Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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Im Rahmen dieses Projektes sollte anhand von Laborversuchen überprüft werden, inwiefern die Verwendung von Epoxydharz als Bindemittelzusatz und der damit entstehende Epoxy Asphalt einen Beitrag zur Entwicklung eines hochstandfesten und langlebigen Asphaltdeckschichtbelages liefern kann. Die Bearbeitung des Forschungsprojektes gliederte sich in drei Phasen. Die erste Phase beinhaltete grundlegende Untersuchungen mit unterschiedlichen Epoxydharzsystemen. Ziel dieser Versuche war die Identifizierung des Materialverhaltens im Asphaltmischgut, der dafür geeigneten Bedingungen sowie eine Bestimmung erster mechanischer Eigenschaften. In der zweiten Phase wurden mit dem in Phase I ausgewählten Epoxydharzsystem in unterschiedlichen Konzentrationen die wichtigsten Bindemittel- und Mischgutkennwerte von Epoxy Asphalt mit Hilfe von standardisierten Prüfverfahren ermittelt und den Kennwerten von konventionellem Bindemittel bzw. Asphalt gegenübergestellt. Die Bindemitteluntersuchungen an den Bitumen-Epoxy-Gemischen lieferten als wesentliche Erkenntnis, dass die Zugabe des Epoxydharzes eine deutliche Reduzierung der Viskosität bewirkt. Die Epoxy Varianten besaßen eine deutlich verbesserte Verformungsbeständigkeit bei Wärme, wie die Ergebnisse der Spurbildungs- und der dynamischen Druckschwellversuche gezeigt haben. Die Probekörper aus Epoxy Asphalt wiesen erheblich kleinere Verformungen als die Probekörper der Referenzvarianten auf. Durch die Zugabe von Epoxydharz konnte sowohl das Haftverhalten des Bindemittels am Einzelkorn als auch das Haftverhalten im Mischgut gegenüber den Referenzvarianten wesentlich verbessert werden. Ferner konnte festgestellt werden, dass mit der Zugabe von Epoxydharz in das Asphaltmischgut der Widerstand gegen wiederholte zyklische Belastungen und damit der Ermüdungswiderstand deutlich verbessert wird. In der Phase III wurde zusätzlich die Reaktion des Epoxydharzes im Bitumen, die Extrahierbarkeit von Epoxy Asphalt, eine Bewitterung von Probekörpern sowie die Griffigkeitsentwicklung unter einer Verkehrsbelastung untersucht. Nach Abschluss der Untersuchungen sind die Auswirkungen von Epoxydharz im Asphaltmischgut bekannt und die Veränderungen der Eigenschaften konnten identifiziert werden. Das Potential von Epoxy Asphalt als alternative und innovative Bauweise für hochbelastete Verkehrsflächen mit hoher Dauerhaftigkeit konnte im Labormaßstab zweifelsfrei nachgewiesen werden. Der Originalbericht enthält als Anhänge eine Beschreibung der Prüfverfahren (ANH. 1) sowie die Ergebnisse der BBR-Prüfungen (ANH. 2), der Spurbildungsversuche (ANH. 3), der Druckschwellversuche (ANH. 4), der Affinitätsprüfungen (ANH. 5) und der Dreipunkt-Biegeversuche (ANH. 6). Auf die Wiedergabe der Anhänge wurde in dieser Veröffentlichung verzichtet. Sie liegen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen vor und sind dort einsehbar. Verweise auf die Anhänge im Berichtstext wurden zur Information des Lesers beibehalten.
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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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Teil 1: Literaturauswertung: Da zur Zeit kein einheitliches Untersuchungskonzept zur Bestimmung des Einflusses der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten besteht, wurde eine Literaturstudie durchgeführt und mit dem Ziel ausgewertet, wissenschaftlich abgesicherte und eindeutige Erkenntnisse herauszuarbeiten. Die Literaturstudie erfolgte nach einem einheitlichen Schema z.B. hinsichtlich der Zielsetzung der Untersuchungen, der Art der Prüfung, der Art der Mischgutsorte, der Art der Asphaltzusammensetzung, der Art und Herkunft der Mineralstoffe, der Kornverteilung, des Bindemittelgehaltes etc. Da sich nur vier relevante Veröffentlichungen mit Asphalten aus Kiesedelsplitten auseinandersetzen und sich 14 auf Asphalttragschichten beziehen, wurde nach der Erfahrungssammlung aus dem bisherigen Stand der Prüfverfahren und Untersuchungsmethodik ein zielgerichtetes Konzept für eine Laboruntersuchung vorgeschlagen, die es ermöglichen soll, den Einfluss der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten zu quantifizieren und wissenschaftlich abzusichern. Es wurde festgestellt, dass dieser Einfluss bisher in keiner Literaturstelle wissenschaftlich haltbar und eindeutig beantwortet wurde. Es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass alle Einflussgrößen so genau erfasst und beurteilt werden können, dass daraus zielsicher auf die Standfestigkeit eines Asphaltes geschlossen werden kann. Was zur zielsicheren Herstellung von standfesten Asphalten fehlt, ist nicht das Mehr an gebrochener Oberfläche, sondern ein Prüfverfahren und die dazugehörigen Anforderungswerte, mit denen im Rahmen der Eignungsprüfung eine zuverlässige und praxisorientierte Beurteilung der Standfestigkeit von Asphalt möglich ist. Damit sollten auch Baustoffe und Baustoffgemische bestimmter Herkunft oder Zusammensetzung auf deren Eignung zur Herstellung standfester Asphalte zielsicher beurteilt werden können. Teil 2: Einfluss des Rundkornanteils auf die Scherfestigkeit von Gesteinskörnungen: Die Untersuchungen sollen zur Klärung beitragen, inwieweit Edelsplitte aus gebrochenem Kies mit unterschiedlichen Bruchflächenanteilen verwendet werden können, ohne die Verformbarkeit von Asphaltschichten wesentlich zu beeinflussen. Die Untersuchung wurde auf die bodenmechanische Fragestellung ohne Berücksichtigung des Einflusses des Bindemittels beschränkt. Verwendet wurden ungebrochene und gebrochene Terassenkiese vom Oberrhein, die im wesentlichen aus Quarzen, verschiedenen Kalksteinen, Kieselschiefern, Sandsteinen, kristallinen Gesteinen und dichten kieseligen Gesteinen bestehen. Es sind an Versuchsreihen mit unterschiedlich zusammengesetzten Korngemischen Dreiaxial- und CBR-Versuche bei verschiedenen Bruchflächenanteilen durchgeführt worden, um Beziehungen zwischen Druckspannungen bzw. CBR-Werten und Bruchflächenanteilen zu ermitteln. Für eine Versuchsreihe ist zudem die Beziehung zwischen dem Reibungswinkel j und dem Bruchflächenanteil bestimmt worden. Alle vier für die Überprüfung des Einflusses der Bruchflächen auf die Festigkeit von Korngemischen durchgeführten Versuchsreihen führen zu vergleichbaren ähnlichen Ergebnissen. Dreiaxialversuche wie auch CBR-Versuche zeigen mit zunehmendem Bruchflächenanteil ein Ansteigen der Druck- bzw. der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert, der im Bereich des Bruchflächenanteils von 50 % bis 75 % liegt. Größere Anteile an Bruchflächen ergeben bei gleichen Versuchsbedingungen keinen Anstieg der Festigkeitswerte. Diese Aussage gilt ausschließlich für die untersuchten ungebundenen Mineralgemische bei vergleichbaren Versuchsbedingungen. Inwieweit ein Bindemittel z.B. Bitumen, diese Erkenntnisse beeinflussen könnte, ist nur durch eine ergänzende Forschungsarbeit zu beantworten.
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Die im folgenden Bericht dargelegten Ergebnisse aus den Jahren 1986 bis 1993 sind vor dem Hintergrund und den Randbedingungen der Untersuchungen auf den offenporigen Asphaltdeckschichten auf Außerortsstraßen zu sehen. Weiterentwicklungen in der Straßenbautechnik, Änderungen an den Kraftfahrzeugen und Änderungen des Verhaltens der Verkehrsteilnehmer erfordern, die Versuchsergebnisse zu überdenken; dies gilt insbesondere, weil die offenporigen Asphaltdeckschichten, die den Untersuchungen zugrunde lagen, Ende der 80er Jahre entsprechend dem damaligen Stand der Technik konzipiert und gebaut wurden. Der Ergebnisbericht beruht auf Untersuchungen mit den damals geltenden Randbedingungen des Verkehrs, der Verkehrsmischung und den hierbei verursachten Lärmemissionen. Diese Bedingungen gelten heute nicht mehr in demselben Umfang. So lassen die aus Lärmmessungen sich ergebenden Pegelanstiege auf Deckschichten mit langjährig bewährten Bauweisen vermuten, daß die Geräuschemissionen der Pkw angestiegen sind. Die Frage, in welchem Umfang der Pegelanstieg auf Eigenschaftsänderungen der Deckschichten zurückzuführen ist bzw. durch den Anstieg der Pkw-Geräuschemissionen verursacht wird, läßt sich zur Zeit nicht genau beantworten. Die Untersuchungen haben nicht die erwarteten Ergebnisse hinsichtlich der Lärmwirksamkeit und der bautechnischen Nutzungsdauer hervorgebracht. Aus den Untersuchungen wurden jedoch Erkenntnisse zur Auswahl der Baustoffe, zur Zusammensetzung der Baustoffgemische (Kornform, Bindemittelqualität, Hohlraumgehalt) und zur Herstellung der Deckschichten im Hinblick auf Verbesserungen der bautechnischen Nutzungsdauer und dauerhaften Lärmwirksamkeit gewonnen. Beim Bau offenporiger Asphaltdeckschichten werden die gewonnenen Erkenntnisse bereits umgesetzt. Zur gezielten Weiterentwicklung der lärmmindernden Wirksamkeit von Deckschichten sind ergänzende Untersuchungen zur Abschätzung und Trennung der Lärmerzeugungsmechanismen erforderlich.