31 Bituminöse Baustoffe
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Von der Bauindustrie werden in den letzten Jahren mehrere Spezialbauweisen für Deckschichten empfohlen, die nach den Ausführungen in Werbeschriften und Fachzeitschriften einen erhöhten Widerstand gegenüber dem Verschleiß durch den Winterverkehr aufweisen sollen. Um deutliche Unterschiede zwischen dem Verhalten der spikesresistenten Deckschichten und den bekannten Bauweisen (Gussasphalt, Asphaltbeton) möglichst schnell zu bekommen, wurde eine Erprobungsstrecke auf der Richtungsfahrbahn der BAB A 21 Bad Reichenhall-München gebaut. Sie umfasst 8 Abschnitte von jeweils 150 m Länge mit spikesresistenten Deckschichten und eine 200 m lange Vergleichsstrecke in einer normalen Asphaltbetonbauweise nach TV bit 3/64. Das Verhalten der einzelnen Abschnitte wurde beim Einbau und unter den gegebenen Verkehrs- und Witterungseinflüssen beobachtet. Während der Messungen im Frühjahr und Herbst werden die Abnutzung und Verformung, die Griffigkeiten und das Rauhigkeitsverhalten erfasst. Ständig werden die Verkehrsmengen nach Achsen und die Anzahl der Spikes fahrenden Fahrzeuge getrennt nach Haupt- und Überholfahrspur registriert.
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.
Aufgabe der Untersuchung war die Ermittlung der Verteilung innerhalb des Straßenquerschnittes, insbesondere in den Rollspuren des Verkehrs sowie die Ermittlung der Veränderung der Griffigkeiten über die Zeit, insbesondere im Hinblick auf den Einflusss winterlicher Verhältnisse im Zusammenhang mit der Benutzung von Spikesreifen. Wesentliche Ergebnisse sind: - Die Griffigkeiten sind über den Straßenquerschnitt nicht gleichmäßig verteilt. " Die Griffigkeiten liegen in Zonen mit hoher Verkehrsbelastung niedriger als in Zonen mit schwacher Verkehrsbeanspruchung. " Die Griffigkeiten unterliegen jahreszeitlichen Schwankungen. " Die Auffassung, dass die Griffigkeiten nach einem Tiefpunkt im Herbst über den Winter zum Frühjahr hin wieder anwachsen, kann nicht aufrechterhalten werden. " Griffigkeitsunterschiede innerhalb eines Straßenquerschnittes können größer sein als die jahreszeitliche Griffigkeitsänderung an einem einzelnen Messpunkt.
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.
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.
Asphalt verhält sich viskoelastisch und viskoplastisch. Diese beiden rheologischen Eigenschaften sind aus Versuchen an Probekörpern und auch aus Messungen an Straßenbefestigungen bekannt. In der vorliegenden Arbeit werden insbesondere die Ergebnisse von dynamischen Versuchen an Asphalt-Probekörpern theoretisch interpretiert und daraus Folgerungen für das Verhalten des Baustoffes in Straßenbefestigungen bei bewegten Verkehrslasten gezogen. Zur Beschreibung des viskoelastischen Verhaltens werden die grundlegenden Begriffe der Viskoelastizität, die Kriechfunktion und der komplexe Elastizitätsmodul und ihre Beziehungen zueinander eingehend behandelt. Die Anwendung dieser Begriffe auf die Experimente führt schließlich zur Definition eines effektiven Elastizitätsmoduls für Asphalt, welcher Anstelle des E-Moduls im konventionellen Sinne bei elastizitätstheoretischen Bemessungsbesprechungen von Straßenbefestigungen verwendet werden kann. Infolge seines viskoplastischen Verhaltens kommt es bei Asphalt zu bleibenden Verformungen, die sich z.B. bei Straßen als Spurrinnen zeigen und die Befahrbarkeit wesentlich beeinträchtigen. Es werden die physikalischen Zusammenhänge des viskoplastischen Verhaltens erarbeitet. Damit werden Grundlagen für Verfahren bereitgestellt, mit deren Hilfe aus Verformungsmessungen an Probekörpern (Impulskriechversuche) bleibende Verformungen in Asphalt-Befestigungen von Straßen berechnet werden können.
Untersuchung der Eignung von Gesteinsmehlen als Füller zur Herstellung von Asphaltbetondeckschichten
(1982)
In der Asphalttechnologie gab es bei der Beurteilung von Gesteinsmehlen und anderen feinkörnigen Stoffen für die Herstellung von bituminösem Mischgut unterschiedliche Auffassungen. Die Ursachen für diese Schwierigkeiten wurden insbesondere in uneinheitlichen Prüfverfahren, aber auch in der Aussagekraft einzelner Prüfverfahren selbst hinsichtlich der Bedeutung der granulometrischen feinsten Mineralstoffe im Asphalt vermutet. Somit war es naheliegend, verschiedene Gesteinsmehle und Mischungen daraus sowohl im Laboratorium als auch auf der Straße unter Verkehrs- und Witterungsverhältnissen zu untersuchen und zu beurteilen. Die Auswahl der elf Gesteinsmehle wurde bewusst darauf abgestimmt, solche mit unterschiedlich zu erwartendem Verhalten zu untersuchen; man folgte hierbei dem Gedanken, auch solche Gesteinsmehle für die Herstellung des Mischgutes zu verwenden, die kritisch wegen der Quellfähigkeit beurteilt wurden. Bei den Untersuchungen hatte man erwartet, dass eine vollständige Beurteilung von Gesteinsmehlen für Deckschichten aus Asphaltbeton allein auf Grund von labormäßigen Prüfverfahren möglich ist. Diese Erwartungen haben sich nicht bestätigt. Die bisherige Erfahrung über die stabilisierende Wirkung von Gesteinsmehlen wurde erneut durch einige Prüfverfahren erwiesen. Gemäß den Forderungen der Technischen Vorschriften und Richtlinien bezüglich der quellfähigen Bestandteile konnten einige Tendenzen bei den Versuchen im Laboratorium beobachtet werden, die bei der gegebenen Spreizung der Ergebnisse zunächst einen Anlass boten, das eine oder andere Gesteinsmehl zukünftig von der Verwendung bei der Herstellung von Mischgut für Deckschichten aus Asphaltbeton auszuschließen. Nachdem die Ergebnisse aus den Feldversuchen jedoch vorliegen und diese fast gleichartiges Verhalten in den Gebrauchseigenschaften anzeigen, ist ein solcher Anlass nicht gegeben.
Ziel des Forschungsauftrages war es zu untersuchen, inwieweit auf aufgehellten bituminösen Deckschichten wegen des zu erwartenden geringeren Kontrastes die Erkennbarkeit einer Markierung beeinträchtigt wird. Bei der Durchführung des Forschungsauftrages erwies es sich als vorteilhaft, in die Untersuchung zum Vergleich herkömmliche dunkle bituminöse Deckschichten und Zementbetondecken einzubeziehen. Am Tage ergaben sich im allgemeinen auf allen drei Deckenarten erkennbarkeitsweiten von mehr als 75 m. Nur auf neuen, sehr hellen Zementbetondecken kommt es gelegentlich zu Erkennbarkeitsweiten von weniger als 50 m. 75 m können erreicht werden, wenn die Markierung im Neuzustand einen Leuchtdichtefaktor von mindestens 0,60 aufweist. Bei Nacht wurde nur der Fall des Fahrens bei Kfz-eigener Beleuchtung untersucht, da die Bedingungen des nächtlichen Fahrens bei ortsfester Straßenbeleuchtung im wesentlichen den Bedingungen bei Tag gleichen. Es werden Kurvenscharen für die Erkennbarkeitsweite bei fahren mit Kfz-eigener Beleuchtung bei trockener, feuchter und nasser Fahrbahn hergeleitet. Nachts ist bei trockener Fahrbahn die Erkennbarkeit auf Zementbeton am geringsten, bei feuchter und nasser Fahrbahn auf aufgehellten bituminösen Deckschichten. Die Unterschiede sind jedoch meist nicht groß. Die Aufhellung von bituminösen Deckschichten führt kaum zu Einbußen der Erkennbarkeit darauf verlegter Markierungen. Für einen Markierungsstreifen der Abmessung 0,15 m x 6 m ergeben sich im Bereich des Leuchtdichtekoeffizienten der Markierung r.l = 50 - 200 mcd/qm lx bei trockener und feuchter Fahrbahn erkennbarkeitsweiten von 50 - 100 m. Für die lichttechnisch besten der zur Zeit in der Erprobung befindlichen profilierten Markierungen ergeben sich für einen Markierungsstreifen der gleichen Abmessung bei nasser Fahrbahn etwa 50 - 85 m Erkennbarkeitsweite.
Da für den Einsatz auf Brücken offenporige Deckschichten nicht geeignet sind, wurden in drei Abschnitten Untersuchungen zum lärmmindernden Verhalten dichter Deckschichten mit unterschiedlicher Oberflächentextur durchgeführt. Zur Vereinfachung der Untersuchungen wurden die Erprobungsstrecken nicht auf Brücken angelegt, sondern in zwei Abschnitten im Rahmen von Erneuerungsmaßnahmen im Zuge von Straßen und in einem Abschnitt durch Untersuchung verschiedener Varianten in bereits länger liegenden Strecken. Als Mischgut wurde Splittmastixasphalt 0/5 und Asphaltbeton 0/5 nach ZTVbit-StB in Dicken von 3 bis 4 cm verwendet mit unterschiedlichen Abstreuungen der Körnungen 1/3 mm bis 2/5 mm, in einem Fall wurde ein Dünnschichtbelag aus SMA 0/8 und AB 0/5 mit unterschiedlicher Abstreuung untersucht. Weiterhin wurden auf einer Deckschicht aus AB 0/11 drei unterschiedliche Oberflächenbehandlungen in die Untersuchungen einbezogen, PmB-Emulsion beziehungsweise Epoxidharz mit Abstreuungen. Die relative Abminderung der Lärmpegel gegenüber Referenzstrecken erreichte Werte bis etwa 3 dB(A), die Einbindung der Abstreusplitte in die Oberfläche des SMA 0/5- beziehungsweise AB 0/5-Mischgutes war aber mangelhaft und nicht von Dauer. Dabei verhielt sich die Chromerzschlacke feiner Körnung besser als andere Materialien. Die Kornfraktion 2/5 mm war bereits als zu grob einzustufen. Bei den Oberflächenbehandlungen ergaben sich deutlich bessere Einbindungen der Abstreumaterialien, aber bei der Behandlung mit Epoxidharz zeigte die AB 0/11-Deckschicht deutliche Risse. Das bisher durchgeführte Programm kann noch kein befriedigendes Ergebnis für den Einsatz dichter Beläge mit einer dauerhaft wirksamen Lärmminderung aufzeigen. Es werden aber auf der Grundlage der Einzelergebnisse Hinweise für weitere Untersuchungen zur Optimierung verschiedener Varianten gegeben, die bereits in ein entsprechendes neues Programm eingeflossen sind.
Brückenbeläge auf orthotropen Fahrbahnplatten unterliegen infolge des Trag- und Temperaturverhaltens der Konstruktionen hohen Beanspruchungen. Zur Erfassung des Einflusses von Verkehrsbelastungen und Temperatureinwirkungen auf das Verhalten orthotroper Fahrbahnplatten einschließlich Brückenbelag und auf die Haftung zwischen Brückenbelag und Stahlblech dient die Dauerschwellbiegeprüfung, die heute einen wesentlichen Bestandteil der Grundprüfung für Brückenbeläge auf Stahl darstellt. Im Rahmen des Forschungsprojektes "Untersuchung am Brückenbelag einer orthotropen Fahrbahnplatte" wurden durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Messungen an zwei Brückenbauwerken durchgeführt. Weiterhin wurden zwei Probekörper mit in den einzelnen Belagsschichten applizierten Dehnungsmessstreifen hergestellt und einer Prüfung gemäß TP-BEL-ST unterzogen. Um die Ergebnisse dieser Laborversuche direkt mit den Bauwerksmessungen vergleichen zu können, weisen Probekörper und Brückenbauwerke einen identischen Belagsaufbau auf. Zur Klärung des Einflusses von Temperatur und Art der Lasteinleitung auf das Last-Verformungsverhalten des Verbundkörpers wurden zusätzlich numerische Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente (FEM) durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchungen bestand einerseits in der Überprüfung der Vorgaben für die Dauerschwellbiegeprüfung am Bauwerk selbst. Andererseits wurden anhand der Messergebnisse Last- beziehungsweise Verformungskollektive aufgestellt, welche die wirkliche Beanspruchung aus Verkehr so beschreiben, dass hieraus verbesserte Annahmen für die zukünfige Durchführung der Dauerschwellbiegeprüfung abgeleitet werden können. Aus einer Gegenüberstellung der Dehnungen zwischen Dauerschwellbiegeprüfung und Bauwerk lässt sich ableiten, dass die Vorgaben der Dauerschwellbiegeprüfung im Hinblick auf das statische System und die Lasteinleitung modifiziert werden sollten. Weiterhin zeigen die aus den Bauwerksmessungen abgeleiteten Pfeilhöhenkollektive, dass die Dauerschwellbiegeprüfung auch hier den Verhältnissen in situ nicht in allen Punkten gerecht wird.