ermüdungsfunktion. Auf Grundlage der allgemeingültigen Materialeigenschaften wurde erstmals auf Netzebene eine auf den RSO Asphalt basierende Nutzungs­ bzw. Restnutzungsdauerberechnung durchgeführt. Auf Basis der systematischen Erhaltungsplanung wurde ein Grundmodell zur Berücksichtigung des Verfahrens der RSO Asphalt in einem Pavement Management System (PMS) entwickelt und implementiert. Die modifizierte Konfiguration des PMS wurde für das Analysenetz angewendet und die Ergebnisse jenen der Standardkonfiguration gegenübergestellt. Mit dem Vergleich der verschiedenen Berechnungsverfahren wurde nachgewiesen, dass die Berücksichtigung der nach den RSO Asphalt berechneten Restnutzungsdauern im PMS möglich ist.

Die in diesem Forschungsprojekt an Asphaltbefestigungen durchgeführten Untersuchungen basieren im Wesentlichen auf einer Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15]. Für einen fiktiven Streckenabschnitt, dessen Materialparameter aus den Ergebnissen vorangegangener Forschungsprojekte stammen wurde die Auswirkung unterschiedlicher Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand auf die Dauerhaftigkeit der Befestigung untersucht. Resultierend aus den Abmessungen der Fahrbahnbreiten und Markierungen wurde eine Auswahl der zu betrachtenden, relevanten Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand getroffen. Zur Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15] sind die Beanspruchungen (Spannungen und Dehnungen) in den maßgeblichen Nachweispunkten zu bestimmen. Diese können mit der Mehrschichtentheorie oder mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden. Die Anwendung der Mehrschichtentheorie setzt unter anderem voraus, dass die Schichten in horizontaler Richtung unendlich ausgedehnt sind. Für den Regelfall wird angenommen, dass diese Voraussetzung gegeben ist (Berechnung der Beanspruchung nach den RDO Asphalt). Bei den hier untersuchten Laststellungen ist diese Voraussetzung jedoch nicht erfüllt. Die Beanspruchungen wurden deshalb mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmt. Zunächst wurde das Finite-Elemente-Modell entwickelt, die Berechnungsverfahren nach den RSO implementiert, und beides miteinander verknüpft. Zur Prüfung und Validierung wurden für ein Referenzmodell Berechnungen sowohl auf Grundlage der Mehrschichtentheorie als auch mit der FEM durchgeführt und gegenübergestellt. Die Bewertung aller weiteren Berechnungen erfolgt jeweils in Bezug auf dieses Referenzmodell. Im nächsten Schritt wurde auf Basis des deterministischen Berechnungskonzeptes die Auswirkung des Abstandes der Lasteintragungsstelle zum Rand der befestigten Fläche auf die ertragbare Lastwechselzahl der Asphaltbefestigung untersucht. Darauf aufbauend wurde die Wirksamkeit mehrerer Varianten konstruktiver Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit untersucht. Im Ergebnis dieser Untersuchungen wurden 2 konstruktive Maßnahmen ausgewählt und für diese Bewertungen der Strukturellen Substanz anhand des probabilistischen Verfahrens durchgeführt. Für die Untersuchungen der temporären Nutzung von Randbereichen bei Oberbauten mit Betondecke werden im ersten Schritt rechnerische Dimensionierungen/Nachrechnungen nach dem Verfahren der [RDO Beton 09] vorgenommen. Hierbei kann auf den Erfahrungshintergrund der Dimensionierung der Platten des Hauptfahrstreifens zurückgegriffen werden. Dabei ist auch das Sicherheitsniveau des semiprobabilistischen Verfahrens hinreichend praxiserprobt. Im nächsten Schritt werden mit Hilfe der analytischen Rechenmethode der RDO Beton die Platten des Seitenstreifens dimensioniert, wobei die geringere B-Zahl, die veränderte Plattengeometrie und der freie Plattenrand Berücksichtigung finden. Im Folgeschritt können präzise FEM-Berechnungen angestellt werden, bei denen realistischere Laststellungen berücksichtigt werden. Zur Beibehaltung des Sicherheitsniveaus der RDO Beton wird als gemeinsamer Referenzpunkt die Berechnung im Hauptfahrstreifen ohne Seitenstreifenfreigabe verwendet.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Herstellung von „Nanoasphalt“ aus mit polymerbeschichteten, plättchenförmigen Nanopartikeln dotierten Bitumenbindemitteln und die Untersuchung des Alterungsverhaltens der neuen Materialklasse. Theoretische Voruntersuchungen zeigten, dass statistisch im Volumen verteilte, mplättchenförmige Partikel mit Aspekverhältnissn D/H > 100 als effektive Diffusionsbarrieren wirken und sowohl die oxidative Alterung als auch den Verlust weichmachender Bestandteile aus Bitumenbindemitteln um den Faktor 2 - 3 verlangsamen können. Es wurde eine lösemittelfreie Synthese für Alkyl-Quat-Primer-Polymere entwickelt und ein Verfahren ausgearbeitet, um Natrium-Montmorillonit (NaMMT) in einem einstufigen Verfahren zu exfoliieren und die entstehenden Silikatblättchen mit den Polymeren zu beschichten. Hochverzweigte Polymere auf Basis von Polyethylenimin mit einem Quarternisierungsgrad von ca. 5 mol% und einem Alkylierungsgrad von 80 mol% unter Verwendung von C12-Substituenten adsorbieren irreversibel auf Montmorrilonit und wirken zugleich als Dispergiermittel. Es konnten Nanopartikel-Bitumen-Komposite (NPBK) hergestellt werden, die bis zu 10 M.-% Nanopartikel mit Dicken von 10-50 nm und Durchmessern von ca. 1-10 μm enthielten. Zur Herstellung eines Demonstrators wurden die Synthesen in den Halbtechnikumsmaßstab hochskaliert (11 kg Polymer → 22 kg modifizierte Nanopartikel → 440 kg Nano-Bitumen → 6.200 kg Nano-Asphalt). Die Einmischung der Nanopartikel in das Bitumen erfolgte einmal mit dem bereits in der Pilotstudie eingesetzten Schnecken-Extruder und mit Blick auf eine spätere Hochskalierung des Herstellungsprozesses mittels Hochschermischer. Die auf diese Weise hergestellten NPBKs wurden in unterschiedlichen Alterungsstufen (frisch, kurz- und langzeitgealtert) anhand von konventionellen und rheologischen Prüfungen beurteilt. Mit ausgewählten NPBK-Varianten wurden auf Laborebene Asphalte hergestellt, die ebenfalls umfangreichen Testreihen unterzogen wurden. Den Projektabschluss bildete die großmaßstäbliche Mischgutherstellung in einer Asphaltmischanlage sowie das Anlegen und Beproben einer Demonstratorfläche.