620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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.
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.
Der Benkelman-Balken zählt zu den weltweit verbreitesten Untersuchungsverfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der elastischen Verformung einer Straßenbefestigung unter statischer Belastung. Der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen im bituminös gebundenen Oberbauteil auf die Einsenkungsmesswerte ist allerdings für die in Deutschland festgelegte Messmethodik und die hier vorhandenen Befestigungen noch nicht näher betrachtet worden. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wird dazu auf theoretischem und empirischem Weg eine eingehende Analyse dieses Einflusses vorgenommen. Auf der Basis umfangreicher Temperaturmessreihen werden schließlich Angaben über die Temperatur in 10 cm Tiefe eines bituminösen Oberbaus in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Oberflächentemperatur abgeleitet. Für Temperaturen über 20 Grad Celsius an der Straßenoberfläche können die Oberbautemperaturen dabei je nach Befestigungsart und Tagesstunde aus Tabellen abgelesen werden. Darauf aufbauend wird eine mittlere Oberbautemperatur definiert, die anschließend als Grundlage von Umrechnungsverfahren für Einsenkungsmesswerte auf eine Standardtemperatur von 20 Grad Celsius dient. Die Verfahren werden für Straßenbefestigungen ohne und mit hydraulisch gebundenen Tragschichten getrennt entwickelt. Dabei kann die mittlere Oberbautemperatur zwischen 5 und 36 Grad Celsius liegen. Einsenkungswerte sind damit untereinander vergleichbar und die Bewertung der Wirkunken anderer Einflüsse im Straßenkörper auf die Tragfähigkeit wird möglich.
Seit Anfang 2002 sind die Griffigkeitsanforderungen der "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt" (ZTV Asphalt-StB) und "ZTV für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton" (ZTV Beton-StB), verbindlich. Hierfür erforderlich ist eine möglichst gute Wiederhol- und Vergleichsgenauigkeit des Messverfahrens SCRIM. Hierzu wurden Untersuchungen durch die Technische Universität Darmstadt und die Bundesanstalt für Straßenwesen durchgeführt. Neu ist die Qualifizierung des Fahrers der SCRIM. Neu ist auch die Festlegung der Messlinie auf einen festen Abstand vom Fahrbahnrand. Zusammen mit weiteren Verbesserungen, die im Allgemeinen Rundschreiben ARS Nummer 12/2002 des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen zusammengefasst sind, wurde durch das SCRIM-Messverfahren die geforderte Genauigkeit von plus/minus 0,03 SCRIM-Einheiten erreicht. Das ARS soll nur für den Zeitraum bis zur Herausgabe der von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen fortgeschriebenen Regelwerke "Technische Prüfvorschriften für Griffigkeitsmessungen im Straßenbau" (TP Griff-StB (SCRIM)), ZTV Asphalt-StB und ZTV Beton-StB gelten.
Im Rahmen des Forschungsprojekts sollte anhand von im Labor hergestellten Probekörpern aus Splittmastixasphalt der Einfluss unterschiedlicher Zusammensetzungen und Verdichtungsgrade auf den Hohlraumgehalt der fertigen Schicht untersucht werden. Für jede Variante der unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden Platten mit den drei Soll-Verdichtungsgraden 100 Prozent, 97 Prozent und 94 Prozent hergestellt. An herausgebohrten Probekörpern wurden der Hohlraumgehalt, der zugängliche Hohlraumgehalt, die Wasserdurchlässigkeit, die Verformungsbeständigkeit und die Zugfestigkeit ermittelt. Die Untersuchungen zum Hohlraumgehalt zeigten, dass die Anforderung nach ZTV Asphalt-StB 01 zum maximal zulässigen Hohlraumgehalt erst ab einem Verdichtungsgrad von 98 Prozent sicher erfüllt wurde. Ein minimaler Verdichtungsgrad von 97 Prozent gemäß ZTV Asphalt erscheint somit als zu gering. Die Bestimmung des zugänglichen Hohlraumgehalts führte zu einem Vergleich mit den beiden Hohlraumgrößen ermittelt nach Tauchwägung und nach Ausmessen. Hierbei bestätigte sich, dass das Verfahren der Tauchwägung bei hohen Hohlraumgehalten nicht geeignet ist. Nach Auswertung der durchgeführten Wasserdurchlässigkeitsuntersuchungen war festzustellen, dass die Gefahr von Wasserdurchlässigkeiten bei Splittmastixasphalt bei einer Verdichtung über 98 Prozent und einem Hohlraumgehalt von kleiner 5,0 Volumen-Prozent minimiert werden kann. Die ermittelten Ergebnisse der Druckschwellversuche zeigten, dass der Hohlraumgehalt ab 4,0 Volumen-Prozent kaum Einfluss auf die Verformungsbeständigkeit hat. Erst ab einem Hohlraumgehalt von kleiner 4,0 Volumen-Prozent konnte eine Erhöhung der Verformungsbeständigkeit erreicht werden. Anhand der Ergebnisse der Zugfestigkeitsprüfungen konnte festgestellt werden, dass eine Erhöhung des minimalen Verdichtungsgrads von 97 Prozent auf 98 Prozent keine nennenswerte Verbesserung der Zugfestigkeit erzielen würde. Um dies zu erreichen wäre ein Hohlraumgehalt von kleiner 5,0 Volumen-Prozent beziehungsweise ein Verdichtungsgrad von kleiner 99 Prozent notwendig.
Der Verbrauch von Tausalz ist stark vom Wetter abhängig. Die unterschiedliche Ausprägung des Winterwetters in den einzelnen Jahren erschwert die vergleichende Bewertung der Aufwendungen für den Winterdienst. In den letzten Jahren sind vielfältige Anstrengungen unternommen worden, den Tausalzverbrauch zu reduzieren. Die Frage nach dem Greifen solcher Maßnahmen kann ebenso wie die am Ende einer Winterdienstperiode aus dem politischen Raum gestellte Frage, ob mit dem Tausalz auch sparsam, das heißt umweltschonend umgegangen wurde, nur dann zufriedenstellend beantwortet werden, wenn es gelingt, den tatsächlichen Tausalzverbrauch durch Gegenüberstellung mit einem der Charakteristik des einzelnen Winters entsprechenden hypothetischen Tausalzbedarf vergleich- und damit beurteilbar zu machen. Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr werden Modelle entwickelt, mit denen ausschließlich mit Hilfe einfach verfügbarer meteorologischer Parameter, die vom Deutschen Wetterdienst regelmäßig veröffentlicht werden, eine Schätzung des Tausalzbedarfs in Abhängigkeit von der Winterstrenge vorgenommen werden kann. Das Verfahren basiert auf der Hypothese, dass für einen zurückliegenden Zeitraum eine Beziehung zwischen Winterwetter und Tausalzverbrauch gefunden wird und dann zur Beurteilung der Bemühungen um einen sparsamen Tausalzverbrauch herangezogen werden kann. Für die Fläche der Bundesrepublik (alte Bundesländer) werden die Daten von 10 repräsentativen Klimastationen zur Ermittlung des witterungsabhängigen Tausalzbedarfs verwendet: die mittlere Lufttemperatur in Grad Celsius, die Niederschlagshöhe in mm, die Zahl der Frost- und Eistage sowie die Zahl der Schneefall- und Schneedeckentage. Diese Daten werden für die Monate des Winterhalbjahres (Oktober-März) für jede Station zunächst zu einem Stations-Mittelwert zusammengefasst beziehungsweise summiert und anschließend daraus ein Gesamtmittelwert aus den Einzelwerten der 10 Stationen gebildet. Für diese Größen wird in einfachen beziehungsweise multivariaten Ansätzen ihr Einfluss auf den Tausalzverbrauch bestimmt. Für den Zeitraum Winter 1968/69 bis Winter 1980/81, in dem sich der Winterdienst ausschließlich an den Witterungsbedingungen orientierte, ergeben sich sehr gute Korrelationen zwischen dem Tausalzverbrauch und den Wetterdaten. Den engsten Zusammenhang zeigen Ansätze, in denen die Zahl der Schneefall- und Schneedeckentage als unabhängige Variable vorkommen. Für die letzten Jahre (Zeitraum ab Winter 1981/82) lässt sich aus der Gegenüberstellung von witterungsbedingt hypothetischem und tatsächlichem Tausalzverbrauch eine mittlere Einsparung von etwa 25-30 Prozent angeben.