31 Bituminöse Baustoffe
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An fünf Forschungseinrichtungen wurden statische und dynamische Versuche durchgeführt, um mit den Ergebnissen ein neues Stoffmodell für Asphalt zu validieren. Zur Untersuchung des Verformungswiderstandes wurden neben Triaxialversuchen mit dynamischer Radialspannung auch Versuche in dem Spurbildungsgerät durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden durch Spurbildungsversuche an Ausbauplatten im Großmaßstab mit praxisgerechten Reifen ergänzt. Das Ermüdungsverhalten wurde mittels einaxialer Zug-Schwell-Versuche sowie dynamischer Spaltzugversuche untersucht. Sowohl die dynamischen Spaltzugversuche als auch die einaxialen Zug-Schwell-Versuche sind geeignet, das Ermüdungsverhalten von Asphalt zu untersuchen. Die aus einer Versuchsstraße entnommenen Probekörper wiesen große Unterschiede im Hohlraumgehalt auf, die zu relativ hohen Streuungen der Ergebnisse der Versuche führten. Die Zug-Schwellversuche wurden bei Temperaturen zwischen "15 -°C, -2,5 -°C sowie +10 -°C und die Spaltzugversuche bei "5 -°C, +5 -°C und +20 -°C durchgeführt. Durch Variationen der Prüfbedingungen in den dynamischen Spaltzugversuchen wurde festgestellt, dass das Aufbringen einer Unterlast zur Simulation kryogener Unterspannungen zu einer deutlichen Reduzierung der Resistenz gegenüber Ermüdung führt. Weiterhin konnten Einflüsse durch verschiedene Lastimpuls- und Lastpausenlängen auf das Ermüdungsverhalten nachgewiesen werden. Bei der Ermittlung der statischen Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls wurden unterschiedliche Aussagen der beiden Versuchsarten festgestellt. Der unterschiedliche Spannungszustand in den Versuchen hat einen großen Einfluss auf die ermittelten Parameter. Mit dem an Hand der Ergebnisse der axialen Zug-Schwell-Versuche validierten Stoffmodell konnte der komplexe Beanspruchungszustand im Spaltzugversuch erfolgreich simuliert werden.
Die Produktion von Heißasphalt im Asphaltmischwerk hat einen großen Anteil an den in Ökobilanzen erfassten Umweltindikatoren, z.B. der CO2-Emissionen. Ein Großteil des bei der Asphaltproduktion erforderlichen Energieverbrauchs wird zur Trocknung und Erwärmung der Gesteinskörnungen aufgebracht. Vermehrt wird daher international bitumenhaltiges Mischgut bei Umgebungstemperaturen hergestellt und eingebaut. Als Bindemittel kommen dabei Bitumenemulsion oder Schaumbitumen zur Anwendung. Das Baustoffverhalten des Kaltmischgutes unterscheidet sich in verschiedenen Aspekten vom mechanischen Verhalten von Heißasphalt. Dies betrifft alle Phasen der fertiggestellten Schicht " Mischgutherstellung, Lagerung und Transport, Einbau, Verdichtung sowie Kurz- und Langzeitverhalten. Um das bautechnische Potenzial der bitumengebundenen Kaltbauweisen für die Anwendung in Deutschland abzuschätzen wurden internationale Anwendungen und Erfahrungen mit der Bauweise zusammengestellt und vergleichend bewertet. Dabei können anhand der eingesetzten Bindemittelgehalte vier bitumenhaltige, kalt verarbeitete Mischgutarten unterschieden werden: Kaltasphalt, Grave Emulsion, Bitumen-Stabilisiertes Mischgut und Bitumen-Zement-Stabilisiertes Mischgut. Insbesondere bei den letzten drei Mischgutsorten unterscheidet sich das mechanische Baustoffverhalten stark von jenem von Heißasphalt. Daher sind vom bisherigen Standard abweichende Dimensionierungs- und Bauverfahren erforderlich. Um die Kaltbauweisen in Deutschland zu erproben, sind weitere Forschungsaktivitäten hinsichtlich des mechanischen Verhaltens der Kaltbaustoffe erforderlich. Die praktische Umsetzung international erprobter Bauweisen kann parallel in Untersuchungsstrecken erfolgen, welche durch Lebenszyklus-Studien begleitet werden sollten, um ökologische und ökonomische Vorteile der Bauweisen belegen zu können.
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.
Asphalttragschichten werden zunehmend mit hohen Anteilen an Ausbauasphalten hergestellt mit der Folge, dass diese dichter werden. Von oben eindringendes Wasser wird nicht ausreichend abgeführt, sondern bleibt auf der Asphalttragschicht stehen und zerstört die darüber liegende Asphaltbinderschicht. Aus diesem Grunde wurden alternative Asphaltbinder entwickelt, die dicht konzipiert sind und trotzdem eine gute Performance aufweisen und sich zudem möglichst entmischungsstabil beim Einbau verhalten. Zu dem eignen sich dichte Asphaltbinderschichten zum kurzfristigen Befahren, z. B. über Winter. In der Erprobung befinden sich drei Arten von Asphaltbindern. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden die drei Sorten der alternativen Asphaltbinder AC 16 B S - HSF, AC 16 B S - SG und AC 16 B S - SMA auf ihre Eignung systematisch untersucht und die Ergebnisse mit einem regelkonformen Asphaltbinder AC 16 B S gemäß TL Asphalt-StB verglichen. Das Kürzel HSF steht für "hoch standfest", SG für "stetig gestuft" und SMA für "Splittmastixasphalt-Prinzip". Die Untersuchungen gliedern sich in labortechnische und großtechnische. Zunächst wurden im Labor die Asphaltbinder bei systematischer Variation der Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes hergestellt, die Mischarbeit gemessen, der Verdichtungswiderstand festgestellt und Untersuchungen zur Wasserdurchlässigkeit, zum Haftverhalten, zum Verformungsverhalten, zur Kälteflexibilität und zu den Ermüdungseigenschaften durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Entmischungsneigung und die Änderung der Performance aufgrund eines Alterungsangriffes nach dem Braunschweiger Alterungsverfahren (BSA) und nach der AASHTO-Designation R30-02 überprüft. Im großtechnischen Teil wurden die drei alternativen Asphaltbinder und ein regelkonformer AC 16 B S in eine konkrete Baumaßnahme bei Magdeburg eingebaut. Der Einbau wurde detailliert dokumentiert. An den Asphaltbindern wurden die Wasserdurchlässigkeit, die Hohlraum-Morphologie und die Entmischung des Asphaltbindermaterials durch die Querverteilung hinter der Einbaubohle untersucht. Ferner wurden an Bohrkernproben der Verformungswiderstand, der Widerstand gegen Kälterissbildung und der Entmischungswiderstand festgestellt. Bei einer summarischen Betrachtung aller Untersuchungsergebnisse ist festzustellen, dass die dicht konzipierten SG-Binder und SMA-Binder gegenüber dem konventionell zusammengesetzten Referenzbinder keine Nachteile und bei einigen Eigenschaften, wie z. B. Haftverhalten, leichte Vorteile aufweisen. Die Verformungseigenschaften sind differenziert zu betrachten. Der SG-Binder zeigte bei den hier getesteten Varianten teilweise eine leicht verbesserte Verformungsbeständigkeit im Vergleich zum SMA-Binder, woraus zum aktuellen Zeitpunkt aber noch keine allgemeinen Schlüsse gezogen werden können. Allerdings ist der SMA-Binder gegenüber der Referenz und den beiden anderen alternativen Asphaltbindern erkennbar "entmischungsstabiler". Der HSF-Binder stellt keine echte Alternative dar. Es wird empfohlen, den SG-Binder und den SMA-Binder in ein R-Regelwerk der FGSV aufzunehmen und das in situ-Projekt bei Magdeburg (B 81) systematisch zu beobachten.
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.
Verdichtbarkeit von Asphaltmischgut unter Einsatz des Walzsektor-Verdichtungsgerätes im Laboratorium
(2006)
Das Walzsektor-Verdichtungsgerät dient bisher ausschließlich der Herstellung von Probekörpern für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Asphalt. In der vorliegenden Forschungsarbeit sollte untersucht werden, ob sich aus dem beim Walzsektorverdichtungsgerät aufgezeichneten Verdichtungsverlauf Kennwerte zur Beschreibung der Verdichtbarkeit ableiten lassen. Die Plattenherstellung erfolgte nach der "Arbeitsanleitung zur Prüfung von Asphalt (ALP A-StB), Teil 11: Herstellung von Asphaltprobeplatten im Laboratorium mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät (WSV)". Das Verdichtungsregime des WSV gliedert sich in Vor- und Hauptverdichtung. Der zur Beschreibung der WSV-Verdichtung ermittelte Kennwert WE wurde ausschließlich an der Entwicklung der Verdichtungsarbeit der Hauptverdichtung bestimmt. Für die Auswertung wurde die kumulative Darstellung der Verdichtungsarbeit über die Zahl der Verdichtungsübergänge gewählt. Die dabei entstehenden Kurven lassen sich mit der Boltzmann-Funktion annähern. Der WE-Wert bezeichnet das Maximum der aufsummierten Verdichtungsarbeit während der Hauptverdichtung im WSV und charakterisiert nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen die für das jeweilige Mischgut erforderliche Verdichtungsarbeit in Nm/cm. Die Analyse der Dichtemerkmale (Hbit, k) der Probekörper aller untersuchten Mischgutvarianten zeigte, dass die Beschreibung der Verdichtbarkeit mit den derzeitigen Erkenntnissen und den Randbedingungen der Verdichtung nur für mittel und schwer verdichtbare Asphalte plausible Ergebnisse liefert. Ursache für die unzureichende Beschreibung der Verdichtbarkeit leicht verdichtbarer Mischgutvarianten ist einerseits im Verdichtungsregime und andererseits in der aus maschinenbau- und messtechnischen Gründen ungenauen Probekörperhöhenaufzeichnung während der Verdichtung zu sehen. Um auch für diese Asphalte einen Kennwert zur Beschreibung der Verdichtbarkeit mit dem WSV ermitteln zu können, muss das Programm der Verdichtung modifiziert werden. Der Zusammenhang zwischen Verdichtbarkeit und Verformungsbeständigkeit wurde bei den beiden performanceorientierten Verfahren der dynamischen Stempeleindringtiefe und der Spurbildung untersucht. Ein signifikanter Zusammenhang stellt sich hierbei am deutlichsten für den Vergleich des Verdichtungskennwertes WE mit der dynamischen Stempeleindringtiefe dar.
Im Rahmen dieses Projektes wurden vor dem Hintergrund der nationalen und europäischen Entwicklungen (z.B. Europäische Normung etc.) neben den Randbedingungen für die Kraftduktilitätsprüfung auch die Auswertung der dabei erfassten Daten genauer betrachtet sowie praxisrelevante Parameter bzgl. der Versuchsdurchführung und -auswertung ermittelt. Ebenso wurde auch versucht den gesamten Verlauf der Kraftduktilitätskurve sowie ggf. auch die Gestalt der Kurve in die Auswertung mit einzubeziehen und nicht nur, wie bisher, punktuelle Werte bzw. einzelne feste Bereiche. Anhand der in diesem Projekt ermittelten Ergebnisse kann festgehalten werden, dass die Probekörperform mit geradem Steg (Form II) gemäß DIN EN 13589 der Probekörperform mit verjüngtem Steg (Form I) gemäß DIN EN 13398 vorzuziehen ist, da es trotz der höchsten Maximalkräfte bei der Form I bei niedrigen Temperaturen häufig zu einem vorzeitigen Probenriss kam und die die Ausziehlänge wesentlich geringer als bei der Form II (Form mit geradem Steg) war. So das in vielen Fällen eine Ermittlung der Formänderungsarbeit zwischen 200 mm und 400 mm Dehnungsweg gemäß der DIN EN 13703 bei Prüfung mit der Form I nicht möglich war, da die Proben die Ausziehlänge von 400 mm nicht erreichten. Dadurch kann die Form mit verjüngtem Steg (Form I), trotz der Verwendung für die elastische Rückstellung nach DIN EN 13398, nicht für den Einsatz bei der Kraftduktilitätsprüfung empfohlen werden. Hinsichtlich der Ziehgeschwindigkeit sollte die bis-her in der Norm verankerte Ziehgeschwindigkeit von 50 mm/min beibehalten werden, da eine Reduzierung der Geschwindigkeit keine Vorteile, z.B. hinsichtlich der Vermeidung eines vorzeitigen Proberisses bei niedrigen Temperaturen, bringt und die Prüfung mit der reduzierten Ziehgeschwindigkeit von 25 mm/min somit doppelt so lange dauern würde. Bezüglich der Prüftemperatur sollte ein Vorgehen gewählt werden, dass es erlaubt, die Ergebnisse, die bei den verschiedenen Bitumensorten gewonnen werden, zu vergleichen. Dies könnte beispielsweise 10-°C als Prüftemperatur sein. Die Festlegung einer einheitlichen Prüftemperatur und dann entsprechend sortenspezifische Anforderungen an die Formänderungsarbeit würden auch bei unbekannten Bitumen und/oder Kontrollprüfungen die Durchführung der Kraftduktilitätsprüfung sowie die Bestimmung der Bitumensorte erleichtern. Aufgrund der im Rahmen des Projektes ermittelten Ergebnisse sollte für Kraftduktilitätsprüfungen die Probekörperform mit geradem Steg gemäß DIN EN 13589 und eine Ziehgeschwindigkeit von 50 mm/min gewählt werden. Die anderen Randbedingungen (Probekörperform mit verjüngtem Steg und Ziehgeschwindigkeit von 25 mm/min) haben sich hinsichtlich der Durchführbarkeit, Auswertbarkeit und Praktikabilität als nicht geeignet erwiesen. Das Rückgewinnungsverfahren für polymermodifizierte Bitumenemulsionen gemäß dem Entwurf der DIN EN 13074-1 hat sich bei den Untersuchungen im Labor als geeignet hinsichtlich Anwendbarkeit und der Ergebnisse gezeigt. So dass keine Modifikation des Verfahrens notwendig erscheint. Für die genauere Interpretation der Kraftduktilitätskurven sowie ggf. Unterscheidung der einzelnen Sorten ist eine Aufteilung der Kurve in zwei Teilbereiche unumgänglich. Allerdings konnte bisher noch kein Verfahren identifiziert werden, mit dem dies eineindeutig möglich ist. Vor allem weil die in der Praxis auftretende Spannbreite der Ergebnisse bei einer einzelnen Sorte bereits recht groß ist, daher nicht immer auszuschließen ist, dass sich die Randbereiche der einzelnen Sorten nicht überschneiden. Um die einzelnen Sorten anhand der Prüfergebnisse unterscheiden bzw. differenzieren zu können, sind die Prüfungen bei einheitlichen Temperaturen unabhängig von der Bitumensorte notwendig, da sich mit der Änderung der Temperatur auch der Kurvenverlauf und somit die Kennwerte ändern. Das Verfahren zur Aufteilung der Kurven in Teilbereiche sollte frei von subjektiven Einflüssen rein mathematisch erfolgen, nachvollziehbar und einfach im täglichen Laborbetrieb anwendbar sein. Daher wird als relativ einfache Variante die Ermittlung der Steigung des Kurvenverlaufes anhand der 1. Ableitung vorgeschlagen. Unabhängig von der Art des Kurvenverlaufes lässt sich hierbei immer das Maximum der Steigung ermitteln. Anhand dessen kann die Trennung in die beiden Bereiche der Kraftduktilitätskurve einfach und schnell durchgeführt werden. Die weitere Interpretation des Kurvenverlaufes sowie die Zuordnung zu einer Bitumensorte kann anhand des Quotienten der Formänderungsarbeiten der beiden Abschnitte erfolgen.
Weiterführende Untersuchungen zur Beurteilung des Adhäsionsverhaltens zwischen Bitumen und Gestein
(2017)
Die Dauerhaftigkeit der Straßen hängt maßgeblich vom Haftverhalten zwischen dem Bitumen und der Gesteinskörnung ab. Seit Jahrzehnten wird das Haftverhalten unterschiedlicher Gesteine und Bitumen mit diversen Prüfverfahren untersucht. Eine Quantifizierung der Einflussfaktoren konnte bisher nicht erreicht werden, jedoch hat das Gestein nach den Ergebnissen des AiF-Forschungsprojektes IGF 16639N einen größeren Einfluss auf die Adhäsion als das Bitumen [RADENBERG et al., 2014]. Im Rahmen dieses Projektes soll die Komponente Gestein genauer untersucht werden und der Einfluss der verschiedenen Gesteinseigenschaften auf die Adhäsion quantifiziert werden. Ein Fokus der Forschungsaufgabe ist dabei, zu untersuchen, ob der Parameter Zeta-Potential dazu dienen kann, die Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gesteinsaggregaten zu beschreiben. Aus der Literatur geht hervor, dass niedrige Potenzialdifferenzen zwischen Bitumen und Gestein auf eine gering wirksame adhäsive Bindung / elektrostatische Wechselwirkung hindeuten und z.B. bei gleichsinniger Ladung sogar zur gegenseitigen Abstoßung von Gesteinsoberfläche und Bitumenmolekülen führen. Die Untersuchungen von [LABIB, 1992] zeigen, dass Bitumenemulsionen negative Zeta-Potentiale aufweisen. Bei den Rolling-Bottle-Versuchen konnte ein signifikanter Einfluss der Gesteinseigenschaften insbesondere des Zeta-Potentials und des Ca-Anteils der löslichen Salze auf den Umhüllungsgrad festgestellt werden. Der Schüttelabriebversuch hat sich mit den hier gewählten Randbedingungen als ungeeignet für die Quantifizierung möglicher Einflussfaktoren erwiesen. Ebenso konnten mit der Tropfenkonturanalyse weder Einflüsse aus den Gesteinseigenschaften noch aus den Bitumeneigenschaften als maßgeblich quantifiziert werden. Dennoch kann grundsätzlich eine Aussage über das Haftverhalten zwischen Bindemittel und Gestein getroffen werden. Weiterhin kann die Wirkung von Wasser auf das Haftverhalten messtechnisch erfasst werden. Die Versuche zur Haftgrenztemperatur zeigen, dass der pH-Wert des Wassers einen Einfluss auf die Haftgrenztemperatur (HGT) ausübt. Mit abnehmenden pH-Wert sinkt bei dem Diabas und der Grauwacke das Zeta-Potential (Betrag). Je höher das Zeta-Potential (Betrag) ist, desto geringer ist die Haftgrenztemperatur.
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.