Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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Bindemitteldesign für Asphaltstraßen : Definition eines chemisch-rheologischen Anforderungsprofils
(2018)
Das Ziel dieses Projekts war das Auffinden von Zusammenhängen zwischen den chemischen Bitumeneigenschaften und dem rheologischen Verhalten, dem Alterungsverhalten sowie dem Haftverhalten des Bindemittels. Zum Erreichen dieses Ziels wurden zwölf Bitumenproben in unterschiedlichen Alterungszuständen und vier Gesteinsproben mit verschiedenen chemischen, rheologischen, physikalischen und haftbetreffenden Methoden untersucht. Bei der Gegenüberstellung der Prüfergebnisse konnte eine Vielzahl an bilateralen Korrelationen zwischen den einzelnen Kennwerten gefunden werden. Zusätzlich zu diesen bilateralen Zusammenhängen wurden weiterhin mithilfe von multiplen Regressionsanalysen Linearkombinationen erstellt, die durch eine kombinierte Berücksichtigung der Gehalte und der Molmassenmittelwerte Mn der SARA-Fraktionen die Beschreibung und Prognose einer Vielzahl von Kennwerten ermöglicht. Zu diesen Kennwerten zählen neben den rheologischen Prüfgrößen, wie dem Erweichungspunkt, der Nadelpenetration sowie dem komplexen Schermodul |G*| und dem Phasenwinkel δ, auch die Alterungsindices dieser Prüfgrößen. Somit können anhand der SARA-Fraktionen im nicht gealterten Zustand Aussagen über das Alterungsverhalten der Bitumen getroffen werden. Neben der Rheologie und dem Alterungs-verhalten ist zudem eine Beschreibung des Haftverhaltens möglich, wobei neben den SARA-Fraktionen als Gesteinskennwerte weiterhin der Siliziumdioxidgehalt sowie der isoelektrische Punkt zu berücksichtigen sind. Zudem konnte durch die Umstellung der gefundenen Linearkombinationen ein synthetisches Bindemitteldesign abgeleitet werden, sodass durch die Vorgabe der angestrebten rheologischen, alterungsbedingten und haftungsbedingten Kennwerte die zum Erreichen dieser Kennwerte erforderlichen Gehalte der SARA-Fraktionen ermittelt werden können.Dies ermöglicht die Modifizierung von Bitumenzusammensetzungen, um eine gezielte Beeinflussung der Bindemitteleigenschaften zu erreichen.
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Mit dem Ziel die Verkehrssicherheit zu verbessern sowie den intermodalen Verkehr und die Nachhaltigkeit im Straßenbau zu fördern, legten im Jahr 2003 die OECD -Mitgliedsländer ein Verkehrsforschungsprogramm auf. In diesem Rahmen wurde das Projekt \"Beurteilung der Wirtschaftlichkeit langlebiger Straßenbeläge\" initiiert. Phase I dieses Projektes beinhaltete dazu eine internationale Studie. Ein Ergebnis der Studie ist, dass der Einsatz langlebiger Deckschichten trotz anfänglich höherer Baukosten für stark beanspruchte Straßen aufgrund geringerer Unterhaltungsarbeiten und damit Verzögerungen für den Straßennutzer wirtschaftlich vorteilhaft sein können. Darüber hinaus konnten zwei Materialien gefunden werden, die sich derzeit in der Entwicklung befinden beziehungsweise bisher in Kleinprojekten eingesetzt wurden, die den Anforderungen an eine langlebige Deckschicht genügen könnten - Epoxid-Asphalt und zementgebundene Hochleistungsmaterialien (HPCM). Mit einer Phase II wurde die Eignung der beiden Materialien hinsichtlich ihrer Verwendung als langlebige Straßendeckschicht im Labor beurteilt. Dafür wurden zwei Projektgruppen gebildet. Die Projektgruppe zur Entwicklung des HPCM arbeitet unter der Leitung des französischen Forschungsinstitutes Laboratoire Central des Pontes et Chaussées. Teil dieses Berichtes sind die Untersuchungen der Oberflächeneigenschaften des HPCM, die von der BASt selbst durchgeführt beziehungsweise in Auftrag gegeben wurden. Für die Untersuchungen war es erforderlich eigene HPCM-Probekörper herzustellen. Nach umfangreichen Vorversuchen mit dem angelieferten HPCM-Trockenmörtel sowohl mit als auch ohne Faserzugabe konnten Probeplatten mit der vorgegebenen Mörtelschichtdicke von 8 Millimeter zielsicher hergestellt werden. Die von der OECD-Projektgruppe empfohlene Abstreutechnik der groben Gesteinskörnung wurde dahingehend modifiziert, dass wassergesättigte Gesteinskörner manuell aufgestreut und anschließend mit einer nicht klebenden Platte angedrückt worden sind. Dadurch konnte der Kornverlust an der Oberfläche deutlich reduziert werden. Die Oberflächeneigenschaften und deren Verhalten unter den Einflüssen von Witterung und Verkehr wurden im Labor mit Hilfe des kombinierten Labor-Beanspruchungszykluses (Technische Universität München) sowie des Hybridmodells SperOn (Müller BBM) simuliert. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Mikro- und Makrotextur hinsichtlich des zu erwartenden Griffigkeitsverhaltens der Oberfläche sehr gute Eigenschaften aufweisen. Werden jedoch die Gestalt der Oberfläche, die die akustischen Eigenschaften beeinflusst, mit betrachtet, so weist die Oberfläche eine ungünstige Gestalt auf. Die Eigenschaften der HPCM-Oberfläche sollten unter Berücksichtigung der Hinweise für geräuschreduzierende Oberflächengestaltungen, wie zum Beispiel Reduzierung des Größtkorns oder Ausbildung der Oberfläche als Plateau mit Schluchten, weiter optimiert werden. Darüber hinaus ist das Verhalten der Oberfläche hinsichtlich des Kornverlustes und damit nicht weiter vorhandenem Griffigkeitspotenzial weiter zu untersuchen. Im Rahmen der Phase II werden großformatige Probeflächen mittels Rundlaufprüfanlagen in Frankreich und England untersucht. Die Ergebnisse könnten weiteres Optimierungspotenzial aufzeigen. Der Abschluss des OECD-Projektes, Phase II ist für Sommer 2007 geplant. Im Anschluss an die Phase II ist geplant, diese Ergebnisse sowie die dann verfügbaren Ansätze aus anderen EU-Projekten zu verknüpfen und einen langlebigen Straßenbelag im Originalmaßstab auf einer Versuchsstrecke zu erproben (Phase III).
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Die hohe Bedeutung einer dauerhaften Adhäsion zwischen Bindemittel und Gestein liegt darin begründet, dass die Verdrängung des Bindemittelfilms von der Gesteinskörnung zu irreparablen Schäden mit progressiver Schadensentwicklung führt. In der Literatur finden sich bereits zahlreiche Prüfverfahren zur Quantifizierung der Adhäsion, im Wesentlichen wird jedoch speziell das Haftverhalten in Form von bitumenumhüllter Gesteinskörnung erfasst. Ein hinreichend geeignetes Verfahren zur gezielten Ansprache des Haftverhaltens von Asphalt besteht aktuell nicht. In diesem Forschungsvorhaben wurden vier Prüfverfahren hinsichtlich der Eignung zur Bewertung des Haftverhaltens von Asphalt untersucht. Die mod. Schüttelabrieb-Prüfung, der Stripping-Test im Spurbildungsgerät und der einaxiale Zugversuch ermöglichten unter den betrachteten Randbedingungen keinen zielführenden Ansatz. Es konnte jedoch erfolgreich herausgestellt werden, welchen signifikanten Einfluss die Art der Vorkonditionierung auf das Haftverhalten bewirkt und welche umfassenden Ansätze für eine zielorientierte Quantifizierung notwendig sind. Erste positive Erkenntnisse konnten darüber hinaus durch die Modifizierung der SATS-Prüfung gewonnen werden. Durch eine Veränderung der kombinierten Temperatur- und Druckbeanspruchung, wurde das Verfahren an die nationalen Mischgutkonzepte angepasst. Mit dieser Prüfung wurden 48 Asphaltkonzepte untersucht und abschließend die Auswirkung verschiedener Einflussfaktoren auf das Haftverhalten eruiert. Grundlegend ließ sich eine Abhängigkeit des Steifigkeitsverhältnisses nach der Konditionierung zum Hohlraumgehalt nachweisen, eine Charakterisierung einzelner Einflussparameter konnte jedoch nicht erfolgen. Die reine Druckbeanspruchung ohne Wasser hat darüber hinaus offensichtlich auch einen Einfluss auf die Mikrostrukturen im Prüfkörper. Es handelt sich somit nicht um eine reine Adhäsionsprüfung, sondern um eine kombinierte Prüfung, welche einen weiteren Forschungsbedarf implementiert.
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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.
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Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Straßenmarkierungsfolien
(2007)
In der Praxis wird immer wieder von abgelösten gelben Markierungsfolien in Baustellenbereichen berichtet. Diese Markierungen müssen die Kennzeichnung der vorübergehend geänderten Verkehrsumleitung sicherstellen und sind ein wichtiges Element zur Verkehrssicherung. Sind sie nicht vorhanden, erhöht sich die Unfallwahrscheinlichkeit in diesem ohnehin besonders gefährdeten Bereich signifikant. Gelöste Folien gefährden den laufenden Verkehr noch zusätzlich. Ziel des Projektes war es, ein geeignetes Verfahren zur Ermittlung der Haftkräfte von Straßenmarkierungsfolien für den temporären Einsatz zu entwickeln. Aus grundsätzlichen Überlegungen wurde der 90-° - Abschälversuch ausgewählt. Als Bewertungsmaßstab zur Eignung des Prüfverfahrens wurde die Differenzierbarkeit und Interpretierbarkeit des Haftverhaltens der Folien auf den unterschiedlichen Untergründen herangezogen. Diese wurden auf einer Betontextur, einem SMA 0/8, einem Gussasphaltprobekörper der Rundlaufprüfanlage und einer Aluminiumplatte appliziert um ihren Widerstand gegen einwirkende Abschälkräfte und ihre Abschälcharakteristik zu ermitteln. Zusätzlich wurde noch ein breites Klarsichtklebeband als Vergleich appliziert. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgte im Kraft-Weg-Diagramm. Korrelationen zwischen dem Folienaufbau und den ermittelten Ergebnissen auf den unterschiedlichen Haftuntergründen wurden hergestellt. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass der 90-° - Abschälversuch geeignet ist, differenzierte Aussagen zum Haftverhalten von Straßen-markierungsfolien auf verschiedenen Untergründen zu erhalten. So konnte nachgewiesen werden, dass die zur Verfügung stehende Kontaktfläche, die Oberflächentextur der verwendeten Haftuntergründe und die Konstruktion der Markierungsfolie maßgeblichen Einfluss auf das Haftverhalten haben. Unterschiede der chemisch-physikalischen Eigenschaften der Kontaktflächen haben auf das Haftvermögen der Folien auf den Untergründen einen untergeordneten Einfluss. Aus den Messergebnisse kann gefolgert werden, dass nicht jede Straßenmarkierungsfolie für die Applikation auf allen untersuchten Fahrbahnbelägen gleichermaßen geeignet ist. Der Einfluss in der Praxis kritischer Parameter, wie Feuchte und Verschmutzung, sollen in weiteren Messungen untersucht werden.
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Die vorübergehende (gelbe) Markierung ist ein wesentlicher Bestandteil der Absicherung von Arbeitsstellen auf Straßen. Im Bereich der Baumaßnahme dient diese Markierung als visuelle Führung des Verkehrs. Die gelbe Markierung gilt übergeordnet zur dauerhaften weißen Markierung. Neben der Einhaltung der verkehrstechnischen Anforderungen der Markierung stellt die rückstandslose Entfernbarkeit der Markierung oftmals ein Problem in der Praxis dar. Verbleibende Rückstände auf der Fahrbahn (Markierungs- oder Gewebereste, Primer) werden oftmals als sogenannte Phantommarkierungen bezeichnet und müssen ggfs. mechanisch (z.B. mit Fräsen) aufwendig entfernt werden. Bislang konnten noch keine Erkenntnisse gewonnen werden, warum Markierungen auf bestimmten Fahrbahnoberflächen Rückstände hinterlassen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden daher mittels Feldstudien sowie eines umfassenden Versuchsprogramms versucht, die wesentlichen Einflussgrößen auf die Haltbarkeit und die Entfernbarkeit der vorübergehenden Markierung zu ermitteln. Zudem sollte zur Ergänzung des existierenden Prüfverfahrens ein praxisnahes Bewertungssystem entwickelt werden. Zunächst wurde daher ein Prüfprogramm erstellt, um die relevanten Parameter zu ermitteln, die die Entfernbarkeit der Markierung beeinflussen. Es konnte gezeigt werden, dass die Entfernbarkeit von vielen unterschiedlichen Einflussgrößen (u.a. die Beanspruchung, die Oberflächentextur und -beschaffenheit, die Materialeigenschaften oder der Alterungszustand der Straßenoberfläche sowie der verwendete Primer und Kleber) abhängig ist. Aufgrund der Vielfalt der Einflussgrößen kann die Beurteilung nicht auf Basis einer einzelnen Versuchsanordnung, wie z.B. bei den Versuchen in der RPA, vorgenommen werden. Insbesondere die Makrotexturbewertung zeigen, dass eine größere Makrotextur zu tendenziell geringeren Abzugskräften führt. Ebenso ließen sich Einflüsse aus der Alterung der Straßenoberfläche sowie der Verwendung der Gesteinsarten nachweisen. Liegen die gemessenen maximalen Abzugskräfte zwischen 50 N und 150 N ist sichergestellt, dass die Markierungen ausreichend fest verklebt sind, aber nach Beendigung der Baumaßnahme i.d.R. ohne Materialrückstaende entfernt werden können. Die Messung der Entfernbarkeit, ohne vorherige Beanspruchung der Markierung, führt nicht zu realitätsnahen Ergebnissen, so dass die Belastung durch die ARTe erforderlich ist. Auf Grundlage der erzielten Ergebnisse kann somit die Entfernbarkeit der Markierung als Zulassungsprüfung in das Standardprüfprogramm aufgenommen werden.
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Im Rahmen dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Adhäsion und die bisherigen Veröffentlichen über die Anwendung von thermodynamischen Messverfahren zur Untersuchung der adhäsiven Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gestein zusammenfassend dargestellt. Die mit Hilfe des Kontaktwinkelmessverfahrens gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften von Bitumen- und Gesteinsoberflächen sowie die Spreiteigenschaften von Bitumen in direktem Kontakt mit Gesteinsoberflächen werden vorgestellt. Darüber hinaus werden die Eigenschaften von zur Verbesserung der Haftung verwendeten Additiven mit Hilfe dieser Methoden untersucht. Die empirische "Rolling Bottle Prüfmethode" wird derzeit als ein mögliches Verfahren zur messtechnischen Ansprache der Adhäsion diskutiert. Im Einzelnen sind folgende Ergebnisse festzuhalten: 1. Die Kontaktwinkel-Messmethode ist geeignet, um die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Gesteins- und Bitumenoberflächen messtechnisch zu erfassen. Nach einer geeigneten Probenpräparation ist es möglich, Informationen über die Oberflächenenergie und Polarität von Gesteinsoberflächen und von Bitumen zu gewinnen. 2. Durch Anwendung einer Hochtemperaturmesszelle kann die Benetzbarkeit von Gesteinsoberflächen durch Bitumen direkt gemessen werden. Die Messungen sollten möglichst bei einer Temperatur gleicher Viskosität (Äquiviskositätstemperatur) durchgeführt werden, um sicher zu stellen, dass das Spreitverhalten unterschiedlicher Bitumen ausschließlich auf die physikalisch-chemische Wechselwirkung mit der Gesteinsoberfläche zurückzuführen ist und nicht auf die unterschiedliche Viskosität der Bindemittel. 3. Um eine Gesteinsart hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften mit Hilfe der Kontaktwinkelmessungen charakterisieren zu können, muss eine größere Anzahl an Gesteinsproben präpariert und gemessen werden. Nur über eine repräsentative Auswahl und statistische Betrachtung lässt sich ein entsprechender Kennwert ermitteln. Diese Vorgehensweise ist umso wichtiger, je inhomogener die Gesteinsart beschaffen ist. 4. Bei den im Straßenbau verwendeten Gesteinen handelt es sich sehr häufig um Plutonite und Vulkanite. Die Untersuchungen zeigen, dass die üblicherweise im Straßenbau eingesetzten Gesteinsarten hinsichtlich ihrer thermodynamischen Oberflächeneigenschaften messbare Unterschiede aufweisen. Die niedrigste Oberflächenenergie weist Kalkstein auf und die höchste Oberflächenenergie besitzen Taunusquarzit beziehungsweise Gabbro. Generell besteht die Tendenz, dass mit steigendem Siliziumdioxidgehalt die Oberflächenenergie zunimmt. Die Unterschiede sind allerdings weniger groß als erwartet. So können die Unterschiede innerhalb derselben Gesteinsart größer sein als zwischen verschiedenen Gesteinsarten. Die in der Praxis festgestellten deutlichen Unterschiede hinsichtlich der Hafteigenschaften ähnlicher Gesteine, sind offenbar weniger thermodynamisch begründet, sondern vielmehr auf Unterschiede in der Mikrotextur der gebrochenen Gesteinsoberflächen zu-rückzuführen. 5. Der Rolling-Bottle-Test simuliert zeitraffend die schädigende Wirkung von Wasser und mechanischer Abrasion auf die Haftung des Bitumens am Gestein. Während der Beanspruchung überlagern sich somit mehrere physikalische Effekte, die die isolierte Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung erschweren. Die Kontaktwinkelmessmethode ist eine relativ einfache und schnelle Methode, um die adhäsiven Eigenschaften von Gesteinen und Bitumen auf thermodynamischer Grundlage zu charakterisieren. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass ausschließlich die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen messtechnisch erfasst werden und andere Einflussparameter die Messung nicht beeinträchtigen. Dieser Vorteil stellt allerdings auch einen Nachteil dar, da zum Beispiel Rauigkeit und Mikrotextur der Gesteinsoberflächen die Stärke der adhäsiven Wechselwirkung durchaus beeinflussen. Die Methode der Kontaktwinkelmessung ist auch auf gealterte Bitumenproben anwendbar. Generell besteht ein erheblicher Einfluss der feinen Gesteinspartikel auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bitumens. Bei der Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung wird dieser Einfluss bisher nicht berücksichtigt. Es besteht somit eine Informationslücke, die durch geeignete Experimente geschlossen werden sollte.rnrn
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Mit dem Forschungsvorhaben wird das Ziel verfolgt, die Dauerhaftigkeit von Asphalt mit der SATS-Prüfung zu untersuchen. Es handelt sich um ein Klimatisierungsverfahren, bei dem Feuchtigkeit, Wärme und Druck auf Asphalt-Probekörper einwirken und mittels des dynamischen Spaltzugversuchs, oder auch einer anderen Vergleichsprüfung, untersucht werden. Daraus wird der SATS-Dauerhaftigkeitsindex bzw. SATS-Verhältnis ermittelt. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit soll überprüft werden, ob der SATS-Prüfung für die in Deutschland üblichen Asphaltmischungen anwendbar ist und somit grundlegende Erfahrungen gesammelt werden, so dass eine aussagekräftige Bewertung möglich ist. Basierend auf dem Entwurf der europäischen Prüfnorm (prEN 12697-45) werden mit diesem Prüfverfahren verschiedene Asphaltmischungen (AC 16 B und AC 32 T mit Bindemitteln 10/20, 50/70, 30/45, 10/40-65 A und 25/55-55 A und drei Gesteinsarten) untersucht. Für die SATS-Prüfung wurde der dynamischer Spaltzugversuch und der direkter Zugversuch verwendet. Anschließend wurden die Ergebnisse aus der SATS-Prüfung mit den Ergebnissen aus dem Flaschen-Rollverfahren verglichen. Es konnte festgestellt werden, dass alle ermittelten Ergebnisse unterhalb der Anforderung des englischen Regelwerks liegen, d.h. der SATS-Dauerhaftigkeitsindex, des geprüften Asphalts mit dem Bindemittel 10/20 ist kleiner als 80 %. Obwohl sich tendenziell die höchsten SATS- Dauerhaftigkeitsindexe, die mittels dynamischem Spaltzugversuch ermittelt wurden, bei Verwendung des Bitumens 10/20 zeigen, sind bei den anderen vier verwendeten Bindemitteln keine eindeutigen Differenzierungen zwischen den Ergebnissen zu identifizieren. Die ermittelten Werte aus den Versuchen mit dem direkten Zugversuch haben eine tendenziell stärkere Differenzierung der Ergebnisse gezeigt. Bei der Betrachtung der Ergebnisse der SATS-Prüfung im Vergleich zum Flaschen-Rollverfahren ist kein signifikanter Zusammenhang erkennbar, ausser bei den Ergebnissen mit Verwendung des Bitumens 10/20.