Unterschiedliche Baustoffeigenschaften in Folge verschiedener Zusammensetzung der Asphalte haben maßgebenden Einfluss auf das Verhalten der Befestigungen unter Verkehrsbelastung – und damit auf die Dimensionierung der Befestigungen. Untersuchungen zur Auswirkung unterschiedlicher Eigenschaften auf die mechanischen Eigenschaften von Asphalt lassen eine erste Abschätzung zur Auswirkung dieser Veränderungen auf den Beanspruchungszustand in Asphaltbefestigungen sowie deren Nutzungsdauer zu.

Im Vortrag werden Ergebnisse aus Versuchen, bei denen die Asphaltzusammensetzung systematisch variiert wurde, vorgestellt. Auf der Grundlage von Berechnungen mit Hilfe des Dimensionierungsprogrammes PaDesTo werden Ergebnisse zur Darstellung der Auswirkung dieser aus Versuchen ermittelten Eigenschaften diskutiert und wirtschaftlich bewertet. Entsprechende Schlussfolgerungen bezüglich einer möglichen Gestaltung der Erstprüfung werden gezogen. Damit werden Grundlagen für die weitere Verbesserung des rechnerischen Verfahrens zur Dimensionierung und Prognose des Verhaltens von Asphaltbefestigungen geschaffen und entsprechend diskutiert.

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

 1 Förderungshinweis

Die in diesem Beitrag präsentierten Untersuchungsergebnisse stammen aus dem Forschungsvorhaben „Einfluss der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf ihre primären Gebrauchseigenschaften“, dessen Förderung aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) und das Deutsche Asphaltinstitut e.V. (DAI) unter der IGF-Vorhaben-Nr. 15624 BR erfolgte und welches 2011 erfolgreich abgeschlossen wurde [1].

2 Problemstellung

Unterschiedliche Zusammensetzung der Asphalte bewirken Unterschiede in ihren Baustoffeigenschaften und haben maßgebenden Einfluss auf das Verhalten der Befestigungen unter Verkehrsbelastung – und damit auf die Dimensionierung der Asphaltbefestigungen. So weisen drei unterschiedlich zusammengesetzte Asphalttragschichtgemische erhebliche Unterschiede in ihren versuchstechnisch bestimmten Materialkennwerten auf, wie in den Bildern 1 und 2 zu sehen ist. Dass sich die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften unmittelbar auf den Beanspruchungszustand in Asphaltbefestigungen sowie deren Nutzungsdauer auswirken, verdeutlicht das Bild 3, in welcher die Ergebnisse von Dimensionierungsberechnungen für Fahrbahnbefestigungen gemäß Tafel 1, Zeile 1.1 der RStO 01 [2] in Form von Schichtdickenanpassungen dargestellt sind.

Bild 1: Ermüdungsfunktionen verschiedener Asphalttragschichtgemische

Bild 2: Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen verschiedener Asphalttragschichtgemische

Bild 3: Ergebnisse von Dimensionierungsberechnungen (Schichtdickenanpassungen) für Asphaltbefestigungen unter Verwendung der verschiedenen Asphalttragschichtgemische

Die Ergebnisse zeigen, dass die derzeit in Deutschland für die Ansprache der Asphalteigenschaften angewendete empirische Spezifikation, bei welcher die Eigenschaften der Asphaltgemische indirekt durch die Prüfung kompositioneller Merkmale sowie durch einige leistungsbezogene Prüfverfahren (z. B. Spurbildungsversuch) angesprochen werden, nicht mehr ausreichend sind, um das Gebrauchsverhalten von im Straßenbau eingesetzten Asphalten zuverlässig prognostizieren zu können.

3 Zielstellung

Aufgrund der beschriebenen Problematik besteht das Ziel in der Bestimmung des Einflusses der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf deren primäre Gebrauchseigenschaften. Im Rahmen des Forschungsvorhabens [1] wurde zunächst der Einfluss der kompositionellen Merkmale an ausgewählten Asphalttragschichtgemischen untersucht, da das Gebrauchsverhalten einer Asphalttragschicht bei der rechnerischen Dimensionierung einer Asphaltbefestigung entscheidend für die Nachweisführung des Schadenskriteriums Ermüdungsrissbildung an der Unterseite der Tragschicht ist. Mit den versuchstechnisch gewonnenen Materialeigenschaften (Ermüdungs- und Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion) wurden an Beispielen Dimensionierungsberechnungen durchgeführt. In der Auswertung der Untersuchungs- und Berechnungsergebnisse sollte versucht werden, ein neues System der Asphaltkonzeption unter Verwendung von gebrauchsverhaltensorientierten (GVO) Asphaltprüfungen zu entwickeln.

4 Laboruntersuchungen

Insgesamt wurden 18 Asphalttragschichtgemische der Sorte AC 22 T S hinsichtlich ihrer Zusammensetzung systematisch variiert und es erfolgte an aus den Asphaltgemischen hergestellten Probekörpern die Bestimmung der Ermüdungs- und Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen anhand von Spaltzug-Schwellversuchen gemäß AL Sp-Asphalt [3]. In der Tabelle 1 ist eine Übersicht der geprüften Asphalttragschichtvarianten dargestellt.

Tabelle 1: Untersuchten Asphaltvarianten (= Asphaltgemische) [1]

5 Ergebnisse der Laboruntersuchungen

5.1 Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen

Auf der Grundlage der von verschiedenen Prüftemperaturen und Prüffrequenzen durchgeführten Multistage-Versuchen lässt sich unter Zuhilfenahme der Temperatur-Frequenz-Äquivalenz die Hauptkurve eines Asphaltgemisches ermitteln [3], anhand derer für alle notwendigen Kombinationen aus Temperatur und Belastungsfrequenz die Steifigkeitsmoduln prognostiziert werden können. Die Herangehensweise zur Bestimmung der Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion ist in der AL Sp-Asphalt 09 [3] ausführlich erläutert. Das Bild 4 zeigt die ermittelten Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen der untersuchten Asphalttragschichtgemischvarianten.

Bild 4: Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen der untersuchten Asphalttragschichtgemische für eine Belastungsfrequenz von f = 10 Hz [1]

Aus dem Bild 4 geht hervor, dass die Veränderung der Asphaltzusammensetzung einen wesentlichen Einfluss auf das Steifigkeitsverhalten der Asphaltgemische ausübt. So bewirkte eine andere Korngrößenverteilung, ein höherer Bindemittelgehalt, die Verwendung eines anderen Bindemittels beispielsweise bei einer Temperatur von 10 °C nahezu eine Verdopplung des Steifigkeitsmoduls.

5.2 Ermüdungsfunktionen

Für die Asphalttragschichtgemische wurden anhand der in den Versuchen gemessenen elastischen horizontalen Anfangsdehnungen ε_el,anf und den ermittelten Lastwechselzahlen N_Makro bis zum Erreichen des Makrorisses [3] zu den materialspezifischen Ermüdungsfunktionen unter Anwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate approximiert (s. Bild 5).

Die Bild 5 zeigt, dass durch Variation der Zusammensetzung des Asphaltgemisches eine Erhöhung der ertragbaren Lastwechselzahlen N_Makro bis zum Erreichen des Makrorisses bei gleicher elastischer Anfangsdehnung um das Sechsfache möglich ist.

Bild 5: Ermüdungsfunktionen der Asphalttragschichtgemische bei 20 °C und 10 Hz [1]

6 Dimensionierungsberechnungen

Mit den jeweils ermittelten Materialeigenschaften wurden Dimensionierungsberechnungen an Beispielen von Asphaltbefestigungen durchgeführt, um das Ermüdungsverhalten von Asphaltbefestigungen mit den untersuchten Asphalttragschichtmischgutvarianten unterschiedlicher Zusammensetzung bewerten zu können Die Berechnungen erfolgten mit dem Berechnungsprogramm PaDesTo [5] auf der Grundlage der RDO Asphalt 09 [4].

6.1 Annahmen für die Dimensionierungsberechnungen

Für die Dimensionierungsberechnungen wurde ein Befestigungsaufbau der RStO 01 [2] ausgewählt (s. Bild 6). Die Berechnungen erfolgten bei sonst identischen Vorgaben jeweils mit den untersuchten Asphalttragschichtmischgutvarianten. Zwischen den gebundenen Schichten wurde der Schichtenverbund auf 100 %, zwischen gebundenen Schichten und ungebundenen Schichten auf 0 % festgelegt.

Bild 6: Gewählter Befestigungsaufbau gemäß [2] der Dimensionierungsberechnungen nach den RDO Asphalt 09 [4]

6.2 Ergebnisse der Dimensionierungsberechnungen

Die Darstellung der ermittelten Ermüdungsstatus-Werte erfolgt relativ, da das tatsächliche Ergebnis der Dimensionierungsberechnungen von untergeordneter Bedeutung ist und die untersuchten Asphalttragschichtgemische nur untereinander verglichen werden sollen. Der Ermüdungsstatus des Asphalttragschichtgemisches mit der feinen Korngrößenverteilung, dem Bindemittel 30/45 des Herstellers A und einem Bindemittelgehalt von 5,5 M.-% entspricht dabei einem Wert von 100 %.

Bild 7: Ergebnisse der Dimensionierungsberechnungen (Ermüdungsstatus in relativer Darstellung) der Asphalttragschichtgemische in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt [1]

Im Bild 7 sind die berechneten Ermüdungsstatus-Werte der Beispiel-Asphaltbefestigungen mit den Asphalttragschichtgemischen der groben und feinen Korngrößenverteilung in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt dargestellt. Für die Bitumen 30/45 des Herstellers A und 50/70 des Herstellers B erfolgten weitere Untersuchungen an Asphalttragschichtgemischen mit der feinen Sieblinie und einem Bindemittelgehalt von 6,5 M.-% [6], welche ebenfalls in dem Bild 7 aufgeführt sind.

Aus dem Bild 7 wird ersichtlich, dass sich mit steigendem Bindemittelgehalt der Asphalttragschichtgemische das Ermüdungsverhalten der Befestigung zunächst verbessert, was durch eine Abnahme des Ermüdungsstatus-Wertes gekennzeichnet ist. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Korngrößenverteilung sowie der Bindemittelsorte ist dies jedoch nur bis zu einem bestimmten (optimalen) Bindemittelgehalt zu beobachten.

Betrachtet man die Ergebnisse im Zusammenhang mit der zulässigen Toleranz des Einzelwertes des Bindemittelgehaltes gemäß ZTV Asphalt-StB 07 [7], so kann sich die Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung um ca. ein Drittel verringern, wenn 0,5 M.-% weniger Bindemittel im Asphalttragschichtgemisch vorhanden ist. Damit die Asphaltbefestigung die vorgegebene Nutzungsdauer von 30 Jahren in diesem Fall trotzdem erreichen kann, müsste die Asphalttragschicht dann um ca. 5 cm stärker ausgeführt werden wie Bild 8 zeigt.

Bild 8: Ergebnisse der Dimensionierungsberechnungen (Schichtdickenanpassung) der Asphalttragschichtgemische in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt

Mit Hilfe der Bestimmung einer Funktion durch Regression für die berechneten erforderlichen Mehrschichtdicken der Befestigungen gegenüber den Dicken der RStO [2] der verschiedenen Asphalttragschichtgemische je Korngrößenverteilung, Bindemittelviskosität und Bindemittelhersteller lässt sich der optimale Bindemittelgehalt jeweils an der Stelle mit dem niedrigsten Wert der Mehrschichtdicke bestimmen (s. Bild 8). Für die untersuchten Asphalttragschichtgemische mit der feinen Korngrößenverteilung und dem Bitumen 50/70 wurde beispielsweise ein optimaler Bindemittelgehalt von ca. 5,0 M.-% ermittelt. Da die Vermutung bestand, dass die Asphaltgemische aufgrund ihres hohen Bindemittelanteils nicht mehr wirtschaftlich sind, wurde ergänzend ein Vergleich bezüglich der Material- und Herstellungskosten für die einzelnen Asphalttragschichtvarianten durchgeführt [1]. Die Ergebnisse sind im Bild 9 dargestellt.

Vergleicht man nun die ermittelten optimalen Bindemittelgehalte der untersuchten Asphalttragschichtgemische mit der feinen Korngrößenverteilung und dem Bitumen 50/70 aus dem Bild 8 mit dem Bild 9, so ist zu erkennen, dass der optimale Bindemittelgehalt bezüglich der Ermüdungsbeständigkeit ca. 0,5 M.-% höher ist als der optimale Bindemittelgehalt hinsichtlich der zugehörigen Material- und Herstellungskosten. Begründbar ist dies damit, dass die eingesparten Zentimeter der ermüdungsbeständigsten Variante bei der Schichtdickenanpassung durch die aufgrund des zunehmenden Bindemittelgehaltes steigenden Materialkosten für 1 t Asphaltmischgut ausgeglichen werden.

Bild 9: Herstellungskosten für 1 m² Asphalttragschicht in den erforderlichen Schichtdicken (in relativer Darstellung) der Asphalttragschichtgemische in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt [1]

7  Schlussfolgerungen für ein System der Asphaltkonzeption unter Verwendung von gebrauchsverhaltensorientierten Asphaltprüfungen

Für eine Herangehensweise der Asphaltkonzeption unter Verwendung von GVO-Asphaltprüfverfahren können zunächst nur Empfehlungen bezüglich der im Forschungsvorhaben untersuchten Gebrauchseigenschaften für Asphalttragschichtgemische gegeben werden. Die einzelnen Arbeitsschritte des empfohlenen Systems der GVO-Asphaltkonzeption von Asphalttragschichtgemischen sind dem Bild 10 zu entnehmen und werden in [1] im Einzelnen erläutert.

Bei der Wahl des Bindemittelgehaltes der Asphalttragschicht für die Bauausführung darf die Zusammensetzung der über der Asphalttragschicht liegenden Asphaltschichten jedoch nicht außer Acht gelassen werden, denn zwischen den einzelnen Schichten einer Asphaltbefestigung bestehen konstruktive Abhängigkeiten (u. a. Entwässerung).

Die Ergebnisse aus den Bildern 7 bis 10 zeigen außerdem, dass durch die Verwendung eines Straßenbaubitumens höherer Viskosität für die Herstellung der Asphalttragschicht die Ermüdungsresistenz der daraus hergestellten Asphaltbefestigung erhöht wird. Weiterhin wurde von Lipke [8] festgestellt, dass infolge der Verwendung von Polymermodifizierten Bitumen in der Asphalttragschicht eine Schichtdickenreduzierung, bei Beibehaltung der Ermüdungsresistenz von Asphaltbefestigungen ebenso erreicht werden kann. Um die Schichtdickenreduzierung bei Verwendung anderer Bindemittelarten bzw. -sorten in der Asphalttragschicht ermitteln zu können, wird daher empfohlen, weitere Asphaltprobemischungen mit dem gewählten Bindemittelgehalt zu untersuchen, welcher dem technisch und wirtschaftlich gewähltem entspricht. Als Bindemittel werden dann das Ermüdungsverhalten verbessernde Bindemittel für die Asphaltprobemischungen verwendet.

Bild 10: Fließschema für das empfohlene System der Asphaltkonzeption von Asphalttragschichtgemischen unter Verwendung von GVO-Asphaltprüfungen [1]

Die Kosten für die Durchführung der großen Anzahl von Versuchen im Rahmen der Asphaltkonzeption, entsprechen sicherlich einem Vielfachen der Prüfkosten für die Erstellung einer Erstprüfung entsprechend der zurzeit geltenden empirischen Asphaltspezifikation. Da jedoch durch Optimierung der Zusammensetzung von Asphalttragschichtgemischen hinsichtlich ihrer Ermüdungsbeständigkeit die Schichtdicken von Asphaltbefestigungen angepasst werden können, rentiert sich die Investition in eine Asphaltkonzeption unter Verwendung von GVO-Asphaltprüfverfahren in jedem Falle.

8 Ausblick

Aufgrund der in dem vorgestellten Forschungsvorhaben [1] gewonnenen Erkenntnisse wird in Hinblick auf den extremen Anstieg der Verkehrsbelastung von Verkehrsflächenbefestigungen vorgeschlagen, Asphalttragschichtgemische, abweichend von der bisher gängigen Praxis, in Zukunft so zusammenzusetzen, dass ihre Gesteinskörnungsgemische höhere Feinkornanteile besitzen, sie höhere Bindemittelgehalte sowie niedrigere Hohlraumgehalte aufweisen und auch aus polymermodifizierten Bindemitteln zusammengesetzt sein können.

Weiterhin müssen die über der Asphalttragschicht befindlichen Konstruktionsschichten einer Asphaltbefestigung ebenfalls bezüglich ihrer, teils jedoch anderer Gebrauchseigenschaften optimiert werden, wie z. B. die Verformungsbeständigkeit der Asphaltbinderschicht und die Rissbeständigkeit sowie Verschleißfestigkeit und Verformungsbeständigkeit der Asphaltdeckschicht. Da Änderungen der Asphaltzusammensetzung tendenziell gegenläufige Einflüsse auf die genannten Materialeigenschaften haben, wird sich also bei Berücksichtigung aller Kriterien eine Optimierungsaufgabe, insbesondere für die Asphaltdeckschichtgemische, ergeben.

Literaturverzeichnis

1. Dragon, ; Wellner, F.: Einfluss der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf ihre primären Gebrauchseigenschaften. Vom BMWI über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördertes Forschungsvorhaben Nr. 15624 BR/1, Dresden, 2011
2. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 01), Köln, 2001, FGSV 499
3. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphalten mit dem Spaltzug-Schwellversuch als Eingangsgröße in die Dimensionierung (AL Sp-Asphalt 09), Köln, 2009, FGSV 430
4. Forschungsgesellschaft für Straßen-und Verkehrswesen: Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht (RDO Asphalt 09), Köln, 2009, FGSV 498
5. Dimensionierungsprogramm PaDesTo: Pavement Design Tool, Version 2008, Dresden, 2008
6. Dragon, : Arbeitstitel „Einfluss der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf ihr Ermüdungsverhalten“ Dissertation, Technische Universität Dresden, voraussichtlich 2012
7. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB 07), Köln, 2007, FGSV 799
8. Lipke, ; Wellner, F.; Werkmeister, S.: Ermittlung von dimensionierungsrelevanten Eingangsgrößen für Asphaltbefestigungen im Rahmen einer analytischen Dimensionierung – Ermüdungsuntersuchungen mit dem Spaltzugversuch, Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben Nr. 04.202/2005/ARB, Bonn, 2009