31 Bituminöse Baustoffe
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Auf der Basis der einschlägigen Vorträge auf dem 79. Jahrestreffen des amerikanischen Transportation Research Board (TRB) im Januar 2000 wird über den Stand und die neuen Entwicklungen der Asphaltstraßenforschung in den USA berichtet. Dabei geht es vor allem um die Weiterentwicklung des aus dem SHRP-Programm hervorgegangenen SUPERPAVE-Systems mit auf Performance-Tests aufgebauten Spezifikationen.
Bitumen ist ein Erdölprodukt mit einer komplexen chemischen Zusammensetzung. Durch die Auswahl der zur Herstellung verwendeten Rohöle und die Art des Raffinerieprozesses werden die Zusammensetzung und die resultierenden chemisch-physikalischen Eigenschaften bestimmt. Für die Untersuchung von Bitumen steht heute eine Vielzahl von leistungsfähigen Methoden der modernen instrumentellen Analytik zur Verfügung. Das Hauptproblem bei der Analyse von Bitumen besteht in der Auftrennung des Stoffgemisches. Chromatographische Verfahren bieten generell die besten Voraussetzungen derartige Trennaufgaben zu bewältigen. So ermöglicht die TLC-FID-Methode die quantitative Bestimmung der Stoffgruppen der Aliphaten, Aromaten, Harze und Asphaltene. Dagegen ermöglicht die klassische Dünnschichtchromatographie, die in der Vergangenheit ausschließlich zum Nachweis von teerhaltigen Bindemitteln eingesetzt wurde, eine einfache und schnelle Möglichkeit eine chemische Charakterisierung von Bitumen in Form eines "Fingerprints" vorzunehmen. Dem Anspruch eine möglichst exakte und vollständige Beschreibung der chemischen Zusammensetzung von Bitumen zu erhalten, stehen Begrenzungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Schnelligkeit der Verfahren gegenüber. Dennoch ist es möglich, mit einem relativ begrenzten Aufwand wertvolle Informationen über die chemische Beschaffenheit zu erhalten.
Betonfahrbahndecken können grundsätzlich in zwei Varianten ausgeführt werden: unbewehrt und bewehrt. In Deutschland ist die unbewehrte Plattenbauweise mit verdübelten Querscheinfugen im Abstand von 5 m bis heute die Standardbetonbauweise. Die Nutzungsdauer wird in den RStO mit 30 Jahren angegeben. In anderen Ländern, wie Belgien und USA, wird die Durchgehend Bewehrte Betonfahrbahndecke (DBBD) standardisiert ausgeführt. Bei dieser Bauweise werden keine Querfugen in der Betondecke hergestellt, sondern es stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, wird die Riss - öffnungsweite durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung beschränkt. Bei dieser Bauweise ist eine Nutzungsdauer von mehr als 30 Jahren vorgesehen. Beide Bauweisen können dünnschichtig überbaut werden und es entsteht die Kompositbauweise. Dies kann im Neuzustand erfolgen oder als Erhaltungsmaßnahme. Als Beläge sind Splittmastixasphalt (SMA), Offenporiger Asphalt (OPA), Dünnschichtkaltbelag (DSK) u. a. möglich. Bei der Plattenbauweise sind dann im Fugenbereich zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Im Falle DBBD entfällt dies. Zur Sammlung erster Erfahrungen in Deutschland wurden zwei Versuchsstrecken in DBBD angelegt und zwei Strecken mit SMA überbaut, davon eine in Plattenbauweise und eine in DBBD. Über die dabei gewonnenen Erfahrungen wird berichtet und ein Konzept für die weitere Erprobung der Kompositbauweise wird dargestellt.
Der Problematik des Verkehrslärms kommt in den letzten Jahren verstärkt Bedeutung zu. Bei den Bestrebungen zur Reduzierung der Geräuschemission von Reifen und Fahrzeug müssen auch die Straßenoberflächen einen Beitrag leisten. Beim Einsatz von lärmmindernden Asphaltdeckschichten muss zwischen dichten und offenen Oberflächen unterschieden werden. Offenporige Asphaltdeckschichten zeigen nach wie vor die höchste lärmtechnische Wirksamkeit, aber auch dichte Walzasphalte haben eine tendenziell günstige Oberflächengestalt. Auch die Weiterentwicklung der Bauweise Gussasphalt zeigt, dass hier gegenüber den alten, grobkörnigen Oberflächen deutliche Fortschritte erreicht wurden. In der Zukunft liegt die Praxis-Umsetzung einer mit Hilfe von theoretischen Modellen entwickelten lärmtechnisch optimalen Gestalt der Straßenoberfläche.
Viskositätsverändernde Zusätze im Asphalt werden seit mehr als 15 Jahren verwendet. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Zusätze sind die Temperaturabsenkung und die Verwendung als Verarbeitungshilfe, frühere Verkehrsfreigaben sind möglich, die Maschinentechnik wird geschont. An Beispielen werden diese Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt und Hinweise zum Umgang mit viskositätsveraenderten Asphalten gegeben.
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 dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Adhäsion und die bisherigen Veröffentlichen über die Anwendung von thermodynamischen Messverfahren zur Untersuchung der adhäsiven Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gestein zusammenfassend dargestellt. Die mit Hilfe des Kontaktwinkelmessverfahrens gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften von Bitumen- und Gesteinsoberflächen sowie die Spreiteigenschaften von Bitumen in direktem Kontakt mit Gesteinsoberflächen werden vorgestellt. Darüber hinaus werden die Eigenschaften von zur Verbesserung der Haftung verwendeten Additiven mit Hilfe dieser Methoden untersucht. Die empirische "Rolling Bottle Prüfmethode" wird derzeit als ein mögliches Verfahren zur messtechnischen Ansprache der Adhäsion diskutiert. Im Einzelnen sind folgende Ergebnisse festzuhalten: 1. Die Kontaktwinkel-Messmethode ist geeignet, um die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Gesteins- und Bitumenoberflächen messtechnisch zu erfassen. Nach einer geeigneten Probenpräparation ist es möglich, Informationen über die Oberflächenenergie und Polarität von Gesteinsoberflächen und von Bitumen zu gewinnen. 2. Durch Anwendung einer Hochtemperaturmesszelle kann die Benetzbarkeit von Gesteinsoberflächen durch Bitumen direkt gemessen werden. Die Messungen sollten möglichst bei einer Temperatur gleicher Viskosität (Äquiviskositätstemperatur) durchgeführt werden, um sicher zu stellen, dass das Spreitverhalten unterschiedlicher Bitumen ausschließlich auf die physikalisch-chemische Wechselwirkung mit der Gesteinsoberfläche zurückzuführen ist und nicht auf die unterschiedliche Viskosität der Bindemittel. 3. Um eine Gesteinsart hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften mit Hilfe der Kontaktwinkelmessungen charakterisieren zu können, muss eine größere Anzahl an Gesteinsproben präpariert und gemessen werden. Nur über eine repräsentative Auswahl und statistische Betrachtung lässt sich ein entsprechender Kennwert ermitteln. Diese Vorgehensweise ist umso wichtiger, je inhomogener die Gesteinsart beschaffen ist. 4. Bei den im Straßenbau verwendeten Gesteinen handelt es sich sehr häufig um Plutonite und Vulkanite. Die Untersuchungen zeigen, dass die üblicherweise im Straßenbau eingesetzten Gesteinsarten hinsichtlich ihrer thermodynamischen Oberflächeneigenschaften messbare Unterschiede aufweisen. Die niedrigste Oberflächenenergie weist Kalkstein auf und die höchste Oberflächenenergie besitzen Taunusquarzit beziehungsweise Gabbro. Generell besteht die Tendenz, dass mit steigendem Siliziumdioxidgehalt die Oberflächenenergie zunimmt. Die Unterschiede sind allerdings weniger groß als erwartet. So können die Unterschiede innerhalb derselben Gesteinsart größer sein als zwischen verschiedenen Gesteinsarten. Die in der Praxis festgestellten deutlichen Unterschiede hinsichtlich der Hafteigenschaften ähnlicher Gesteine, sind offenbar weniger thermodynamisch begründet, sondern vielmehr auf Unterschiede in der Mikrotextur der gebrochenen Gesteinsoberflächen zu-rückzuführen. 5. Der Rolling-Bottle-Test simuliert zeitraffend die schädigende Wirkung von Wasser und mechanischer Abrasion auf die Haftung des Bitumens am Gestein. Während der Beanspruchung überlagern sich somit mehrere physikalische Effekte, die die isolierte Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung erschweren. Die Kontaktwinkelmessmethode ist eine relativ einfache und schnelle Methode, um die adhäsiven Eigenschaften von Gesteinen und Bitumen auf thermodynamischer Grundlage zu charakterisieren. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass ausschließlich die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen messtechnisch erfasst werden und andere Einflussparameter die Messung nicht beeinträchtigen. Dieser Vorteil stellt allerdings auch einen Nachteil dar, da zum Beispiel Rauigkeit und Mikrotextur der Gesteinsoberflächen die Stärke der adhäsiven Wechselwirkung durchaus beeinflussen. Die Methode der Kontaktwinkelmessung ist auch auf gealterte Bitumenproben anwendbar. Generell besteht ein erheblicher Einfluss der feinen Gesteinspartikel auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bitumens. Bei der Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung wird dieser Einfluss bisher nicht berücksichtigt. Es besteht somit eine Informationslücke, die durch geeignete Experimente geschlossen werden sollte.rnrn
Due to the publication of guidelines in Germany the possibility exists to offer analytical designed construction works within an alternative proposal. But the extent to which the test specimen production influences the design relevant properties (for the same asphalt mixture) is not sufficiently investigated at present. Objective of this research project was to determine the design relevant asphalt properties by tests and do comparative considerations on two selected locations within the renewal of a federal trunk road (Germany). For the comparative consideration of the design relevant asphalt properties mixture samples were taken during paving and afterwards drill cores were taken at the same locations. Fatigue tests and tests to determine the stiffness were conducted with the Indirect Tensile Test (ITT). Then design calculations having regard to the test results were performed. At this different bearing conditions of the asphalt package were considered. The calculated fatigue conditions were comparative evaluated and they are presented and discussed in this paper.
Die Planung des 1973/1974 fertiggestellten Großversuchsstandes für Verschleissmessungen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen in Köln umfasste Überlegungen zur Systemwahl, zu den Anforderungen an die Versuchsstraßenbeläge und Prüfräder, zur Prüfanordnung und zur Messausrüstung. Das Ergebnis ist ein Innentrommelprüfstand mit Klimaeinrichtungen, der im Prinzip eine vergrößerte und erweiterte Ausführung des Karlsruher Innentrommelprüfstandes darstellt. Die einseitig offene Trommel (Innendurchmesser etwa 3,85 m), an deren Innenseite in 12 Kassetten der Straßenbelag befestigt ist (es können auch Ausbruchstücke von bituminösen Straßendecken eingesetzt werden), rotiert um eine horizontale Achse (Umfangsgeschwindigkeit bis 150 km/h). Zwei unabhängig voneinander angetriebene Prüfräder laufen im unteren Teil der Trommel innen auf dem Belag ab. Sie sind normal zu ihrer Aufstandfläche belastbar und federnd beweglich und können quer zur Laufrichtung auf verschiedene Laufspuren eingestellt werden. Die Messmöglichkeiten umfassen insbesondere: Verschleiß von Straßenbelägen und Markierungsstoffen, Kraftschluss zwischen Pkw-Reifen und Fahrbahn in Längs- und Querrichtung in Abhängigkeit von Umfangsschlupf und Schräglaufwinkel (auch für Griffigkeitsuntersuchungen an Fahrbahnen), Aquaplaning, Reifenvergleiche in Bezug auf die vorgenannten Aspekte. Als vordringliche Aufgabe wurde im Juli 1974 im Innentrommelprüfstand der Verschleiß von Straßenbelägen unter dem Einfluss verschiedener Winterreifentypen untersucht; Einzelheiten des Prüfprogramms werden mitgeteilt.
The performance of asphalt by low temperatures is largely determined by the viscosity of the binder respectively the mortar of the asphalt. The traditional test methods for binder (e.g. ball-draw viscosimeter) are limited to temperatures above the service range of temperature for an asphalt construction. The Dynamic Shear Rheometer (DSR) is limited to temperatures above 30-°C whereas the Bending Beam Rheometer (BBR) is limited to temperatures below -10-°C and not applicable to mortar. Especially the gap in the temperature of these test methods is very important to characterize the viscosity behavior of binder and mortar over the whole range of the service temperatures, which represent the typical environmental conditions of over the seasons, for an asphalt construction. Tension retardation experiments seem to be very useful to bridge the gap. They address the low temperature behavior of binder and mortar. With this test method the flow characteristics of binder (pen grade and any modification) and any kind of mortar in the service temperature range, in particular at low temperatures of -25-°C can be determined with a high precision, and assessed, via the physically interpretable material characteristics quantity of tension viscosity. Furthermore the present findings indicate the potential of extrapolation the results of the Tension retardation for a prediction of the rutting resistance of asphalt mixtures. As part of several research Projects, BASt (Federal Highway Research Institute) investigated the effects of different modifications of the binder to low temperature behavior of the binder by the tension retardation test. This paper is intended to provide a more detailed description of the test method Tension Retardation, selected results and related findings.