| FGSV-Nr. | FGSV A 42 |
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| Ort | Hamburg |
| Datum | 05.05.2015 |
| Titel | Performance-relevante Asphalteigenschaften als Grundlage für neue Vertragsbedingungen |
| Autoren | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Ralf Roos, Ltd. Akad. Dir. Dr.-Ing. Thomas Wörner, Dr.-Ing. Manfred Hase |
| Kategorien | Asphaltstraßen |
| Einleitung |
Im Rahmen des FE 7.0253/2011/ERB mit dem Titel „Repräsentative Ermittlung der performance-relevanten Asphalteigenschaften als Grundlage neuer Vertragsbedingungen“ wurden im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Performance-Kennwerte von Asphaltdeck-, -binder- und -tragsschichten von 21 Versuchsstrecken ermittelt. Untersucht wurden jeweils sowohl Mischgutproben aus dem Labor als auch aus dem Asphaltmischwerk sowie Bohrkerne. Die umfassende Auswertung und Analyse der Daten zeigten große Spannweiten der Ergebnisse, die nur zum Teil durch Materialkenngrößen oder durch die Einbauqualität erklärt werden können. Dennoch konnten aus den gewonnenen Daten zwei methodische Ansätze für die Festlegung künftiger Vertragsbedingungen abgeleitet werden. Weitere Erkenntnisse lieferte die Berechnung der Restnutzungsdauern, bei der sich zeigte, dass trotz Einhaltung der derzeit geltenden Anforderungen eine Nutzungsdauer von 30 Jahren nicht zielsicher erreicht werden kann. Es erscheint zwingend notwendig, durch die Untersuchung zusätzlicher Strecken den erstellten Bewertungshintergrund zu erweitern. |
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| Volltext | Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.1 EinleitungIm Rahmen des FE 7.0253/2011/ERB „Repräsentative Ermittlung der performance-relevanten Asphalteigenschaften als Grundlage neuer Vertragsbedingungen“ [1] wurden im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen durch die Bietergemeinschaft aus Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen (KIT), HNL – Ingenieur- und Prüfgesellschaft und Centrum Baustoffe und Materialprüfung (TU München) umfangreiche Ergebnisse ermittelt, die in Auszügen nachfolgend dargestellt werden. Unterstützt wurde die Bietergemeinschaft auch durch das Institut für Verkehrswesen (Universität Kassel) und die Gesellschaft für Straßenbautechnik Dresden. Mit den „Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht“ (RDO Asphalt 09) [2] steht ein Verfahren zur Verfügung, bei dem die Verkehrs- und Klimabeanspruchungen sowie die Materialparameter der tatsächlich eingesetzten Baustoffe berücksichtigt werden. Offen ist dabei die Frage, an welcher Stelle im Herstellungsprozess einer Asphaltschicht diese Materialparameter bestimmt werden. Im Rahmen der europäisch harmonisierten Asphaltspezifikation wurden Prüfverfahren eingeführt, die eine Bewertung der Performance (Gebrauchsverhalten) von Asphalt im Labor ermöglichen. Zur Ansprache des Gebrauchsverhaltens stehen Prüfverfahren zur Verfügung, die in den nachfolgend aufgeführten Teilen der DIN EN 12697 „Asphalt – Prüfverfahren für Heißasphalt“ beschrieben werden: – DIN EN 12697-24 Beständigkeit gegen Ermüdung [3], – DIN EN 12697-25 Druck-Schwellversuch [4], – DIN EN 12697-26 Steifigkeit [5], – DIN EN 12697-46 Widerstand gegen Kälterisse und Tieftemperaturverhalten bei einachsigen Zugversuchen [6], – DIN EN 12697-49 Messung der Griffigkeit nach Polierung [7]. Auf nationaler Ebene erfolgt weiter eine Umsetzung ausgewählter Prüfverfahren in die „Technischen Prüfvorschriften für Asphalt“. Für die o. g. Prüfverfahren können im Labor hergestellte oder aus Bohrkernen gewonnene Probekörper verwendet werden. Des Weiteren kann das Asphaltmischgut für die im Labor hergestellten Probekörper entweder ebenfalls im Labor oder großtechnisch in einer Asphaltmischanlage produziert werden. Über mögliche Unterschiede und Veränderungen des Gebrauchsverhaltens von im Labor hergestellten Asphalten bis hin zu der in situ eingebauten Asphaltschicht gibt es keine fundierten Kenntnisse. Deshalb kann bisher auch keine Aussage über daraus resultierenden Auswirkungen auf die Ergebnisse der rechnerischen Dimensionierung gemacht werden, zudem ist keine Aussage zu der Reproduzierbarkeit der mittels Performance-Prüfverfahren bestimmten Kennwerte im Rahmen der Qualitätssicherung möglich. Ziel des Forschungsvorhabens war es, Grundlagen für Vertragsbedingungen, die auf Performance-Prüfungen aufbauen, zu schaffen. Hierzu wurden performance-relevante Kennwerte in den Phasen der Asphaltmischgutkonzeption (Erstprüfung), der Asphaltmischgutproduktion (MW) und nach dem Asphalteinbau (BK) anhand von insgesamt 21 Baumaßnahmen systematisch erfasst und ausgewertet. Mit dieser Systematik können eventuelle Veränderungen der Kennwerte in den einzelnen Phasen erkannt und bewertet werden. Darauf basierend sollen Anforderungen an die Performance (Steifigkeit, Widerstand gegen Kälterissbildung, Ermüdungs- und Verformungswiderstand, Griffigkeitsentwicklung) für diese Phasen definiert werden, um daraus vertragliche Regelungen für performance-basierte Verträge abzuleiten. 2 Probestrecken, Probenahme, UntersuchungsprogrammDie Probestrecken waren über neun Bundesländer verteilt, so dass auch regionale Einflüsse bei der Asphaltkonzeption und den verwendeten Gesteinskörnungen berücksichtigt werden konnten. In den Bildern 1 und 2 sind die eingesetzten Asphalte und entsprechenden Bindemittel dargestellt. Für die Durchführung der Performance-Prüfungen wurden am Asphaltmischwerk die zum Einsatz kommenden Gesteinskörnungen entnommen sowie Proben des Bindemittels vom Bindemittellieferanten beschafft. Die Asphaltmischgutproben wurden so entnommen, dass die Proben aus dem Bereich der Bohrkernentnahmestelle stammen. Die Entnahme der für die Prüfungen erforderlichen Bohrkerne erfolgte in einem eng abgegrenzten Probenahmefeld (Bild 3). Bild 1: Aufteilung der Asphaltmischgutarten/-sorten auf die Probestrecken Bild 2: Aufteilung Bindemittel auf die der Asphaltmischgutarten/-sorten der Probestrecken Bild 3: Bohrkernentnahmefläche Das Untersuchungsprogramm sah vor, die Bindemittel im Anlieferungszustand und in den drei Phasen am rückgewonnenen Bindemittel zu untersuchen. Neben den konventionellen Kennwerten wurden auch die Kennwerte mit den rheologischen Prüfverfahren (DSR, MSCR, BBR und Kraftduktilität) vor allem in den Phasen EP und MW ermittelt. Die konventionellen Asphaltuntersuchungen dienten vor allem dem Abgleich der Mischgutzusammensetzung in den unterschiedlichen Phasen und Erklärungsmöglichkeiten bei Unterschieden in den Ergebnissen der Performance-Prüfungen. Die Bestimmung der Steifigkeit und der Kälteflexibilität (Abkühlversuche) erfolgte in allen Phasen für alle drei Schichten, die Beständigkeit gegen Ermüdung wurde für die Asphaltdeckschicht in keiner der Phasen ermittelt, die Bestimmung der Kälteflexibilität (Zugversuche) und der Griffigkeit erfolgte für die Asphaltdeckschichten in allen Phasen und der Widerstand gegen bleibende Verformungen wurde für die Asphaltdeck- und die Asphaltbinderschicht in den drei Phasen bestimmt. 3 Statistische Auswertung der VersucheZur Interpretation der Versuchsergebnisse wurden die ermittelten performance-relevanten Kennwerte mathematisch-statistisch mit den in [9] beschriebenen Methoden ausgewertet. Die Ermittlung signifikanter Unterschiede zwischen den in den untersuchten Phasen (EP, MW, BK) ermittelten Kenngrößen erfolgte mittels einfacher Varianzanalyse mit nachgeschaltetem modifiziertem LSD-Test (Least Significant Difference Test). Mit Hilfe multipler Varianzanalysen können die Einflüsse von zwei und mehr Faktoren auf die Gesamtvariabilität einer Merkmalsgröße und gleichzeitig die Wechselwirkungen zwischen den Faktoren erkannt und quantitativ ermittelt werden. Im vorliegenden Fall wurden die Einflüsse von Strecke und Phase sowie die Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren auf die untersuchten Performance-Kenngrößen bestimmt (Varianzanalyse der zweifachen Klassifikation). Das Bild 4 zeigt am Beispiel der Steifigkeit (bei 10 °C und 10 Hz) das Ergebnis der statistischen Auswertung für den Asphaltbinder AC 16 B S. Bild 4: Ergebnis der statistischen Auswertung der Steifigkeit (bei 10 °C und 10 Hz) für den Asphaltbinder AC 16 B S Die einfache Varianzanalyse für den AC 16 B S (Bild 4) zeigt, dass die Phase bei sieben Strecken der 13 Strecken einen signifikanten Einfluss auf das Ergebnis hat. Der nachgeschaltene LSD-Test macht nochmals deutlich, dass die für sechs Strecken (ohne signifikanten Einfluss; Strecken 1, 5, 8, 9, 14 und 17) ermittelten Ergebnisse der gleichen Gruppe zuzuordnen sind, wenngleich das Ranking unterschiedlich ist (in drei Fällen weist die Phase BK den geringsten Wert auf, in zwei Fällen die Phase EP und in einem Fall die Phase MW). Bei drei Strecken können die in den drei Phasen ermittelten Ergebnisse drei unterschiedlichen Gruppen zugeordnet werden, diese Gruppen weisen signifikante Unterschiede auf. Bei vier Strecken sind die Ergebnisse von zwei Phasen der gleichen Gruppe zuzuordnen. Die multiple Varianzanalyse ergibt, dass die Phase mit 0,09 % einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Ergebnis hat, hier wirkt sich vor allem die Strecke mit 68,75 % aus. Die Wechselwirkung aus Phase und Strecke ist zu 22,07 % am Ergebnis beteiligt. Der Fehler bzw. die nicht erklärbaren Einflüsse sind mit 9,1 % als gering zu bezeichnen. In der rechten Spalte im Bild 4 ist eine weitere Unterteilung nach verwendetem Bindemittel vorgenommen. Für die elf mit gleichem Bindemittel (25/55-55 A) hergestellten Asphalte zeigen sich bei der Analyse den zuvor dargestellten Verhältnissen vergleichbare Erkenntnisse. 4 Ergebnisse der Performance-PrüfungenWiederum am Beispiel der Steifigkeit (bei 10 °C und 10 Hz) zeigt das Bild 5 die Darstellung der Ergebnisse bei den Asphaltbindern. Das Bild 5 zeigt die ermittelten Steifigkeiten der Asphaltbinderschichtvarianten der einzelnen Strecken und Phasen. Im Bild 6 sind die nach Asphaltsorten gruppierten Mittelwerte mit den jeweiligen Spannweiten aufgetragen. Vergleichbare Darstellungen wurden für alle Performance-Kennwerte erstellt. Bild 5: Steifigkeiten (bei 10 °C und 10 Hz) für die unterschiedlichen Asphaltbinder der 21 Probestrecken Bild 6: Steifigkeiten (bei 10 °C und 10 Hz) für die unterschiedlichen Asphaltbindervarianten Das Bild 5 veranschaulicht die bereits bei der statistischen Auswertung gemachten Aussagen. Die Höhen der Balken für die einzelnen Phasen variieren von Probestrecke zu Probestrecke. Auffällig ist aber vor allem der Unterschied innerhalb der einzelnen Asphaltvarianten; die Steifigkeiten bei dem Asphaltbinder AC 16 B S variieren zwischen ca. 9000 MPa und ca. 22.000 MPA, das heißt rund um den Faktor 2,5. Hierin zeigt sich vor allem die unterschiedliche Asphaltkonzeption, die u. a. regionalen Einflüssen unterworfen ist. Für die Asphaltbinderschichtvarianten können anhand des Bildes 6 folgende übergeordnete Aussagen getroffen werden: – Die an den Asphaltbinderschichtvarianten AC 22 B S gemessenen Steifigkeitsmoduln sind im Mittel höher als die an den AC 16 B S gemessenen Werte. – Die Varianten mit Splittmastixbinder weisen vergleichbar hohe Steifigkeitsmoduln auf wie die Asphaltbinderschicht-Varianten mit Asphaltbeton-Konzept auf. Die Ergebnisse der Performance-Prüfungen der 21 Strecken in den drei Phasen lassen sich insgesamt wie folgt zusammenfassen: – Die statistische Auswertung der Steifigkeitsmoduln zeigt, dass der Einfluss der Phasen EP, MW und BK auf die Versuchsergebnisse praktisch vernachlässigbar ist. – Hinsichtlich der Ermüdungseigenschaften ist zu erkennen, dass der Unterschied der Werte zwischen den verschiedenen Phasen nicht systematisch ist. Die Lastwechselzahl wird praktisch nicht von den Phasen beeinflusst. Der Ermüdungswiderstand des in den RDO Asphalt [2] verankerten Kalibrierasphaltes wurde von keiner der untersuchten Proben erreicht. – Hinsichtlich der Performance-Eigenschaft Kälteflexibilität lässt sich zusammenfassen, dass sich die Einflüsse aus den Phasen für die verschiedenen Asphaltmischgutarten und -sorten unterschiedlich darstellen. Grundsätzlich kann jedoch festgehalten werden, dass in Phase EP die höchsten und in Phase BK die niedrigsten Bruchtemperaturen sowie Bruchspannungen erreicht werden. – Für die gängigen Walzasphalte der Asphaltdeck- und Asphaltbinderschichten kann konstatiert werden, dass sich der in den Phasen EP und MW ermittelte Widerstand gegen bleibende Verformungen signifikant von dem in Phase BK unterscheidet. Bei den Asphaltdeckschichten werden in Phase BK Dehnungsraten erreicht, welche das ca. Zehnfache der Werte aus Phase EP bzw. MW erreichen. Bei der Analyse der Performance-Kenngrößen wurden auffällige Untersuchungsergebnisse auf ihre Ursache hin untersucht. Hierfür wurden die zur Verfügung stehenden Kenngrößen der Asphalt- und Bindemitteleigenschaften berücksichtigt. Im Allgemeinen konnten jedoch die Unterschiede in den Ergebnissen damit nicht erklärt werden. 5 Ermittlung der RestnutzungsdauernZur Beurteilung der Dimensionierungseingangsgrößen wird der Nutzungsausfallzeitpunkt für alle Untersuchungsphasen der 21 Strecken berechnet. Diese Bewertung erfolgt dabei für die Unterste, nicht im Verbund zur darunter liegenden Schicht stehende Asphaltschicht. Eine wesentliche Einflussgröße für die Lebensdauerabschätzung ist das Sicherheitsniveau, welches gemäß der Vorgaben der RDO Asphalt [2] vor Beginn der Berechnungen zu wählen ist. Standardmäßig wird für Rechnungen mit PaDesTo [10] das Sicherheitsniveau der RStO verwendet. Durch die Verwendung von Sicherheitsbeiwerten sollen u. a. Vorhaltemaße für Schwankungen der Einbauqualität wie z. B. Schichtdickentoleranzen und Materialschwankungen berücksichtigt werden. Die Ergebnisse der Berechnungen zur Restnutzungsdauer sind im Bild 7 dargestellt. Bild 7: Nutzungsdauern bis zum Auftreten von Ermüdungsrissen in den Asphalttragschichten für alle Probestrecken Die Darstellung im Bild 7 zeigt, dass bei der Verwendung des Kalibrierasphaltes deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden als mit den aktuell ermittelten Performance-Kenngrößen in den einzelnen Phasen. Mit Ausnahme der unterdimensionierten Strecken 16 und 19 wird bei Ansatz des Kalibrierasphaltes die geplante Nutzungsdauer von 30 Jahren erreicht. Bei insgesamt sechs Strecken wird die geplante Nutzungsdauer von 30 Jahren in allen drei untersuchten Phasen erreicht. Bei den übrigen 15 Strecken ergeben sich unterschiedliche Reihungen, wobei die Differenzen zwischen den Phasen zum Teil mehr als zehn Jahre betragen. Die Unterschiede in den Ergebnissen der drei Phasen kommen durch ein kompliziertes Zusammenspiel der einzelnen Performance-Eigenschaften der Asphaltschichten zustande – in Abhängigkeit der klimatischen Randbedingungen und der Häufigkeit deren Auftretens werden unterschiedliche kryogene Spannungen, E-Moduln, Dehnungen und Bereiche der Ermüdungsfunktion während der Nutzungsdauer aktiviert. Zusammenfassend lässt sich ableiten, dass die errechneten Restnutzungsdauern der hier untersuchten Asphalttragschichten zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen. Auch wenn im Wesentlichen die Ergebnisse der konventionellen Asphaltkontrollprüfungen die Anforderungen der ZTV Asphalt-StB erfüllen, ist nicht sichergestellt, dass Nutzungsdauern von mindestens 30 Jahren zielsicher erreicht werden können. Daher muss an dieser Stelle die Frage gestellt werden, ob aus konventionellen Asphalteigenschaften bzw. aus Ergebnissen der herkömmlichen Kontrollprüfung auf die Einhaltung der mechanischen Eigenschaften und auf die daraus abgeleitete theoretische Nutzungsdauer ohne Weiteres geschlossen werden kann. 6 VertragDie Umsetzung der Untersuchungsergebnisse des Vorhabens in bauvertragliche Regelungen kann in zwei Richtungen erfolgen – Forderung nach bzw. Nachweis von vorgegebenen Nutzungsdauern oder Festlegung von Kategorien für die Performance-Eigenschaften. Soll der Weg des Nachweises von Nutzungsdauern eingeschlagen werden, so ist es zwingend notwendig, von den im Rahmen der Erstprüfung ermittelten Ergebnissen auf die Eigenschaften der fertigen Schicht zu schließen. Mit Hilfe multipler linearer Regressionsrechnungen konnte ein möglicher Weg zur Abschätzung von Performance-Kenngrößen für die Phase BK aus den Werten der Phase EP aufgezeigt werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, Anforderungswerte für Performance-Kenngrößen für die Phase BK vorab zu definieren und als vertragliche Anforderungswerte festzulegen. Für den Weg der Festlegung von Kategorien konnte gezeigt werden, dass dies grundsätzlich möglich ist. Dabei sind jedoch Ergänzungen der entsprechenden Normen erforderlich. So sind z. B. für die angewandten Performance-Prüfungen in den Anforderungsnormen zusätzliche Kategorien einzuführen und der Spaltzug-Schwellversuch ist in den Normen zu verankern. Unabhängig von diesem positiven Ausblick ist es zwingend notwendig, die geschaffene Datenbasis zu erweitern und einen Bewertungshintergrund zu schaffen. 7 ZusammenfassungMit den Untersuchungen im Rahmen des FE 7.0253/2011/ERB „Repräsentative Ermittlung der performance-relevanten Asphalteigenschaften als Grundlage neuer Vertragsbedingungen“ [1] konnte ein umfassendes Datenkollektiv gesammelt werden, so dass Grundlagen für die Bestimmung von vertragsrelevanten Performance-Kennwerten geschaffen sind. Es zeigte sich aber auch, dass die festgestellten großen Spannweiten in den Ergebnissen nur durch Präzisierungen in den Prüfverfahren verringert werden können. Hierzu müssen die eingesetzten Prüfanlagen einer regelmäßigen Kalibrierung unterzogen werden und es sind Schulungen durchzuführen. In der Folge sind die Präzisionsdaten der Performance-Prüfungen im Rahmen von Ringversuchen zu ermitteln. Für die vertragliche Umsetzung ist es aber auch wesentlich, dass ein Bewertungshintergrund für die Performance-Kennwerte vorliegt, der auch regionale Einflüsse (z. B. durch Klima) berücksichtigt. Ein Bewertungshintergrund ist hierbei sowohl für die im Zuge der Erstellung der Erstprüfung ermittelten Kennwerte als auch für die an der fertigen Schicht ermittelten Kennwerte zu schaffen. Letztendlich sind Ergänzungen in den europäischen Regelungen erforderlich, um die Umsetzung realisieren zu können. Es sind ergänzende Kategorien in die Anforderungsnormen aufzunehmen und es sind weitere Prüfverfahren zu berücksichtigen. Literaturverzeichnis
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