Das nunmehr in einem Merkblatt zusammengefasste Wissen um das Verdichten von Asphalt in Theorie und Praxis wurde dem neuesten Stand der Technik angepasst.

Die Themen „Schwer verdichtbarer Asphalt“ und „Arbeitsvorbereitung für die vertragsgerechte Verdichtung des Asphaltes“ sind Schwerpunkte des Merkblattes. Aufgezeigt werden Wege, im Rahmen des Asphalteinbaus zusätzliche Verarbeitungszeit zu gewinnen.

Der Ausblick zeigt Entwicklungen im Nachbarland Österreich und einen möglichen Weg zur flächendeckenden Verdichtungskontrolle.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Allgemeines, Zweck und Anwendungsbereich

Die Überarbeitung des bestehenden Merkblattes wurde notwendig, weil

• das Wirkungsprinzip der Verdichtung bei verschiedenen Verdichtungsgeräten weiterentwickelt worden ist
• die Einsatzgebiete für einzelne Walzenarten unter Berücksichtigung der verschiedene Mischgutarten und -sorten bei unterschiedlichen Einbaudicken erweitert oder geändert werden mussten
• die Bezeichnungen in den Formeln geändert worden sind im Hinblick auf die europäischen Normen
• die Anwendung des neuen Merkblattes in der Praxis bei der Planung des Geräteeinsatzes erhöht werden soll. Dazu wurden die Rechenbeispiele ergänzt und eine Checkliste für den Geräteeinsatz aufgestellt.

Die Verdichtung des Asphaltes für ein optimales, auf Dauerhaftigkeit ausgelegtes Verhalten
[1] des Oberbaus steht außer Frage und damit in Verbindung mit einem geeigneten Hohlraumgehalt. Sie ist somit von grundlegender Bedeutung. Eine weitere Nachverdichtung durch den Verkehr sollte nicht mehr oder nur noch in einem schadenbildfreien Umfang stattfinden. Insbesondere sind hier die optimalen Dichteniveaus der unterschiedlichen Asphalte zu berücksichtigen. Das Erreichen der vertraglich vereinbarten Verdichtung ist somit ein Ziel des Asphalteinbauers, welches mit einer gründlichen Arbeitsvorbereitung erreicht werden sollte. Dieses Prognoseverfahren zur erfolgreichen Durchführung der Verdichtungsarbeit ist ebenfalls Inhalt des Merkblattes.

Der theoretische Teil widmet sich der systematischen Untersuchung zur Erkennung und Quantifizierung wichtiger Einflussgrößen auf das Verdichtungsergebnis.

2 Asphalt und seine Verdichtung – Theoretischer Teil

Hinsichtlich der Verkehrs- und Globalbelastungen bedarf es einer optimierten Abstimmung zwischen dem Asphaltmischgut und dem Anforderungsprofil. Walzasphalte können erst nach ausreichender Verdichtung (charakterisiert damit den Hohlraumgehalt) dauerhaft Verkehrslasten aufnehmen. Der Hohlraumgehalt wird aus der Raumdichte der Asphaltschicht oder des Asphaltprobekörpers und der Rohdichte des Asphaltmischgutes berechnet.

2.1 Verdichtbarkeit von Asphalt

Unter Verdichtbarkeit eines Stoffes wird die Eigenschaft beschrieben, mittels Verdichtungsenergie bei gleicher Masse ein geringeres Volumen zu erreichen (Bild 1).

Bild 1: Dichteverlauf in Abhängigkeit von der Anzahl der Verdichtungsschläge am Marshall-Probekörper

Für Asphalt ergibt sich zusätzlich eine temperaturabhängige Eigenschaft. Die Asphaltmischgutsorten lassen sich in leicht verdichtbare und schwer verdichtbare Asphaltsorten aufteilen.

Leicht verdichtbare Walzasphalte erfahren zu Beginn des Verdichtungsprozesses eine größere Volumenveränderung als schwer verdichtbare Walzasphalte. Diese Asphaltsorten benötigen eine größere Verdichtungsenergie, um zu einer vergleichbaren Verdichtung zu gelangen.

2.2 Beschreibung des Verdichtungsvorganges

Die mathematische Beschreibung des Verdichtungsvorgangs führt zu einer dreiparametrigen Exponentialfunktion:

y = a_∞ - (a_∞ - a_o) × e^-E/X

mit

• y    =    Größe zur Beschreibung des momentanen Dichtezustandes
• a_o  =    Größe zur Beschreibung des Dichtezustandes am Anfang der Verdichtung
• a_∞  =    Größe zur Beschreibung des maximal erreichbaren Dichtezustandes
• E    =    Größe zur Beschreibung der Verdichtungsarbeit
• X    =    Größe zur Beschreibung des Verdichtungswiderstandes.

Nach Substitution des Ausdrucks (a_∞ - a_o) (mathematische Größe zur Beurteilung der Verdichtungsdifferenz) durch den Buchstaben b lässt sich die Formel vereinfacht wie folgt schreiben:
y = a_∞ - b × e^-E/X .

Die mit einer Verdichtungsarbeit gegebene Größe ist im Labor die Anzahl der Verdichtungsschläge „E“ bzw. auf der Baustelle die Anzahl der Walzenübergänge „n“. Dabei beurteilt der Verdichtungswiderstand C die Raumdichteänderung. Kleine C-Werte charakterisieren leichter verdichtbares Asphaltmischgut, große C-Werte charakterisieren schwer verdichtbares Asphaltmischgut.

2.3 Verdichtungsgrad k und Verdichtungsindex K

Zur Bewertung der Verdichtung wird gemäß dem technischen Regelwerk der Verdichtungsgrad k herangezogen. Unter definierten Rahmenbedingungen wird dabei eine Asphaltprobe unter Bezugnahme auf die Raumdichte p (E1 = 50) am Marshall-Probekörper gemäß DIN 1996-4 in ein %-Verhältnis gesetzt:

Verdichtungsgrad k = ( ρ / ρ (E₁ = 50)) × 100 [%] .

Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass nicht alle Werte am Marshall-Probekörper unbedacht übernommen werden. Bei schwer verdichtbarem Asphaltmischgut können sonst Verdichtungswerte von über 100 % erreicht werden [2]. Zu prüfen bleibt auch die Übertragung auf Sonderrezepturen und Niedrigtemperaturasphalt.

Zur zielsicheren Erfüllung einer geeigneten Verdichtung und eines geeigneten Hohlraumgehaltes wurde mit einem Verdichtungsindex K (als rechnerische maximal erreichbare Raumdichte) eine Größe gefunden, die eine Über- bzw. Unterverdichtung gezielt ausschließen soll.

Verbunden damit ist eine mechanisch optimal belastbare Funktion des Asphalts:

Verdichtungsindex K = ( ρ / ρ_∞) ×100  [%].  (s. Bild 2).

Bild 2: Graphisches Beispiel zur Erläuterung der beiden Größen Verdichtungsgrad k und Verdichtungsindex K [3] 

2.4 Einfluss der Verdichtungstemperatur

Bei einer normgerechten Verdichtungstemperatur, in der Regel T = 135 °C, ist nach DIN EN 12697-35 auf das eingesetzte Bindemittel die Verdichtungstemperatur abzustimmen.

2.5 Einfluss der Asphaltmischgutzusammensetzung auf den Verdichtungswiderstand

Art und Zusammensetzung des Asphaltmischgutes beeinflussen wesentlich die Verdichtbarkeit. Gemeinsam wirken hier die Bindemittelmenge, der Füllergehalt und die innere Reibung der Gesteinskörnung, wobei der Sand von besonderer Bedeutung ist. Je höher der Brechsandanteil im Sandbereich gewählt wird, umso höher wird der Verdichtungswiderstand. Gleiches gilt für einen Splittanteil über 50 % (Bild 3).

Bild 3: Einfluss des Splittgehaltes auf den Verdichtungswiderstand T [4]

3 Äußere Einflüsse

3.1 Globale Witterungseinflüsse

Generell bleibt bei warmer Witterung und windstillen Tagen ohne Feuchtigkeit das Asphaltmischgut länger verdichtbar. Feuchtigkeit und Wind entziehen dem Asphalt beschleunigt Wärme und schränken damit gegebenenfalls erheblich die spezifische Verarbeitungsdauer ein. Besondere Aufmerksamkeit ist dabei schwer verdichtbaren Asphaltdeckschichten zu widmen. 

3.2 Einflüsse aus Schichtdicke und Unterlage

Einflüsse aus Schichtdicke und Unterlage müssen Berücksichtigung finden. Generell muss der Untergrund geeignet sein (Ebenflächigkeit und Härte) für den Einbau einer Asphaltlage. Besondere Bedeutung muss auch der Feuchtigkeit beigemessen werden hinsichtlich der Abkühlung und des Schichtenverbundes (bei geschlossenem Wasserfilm darf nach technischem Regelwerk nicht eingebaut werden). 

4 Allgemeines zum Einbau und zu Verdichtungsgeräten

Generell haben die Rahmenbedingungen dem Stand der Technik zu entsprechen, damit das Einbaugerät, die Art und die Anzahl der Walzen sowohl der Anlieferungsmenge als auch dem Asphaltmischgut gerecht werden. Mit der Walzverdichtung ist so früh wie möglich zu beginnen. Das Merkblatt enthält in der Tabelle 5 eine Übersicht, welche Walzenart zum Verdichten des Asphaltmischgutes besonders geeignet ist.
Eine entsprechende Arbeitsvorbereitung ist dazu unumgänglich. Bei ausreichender Asphaltmischgutversorgung ist speziell bei hohen Leistungen und großen Mengen der Einsatz eines Shuttles (Bild 4) sinnvoll.

Bild 4: Einsatz eines Shuttles beim Asphalteinbau

Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der Asphaltmischguttemperatur, die von großer Bedeutung ist (Bild 5).

Bild 5: Beispiel für den Einfluss der Verdichtungstemperatur auf unterschiedlich zusammengesetzte Asphaltgemische, welche weniger stark temperaturempfindlich und stark temperaturempfindlich reagieren

Soweit möglich, gilt der Einbau des Asphaltmischgutes mit Straßenfertigern heute als Stand der Technik. Der Einsatz von Höher- bzw. Hochverdichtungsbohlen hat bei Asphaltschichten den Vorteil einer größeren Vorverdichtung. Diese Vorverdichtung ist wiederum Voraussetzung für den geplanten Walzeneinsatz. Eine daraus resultierende Reduzierung der Walzübergänge (bei gleichem Walzeneinsatz) bietet den Vorteil einer kürzeren Verdichtungszeitdauer vor dem Hintergrund eines sich abkühlenden Asphaltmischgutes.
Generell nivelliert die Einbaubohle und verdichtet vor. Die Einbaubohlen müssen beheizbar sein (zum Wirkungsprinzip Bild 6).

Bild 6: Verdichtungsaggregate des Straßenfertigers

Die Vorverdichtung wird in der Regel durch zwei unabhängig voneinander angetriebene Vorverdichtungsaggregate erreicht: die Vibrationsbohle und eine vorgeschaltete Stampfbohle (Tamper). Höher verdichtende Einbaubohlen verfügen über doppelte Stampf- und Pressleisten, wobei die vorgenannten Einbaubohlen in ihrer Verdichtungswirkung variieren können.

5 Verdichtungsgeräte

Die vorgesehenen Walzen haben in Abhängigkeit des Asphaltmischgutes, der Einbaumenge, der geplanten Einbauleistung, des Untergrundes sowie der Witterungsrahmenbedingungen eine vertragsgerechte ausreichende Verdichtung unter Einhaltung des Hohlraumgehaltes zu erzielen (Bild 7). Die Verdichtung des Asphaltmischgutes erfolgt durch das Gewicht der Walzen als statische Last und gegebenenfalls zusätzlich durch Vibration bzw. Oszillation als dynamische Verdichtung. Gummiradwalzen verdichten nicht nur statisch, sondern auch knetend. Bei der Glattmantelwalze als statische Walze verringert sich mit zunehmender Verdichtung und höher werdender Steifigkeit (bei regelgerechter Temperatur) die Größe der Kontaktfläche. Ein Kennwert für die Verdichtungswirkung ist die Linienlast:

Linienlast = (Bandagenlast / Bandagenbreite) [kg/cm].

Übliche Linienlast: 10 – 30 kg/cm, je nach Walze.

Bild 7: Beurteilung der Eignung des Straßenfertigers (Einbaubohle) und der Walzenarten für verschiedene Einsatzgebiete [5] 

Bild 8: Checkliste zur Planung des Geräteeinsatzes

Bei der dynamischen Verdichtung beruht das Wirkungsprinzip auf der oben genanten statischen Verdichtung und einer Verringerung der inneren Reibungskräfte. Es wird unterschieden zwischen Vibrations-, Oszillationsverdichtung und Verdichtung mit gerichteten Schwingungen. Neue Entwicklungen in der Asphaltverdichtung nutzen automatisch arbeitende Vibrationsverdichtungssysteme. Dadurch wird in Abhängigkeit der Steifigkeit der Asphaltlage eine Anpassung der Verdichtungsenergie vorgenommen.

6 Planung von Einbau und Verdichtung

Zur höchstmöglichen Qualitätssicherung ist für jede Baumaßnahme eine angemessene Arbeitsvorbereitung unumgänglich. Dabei muss der Untergrund standfest und den technischen Erfordernissen gerecht sein. Die Sauberkeit der Grundlage muss ausreichend gewährleistet sein, um einen Schichtenverbund nach dem „Merkblatt für Schichtenverbund, Nähte, Anschlüsse und Randausbildung von Verkehrsflächen aus Asphalt“ (M SNAR) gesichert zu erreichen.

6.1 Rahmenbedingungen

Grundvoraussetzungen jeder Asphaltbaustellenarbeitsvorbereitung sind:

• die Berücksichtigung des Bauvertrages
• das/die Eignungsprüfungszeugnis(se)
• die Personalplanung
• die Einbaugeräte
• die Bestellung des Asphaltmischgutes frei Bau mit einer Liefermengenangabe je h.

Hier liegt ein besonderer Schwerpunkt für die Dauerhaftigkeit des Gesamtbauwerkes. Die Checklisten (Bild 8) des Merkblattes helfen dabei auch jungen Ingenieuren, ein festes Gerüst zum Erreichen des geforderten Qualitätsstandards zu erreichen. Für den erfahrenen Praktiker stellen sie einen sinnvollen Abgleich der zu erbringenden Leistungen dar.

6.2 Einbau unter der Umsetzung der Planung

Nach Berücksichtigung der speziellen Baustellenrahmenbedingungen kann im Allgemeinen die Formel zur Flächeneinbauleistung wie folgt berechnet werden:

F_F = B ^. v ^. 60 ^. f_n ^.[m²/h]

mit

F_F = Flächenleistung des Straßenfertigers [m²/h]
B = Einbaubreite des Straßenfertigers [m]
v = Einbaugeschwindigkeit [m/ min]
f_n = Nutzleistungsfaktor [-]
            bei Einbaumengenleistungen bis 100 t/h:            f_n = 0,8 bis 1,0
            bei Einbaumengenleistungen 100 bis 200 t/h:     f_n = 0,7 bis 0,9
            bei Einbaumengenleistungen über 200 t/h:         f_n = 0,6 bis 0,8.

Beim Einsatz eines Shuttles zur Asphaltmischgutübergabe ist mit höheren Nutzleistungsfaktoren zu rechnen. Für die Praxis hat sich unter der Annahme eines Nutzleistungsfaktors fn = 0,83 folgende Vereinfachung der oben genannten Formel ergeben:

F_F = B ^. v ^. 50 [m²/h] .

Daraus folgt die Einbaugeschwindigkeit: (Formel in PDF) Die Einbaumengenleistung ist abhängig vom Einbaugewicht und der Flächenleistung: (Formel in PDF)

mit

M = Einbaumengenleistung [t/h]

F_F = Flächenleistung des Straßenfertigers [m²/h]

g = Einbaugewicht [kg/m²]

Die Einbauleistung des Straßenfertigers muss dabei stets durch eine genügend große Walzenanzahl abdeckt sein bzw. muss die Straßenfertigereinbauleistung sonst den Walzen angepasst werden.

7 Ausführung der Verdichtung

7.1 Allgemeines

Zur Ermittlung der Walzbreite ist die Bandagenbreite b mindestens um das Maß der Überlappung der Walzbahnen zu reduzieren (ca. 10 % der Bandagenbreite): (Formel in PDF)

Danach ist N‘ auf eine ganze natürliche Zahl aufzurunden.

Damit errechnet sich die effektive Walzbreite beff, die zur Ermittlung der Flächenleistung benötigt wird, zu: (Formel in PDF)

7.2 Ermittlung der erforderlichen Walzübergänge

Zur Ermittlung der erforderlichen Anzahl von Walzübergängen ist in dem Merkblatt sowohl ein rechnerisches als auch ein nomographisches Verfahren angegeben. Hier soll speziell auf das Nomogramm verwiesen werden.

Anwendungsbeispiel: Für einen Asphaltbeton 0/11, Verdichtungsarbeit E₂ (k = 0,99; T = 135) = 80 [21 Nm] soll bei einer Anfangstemperatur von 150 °C mit einer schweren Tandem-Vibrations-Walze mittels dynamischer Verdichtung ein Verdichtungsgrad von k = 99 %, entsprechend k = 0,99, erreicht werden (Lösung mittels Nomogramm gemäß Bild 9).

Bild 9: Nomogramm zur Ermittlung der Anzahl n(k) der erforderlichen Walzübergänge zum Erreichen eines Verdichtungsgrades von k = 0,99 bei der dynamischen Verdichtung eines Asphaltbetons 0/11 mittels einer leichten beziehungsweise schweren Walze in Abhängigkeit von der Anfangs-Verdichtungstemperatur T₀ und der erforderlichen Verdichtungsarbeit E₂(k,T=135) – Korrelationskoeffizient r = 0,881

8 Kontrolle und Beobachtung beim Verdichtungsvorgang

Die Reaktion der Asphaltoberfläche auf den Walzeinsatz liefert Hinweise auf das momentane Verdichtungsverhalten. Wenn die Walzen das Asphaltmischgut schieben bzw. einsinken oder Walzrisse auftreten, sind die statischen Lasten zu groß. Der Grund dafür kann auch eine zu geringe Vorverdichtung oder eine zu hohe Asphaltmischguttemperatur sein. „Fettspiegel“ an der Oberfläche weisen auf ein Aufsteigen des Mörtels hin. Dieses kann durch Unterbrechen bis zu einer geringeren Asphalttemperatur unterbunden werden bzw. durch eine Reduzierung der Walzenübergänge oder, soweit eingesetzt, durch Abschalten der Vibration bzw. Aussetzen der Gummiradwalze.

Soweit zerstörungsfreie radiometrische Messverfahren eingesetzt werden, sind diese vorher zu kalibrieren und dienen der ständigen Überwachung beim Einbau.

9 Zusammenfassung und Ausblick

Das neue Merkblatt soll die Zusammenhänge um die theoretischen Grundkenntnisse in Verbindung mit der praktischen Umsetzung erleichtern. Die komplexen Zusammenhänge erlauben jedoch keinesfalls ein einfaches Übertragen der Vorgehensweise von einer Baumaßnahme zur nächsten. Geeignetes, erfahrenes, geschultes und motiviertes Personal ist die Basis zur Fehlervermeidung.

Das Merkblatt trägt den veränderten Rahmenbedingungen Rechnung. Die im Praxisteil neu eingefügten Nomogramme erleichtern einen schnellen Überblick (bieten Schätzwerte) über die zu leistenden Verdichtungsübergänge der Walzen. Dabei ist es möglich, die optimalen Walzen einzusetzen, genauso wie mit den vorhandenen Walzen das Verdichtungsziel, soweit möglich, zu erreichen.

Die Weiterentwicklung des Verkehrs mit steigenden Nutzerzahlen sowie die Erhöhung der Achslasten beanspruchen den Asphaltoberbau zunehmend mehr. Die Entwicklung des Performancegedankens entwickelt sich dabei weiter. Der Gedanke der flächendeckenden Verdichtungskontrolle wird dabei nach wie vor angestrebt. Dies scheint über die Volumenveränderung am einfachsten realisierbar zu sein.

In Österreich wurden die vertraglichen Anforderungen von der Verdichtung auf die Erfüllung eines bestimmten Hohlraumgehaltes geändert. Die Entwicklung im Bereich Niedrigtemperaturasphalt könnte dabei einen sehr positiven Aspekt für die Verdichtung des Asphaltmischgutes bedeuten, wenn bei üblichen Einbautemperaturen (135 °C) die Zusatzmittel die Verdichtbarkeitszeiträume verlängern und damit auch sicherer im Hinblick auf die Rahmenbedingungen werden.

Literaturverzeichnis

1. Arand, W.: Gedanken zum Verdichtungsgrad. Die Asphaltstraße – Das stationäre Mischwerk (1983) 4, 156 - 164
2. Leutner, R.; Renken, P.; Lüthje, U.: Nutzungsdauer von Asphaltbefestigungen in Abhängigkeit vom Verdichtungsgrad, Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr. 11239, Braunschweig 2000
3. Arand, W.; Renken, P.: Grundlegende Untersuchungen über den Einfluss der Zusammensetzung auf die Verdichtbarkeit von Walzasphalten mittels systematischer Variation kompositioneller Merkmale zur Schaffung quantitativer Bewertungsmaßstäbe. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr. 8.167, Braunschweig 1992
4. Arand, W.; Renken, P.; Büchler, St.: Qualitätsplanung beim Verdichten von Asphalt. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr. 10.037, Braunschweig 1997
5. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für das Verdichten von Asphalt (M VA), Ausgabe 2005, Köln 2005