620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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.