31 Bituminöse Baustoffe
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Die DIN EN 13043 "Gesteinskörnungen für Asphalt und Oberflächenbehandlungen für Straßen, Flugplätze und andere Verkehrsflächen", befindet sich in der Phase der Koexistenz mit dem derzeit gültigen Regelwerk. Innerhalb dieser Phase ist die EN national umzusetzen. Dies wird in Form neuer Technischer Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau erfolgen. Als Folge dieser Veränderung sind diejenigen Regelwerke, die die Herstellung von Asphalten beinhalten, anzupassen. Sie sollen mit einem Rundschreiben entsprechend ergänzt werden. Das sich aus der EN ergebende CE-Zeichen steht nicht für die Güteüberwachung im bisher durchgeführten Umfang. Mit der Einführung einer verpflichtenden Wareneingangskontrolle beim Mischguthersteller, die jedoch durch eine freiwillige erweiterte Überwachung des Gesteinskörungslieferanten ersetzt werden kann, soll diese Lücke geschlossen werden. Die Umsetzung der künftigen europäischen Asphaltnormen wird erst dann erfolgen, wenn für die Asphalte ein in sich geschlossenes europäisches System von Anforderungs- und Prüfnormen zur Verfügung steht. Dies wird nicht vor dem Jahre 2006 sein.
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.
Teil 1: Literaturauswertung: Da zur Zeit kein einheitliches Untersuchungskonzept zur Bestimmung des Einflusses der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten besteht, wurde eine Literaturstudie durchgeführt und mit dem Ziel ausgewertet, wissenschaftlich abgesicherte und eindeutige Erkenntnisse herauszuarbeiten. Die Literaturstudie erfolgte nach einem einheitlichen Schema z.B. hinsichtlich der Zielsetzung der Untersuchungen, der Art der Prüfung, der Art der Mischgutsorte, der Art der Asphaltzusammensetzung, der Art und Herkunft der Mineralstoffe, der Kornverteilung, des Bindemittelgehaltes etc. Da sich nur vier relevante Veröffentlichungen mit Asphalten aus Kiesedelsplitten auseinandersetzen und sich 14 auf Asphalttragschichten beziehen, wurde nach der Erfahrungssammlung aus dem bisherigen Stand der Prüfverfahren und Untersuchungsmethodik ein zielgerichtetes Konzept für eine Laboruntersuchung vorgeschlagen, die es ermöglichen soll, den Einfluss der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten zu quantifizieren und wissenschaftlich abzusichern. Es wurde festgestellt, dass dieser Einfluss bisher in keiner Literaturstelle wissenschaftlich haltbar und eindeutig beantwortet wurde. Es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass alle Einflussgrößen so genau erfasst und beurteilt werden können, dass daraus zielsicher auf die Standfestigkeit eines Asphaltes geschlossen werden kann. Was zur zielsicheren Herstellung von standfesten Asphalten fehlt, ist nicht das Mehr an gebrochener Oberfläche, sondern ein Prüfverfahren und die dazugehörigen Anforderungswerte, mit denen im Rahmen der Eignungsprüfung eine zuverlässige und praxisorientierte Beurteilung der Standfestigkeit von Asphalt möglich ist. Damit sollten auch Baustoffe und Baustoffgemische bestimmter Herkunft oder Zusammensetzung auf deren Eignung zur Herstellung standfester Asphalte zielsicher beurteilt werden können. Teil 2: Einfluss des Rundkornanteils auf die Scherfestigkeit von Gesteinskörnungen: Die Untersuchungen sollen zur Klärung beitragen, inwieweit Edelsplitte aus gebrochenem Kies mit unterschiedlichen Bruchflächenanteilen verwendet werden können, ohne die Verformbarkeit von Asphaltschichten wesentlich zu beeinflussen. Die Untersuchung wurde auf die bodenmechanische Fragestellung ohne Berücksichtigung des Einflusses des Bindemittels beschränkt. Verwendet wurden ungebrochene und gebrochene Terassenkiese vom Oberrhein, die im wesentlichen aus Quarzen, verschiedenen Kalksteinen, Kieselschiefern, Sandsteinen, kristallinen Gesteinen und dichten kieseligen Gesteinen bestehen. Es sind an Versuchsreihen mit unterschiedlich zusammengesetzten Korngemischen Dreiaxial- und CBR-Versuche bei verschiedenen Bruchflächenanteilen durchgeführt worden, um Beziehungen zwischen Druckspannungen bzw. CBR-Werten und Bruchflächenanteilen zu ermitteln. Für eine Versuchsreihe ist zudem die Beziehung zwischen dem Reibungswinkel j und dem Bruchflächenanteil bestimmt worden. Alle vier für die Überprüfung des Einflusses der Bruchflächen auf die Festigkeit von Korngemischen durchgeführten Versuchsreihen führen zu vergleichbaren ähnlichen Ergebnissen. Dreiaxialversuche wie auch CBR-Versuche zeigen mit zunehmendem Bruchflächenanteil ein Ansteigen der Druck- bzw. der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert, der im Bereich des Bruchflächenanteils von 50 % bis 75 % liegt. Größere Anteile an Bruchflächen ergeben bei gleichen Versuchsbedingungen keinen Anstieg der Festigkeitswerte. Diese Aussage gilt ausschließlich für die untersuchten ungebundenen Mineralgemische bei vergleichbaren Versuchsbedingungen. Inwieweit ein Bindemittel z.B. Bitumen, diese Erkenntnisse beeinflussen könnte, ist nur durch eine ergänzende Forschungsarbeit zu beantworten.
Im Rahmen des Forschungsprojekts sollte anhand von im Labor hergestellten Probekörpern aus Splittmastixasphalt der Einfluss unterschiedlicher Zusammensetzungen und Verdichtungsgrade auf den Hohlraumgehalt der fertigen Schicht untersucht werden. Für jede Variante der unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden Platten mit den drei Soll-Verdichtungsgraden 100 Prozent, 97 Prozent und 94 Prozent hergestellt. An herausgebohrten Probekörpern wurden der Hohlraumgehalt, der zugängliche Hohlraumgehalt, die Wasserdurchlässigkeit, die Verformungsbeständigkeit und die Zugfestigkeit ermittelt. Die Untersuchungen zum Hohlraumgehalt zeigten, dass die Anforderung nach ZTV Asphalt-StB 01 zum maximal zulässigen Hohlraumgehalt erst ab einem Verdichtungsgrad von 98 Prozent sicher erfüllt wurde. Ein minimaler Verdichtungsgrad von 97 Prozent gemäß ZTV Asphalt erscheint somit als zu gering. Die Bestimmung des zugänglichen Hohlraumgehalts führte zu einem Vergleich mit den beiden Hohlraumgrößen ermittelt nach Tauchwägung und nach Ausmessen. Hierbei bestätigte sich, dass das Verfahren der Tauchwägung bei hohen Hohlraumgehalten nicht geeignet ist. Nach Auswertung der durchgeführten Wasserdurchlässigkeitsuntersuchungen war festzustellen, dass die Gefahr von Wasserdurchlässigkeiten bei Splittmastixasphalt bei einer Verdichtung über 98 Prozent und einem Hohlraumgehalt von kleiner 5,0 Volumen-Prozent minimiert werden kann. Die ermittelten Ergebnisse der Druckschwellversuche zeigten, dass der Hohlraumgehalt ab 4,0 Volumen-Prozent kaum Einfluss auf die Verformungsbeständigkeit hat. Erst ab einem Hohlraumgehalt von kleiner 4,0 Volumen-Prozent konnte eine Erhöhung der Verformungsbeständigkeit erreicht werden. Anhand der Ergebnisse der Zugfestigkeitsprüfungen konnte festgestellt werden, dass eine Erhöhung des minimalen Verdichtungsgrads von 97 Prozent auf 98 Prozent keine nennenswerte Verbesserung der Zugfestigkeit erzielen würde. Um dies zu erreichen wäre ein Hohlraumgehalt von kleiner 5,0 Volumen-Prozent beziehungsweise ein Verdichtungsgrad von kleiner 99 Prozent notwendig.
Zur Verminderung der Gefährdung der Verkehrsteilnehmer durch plötzliche Vereisung von Fahrbahnoberflächen sind mehrfach so genannte eishemmende Deckschichten eingebaut worden, bei denen Auftausalze bereits in das Mischgut selbst eingebracht sind. Eines dieser Produkte ist unter dem Handelsnamen Verglimit Anfang der 70er Jahre auf den Markt gebracht worden. Unabhängig von den noch immer unterschiedlich bewerteten Vor- und Nachteilen stellte sich aufgrund von Hinweisen des Herstellers die Frage, ob der Verglimit-Zusatz hinsichtlich der Verformungsbeständigkeit und der Rissbildung einen nachweisbaren Einfluss ausübt. Die Bundesanstalt für Straßenwesen führte dazu an zwei Strecken nähere Untersuchungen hinsichtlich Entwicklung der Oberflächeneigenschaften, der kompositionellen und technologischen Eigenschaften des Mischgutes und der fertigen Schichten durch. Ein Einfluss auf das Gebrauchsverhalten durch den Zusatz von Auftausalz in die Deckschicht ist nicht erkennbar gewesen.
Einfluss von Additiven auf den Schichtenverbund und die Haftung des Abstreusplittes bei Gussasphalt
(2001)
Im Oktober 2000 wurde ein zulässiger Grenzwert für Dämpfe und Ärosole, die bei der Heißverarbeitung von Bitumen entstehen, festgelegt. Bei der Verarbeitung von Gussasphalt, die üblicherweise bei Temperaturen von mehr als 200 Grad Celsius erfolgt, wird der Grenzwert wegen der hohen Einbautemperatur in der Regel deutlich überschritten. Neben der Rezeptur des Gussasphalts hat eine hohe Einbautemperatur großen Einfluss auf dessen Verarbeitbarkeit und spätere Standfestigkeit. Die Merkmale "Gute Verarbeitbarkeit und geringe Emissionsbildung" schließen sich generell gegenseitig aus. Berichtet wird über Untersuchungen zur Verminderung der Emissionen beim Einbau von Gussasphalt. Dies soll durch Absenkung der Einbautemperatur bei Beibehaltung guter Verarbeitbarkeit und Gebrauchstauglichkeit geschehen. Im Labor wird die Wirksamkeit von Additiven hinsichtlich Verformungsbeständigkeit, Schichtenverbund und Griffigkeit (Splitthaftung) untersucht. Außerdem soll ein Verfahren zur objektiven Bewertung der Konsistenz des Gussasphalts bei Verarbeitungstemperatur entwickelt werden. Geeignete Additive sollen später in Erprobungsstrecken auf ihre praxisgerechte Anwendbarkeit, emissionsmindernde Wirkung und ihr Langzeitverhalten untersucht werden.
Die Bitumenalterung ist ein sehr komplizierter Prozess, dessen Verständnis durch die Zugabe von Polymeren zusätzlich erschwert wird. Bei den unmodifizierten Bitumen werden die Alterungseigenschaften normalerweise charakterisiert, indem die physikalischen Eigenschaften des Bitumens vor und nach der Alterung bestimmt werden. Nach der Alterung werden die Straßenbaubitumen härter. Dies ist im Falle von polymermodifizierten Bitumen, insbesondere PmBs mit einem hohen Polymergehalt, nicht ausreichend, da der Abbau der Polymere infolge der Alterung zu einer Herabsetzung der Bindemittelviskosität führen kann. Es sind weitere Untersuchungen im Falle von PmB, wie GPC, IR-Spektroskopie etc., notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der simulierten Alterung im Labor auf die Struktur von polymeren und praxisrelevanten Eigenschaften modifizierter Bindemittel zu untersuchen. Hierfür wurden neben der simulierten Kurzzeitalterung nach RFT gemäß DIN EN 12607-3 die Langzeitalterung nach PAV (mit vorgeschalteter thermischer Beanspruchung nach RFT) und nach LT RFT (modifizierte RFT Alterung) angewendet. Die Simulation einer reinen oxidativen Alterung des Bindemittels erfolgte durch den PAV-Test ohne vorgeschaltete Kurzzeitalterung, bei e. Temperatur von 100 -°C unter Luftzufuhr und einer Beanspruchungszeit von 20 Std. Untersucht wurden insgesamt acht polymermodifizierte Bitumen: vier SBS-modifizierte Bitumen der Sorte PmB 45 A, ein thermoplastmodifizierten Bitumen der Sorte PmB 45 C und drei höher SBS-modifizierte Bitumen der Sorte PmB 40/100-65 H. Hinsichtlich der Polymerstruktur kann zwischen linearen, verzweigten und sternförmigen SBS-Polymeren unterschieden werden. Darüber hinaus besitzen zwei der untersuchten Bindemittel, ein PmB 45 und ein PmB 40/100-65 H, eine Art Vernetzung/ Kopplung zwischen Bitumenspezies und Polymeren. An allen Bindemitteln vor und nach der AIterung wurden neben den physikalischen Untersuchungen auch rheologische u. chemische Untersuchungen durchgeführt und die Kennwerte im frischen sowie im gealterten Zustand ermittelt. Während die Untersuchungen am frischen Bindemittel dessen Eigenschaften bei der Auslieferung vom Produzenten widerspiegeln, werden durch die Simulation der Kurzzeitalterung (RFT) Veränderungen in den Eigenschaften der Bindemittel während der Herstellung, Lagerung, Transport und Verarbeitung berücksichtigt. Die Simulation der Langzeitalterung umfasst solche Veränderungen, die während der Nutzungsdauer des Bindemittels in der Straße über einen Zeitraum von ca. 10 Jahren in ungünstigen Fällen auftreten können. Basierend auf diesen Resultaten kann Folgendes gesagt werden: Die Alterung der polymermodifizierten Bitumen ist auf den Abbau der im PmB enthaltenen Polymere (Abnahme des Molekulargewichtes der Polymere) einerseits und andererseits auf die Oxidation des Grundbitumens zurückzuführen. Die chemische Analyse der PmB lässt ein Ansteigen des Asphaltengehaltes, begleitet von einer Abnahme des Gesamtaromatengehaltes, in Abhängigkeit von den Alterungsbedingungen sowie eine progressive Abnahme der Molekulargewichte der Polymere erkennen. Die Veränderung der physikalischen Bindemitteleigenschaften infolge Alterung wird durch die begleitende chemische Veränderung im Bindemittel hervorgerufen. Letztere ist als Folge einer gleichzeitigen Oxidation des Grundbitumens und eines von der Polymerstruktur, und -gehalt sowie von der Art und Dauer der Beanspruchung abhängigen Polymerabbaues zu selten. Während die Oxidation des Grundbitumens die Erhöhung der Bindemittelviskosität bewirkt, kann der Abbau, dagegen zu einer Herabsetzung der Viskosität führen. Dies ist besonders bei den höher polymermodifizierten Bitumen der Fall. So wird die Verhärtung des Grundbitumens durch den Polymerabbau kompensiert. Anhand der durchgeführten physikalischen sowie chemischen Untersuchungen stellte sich die Langzeitalterung nach LT RFT als die stärkste Beanspruchung heraus. Die Langzeitalterung nach PAV mit vorgeschalteter Kurzzeitalterung RFT scheint daher praxisnaher zu sein als die Langzeitalterung nach LT RFT. Allgemein zeigten die hier untersuchten höher polymermodifizierten Bitumen ein besseres Alterungsverhalten als die PmB 45. Am alterungsbeständigsten sind sternförmige oder mit Bitumenspezies vernetzte SBS-Polymere. Hier konnte nach der aggressivsten Alterung nach LT RFT noch eine Wirkung der eingesetzten Polymere nachgewiesen werden. Inwieweit sich die Unterschiede im Alterungsverhalten der untersuchten PmB auf das Gebrauchsverhalten der damit hergestellten Asphalte auswirken, kann nur mit Performanceübungen an Asphalt selbst untersucht werden. Es wird vorgeschlagen, die Asphalteigenschaften bei hohen und bei niedrigen Gebrauchstemperaturen zu untersuchen.
Durch die Einführung der Bauproduktenrichtlinie und der nationalen Umsetzung in das Bauproduktengesetz kam es zur Erarbeitung einer ganzen Reihe von europäischen Prüf- und Anforderungsnormen für Straßenbauprodukte. Dazu zählen auch die Erhaltungsbauweisen Oberflächenbehandlung und Dünne Asphaltdeckschicht in Kaltbauweise. Dieser europäische Normungsprozess wird kontinuierlich weitergeführt. So sind vor allem bei der Bauweise Dünne Asphaltdeckschicht in Heißbauweise auf Versiegelung neuere Aktivitäten zu verzeichnen, aber auch die älteren Prüfnormen stehen vor ihrer regulären periodischen Überprüfung. In naher Zukunft wird mit der Bauproduktenverordnung ein neuer europäischer Rechtsakt erscheinen, der möglicherweise eine zusätzliche Dynamik in den Prozess bringt, der momentan noch nicht absehbar ist.
Die Forschungsarbeit gliederte sich in zwei Teile. In den Jahren 1973 und 1974 wurde zur Verbesserung der Anfangsgriffigkeit von Asphaltbeton auf 7 Versuchsstrecken das Abstreuen der heißen Deckschicht mit Brechsand oder feinem Splitt während der Herstellung erprobt. Als wesentlich erwies sich, dass die Streudichte gering gehalten wird (0,6 -1,0 kg/m2 bei Abstreumaterialien mit einem Größtkorn bis 5 mm) und daß das Material auf die in der obersten Zone noch mindestens 80-°C heiße Deckschicht hinter dem Fertiger oder nach dem ersten Walzgang gleichmäßig aufgebracht und sogleich angewalzt wird. Zum bevorzugten maschinellen Abstreuen haben sich verschiedene Streugeräte bewährt; möglich ist aber auch die Abstreuung von Hand mit Schaufeln. Die Kosten für Abstreumaterial, Geräte und Lohn sind, gemessen an den Gesamtkosten einer Deckschicht, gering. Die Griffigkeitswerte in den abgestreuten Feldern lagen im Neuzustand immer wesentlich höher als in den Vergleichsfeldern ohne Abstreuung. Über Wochen und Monate blieb die Griffigkeit der abgestreuten Felder besser als die der Vergleichsfelder. Nachteilige Wirkungen des Abstreuens, wie Verschlechterung der Anfangsebenheit oder ungleichmäßiges Aussehen der Oberfläche, sowie ein Einfluß auf das Gebrauchsverhalten der Deckschichten (Verschleiß, Verformung, Haltbarkeit) wurden nicht festgestellt. Der zweite Teil der Forschungsarbeit im Jahre 1975, der 6 Versuchsstrecken umfaßte, erbrachte Hinweise, wie die Anfangsgriffigkeit von Asphaltbetondeckschichten ueber die Zusammensetzung des Mischgutes beeinflußt werden kann. Günstig wirken sich unmittelbar auf die Anfangsgriffigkeit ein an der oberen Grenze der zulässigen Spanne liegender Hohlraumgehalt und ein hoher Brechsandanteil im Mineralstoffgemisch sowie auch ein hoher Schärfegrad des Brechsandes aus. Um die Bewährung der bei den Versuchsstrecken gewaehlten Zusammensetzungen zu beurteilen, muß jedoch das gesamte langfristige Gebrauchsverhalten der Deckschichten (Griffigkeit, Ebenheit und insbesondere Haltbarkeit) beobachtet werden.
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.