Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik
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455
Es war zu untersuchen, ob durch das nachträgliche Einschneiden von Rillen in die Straßenoberfläche mit der Funktion eines zusätzlichen Drainagesystems die Verkehrssicherheit bei Nässe nachhaltig verbessert werden kann. Dazu wurden in einer Versuchsstrecke alle wichtigen Rillenarten und verschiedene Rillenmuster abschnittsweise angeordnet du über einen mehrjährigen Zeitraum messtechnisch angeordnet und über einen mehrjährigen Zeitraum messtechnisch beobachtet. Hinzu kamen drei weitere Beobachtungsstrecken sowie 24 Rillenabschnitte im Autobahnnetz. Die Untersuchungen umfassten Kraftschlussmessungen im Wasserbett, Griffigkeitsmessungen mit dem "Stuttgarter Reibungsmesser", Geräuschmessungen nach der Methode des Vorbeifahrpegels, Rauheitsmessungen mit dem Pendelgerät, dem Ausflussmesser und der Sandfleck-Methode sowie Profilschnittaufnahmen. Die wichtigsten Ergebnisse sind: i) Längs- und Querrillen sind in der Lage und geeignet, das Kraftschlussangebot von Straßenoberflächen bei Nässe zu erhöhen. Dabei verbessern Rillen entscheidend die sogenannte "dynamische Drainage" der Reifenaufstandsfläche: Sie bieten ähnlich dem Reifenprofil zusätzliche Fluchtwege, sodass die Masse des Wassers schneller verdrängt werden kann. Rillen wirken somit dem Aquaplaning-Effekt entgegen. ii) Alle untersuchten Längsrillenmuster sowie Querrillenmuster mit effektiven Rillenbreiten kleiner als 4,5 mm bringen keine signifikante Erhöhung des Reifengeräusches. Entsprechend sollten stets feine Rillenmuster gewählt werden mit rillenbreiten um 4 mm, Rillentiefen ebenfalls um 4 mm und Rillenabstände zwischen 20 und 25 mm. Feine Rillenmuster mit dem angegebenen Abmessungen sind auch in Längsrichtung aus Gründen der Verkehrssicherheit für Motorräder erforderlich. iii) In Fahrbahndecken aus Beton können feine Rillenmuster ohne wesentliche Beeinträchtigung des baulichen Bestandes im nassen Verfahren (in Anlehnung an die Fugenschneid-Technik) mit Diamantscheiben geschnitten werden. Von der Anwendung des trocken arbeitenden Fräsverfahrens ist abzuraten. Rillen in bituminösen Deckschichten sind problematisch, da ihre Wirkung infolge Verschleiss und plastischer Verformung der oberflächennahen Zonen nicht so lange vorhält wie in Betondecken. iv) Obwohl die Querrillen bei Annässungsverhältnissen um 1 mm Wasserfilmdicke günstiger zu bewerten ist als die Längsrille, deuten Ergebnisse des Wasserbett-Untersuchungen eher auf eine gleichgünstige Wirkung beider Formen hin, wenn mit dickeren Wasserschichten gerechnet werden muss. Aus herstellungstechnischen Gründen ist die Anlage von Längsrillen wirtschaftlicher und praktikabler als von Querrillen.
549
In der Forschungsarbeit der Bundesanstalt für Straßenwesen wurden in einem Ringversuch simultan für mehrere in-situ-Dichtemessverfahren sowohl die Wiederhol- als auch die Vergleichs-Präzisionen für zwei verschiedene Bodenarten ermittelt. Die Messungen wurden dabei auf Versuchsflächen durchgeführt, die in den Hallen der Bundesanstalt für Straßenwesen präpariert waren. Das dem Versuchsplan zugrundeliegende varianzanalytische Modell musste dabei die hier vorliegenden technischen Anforderungen und Restriktionen berücksichtigen: a) Ausschaltung von systematischen Fehlern und Dichtewerten bei der Gewinnung der gesuchten Präzisionen sowie b) Nicht-Wiederholbarkeit der Messungen infolge zerstörender Prüfung. Der mathematische Hauptaufwand lag in der Erstellung der zum Modell gehörigen varianzanalytischen Zerlegungstafel und der daraus herzuleitenden Schätzfunktionen für die gesuchten Verfahrenspräzisionen und sonst interessierenden Modellparameter. Hierzu wurde von Deutler ein gemischtes, dreifaktorielles, partiell hierarchisches, varianzheterogenes Varianz-Analyse-Modell entwickelt und zwar für den balancierten wie auch für den nicht-balancierten Fall. Angewendet auf nicht zerstörungsfreie in-situ-Messverfahren von Dichte und Wassergehalt wurden die Präzisionen an Kies- und Schluffboden unter Mitwirkung von bis zu 17 Prüfinstituten ermittelt.
598
In der zukünftig vorgesehenen Systematik der Straßenerhaltung werden zur routinemäßigen Beobachtung und Beurteilung des Ebenheitszustandes auf unterschiedlichen Entscheidungsebenen geeignete Systeme zur Messung von Fahrbahnunebenheiten benötigt. Um die aus den Messungen resultierenden Ergebnisse vergleichbar zu machen, müssen Verfahren zur Beschreibung beziehungsweise Bewertung von Unebenheiten zur Verfügung stehen, die sich einheitlicher Entscheidungsgrundlagen bedienen und deren Ergebnisse dazu ineinander überführbar sind. Der Teil 1 der Gesamtaufgabe beschäftigt sich mit der Sammlung einer repräsentativen Anzahl von Zustandswerten für das Fahrbahnoberflächenprofil in Längsrichtung und mit dem Vergleich von Mess- und Beschreibungsverfahren für Unebenheiten des Längs- beziehungsweise des Querprofils. Im Teil 2 werden die theoretischen Grundlagen zur Beurteilung der Mess- und Beschreibungsverfahren gelegt, wobei die Betrachtung auf die Messung der Ebenheit im Längsprofil beschränkt werden sollte. Die theoretischen Untersuchungen ergaben, dass allein die folgenden Geräte sich zur Messung der Ebenheit im Längsprofil eignen: Analyseur Dynamique de Profil en Long (APL), Automatic Road Analyzer (ARAN) und High Speed-Road Monitor (HPM). Alle drei Geräte messen das Straßenlängsprofil und eignen sich zur Ermittlung der Spektralen Dichte der Profilhöhen Omega(Index 0 hoch 1), die zur Zeit die einzige Beschreibungsgröße ist, die die Längsebenheit charakterisieren kann. Um die gemessenen Spektralen Dichten bewerten zu können, wurde eine Bewertungsgröße für die Längsebenheit, der Spektrale Ebenheits-Index (SEI) entwickelt, mit dessen Hilfe auch die in Teil 1 gesammelten Ebenheitsdaten von 180 km bundesdeutschen Straßen zu einem ersten Bewertungshintergrund ausgewertet werden konnten. Mit der Einführung der Spektralen Dichte Phi(Index h)Omega als Beschreibungs- und der Schaffung des SEI als Bewertungsgröße für die Ebenheit ist die Voraussetzung für eine sachgerechte und aussagekräftige Charakterisierung für die Allgemeinunebenheit im Längsprofil gegeben. Darüber hinaus stehen repräsentative Zustandswerte der Ebenheit aus dem aktuellen Straßennetz der Bundesrepublik Deutschland zur Verfügung.
360
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.
579
Um verschiedene Erhaltungsmaßnahmen, die vorrangig die Wiederherstellung der Griffigkeit und Ebenheit älterer Betondecken zum Ziele hatten, vergleichend untersuchen zu können, wurden im Rahmen ohnehin anstehender Instandsetzungen auf verschiedenen Bundesautobahnen folgende Arbeiten durchgeführt: - Mechanisches Aufrauhen; - Bituminöse Schichten im Kalteinbau; - Oberflächenbehandlungen; - Beschichtungen mit Reaktionsharzmörteln; Beschichtungen mit Beton. Das mechanische Aufrauhen erfolgte mit schnell drehenden Anhängefräsen, Klopffräsen und Betonfräsen. Mit diesen Verfahren kann die Griffigkeit einer Betondecke nachhaltig verbessert werden. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies am dauerhaftesten mit den schnell drehenden Anhängefräsen geschieht. Mit den Betonfräsen wird der Beton so stark beansprucht, dass Gefügeschäden zu befürchten sind. Um die Qualität und Dauerhaftigkeit der Griffigkeitsverbesserung zu sichern wird vorgeschlagen, dass Griffigkeitswerte nach Beendigung des Fräsens größer gleich 70 und nach einem Jahr unter Verkehr noch größer gleich 60 SRT-Einheiten betragen müssen. Mit den bituminösen Schichten im Kalteinbau ist eine Erhaltungsmaßnahme gegeben, die neben der Griffigkeitsverbesserung auch zur Verbesserung der Ebenheit beitragen kann. Es wurden bituminöse Schichten eingebaut, die sich in der Größe des Größtkorns voneinander unterschieden. Anfänglich wiesen die Schichten mit dem größten Größtkorn (11 mm) eine bessere Griffigkeit auf als die mit dem kleineren Größtkorn (5 mm). Im Laufe der Zeit näherten ich die Werte einander mit der Tendenz, dass langfristig die feineren Gemische ein besseres Griffigkeitsverhalten erwarten lassen. Oberflächenbehandlungen auf Autobahnen müssen nach wie vor kritisch gesehen werden, da zur Abwendung von Windschutzscheiben-Schäden nach dem Einbau Geschwindigkeitsbeschränkungen für mehrere Tage/Wochen angeordnet werden müssen, die auf stark befahrenen Strecken zu Staus führen können. Hinzu kommt, dass trotz moderner Dosiertechnik Bindemittelanreicherungen in den Rollspuren auftreten können. Die Reaktionsharzmörtel-Beschichtungen auf Epoxid- bzw. Methylmethacrylatharz-Basis bestätigen die bereits anderen Orts gemachten guten Erfahrungen. Mit der Wahl der Zuschlagart bzw. des Abstreumaterials kann man die Griffigkeitsergebnisse entscheidend beeinflussen. Die Frage der Dauerhaftigkeit von Reaktionsharzmörteln ist - sorgfältige Betonvorbehandlung und Mörtelverarbeitung vorausgesetzt - gelöst. Mit Reaktionsharzmörtel-Beschichtungen können Betondecken deutlich dauerhaft saniert werden. Erste Lärmmessungen nach DIN ISO 362 deuten auch auf günstige Immissionswerte hin. Die Beschichtungen mit Beton unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Griffigkeit nicht von neuen Betondecken. Hinsichtlich Haltbarkeit kann von einer Bewährung jedoch noch nicht gesprochen werden. Eine Variante, die Beschichtung mit Kolloidalbeton, hat sich gar nicht bewährt, da es hier schon nach 2 Monaten Liegedauer unter Verkehr zu schollenartigen Ablösungen kam. Infolge von Grunderneuerungen konnten die Beschichtungen mit Beton nicht lange genug beobachtet werden, um eine abschließende, fundierte Aussage zur Dauerhaftigkeit machen zu können.
730
In den vergangenen Jahrzehnten sind einige Untersuchungsstrecken mit dem Ziel angelegt worden, verschiedene Bauweisen bei gleichen Belastungs- und Umweltbedingungen in einem direkten Vergleich bezüglich ihrer Gleichwertigkeit zu beurteilen und/oder das Verhalten von Bauweisen bei unterschiedlichen Belastungs- und Umweltbedingungen langfristig zu beobachten. Die Untersuchungen an diesen Untersuchungsstrecken dauerten einige Monate bis zu mehreren Jahren. Ziel dieser Arbeit war es, die aus den seinerzeitigen Untersuchungsergebnissen der Untersuchungsstrecken mit zum Teil jahrzehntelanger Liegedauer gezogenen bemessungsrelevanten Schlussfolgerungen zu überprüfen. Ein wesentliches Kriterium für die Auswahl von zehn Untersuchungsstrecken waren der vorhandene Datenumfang und dessen Aufbereitungsgrad. Bei einer Anzahl von zehn Strecken sind die Variationsmöglichkeiten der einzelnen oben genannten Parameter nur gering. Im Zuge der Bearbeitung des Forschungsvorhabens durch elf Forschungseinrichtungen beziehungsweise Einzelpersonen wurden für die Untersuchungsstrecken örtliche Verhältnisse, Verkehrsdaten, Wetterdaten, Schicht- und Materialdaten, Bauklassen, Einsenkungen, Deflexionen, Krümmungen, Ebenheit im Längs- und Querprofil, Fahrbahnoberflächenzustand, Zustand der seitlichen Entwässerungseinrichtungen und Erhaltungsmaßnahmen ermittelt, ausgewertet und in Teilberichten dokumentiert. Die erhobenen Daten wurden in die Datenbank der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eingespeist und stehen somit allen potentiellen Nutzern zur Verfügung. Die vorhandenen und 1992 bis 1995 erhobenen Daten wurden zur Auswertung miteinander verknüpft. Teilweise wurden Abhängigkeiten nachgewiesen und teilweise, aufgrund der geringen Streckenanzahl, nur tendentielle oder vermutete Abhängigkeiten aufgezeigt.
356
Der gemeinsam vom Institut für Verkehrsplanung und Verkehrswegebau der Technischen Universität Berlin und von der Bundesanstalt für Straßenwesen, Köln, durchgeführte Forschungsauftrag des Bundesministers für Verkehr hatte zum Ziel, Lösungswege zu finden, wie der Betondecke - ohne die Zusammensetzung zu ändern - von Anfang an eine gute Griffigkeit mitgegeben werden kann. Hierzu wurden vier grundsätzliche Möglichkeiten der Oberflächenausführung in verschiedenen Varianten und auch Kombinationen systematisch im Hinblick auf Praktikabilität, Griffigkeit, Lärm, Ebenheit und Aufwand untersucht: 1. Strukturieren des Oberflächenmörtels (z.B. Rosshaarbesen, Stahlbesen nach TRRL) 2. Aufstreuen von gebrochenen Mineralstoffen auf den frischen Beton hinter dem Nachlaufglätter (z.B. Diabas 2/5 mit einer Gussasphalt-Riffelwalze angedrückt) 3. Einarbeiten von Brechsand in den Oberflächenmörtel durch den Nachlaufglätter (z.B. Siliziumkarbid 0,5/1) 4. Beseitigen des Oberflächenmörtels (in Anlehnung an die Waschbetontechnik) Die Untersuchungen erfolgten mit Unterstützung mehrerer Landesstraßenbauverwaltungen, die die umfangreichen Versuchsprogramme in anstehende Neubau- bzw. Erneuerungsprogramme für Autobahnen einbringen konnten. Insgesamt wurden auf sieben Versuchsstrecken etwa 100 Versuchsfelder angelegt, die in der Regel 50 m lang sind. Bei Abschluss des ersten Teils der Forschungsarbeit lagen die Betonfahrbahnen der Versuchsstrecken durchschnittlich etwa zwei Jahre unter Verkehr. Hinsichtlich ihres Griffigkeitsverhaltens kann allgemein festgestellt werden: - Eine stärkere Strukturierung der Feinmörtelschicht wirkt sich anfangs und längerfristig stets günstig auf den Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn bei Nässe aus. Die im "Merkblatt über Straßengriffigkeit und Verkehrssicherheit bei Nässe" genannten Richtwerte werden sicher erfüllt. - Technisch lassen sich derartige Oberflächen ohne zusätzlichen Mehraufwand mit Besen erzielen, deren Borsten relativ lang und steif sind. Die besten Ergebnisse wurden mit dem vom britischen Transport an Road Research Laboratory entwickelten Stahlbesen erzielt, gefolgt vom Kunststoffbesen nach Piassava-Art. - Die übrigen Verfahren, insbesondere das zusätzliche Anreichern der Feinmörtelschicht mit scharfen Mineralstoffen und das Beseitigen des Oberflächenmörtels in Anlehnung an die Waschbetontechnik, können das hohe Griffigkeitsniveau der mit dem englischen Stahlbesen strukturierten Oberflächen nur selten erreichen. Sie sind dabei wesentlich aufwendiger und meistens wenig praktikabel. Da die Anforderungen bezüglich Ebenheit ohne weiteres erfüllt wurden und auch die Lärmmessungen gegenüber den mit Rosshaarbesen behandelten Oberflächen keine signifikant höheren Werte ergaben, hat die abschließende Oberflächenstrukturierung frischer Betondecken mit dem englischen Stahlbesen bereits Eingang in die ZTV Beton 78 gefunden.
733
Im Rahmen der Erhaltung bestehender Straßen ist die Erfassung und Bewertung der Tragfähigkeit von großer Bedeutung. Zu deren Messung stehen statische, quasistatische und dynamische Verfahren zur Verfügung. Seit etwa 20 Jahren wird weltweit die dynamische Messmethode mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) angewendet. Die mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionen werden meistens unter vereinfachten Annahmen bezüglich der Last, der Materialgesetze für verschiedene Schichten und der dynamischen Effekte analysiert. Um einen Überblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu erhalten, wurde eine Literaturstudie durchgeführt, aus der sich folgende Gliederung ergab: - Arbeits- und Wirkungsweise des FWD, - Rückrechnungsmethoden, - Interpretierbarkeit der FWD-Messergebnisse, - Vergleich verschiedener Rückrechnungsprogramme, - Vergleich verschiedener FWD-Geräte, - Vergleich FWD mit anderen Messverfahren, - Sonstiges. Ein Ergebnis dieser Literaturstudie ist, dass eine theoretische Analyse des FWD-Verfahrens, wie sie in diesem Forschungsvorhaben durchgeführt wurde, noch nicht existiert. Darüber hinaus wurde das FWD-Verfahren detailliert mathematisch-physikalisch analysiert. Anhand der mathematisch-physikalischen Analyse des FWD-Verfahrens wird deutlich, das die E-Moduli elasto-statisch zurückgerechnet werden können. Allerdings kann die Dämpfung ab einer Deflexion von etwa größer gleich 0,4 mm die Messergebnisse des Falling Weight Deflectometer beeinflussen. Wie sich die Dämpfung auf die Messergebnisse auswirkt müsste analysiert werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersion zu keiner nennenswerten Verfälschung der Impulsform führt. Des weiteren wurden Deflexions-, Einsenkungs- und Krümmungsmessungen auf ehemaligen Untersuchungsstrecken und auf Strecken aus den jungen Bundesländern durchgeführt. Anhand der Messergebnisse auf ehemaligen Untersuchungsstrecken wurden die Schicht-E-Moduli zurückgerechnet und interpretiert. Hierzu wurden folgende Programme verwendet: - Mehrschichtenprogramm, - FWD-Rückrechnungsprogramm, - PROBE90-Programm und - Finite-Element-Programm. Zur Überprüfung der Rückrechnungsergebnisse erfolgten Asphalt-E-Modul-Bestimmungen im Labor.
572
Bei den Messverfahren für die Tragfähigkeit von Straßenbefestigungen wird bei den jeweils verschiedenen Belastungsarten der Quotient aus der Größe der Last und der sich an der Straßenoberfläche einstellenden vertikalen Einsenkung bestimmt — die Steifigkeit. Anhand der 16 Abschnitte zweier Versuchsstrecken werden die Ergebnisse einer ganzen Anzahl von Tragfähigkeitsmessverfahren miteinander verglichen. Die Verfahren werden beschrieben. Der Verlauf der an der Oberfläche erfassten räumlichen Einsenkungsmulde gestattet im Prinzip die Rückrechnung der Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten einer Straßenbefestigung. Der Grad der Verträglichkeit zwischen gemessenen und mit Hilfe der linearen elastischen Mehrschichtentheorie ermittelten Mulden hängt vom Messverfahren sowie vom Straßenaufbau ab. Für die untersuchten Bauweisen und die verwendeten Messverfahren wird dieser Grad angegeben.
581
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
361
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.
423
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.
288
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.
910
Die Bitumenalterung ist ein sehr komplizierter Prozess, dessen Verständnis durch die Zugabe von Polymeren zusätzlich erschwert wird. Bei den unmodifizierten Bitumen werden die Alterungseigenschaften normalerweise charakterisiert, indem die physikalischen Eigenschaften des Bitumens vor und nach der Alterung bestimmt werden. Nach der Alterung werden die Straßenbaubitumen härter. Dies ist im Falle von polymermodifizierten Bitumen, insbesondere PmBs mit einem hohen Polymergehalt, nicht ausreichend, da der Abbau der Polymere infolge der Alterung zu einer Herabsetzung der Bindemittelviskosität führen kann. Es sind weitere Untersuchungen im Falle von PmB, wie GPC, IR-Spektroskopie etc., notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der simulierten Alterung im Labor auf die Struktur von polymeren und praxisrelevanten Eigenschaften modifizierter Bindemittel zu untersuchen. Hierfür wurden neben der simulierten Kurzzeitalterung nach RFT gemäß DIN EN 12607-3 die Langzeitalterung nach PAV (mit vorgeschalteter thermischer Beanspruchung nach RFT) und nach LT RFT (modifizierte RFT Alterung) angewendet. Die Simulation einer reinen oxidativen Alterung des Bindemittels erfolgte durch den PAV-Test ohne vorgeschaltete Kurzzeitalterung, bei e. Temperatur von 100 -°C unter Luftzufuhr und einer Beanspruchungszeit von 20 Std. Untersucht wurden insgesamt acht polymermodifizierte Bitumen: vier SBS-modifizierte Bitumen der Sorte PmB 45 A, ein thermoplastmodifizierten Bitumen der Sorte PmB 45 C und drei höher SBS-modifizierte Bitumen der Sorte PmB 40/100-65 H. Hinsichtlich der Polymerstruktur kann zwischen linearen, verzweigten und sternförmigen SBS-Polymeren unterschieden werden. Darüber hinaus besitzen zwei der untersuchten Bindemittel, ein PmB 45 und ein PmB 40/100-65 H, eine Art Vernetzung/ Kopplung zwischen Bitumenspezies und Polymeren. An allen Bindemitteln vor und nach der AIterung wurden neben den physikalischen Untersuchungen auch rheologische u. chemische Untersuchungen durchgeführt und die Kennwerte im frischen sowie im gealterten Zustand ermittelt. Während die Untersuchungen am frischen Bindemittel dessen Eigenschaften bei der Auslieferung vom Produzenten widerspiegeln, werden durch die Simulation der Kurzzeitalterung (RFT) Veränderungen in den Eigenschaften der Bindemittel während der Herstellung, Lagerung, Transport und Verarbeitung berücksichtigt. Die Simulation der Langzeitalterung umfasst solche Veränderungen, die während der Nutzungsdauer des Bindemittels in der Straße über einen Zeitraum von ca. 10 Jahren in ungünstigen Fällen auftreten können. Basierend auf diesen Resultaten kann Folgendes gesagt werden: Die Alterung der polymermodifizierten Bitumen ist auf den Abbau der im PmB enthaltenen Polymere (Abnahme des Molekulargewichtes der Polymere) einerseits und andererseits auf die Oxidation des Grundbitumens zurückzuführen. Die chemische Analyse der PmB lässt ein Ansteigen des Asphaltengehaltes, begleitet von einer Abnahme des Gesamtaromatengehaltes, in Abhängigkeit von den Alterungsbedingungen sowie eine progressive Abnahme der Molekulargewichte der Polymere erkennen. Die Veränderung der physikalischen Bindemitteleigenschaften infolge Alterung wird durch die begleitende chemische Veränderung im Bindemittel hervorgerufen. Letztere ist als Folge einer gleichzeitigen Oxidation des Grundbitumens und eines von der Polymerstruktur, und -gehalt sowie von der Art und Dauer der Beanspruchung abhängigen Polymerabbaues zu selten. Während die Oxidation des Grundbitumens die Erhöhung der Bindemittelviskosität bewirkt, kann der Abbau, dagegen zu einer Herabsetzung der Viskosität führen. Dies ist besonders bei den höher polymermodifizierten Bitumen der Fall. So wird die Verhärtung des Grundbitumens durch den Polymerabbau kompensiert. Anhand der durchgeführten physikalischen sowie chemischen Untersuchungen stellte sich die Langzeitalterung nach LT RFT als die stärkste Beanspruchung heraus. Die Langzeitalterung nach PAV mit vorgeschalteter Kurzzeitalterung RFT scheint daher praxisnaher zu sein als die Langzeitalterung nach LT RFT. Allgemein zeigten die hier untersuchten höher polymermodifizierten Bitumen ein besseres Alterungsverhalten als die PmB 45. Am alterungsbeständigsten sind sternförmige oder mit Bitumenspezies vernetzte SBS-Polymere. Hier konnte nach der aggressivsten Alterung nach LT RFT noch eine Wirkung der eingesetzten Polymere nachgewiesen werden. Inwieweit sich die Unterschiede im Alterungsverhalten der untersuchten PmB auf das Gebrauchsverhalten der damit hergestellten Asphalte auswirken, kann nur mit Performanceübungen an Asphalt selbst untersucht werden. Es wird vorgeschlagen, die Asphalteigenschaften bei hohen und bei niedrigen Gebrauchstemperaturen zu untersuchen.
953
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.
248
Die Forschungsarbeit gliederte sich in zwei Teile. In den Jahren 1973 und 1974 wurde zur Verbesserung der Anfangsgriffigkeit von Asphaltbeton auf 7 Versuchsstrecken das Abstreuen der heißen Deckschicht mit Brechsand oder feinem Splitt während der Herstellung erprobt. Als wesentlich erwies sich, dass die Streudichte gering gehalten wird (0,6 -1,0 kg/m2 bei Abstreumaterialien mit einem Größtkorn bis 5 mm) und daß das Material auf die in der obersten Zone noch mindestens 80-°C heiße Deckschicht hinter dem Fertiger oder nach dem ersten Walzgang gleichmäßig aufgebracht und sogleich angewalzt wird. Zum bevorzugten maschinellen Abstreuen haben sich verschiedene Streugeräte bewährt; möglich ist aber auch die Abstreuung von Hand mit Schaufeln. Die Kosten für Abstreumaterial, Geräte und Lohn sind, gemessen an den Gesamtkosten einer Deckschicht, gering. Die Griffigkeitswerte in den abgestreuten Feldern lagen im Neuzustand immer wesentlich höher als in den Vergleichsfeldern ohne Abstreuung. Über Wochen und Monate blieb die Griffigkeit der abgestreuten Felder besser als die der Vergleichsfelder. Nachteilige Wirkungen des Abstreuens, wie Verschlechterung der Anfangsebenheit oder ungleichmäßiges Aussehen der Oberfläche, sowie ein Einfluß auf das Gebrauchsverhalten der Deckschichten (Verschleiß, Verformung, Haltbarkeit) wurden nicht festgestellt. Der zweite Teil der Forschungsarbeit im Jahre 1975, der 6 Versuchsstrecken umfaßte, erbrachte Hinweise, wie die Anfangsgriffigkeit von Asphaltbetondeckschichten ueber die Zusammensetzung des Mischgutes beeinflußt werden kann. Günstig wirken sich unmittelbar auf die Anfangsgriffigkeit ein an der oberen Grenze der zulässigen Spanne liegender Hohlraumgehalt und ein hoher Brechsandanteil im Mineralstoffgemisch sowie auch ein hoher Schärfegrad des Brechsandes aus. Um die Bewährung der bei den Versuchsstrecken gewaehlten Zusammensetzungen zu beurteilen, muß jedoch das gesamte langfristige Gebrauchsverhalten der Deckschichten (Griffigkeit, Ebenheit und insbesondere Haltbarkeit) beobachtet werden.