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.
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.
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.