Ein Großteil der Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des Straßenbaus wurde in den vorangegangenen Jahren der Entwicklung und Validierung performanceorientierter Versuchsmethoden gewidmet. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Untersuchung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphaltgemischen sowie deren Komponenten, um für die rechnerische Dimensionierung von Straßenbefestigungen notwendige Eingangsparameter realitätsnah zu erfassen. Der vorliegende Beitrag zeigt ausgewählte Ergebnisse eines Laborversuchsprogrammes mit dem Schwerpunkt der Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Mastix-Gemischen, sowohl ungealtert als auch gealtert, sowie hergestellt mit gleichem Basisbitumen und vier verschiedenen Füllersorten. Das Ziel der Untersuchungen bestand insbesondere darin, den Einfluss der einzelnen Füllervarianten auf die rheologischen Eigenschaften der jeweiligen Mastix-Gemischphasen zu ermitteln und, basierend auf maßgebenden Eigenschaften der Mastix-Gemischphasen, den geeignetsten Füller bei Einbeziehung des vorab ausgewählten Basisbitumens auszuwählen. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Durchführung von Laborversuchen mittels DSR (Dynamic Shear Rheometer), vornehmlich von Frequenz-Sweep-, SSCR- und Ermüdungsversuchen sowie Versuchen zur Erfassung des Tieftemperaturverhaltens der einzelnen Mastix-Gemische.

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

1 Einleitung

1.1 Vorbemerkungen

In den letzten Jahren hat sich der strukturelle Zustand der Straßenbefestigungen in Deutschland u. a. aufgrund der steigenden Verkehrsbelastung, der Zunahme der Achslasten und der Änderung der klimatischen Bedingungen verschlechtert. Mit ständig steigenden Mobilitätsanforderungen der Gesellschaft und Industrialisierungsgrad sowie kontinuierlich wachsenden Handelsbeziehungen einer globalisierten Wirtschaft vollzog sich eine Steigerung der Verkehrsbelastung während der vergangenen zwei bis drei Jahrzehnte in einer noch nicht dagewesenen und nicht vorhersehbaren Größenordnung. Damit geht einher, dass die zu erwartenden Veränderungen der klimatischen Bedingungen negative Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit der Befestigungen haben werden und zusätzlich die Verknappung der Ressourcen eine Verteuerung der Baustoffe und damit eine weitere Verschärfung der finanziellen Situation für die Herstellung der Befestigungen bewirken wird. Hieraus leitet sich die dringende Notwendigkeit ab, geeignete Baustoffe zu verwenden, die es ermöglichen, Straßenbefestigungen zu bauen, die diesen hohen Belastungen über die angestrebte Nutzungsdauer standhalten können.

Die Qualität des Baustoffes Asphalt wird derzeit in Deutschland hauptsächlich über für einzelne Baustoffkomponenten festgelegte empirische Anforderungen definiert. Hierzu zählen insbesondere Anforderungen hinsichtlich der Bitumeneigenschaften (z. B. Nadelpenetration, und Erweichungspunkt Ring und Kugel) sowie Vorgaben zur Gemischzusammensetzung (z.  B. Korngrößenverteilung der Zuschlagstoffe, Bindemittelgehalt) und Verdichtungsgrad. Eine Prüfung des Verhaltens der Baustoffe und Baustoffkomponenten unter gebrauchsverhaltens-orientierten Beanspruchungen findet nicht bzw. nur sehr vereinfacht statt (z. B. Spurbildungstest). Zudem sind die Anforderungen bezüglich des Verhaltens der Baustoffe in situ nur  bedingt aussagefähig.

Um die Dauerhaftigkeit von Asphaltbefestigungen zu erhöhen, ergibt sich die Notwendigkeit, die Eigenschaften verwendeter Baustoffe und Baustoffkomponenten zwar unter Laborbedingungen aber realitätsnah zu testen. Anhand der Ergebnisse dieser Tests kann dann die Auswahl der Baustoffe und Baustoffkomponenten optimiert für den jeweiligen Anwendungsfall in den Straßenbefestigungen erfolgen.

Dazu ist es erforderlich, verhaltensorientierte bzw. -basierte Eigenschaften von Bitumen und Mastix-Gemisch wie Ermüdungsbeständigkeit Rissresistenz (Tieftemperaturverhalten) sowie Verformungsresistenz gezielt realitätsnah versuchstechnisch zu erfassen [17]. Sinnvoll und zielführend sind Versuche am Mastix-Gemisch, d. h. am Bitumen-Füller-Gemisch. Diese  besitzen mehr Potenzial als Versuche am reinen Bitumen [19], da die mechanischen Eigenschaften von Mastix-Gemisch das Verhalten von Asphaltgemischen wesentlich beeinflussen.

Der Füller hat einerseits die Aufgabe die Hohlräume zwischen den groben Gesteinskörnern zu füllen (Sieblinie), andererseits kann sich Füller positiv auf die Affinität zwischen Bindemittel und Gesteinskörnung auswirken [1]. Mehrere Untersuchungen haben gezeigt, dass die geometrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von Füller die Leistungsfähigkeit des Mastix-Gemischs sowie des Endproduktes Asphalt erheblich beeinflussen [4 bis 6].

Der Füller beeinflusst die Eigenschaften von Asphaltgemischen auf verschiedene Weise, das Bitumen wird versteift, die Wasserbeständigkeit wird verändert, die Alterungseigenschaften des Mastix-Gemisch sowie die Verarbeitbarkeits- und Verdichtungseigenschaften der Asphaltgemische werden modifiziert [7]. Untersuchungen haben zudem gezeigt:

– eine große spezifische Oberfläche eines Füllers zu verbesserten Eigenschaften von Mastix-Gemischen (Adsorption des Bitumens an der Oberfläche der Füllerpartikel) führt [7].

– der Füller und das Bitumen die Mastix-Gemisch-Eigenschaften in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung (d. h. physikalisch-chemische Eigenschaften) beeinflusst.

Weiterhin maßgebend ist das Füller-Bitumen Verhältnis für die Eigenschaften des Mastix- Gemisch insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit [9, 22]. In Bezug auf das Alterungsverhalten konnte festgestellt werden [19, 21], dass die Füller einerseits das Altern des Mastix-Gemisch begünstigen, indem sie Oxidation und Nebenreaktionen wie Dehydratisierung und Polymerisation katalysieren. Andererseits wurde jedoch beobachtet, dass mineralische Füller den  Alterungs- oder Oxidationsprozess verlangsamen, indem sie die Sauerstoffdiffusion in den Mastix-Gemisch behinderten.

1.2 Ziel der Untersuchungen

Ziel der Untersuchungen war es, ein Verständnis über den Einfluss von Füller auf die Eigenschaften von Mastix-Gemisch zu erlangen. Aus diesem Grund wurde eine umfassende Laborstudie durchgeführt, um den Einfluss des Füllers insbesondere auf die rheologischen Eigenschaften sowie das Ermüdungs- und das Tieftemperaturverhalten mit Hilfe von Versuchen mit dem Dynamischen SherRheometer (DSR) festzustellen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen konnte auch der Einfluss von unterschiedlichen Füllern auf die Veränderung der rheologischen Eigenschaften von Mastix-Gemischen infolge Alterung nachgewiesen werden.

2 Untersuchte Materialien

Insgesamt wurden vier mineralische Füller (Dolomit, Granodiorit, Kalkstein und Rhyolith) sowie ein und dasselbe Bitumen 50/70 (eine Charge) für die Herstellung der Mastix-Gemische ausgewählt. Das Bitumen-Füller-Verhältnis der Labormischungen betrug 1 : 1,6. Kalkstein-Füller wird in Deutschland häufig eingesetzt, während Dolomit-, Granodiorit- und Rhyolith-Füller weniger oft Anwendung finden.

Die herkömmlichen Kennwerte des Bitumens sind in der Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Kennwerte des Bitumens 50/70

An der Universität Harbin, VR China, erfolgte eine detaillierte Bestimmung der physikalischen und chemischen Eigenschaften aller Füller (spezifische Oberfläche der Füller, Dichte und Korngrößenverteilung).

Zur Bestimmung der Auswirkung des Füllers auf das Langzeitverhalten erfolgte die Alterung der Mastix-Gemische im Labor. In Rahmen diese Laborstudie wurde die Alterung im Pressure Ageing Vessel (PAV) für 25 Stunden bei 100 °C und 2,07 MPa durchgeführt. Die Wahl der Laboralterung beruhte auf den Untersuchungen von Migliori und Corte [10], welche zeigten, dass die Kurzzeit- und Langzeitalterung von Bitumen und Mastix-Gemisch mit diesem Alterungsverfahren realitätsnah simuliert werden kann.

3 DSR-Versuche

Die Aussagefähigkeit der derzeit in Deutschland vertragsrelevant angewendeten Versuche zur Bestimmung der Bitumenkennwerte, wie die Bestimmung des Erweichungspunktes Ring- und Kugel und der Nadelpenetration, ist hinsichtlich der Einschätzung der Performanceeigenschaften von Bitumen sehr begrenzt, ungenau und veraltet [20]. Aussagekräftige Informationen über relevante rheologische Eigenschaften von Bitumen können nicht abgeleitet werden. Es müssen neue, geeignete und aussagekräftigere Verfahrensweisen entwickelt werden, welche eine umfassende performanceorientierte Charakterisierung von Bitumen- und Mastix-Gemisch ermöglicht. Das DSR ist die derzeit am weitesten verbreitete Versuchseinrichtung zur Erfassung der rheologischer Eigenschaften von Bitumen und Mastix-Gemisch. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Laborstudie das DSR eingesetzt. Die Durchführung aller DSR-Versuche erfolgte im Labor des Instituts für Stadtbauwesen- und Straßenbau an der TU Dresden mit einem Anton Paar MCR 502 Modular Compact Rheometer (Bild 1).

Bild 1: DSR-Gerät (links), Probekörper für die Dehnungs-Frequenz Sweep-, MSCR- und Abkühlversuche (Mitte), Probekörper für die Ermüdungsversuche (rechts) [9]

4 Ergebnisse der Laborversuche

4.1 Untersuchungen am Füller

Zunächst wurden Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, um die Mikrostruktur bzw. Mikromorphologie der Füller (Bild 2) zu erfassen. Anhand der Aufnahmen ist zu erkennen, dass Dolomit und Kalkstein sehr ähnliche fein gegliederte Oberflächenstrukturen besitzen. Rhyolith und Granodiorit weisen dagegen plattige Strukturen auf.

Bild 2: Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop

Weiterhin erfolgte die Bestimmung der Dichte, der spezifischen Oberfläche, des Porenvolumens, der Porengröße und der Korngrößenverteilung (Tabelle 2, Bild 3).

Tabelle 2: Physikalische Eigenschaften der Füller

Bild 3: Korngrößenverteilung der Füller

Lasergranulometrische Messungen wurden durchgeführt, um die Korngrößenverteilung der Füller zu bestimmen (Bild 3). Dabei weist der Dolomit-Füller gegenüber den anderen Füllern einen relativ geringen Anteil feiner Partikel < 10 ηm auf. Zudem besitzt der Rhyolith-Füller die geringste Dichte und der Dolomit-Füller die höchste Dichte (Tabelle 3) der untersuchten Füller. Der Granodiorit-Füller hat die größte und der Kalkstein-Füller die kleinste spezifische Oberfläche.
Zur Quantifizierung der Zusammensetzung der Füller wurden die Ergebnisse von Röntgenfluoreszenzanalysen (RFA) herangezogen (Tabelle 3). Es kann festgestellt werden, dass die chemische Zusammensetzung des Granodiorit-Füllers dem des Rhyolith-Füllers ähnelt, wobei diese Füller den höchsten Prozentsatz an SiO2 gefolgt von Al2O3 enthalten. Der Anteil an CaO dominiert dabei die Dolomit- und Kalkstein-Füller. Darüber hinaus enthält der Dolomit einen erheblichen Anteil an MgO.

Tabelle 3: Chemische Zusammensetzung der untersuchten Füller in [M.-%]

4.2 Laborversuche

4.2.1 Dehnungs- und Frequenz-Sweep Versuche

Zunächst waren Vorversuche zur Bestimmung des linearen Verformungsbereichs (linear- viskoelastischer Bereich = LVE-Bereich) der jeweiligen Proben erforderlich. Innerhalb des LVE-Bereichs ist das Verhältnis zwischen Scherspannung und Dehnung konstant, sodass der komplexe Schermodul und ebenfalls der Phasenwinkel unabhängig von der aufgebrachten Spannung sind. Außerhalb des LVE-Bereichs hängt der komplexe Schermodul dagegen von der Deformation bzw. Scherspannung ab. Um den LVE-Bereich der Mastix-Gemische zu bestimmen, wurden Dehnungs-Sweep-Versuche zunächst bei Temperaturen von -10 °C, 10 °C, 30 °C, 50 °C und 70 °C für jedes Material durchgeführt. Als LVE-Limit wird dabei der Dehnungswert bezeichnet, bei dem der komplexe Schermodul 95 % des Anfangswerts entspricht. Diese Dehnungsgröße wurde für die sich anschließenden Frequenz-Sweep-Versuche um 20 % reduziert, um sicherzustellen, dass sich bei den anschließenden DSR-Versuchen die im Probekörper entstehenden Dehnungen im LVE-Bereich befinden. Für jedes Material wurden zwei Frequenz-Sweep-Versuche durchgeführt, einer im Temperaturbereich von -10 °C bis 30 °C unter Verwendung einer Platte mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Probendicke von 2 mm und der andere im Bereich von 30 °C bis 70 °C unter Verwendung einer Platte mit einem Durchmesser von 25 mm und einer 1 mm dicken Probe.

Die Masterfunktion (in der TP Asphalt-StB, Teil 26 als Hauptkurve bezeichnet), Black- und Cole- Cole-Diagramme für das Bitumen und alle untersuchten Mastix-Gemische sind in den Bildern 4 bis 6 dargestellt.

Das im Bild 4 dargestellte Black-Diagramm zeigt die Veränderung des Phasenwinkels in Abhängigkeit des komplexen Schermoduls für die getesteten Materialien. Die Zugabe von mineralischem Füller zum Bitumen führt erwartungsgemäß zu einer Versteifung der Mastix-Gemische, erkennbar an der Verschiebung der Funktionen im Black-Diagramm leicht nach rechts.

Im Bild 5b ist ersichtlich, dass die Phasenwinkel des Bitumens und der Mastix-Gemische sich nicht wesentlich unterscheiden. Durch die Zugabe von Füller wird der Phasenwinkel des Mastix-Gemisches gegenüber dem des Bitumens nicht wesentlich verändert.

Bild 4: Black-Diagramme für die untersuchten Mastix-Gemische und das Bitumen 50/70 [9]

Die Masterkurven für 20 °C sind im Bild 5 dargestellt.

Bild 5: Masterkurven des a) komplexen Schermoduls und b) des Phasenwinkels für das ungealterte Bitumen und die Mastix-Gemische [9]

Bild 6: Versteifender Effekt des Füllers bei einer Frequenz von 10 Hz [9]

Das Bild 5a zeigt, dass die Masterkurven der Mastix-Gemische im gesamten Frequenzbereich über der Masterkurve des Ausgangsbitumens liegen, was auf den Versteifungseffekt der Füller zurückzuführen ist. Es kann weiterhin festgestellt werden, dass der komplexe Schermodul von Kalkstein-Mastix-Gemisch im Vergleich zu den anderen untersuchten Mastix-Gemischen insbesondere bei hohen Frequenzen deutlich niedriger ist. Das Bild 6 zeigt die versteifende Wirkung der untersuchten Füller in Abhängigkeit von der Temperatur. Zum einen ist die versteifende Wirkung der Füller temperaturabhängig, wobei mit zunehmenden Temperaturen eine höhere versteifende Wirkung der Füller zu erkennen ist. Rhyolith- und der Granodiorit-Füller zeigen die höchste, Kalkstein-Füller die geringste versteifende Wirkung der untersuchten Füller.

Für eine spätere multikriterielle Auswertung aller Versuche wurde als charakteristischer Parameter für die Steifigkeit der komplexe Schermodul bei 20 °C und 10 Hz Belastungs-frequenz herangezogen.

4.2.2 Abkühl- und Wiedererwärmungsversuche

Abkühlung bei winterlichen Temperaturen bei gleichzeitiger Behinderung der Kontraktion (keine Fugen, reibungsbehaftete Unterlage) führen im Asphalt zu sog. kryogenen Zugspannungen. Diese Spannungen können bis zu einem gewissen Maß von der ebenfalls mit abnehmender Temperatur zunehmenden Zugfestigkeit des Asphalts kompensiert werden. Die Zugfestigkeit steigt jedoch bei Abkühlung nur bis zu einem vom verwendeten Bitumen abhängigen Grenzwert an. Nach Unterschreitung dieses Grenzwertes führt die zunehmende Versprödung zu einem Abfall der Zugfestigkeit. Dadurch wird bei weiterer Abkühlung die Temperatur (Bruchtemperatur) erreicht, bei der die kryogenen Zugspannungen die Zugfestigkeit des Asphalts überschreiten und so zur Rissbildung (Kälteriss) im Asphalt führen. Im Zusammenwirken mit den durch Verkehrsbelastung induzierten Zugspannungen kann der Riss auch schon bei gegenüber der Bruchtemperatur positiveren Temperaturen auftreten [22].

Kälterisse im Asphalt können an der Grenzfläche zwischen Mastix-Gemisch und Gestein oder innerhalb des Bitumenfilms ihren Ausgangspunkt nehmen [23]. Daher beeinflussen das Kälteverhalten des Bindemittels und die Adhäsion zum Gestein entscheidend die Rissentstehung im Asphalt [24].

Um die Auswirkung der Zugabe der verschiedenen Füller zum Bitumen bezüglich des Tieftemperaturverhaltens zu testen, wurden Abkühl- und Wiedererwärmungsversuche durchgeführt. Die Versuche erfolgten an prismatischen Proben (Bild 3). Die Abmessungen der prismatischen Proben betrugen 50 mm x 4 mm x 9 mm (Länge x Breite x Höhe). Die Probekörper wurden an der oberen Spindel bzw. der unteren Bodenplatte des DSR befestigt und zunächst einer Abkühlung von 10 K pro Stunde bis zu einer Temperatur von -15 °C bei verhinderter Kontraktion unterzogen. Die Proben wurden dann zwei Stunden bei -15 °C und konstant gehaltener Probenlänge belassen (Relaxationsphase), bevor der Wiedererwärmungszyklus bei behinderter Dehnung startete. Während des gesamten Versuches erfolgte die Messung der durch die Temperaturänderung entstehenden Axialkraft bei konstant gehaltener Probenlänge.

Der prinzipielle Verlauf der Axialkraft vs. Temperatur während der Abkühl- und Wiedererwärmungsversuche ist im Bild 7a dargestellt, wobei der Kraftrückgang während der Relaxationsphase in Form der durchgezogenen Linie im Anschluss an den Abkühlungszyklus aufgezeigt ist. Im Bild 7b sind die Ergebnisse der Abkühlversuche für den Abkühl- und Wiedererwärmungsvorgang aufgetragen. Die Tabelle 5 enthält weiterhin die aus den im Versuch zur Dehnungsverhinderung aufgebrachten erforderlichen Axialkraft berechneten, nach der Relaxationsphase verbleibenden, kryogenen Spannung in den Probekörpern sowie den prozentualen Spannungsrückgang während der Relaxationsphase. Die Kraft-Temperaturverläufe während des Abkühl- und des Wiedererwärmungsvorganges unterscheiden sich deutlich. Bei Temperaturen ab -10 °C wurde eine Krümmungsänderung in den Kraft-Temperaturverläufen bei der Wiedererwärmung beobachtet. Der Grund für die Änderung dieser Krümmung könnte in einem im Vergleich zur Abkühlung unterschiedlichen Dehnungsverhalten während der Ausdehnung des Materials aufgrund steigender Temperaturen liegen.

Es ist zudem festzustellen, dass alle Proben während der zwei Stunden Relaxationszeit nach dem Abkühlvorgang eine deutlich unterschiedlich große Abnahme der Kraft und damit der kryogenen Spannungen zeigen. Das bedeutet, dass die Zugabe der verschiedenen Füller eine Relaxation in unterschiedlichen Maße bewirkt.

Das Bitumen 50/70 zeigte erwartungsgemäß die niedrigste maximale Axialkraft und damit die geringsten kryogenen Spannungen, verbunden mit der geringsten Relaxation, ausgedrückt durch die Axialkraftabnahme von lediglich 0,25 N. Unter den untersuchten Mastix-Gemischen zeigt das Rhyolith-Mastix-Gemisch den größten Rückgang der kryogenen Spannungen während der Relaxationsphase, gefolgt vom Kalkstein-Mastix-Gemisch, dem Dolomit-Mastix-Gemisch und schließlich dem Granodiorit-Mastix-Gemisch. Die größten kryogenen Spannungen entstehen im Dolomit-Mastix-Gemisch gefolgt von Rhyolith- Kalkstein-, und Granodiorit- Mastix-Gemisch.

Bild 7a: Prinzipielle Darstellung des Verlaufes der Axialkraft-Temperaturfunktionen bei den Abkühl- und Wiedererwärmungsversuchen [9]

Bild 7b: Ergebnisse der Abkühl- und Wiedererwarmungsversuche für die untersuchten Materialien [9]

Für eine spätere multikriterielle Auswertung aller Versuche wurde als charakteristischer Parameter für das Tieftemperaturverhalten die aus der Axialkraft zur Dehnungsverhinderung berechnete, verbleibende kryogene Spannung nach der Relaxationsphase herangezogen (Tabelle 4).

Tabelle 4: Kryogener Spannungsparameter [9]

4.2.3 Ermüdungsversuche

Das im Asphalt verwendete Bitumen und somit auch der Mastix-Gemisch haben einen maßgebenden Einfluss auf das Ermüdungsverhalten von Asphaltgemischen. Da zur Ermüdungsrissbildung auch die Adhäsion zwischen Bitumen und Gestein maßgebend beiträgt ist zu vermuten, dass aus dem Ermüdungsverhalten von Mastix-Gemisch eher auf das Ermüdungsverhalten von Asphalt geschlossen werden kann, als von Bitumen. Zudem sind die Ermüdungsversuche an Mastix-Gemisch im Vergleich zum Asphalt wesentlich einfacher und schneller durchführbar, da hier die die aufwendige Asphaltmischgut- und Probekörperherstellung entfallen kann. Ermüdungsversuche können mit dem DSR unter Verwendung zylindrischer Probekörper (Bild 1) durchgeführt werden. In Anlehnung an die Prüfbedingungen nach dem  TP Asphalt-StB, Teil 24 [25] erfolgten die Versuche bei 20 °C und einer Frequenz von 10 Hz.

Es wurden neun Einzelversuche durchgeführt und ausgewertet, um die entsprechende Ermüdungsfunktion für jedes Material zu bestimmen. Auf Basis des Ansatzes zur Dissipated Energy Ratio nach Rowe [21] erfolgte die Ermittlung der Lastzyklenzahl bis zum Makroriss-kriterium. Das Bild 8 zeigt die auf dieser Grundlage durch Regression bestimmten Ermüdungsfunktionen der getesteten Materialien. Es kann festgestellt werden, dass sich die spannungsbasiert dargestellten Ermüdungsfunktionen durch die Zugabe des Füllers generell sehr deutlich verbessern. Die Ermüdungsfunktion des Granodiorit-Mastix-Gemischs zeigt bei gleicher Spannung die höchsten Lastzyklenzahlen bis zum Makrorisskriterium, gefolgt von Rhyolith-Mastix-Gemisch und Kalkstein-Mastix-Gemisch, die sehr ähnliche Ermüdungsfunktionen aufweisen. Dolomit-Mastix-Gemisch zeigt im Vergleich zum Kalkstein- Mastix-Gemisch und Rhyolith-Mastix-Gemisch bei hohen Spannungen höhere Lastzyklen-zahlen und bei niedrigen Spannungen (< 500 kPa) geringere Lastzyklenzahlen bis zum Makrorisskriterium.

Bild 8: Ermüdungsfunktionen der untersuchten Materialien [9]

Für eine spätere multikriterielle Auswertung aller Versuche wurde als charakteristischer Parameter für das Ermüdungsverhalten der Materialien die Anzahl der Lastwechsel bis zum Erreichen des Makrorisskriteriums bei einem Spannungsniveau von 450 kPa in Anlehnung an parallel laufende Untersuchungen [12] herangezogen (Tabelle 5).

Tabelle 5: Ermüdungsparameter [11]

4.2.4 Single-Stress Creep Recovery (SSCR) Versuche

Um den Widerstand gegen plastische Verformungen der Mastix-Gemische charakterisieren zu können, erfolgten SSCR-Versuche bei einer Temperatur von 60 °C mit der 25 mm Platte und bei 10 °C mit der 8 mm Platte. Dabei wurde wiederholt eine Spannung von 3,2 kPa für  eine Sekunde aufgebracht. Anschließend konnte das Material für die nächsten neun Sekunden relaxieren. Insgesamt wurden 10 Belastungszyklen gefahren. Die Rückverformung R und Nachgiebigkeit J_nr wurden für jeden Lastwechsel unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet:

Formel siehe PDF

Die Ergebnisse der SSCR-Versuche für die unterschiedlichen Mastix-Gemische können anhand der Parameter J_nr und R [8, 9] und graphisch mit Hilfe der aufgezeichneten Kriechkurven verglichen werden. Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle 6 aufgeführt, während die SSCR-Funktionen bei 60 °C der ungealterten Materialien im Bild 9 dargestellt sind.

Tabelle 6: Parameter der MSCR Versuche [9]

Bitumen 50/70 zeigt erwartungsgemäß die größten Kriechverformungen, gefolgt vom Dolomit- Mastix-Gemisch, Kalkstein-Mastix-Gemisch, Rhyolith-Mastix-Gemisch und Granodiorit-Mastix- Gemisch. Das ungealterte Granodiorit-Mastix-Gemisch weist mit dem niedrigsten J_nr-Wert den höchsten Widerstand gegen plastische Verformungen auf und der Dolomit-Mastix-Gemisch zeigt die höchste Rückverformung von 10,05 %. Für eine spätere multikriterielle Auswertung aller Versuche wurde als charakteristischer Parameter für die Beurteilung des Widerstandes gegen plastische Verformungen der J_nr-Wert der ungealterten Mastix-Gemisch Gemische herangezogen.

Bild 9: Kriechkurven bei 3,2 kPa und 60 °C, Mastix-Gemische und Bitumen 50/70 [9] ungealtert

4.3 Alterungsindex Steifigkeit

Eine Einschätzung der Veränderung von relevanten Eigenschaften bitumgebundener Materialien infolge Alterung kann anhand eines Alterungsindex AI vorgenommen werden:

Formel siehe PDF

wobei P_ungealtert eine beliebige physikalische Eigenschaft (z. B. Schermodul) ist, gemessen an dem ungealterten bitumengebundenen Material. P_gealtert ist die gleiche physikalische Eigenschaft, jedoch nach Alterung des Materials.
Zur Bestimmung des Alterungsindexes AI_Steifigkeit wurde der komplexe Schermodul bei 20 °C und 10 Hz herangezogen. Darüber hinaus wurde der AI_Steifigkeit ebenfalls für 60 °C und 1,59 Hz ermittelt (Bild 10).

Bild 10: Alterungsindex (Schermodul) bei 20 °C und 10 Hz sowie bei 60 °C und 1,59 Hz [9]

Dabei zeigt sich, dass für die untersuchten Bitumen bzw. Mastix-Gemischen der Alterungs- index bei 20 °C materialunabhängig auf relativ konstantem Niveau liegt. Bei einer Temperatur von 60 °C sind jedoch deutliche Unterschiede im Alterungsverhalten feststellbar. Den höchsten Alterungsindex mit 32,1 zeigt das Kalkstein-Mastix-Gemisch. Bei gleicher Temperatur ist der Granodiorit-Mastix-Gemisch mit dem geringsten Alterungsindex von 12,1 am wenigsten alterungsempfindlich. Die Versteifung des Mastix-Gemisch infolge Alterung ist bei höheren Temperaturen deutlich ausgeprägter als bei niedrigeren Temperaturen. Für eine spätere multikriterielle Auswertung aller Versuche wurde als charakteristischer Parameter der Alte-rungsindex für die Beurteilung der Alterungsempfindlichkeit von Mastix-Gemischen hinsichtlich Versteifung bei höheren Temperaturen (60 °C, 1,59 Hz) angenommen.

5 Korrelationsanalyse

5.1 Korrelation der Koeffizienten

Um einen möglichen Zusammenhang der chemischen und morphologischen Eigenschaften der untersuchten Füller zu den mechanischen Eigenschaften der Mastix-Gemische zu detektieren, wurden Korrelationsanalysen durchgeführt. Zunächst konnte festgestellt werden, dass mit Anstieg des komplexen Schermoduls die kryogenen Spannungen zunehmen und ein funktionaler Zusammenhang besteht (Bild 11). Der Zusammenhang ist physikalisch begründbar und wurde ebenfalls für Asphalte festgestellt [26]. Es bleibt zukünftigen Untersuchungen vorbehalten, die Allgemeingültigkeit zu bestätigen und diesen Zusammenhang zu quantifizieren.

Bild 11: Korrelation zwischen den kryogenen Spannungen und dem absoluten Schermodul

Einfluss der morphologischen Eigenschaften des Füllers auf die Mastix-Gemischeigenschaften

Es zeigte sich, dass einzelne morphologische Eigenschaften des Füllers einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Mastix-Gemischs haben. Im Bild 12 ist ersichtlich, dass die spezifische Oberfläche ein Hauptparameter ist, der die mechanischen Eigenschaften des Mastix-Gemischs beeinflusst. Je größer die spezifische Oberfläche des Füllers ist, desto geringer ist die Nachgiebigkeit, d. h. desto größer wird der Widerstand gegen plastische Verformung. Weiterhin ist tendenziell ein höherer AI_Steifigkeit der untersuchten Mastix-Gemische mit zunehmender spezifischer Oberfläche der Füllerpartikel zu verzeichnen.

Bild 12: Nachgiebigkeit J_nr und Alterungsindex (Steifigkeit) AI_Steifigkeit bei 60 °C in Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche des Füllers

Zusammenfassend ist hinsichtlich des Einflusses der morphologischen Eigenschaften des Füllers auf die Mastix-Gemischeigenschaften festzustellen:

– Hinsichtlich der Zunahme des Schermoduls der Mastix-Gemische infolge Alterung konnte ein Zusammenhang zur spezifischen Oberfläche der Füller festgestellt werden.
– Eine größere Kontaktfläche (spezifische Oberfläche) führt vermutlich zu einer besseren Interaktion zwischen Bitumen und Füllerpartikeln. Mit zunehmender spezifischer Oberfläche nimmt daher sowohl der Widerstand gegen Rissbildung/Ermüdung als auch gegen plastische Verformungen zu (Bild 13 – der Mastix-Gemisch mit dem Füller mit der größten spezifischen Oberfläche (Granodiorit-Füller) zeigt den höchsten Widerstand gegen Rissbildung/Ermüdung als auch gegen plastische Verformungen).
– Ein Einfluss der Korngrößenverteilung und der Dichte auf die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Mastix-Gemische konnte nicht festgestellt werden.

Einfluss der chemischen Eigenschaften des Füllers auf die Mastix-Gemischeigenschaften

Neben der Mikrostruktur des Füllers ist auch die mineralische Zusammensetzung des Füllers ein wichtiger Faktor, der die mechanischen Eigenschaften von Mastix-Gemisch beeinflusst was in Abhängigkeit der Temperatur unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Die chemische Zusammensetzung der natürlichen Füller ist äußerst absolut. Eine große Anzahl an chemischen Komponenten hat dabei nur einen geringen prozentualen Anteil an der Zusammensetzung der Füller. Dabei konnte festgestellt werden, dass CaO eine wichtige Füllerkomponente ist, die die Steifigkeit der Mastix-Gemische beeinflusst. Es zeigte sich, dass geringe CaO-Gehalte im Füller geringe komplexe Schermoduln für die untersuchten Mastix-Gemische bewirkten.

6 Vergleichende Bewertung der Mastix-Gemischeigenschaften

Für eine zusammenfassende und vergleichende Analyse und Bewertung des Verhaltens von Mastix-Gemischen wurde in Anlehnung an den von Gerke [22] entwickelten Ansatz zur Bewertung der Bitumeneigenschaften ein Netzdiagram entwickelt. Bewertungsgrundlage bilden folgende fünf performanceorientierte Materialparameter:

– Mastix-Gemischsteifigkeit (komplexer Schermodul),
– Ermüdungsverhalten (Anzahl der Lastwechsel bis zum Erreichen des Makrorisskriteriums bei einem Spannungsniveau von 450 kPa),
– Tieftemperaturverhalten (aus der Axialkraft zur Dehnungsverhinderung berechnete, verbleibende kryogene Spannung nach der Relaxationsphase),
–  Alterungsempfindlichkeit hinsichtlich Versteifung (Alterungsindex bei 60 °C, 1,59 Hz),
– Widerstand gegen plastische Verformungen (J_nr-Wert des ungealterten Mastix-Gemisches).

Das Bild 13 zeigt das Netzdiagramm, in dem die Mastix-Gemische anhand ihrer performance-relevanten Eigenschaften direkt verglichen und bewertet und gerankt werden können. Anhand dieses Ranking ist es möglich, einen optimalen Füller für ein bestimmtes Bitumen auszuwählen. Die Netzdiagramme sind so aufgebaut, dass eine Verbesserung der Materialeigenschaften mit zunehmendem Abstand vom Achsenkreuz zu erwarten ist. Die Mastix-Gemische, welche eine möglichst große Fläche im Netzdiagramm abdecken, sind demzufolge besonders gut geeignet.

Weitere Untersuchungsreihen mit anderen Bitumen- und Füllertypen sind am Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau der TU Dresden geplant, um die hier erlangten Ergebnisse zu ergänzen bzw. abzusichern.

Bild 13: Netzdiagramme zur Bewertung des Verhaltens der Mastix-Gemische [9]

7 Schlussfolgerungen

Die vorliegende Veröffentlichung zeigt die Ergebnisse einer Laborstudie, bei welcher wesent- liche performancerelevante Eigenschaften von Bitumen und von verschiedenen Mastix-Gemische mit ein und demselben Ausgangsbitumen (eine Charge), jedoch mit verschiedenen Füllern unter Verwendung nur eines Laborgerätes – dem DSR, erfasst werden konnten. Diese Eigenschaften können im Ergebnis von Frequenz-Sweep Versuchen, Ermüdungsversuchen, Versuchen zur Erfassung des Tieftemperaturverhaltens und MSCR-Versuchen zur Bewertung des Widerstandes gegen plastische Verformungen bestimmt werden. Zur Untersuchung der Alterungsempfindlichkeit der Mastix-Gemische wurden ausgewählte Versuche an ungealterten und gealterten Mastix-Gemisch-Proben durchgeführt. Anhand der Versuchsergebnisse ist es möglich, basierend auf den für die Dimensionierung von Asphaltbefestigungen relevanten Eigenschaften des Mastix-Gemisches, einen optimalen Füller für ein Bitumen spezifisch auszuwählen.

Folgende Schlussfolgerungen können gezogen werden:

– Je größer die spezifische Oberfläche des Füllers ist, desto geringer ist die Steifigkeitszunahme aufgrund von Alterung, desto höher ist die Ermüdungsresistenz und der Widerstand gegen plastische Verformungen. Es sollten also Füller mit einer großen spezifischen Oberfläche verwendet werden.
– Es konnte eine eindeutige Abhängigkeit zwischen dem komplexen Schermodul und dem Tieftemperaturverhalten von Mastix-Gemischen festgestellt werden, wobei dasselbe Ausgangsbitumen verwendet wurde. Weitere Versuche zur Bestätigung dieses Zusammenganges sind geplant.
– Der Phasenwinkel wird erwartungsgemäß durch die Zugabe von Füller zum Bitumen nicht wesentlich beeinflusst.
– Die Korngrößenverteilung und die Dichte des Füllers haben auf die performancerelevanten Eigenschaften des Mastix-Gemischs keine Auswirkung.

In dieser Studie konnten die DSR-Versuche nur an vier Mastix-Gemischen durchgeführt werden, um eine generelle Vorgehensweise zur Beurteilung der performancerelavanten Eigenschaften von Mastix-Gemisch zu entwickeln. Weitere Untersuchungen unter Verwendung anderer Bitumen und Füller sind erforderlich und bereits geplant, um die hier gewonnenen Erkenntnisse zu erweitern und die Allgemeingültigkeit dieser Ergebnisse zu bestätigen.

Danksagung

Diese Veröffentlichung basiert auf Ergebnissen eines Forschungsprojektes, das auf Ersuchen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Forschungsprojekts  WE 1642/1-2 und LE 3649/1-2 durchgeführt wurde (FOR 2089) sowie auf Ergebnissen eines Stipendienprogramms der TU Dresden zur Förderung von Nachwuchswissenschaftlerinnen. Für den Inhalt sind ausschließlich die Autoren verantwortlich.

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