Mit den komplexen Prüfmethoden zur Untersuchung der Asphalt-Performance kann das Asphaltverhalten im Gebrauchszustand prognostiziert und damit die zu erwartende Lebensdauer einer Asphaltbefestigung grob abgeschätzt werden. Der Prüfaufwand ist aufgrund der Komplexität der Prüfmethoden und des damit verbundenen Bedarfs an aufwendigen Prüfgeräten im Vergleich zu konventionellen Prüfmethoden hoch und eignet sich deshalb kaum für Routineuntersuchungen. Die Vereinfachung von Performance-Prüfungen ist daher von Interesse. Dieser Beitrag berichtet von laufenden Forschungsarbeiten an der TU Braunschweig mit dem Ziel, systematische Zusammenhänge zwischen der Performance von Bitumen bzw. Mastix (Bitumen-Füller-Gemisch) und der Asphalt-Performance zu identifizieren. So soll ein Weg gefunden werden, die Performance-Prüfungen in Form einer vereinfachten Prüfmethodik auch in der Baupraxis zu etablieren. Die Forschungsaktivitäten zur Abschätzung der Performance von Asphalt anhand von einfachen Bitumen- bzw. Mastixprüfungen werden in der FGSV-ad-hoc-Gruppe 7.02 „Performance von Asphalt“ regelmäßig zur Diskussion gestellt.

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

1 Zur Performance von Asphalt

1.1 Begriffsdefinitionen

1.1.1 Performance

In der Baustoffkunde versteht man unter dem Begriff „Performance“ das Gebrauchsverhalten. Die Performance des Straßenbaustoffs Asphalt ist das Gebrauchsverhalten im eingebauten Zustand unter den spontanen Einwirkungen aus Verkehrslast und Witterung sowie unter den langfristigen Klimaeinflüssen.

Die Erreichung einer guten Performance ist das Ziel eines technisch und wirtschaftlich effizienten Straßenbaus. Die Kriterien für eine ausreichende Leistungsfähigkeit der Straße resultieren aus der Gesamtheit von Baustoff-, Schicht- und Oberbaueigenschaften und -Verhalten über die Zeit (Bild 1).

Gute Voraussetzungen für eine ausreichende Leistungsfähigkeit sind anforderungsgerechte Baustoffqualitäten (Haftvermögen, Wasserunempfindlichkeit, Alterungsbeständigkeit u. a.), eine gute Einbauqualität (Verdichtung, Hohlraumgehalt, innere Struktur: Kornausrichtung, Hohlraum-Morphologie u. a.) und eine gute strukturelle Dauerhaftigkeit (Widerstand gegen Kälterissbildung, Steifigkeit & Ermüdungswiderstand, Verformungswiderstand u. a.). Einschränkend ist mit der Asphalt-Performance oft nur die strukturelle Dauerhaftigkeit gemeint. 

Bild 1: Kriterien für eine ausreichende Leistungsfähigkeit der Straße 

1.1.2 Performance-Prüfungen

Zur Abschätzung der Performance von möglichen Varianten an Asphaltrezepturen werden Laborprüfungen eingesetzt. Diese können grob in empirische und fundamentale Prüfmethoden unterteilt werden.

Empirische (das heißt auf Erfahrungswerten beruhende) Asphaltprüfungen (konventionelle Prüfungen) zielen ab auf die Kontrolle von einfach zu bestimmenden asphalttechnologischen Kenngrößen hinsichtlich vertraglich definierter Anforderungen. Für die Anforderungen besteht erfahrungsgemäß eine Korrelation mit dem Gebrauchsverhalten. So werden volumetrische Kennwerte (Korngrößenverteilung, Bindemittelgehalt, Raumdichte, Hohlraumgehalt, Hohlraum-Ausfüllungsgrad) und Verdichtungskennwerte (Verdichtungsgrad) auf die Einhaltung empirisch festgelegter Grenzwerte überprüft. Die Festlegung der Grenzwerte erfordert eine langjährige Erprobung in realen Straßenbefestigungen. Die Grenzwerte sind daher für neue bzw. modifizierte Asphaltrezepturen nicht ohne Weiteres übertragbar.

Fundamentale Asphaltprüfungen (Performance-Prüfungen) dienen dazu, das Gebrauchsverhalten mittels physikalisch interpretierbarer (fundamentaler), allgemeingültiger Materialkenngrößen bzw. Materialgesetze zu beschreiben (bspw. Steifigkeitsmodul, Ermüdungsgesetz). Dabei werden das reale Material- und Strukturverhalten unter kontrollierten Laborbedingungen möglichst realitätsnah simuliert. So können auch neue Asphaltrezepturen hinsichtlich ihrer

Performance bewertet werden, das heißt ihre Leistungsfähigkeit wird überprüft, ihre Eignung für den Gebrauchszweck nachgewiesen oder auch die zu erwartende Lebensdauer grob abgeschätzt.

Seit vielen Jahrzehnten wird die Labortechnik zur Prüfung der Performance von Asphalt vorangetrieben, frühe Veröffentlichungen stammen eispielsweise von Nijboer (1955), Monismith et al. (1965), Van Dijk et al. (1972), Francken & Verstraeten (1974) oder Bonnaure et al. (1977). Laufend werden international die Prüf- und Analysemethoden sowie die Prüfstandards und Normen an den Stand des Wissens angepasst. In der Europäischen Union wurde 2008 (auf gesetzlicher Grundlage der Bauproduktenrichtlinie) mit der Normenserie EN 13108 ein neues System zur Spezifikation und zur Führung des Konformitätsnachweises von Asphaltmischgut im Straßenbau verbindlich eingeführt. Die EN 13108 (2016) enthält die Anforderungen an die europäisch harmonisierten Mischgutsorten und die Ausführungsbestimmungen zur Qualitätssicherung im Rahmen der Konformitätsbewertung durch Erstprüfung und Werkseigene Produktionskontrolle. Die Erstprüfung gibt somit die Sicherheit, dass eine (europäisch harmonisierte) Asphaltmischung jede in der jeweiligen Produktnorm gestellte Anforderung erfüllt. Im Teil 1 der EN 13108 (2016) sind für die Spezifikation von Asphaltbetonmischgut (AC Asphalt Concrete für Asphalttrag-, -binder- und -deckschichten) wahlweise zwei Ansätze zugelassen: der empirische Ansatz und der fundamentale Ansatz (Performance-Ansatz). Der wesentliche Unterschied zwischen dem empirischen und dem fundamentalen Ansatz liegt in der Nachweisführung der Konformität des Asphaltbetonmischguts im Rahmen der Erstprüfung.

Der fundamentale Ansatz basiert auf Performance-Prüfungen der wesentlichen Gebrauchseigenschaften an verdichteten Asphaltproben (performance-orientierte Asphaltspezifikation). Je nach Gebrauchstemperatur sind unterschiedliche Materialeigenschaften ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des Baustoffs. Für die Untersuchung der jeweiligen Gebrauchseigenschaft existiert eine Vielzahl an unterschiedlichen Prüfmethoden, die in der Normenserie EN 12697 (2007) genauer erläutert sind. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass nur eine Auswahl der vorhandenen Prüfmethoden für eine Erstprüfung gemäß der Normenserie EN 13108 (2016) zulässig ist. Diese Auswahl wird möglicherweise je nach Ort der Verwendung noch weiter durch die nationalen Regelwerke beschränkt. In Deutschland wird die Performance von Asphalt i. A. anhand der in Tabelle 1 zusammengefassten Eigenschaften über den gesamten Gebrauchstemperaturbereich (Temperatur-Einsatzbereich der Asphaltschicht) überprüft: Widerstand gegen Kälterissbildung, Steifigkeit, Ermüdungswiderstand und Verformungswiderstand (Begriffsdefinitionen FGSV 2014).

Tabelle 1: Prüfung der Performance von Asphalt 

Die für die Prüfung dieser Gebrauchseigenschaften zulässigen Prüfmethoden sind in der Europäischen Normenreihe EN 12697 (2007) aufgeführt. Das sind Kriech- und Zugfestigkeitsprüfungen im Tieftemperaturbereich (Widerstand gegen Kälterissbildung) sowie zyklische Prüfungen (Bild 2) im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens (Steifigkeit) und im Bereich des nichtlinearen Materialverhaltens (Ermüdungswiderstand, Verformungswiderstand). Bei allen Prüfmethoden wird unter kontrollierten Prüfbedingungen ein Asphaltprobekörper mit definierten Abmessungen beansprucht und die last-, temperatur- und zeitabhängige Veränderung des Verhaltens im Asphaltprobekörper anhand der Primärwirkungen (Spannungen, Dehnungen) gemessen.

Zyklische Prüfungen (fälschlicherweise auch als dynamische Prüfungen bezeichnet) ermöglichen die zeitraffende Aufbringung vieler Belastungswiederholungen und so die Simulation von wiederholten Fahrzeugüberfahrten. Zusätzlich zu den Primärwirkungen wird der viskose (dämpfende) Einfluss des verwendeten Bindemittels erfasst, in dem die durch die innere Reibung verursachte Zeitverschiebung zwischen der Beanspruchung und der resultierenden Materialantwort gemessen wird (als Phasenverschiebung oder Phasenwinkel bezeichnet). 

Bild 2: Beispiele für zyklische Performance-Prüfungen 

1.2 Zögerliche Umsetzung des Performance-Ansatzes in die Prüfpraxis

Der Performance-Ansatz wird in der Fachwelt im Allgemeinen für gut und richtig befunden. Geschätzt wird u. a. der Erkenntnisgewinn zum Material- und Strukturverhalten sowie zu den Wechselwirkungen von Baustoff(komponent)en. Man erkennt das Potenzial, Baustoffreserven gezielt zu nutzen und damit die Stärken der Asphaltbauweise zu fördern. Sinnvolle Anwendungen sind z. B. die Produktklassifikation, die Materialauswahl (optimierte Mischgutzusammensetzung, Wirkung von Bindemittel-Modifikationen) und die Prognose des Dauerverhaltens von Baustoffen, Schichten und Oberbauten (Dimensionierung, Erhaltungsplanung). Dennoch gibt es keine breite, routinemäßige Anwendung des Performance-Ansatzes. Der Einsatz beschränkt sich heute im Wesentlichen auf die Entwicklung von neuen Asphaltrezepturen und Schichtaufbauten, auf Schadensgutachten und auf Großprojekte (z. B. ÖPP-Projekte), an denen meist nur große Bauunternehmen tätig sind.

Der Performance-Ansatz ist für Routineprüfungen (Kontrollprüfung) kaum umsetzbar, die Unternehmer klagen über komplexe vertragliche Regelungen und ein kaum abschätzbares Unternehmer-Risiko. Gründe für die zögerliche Umsetzung des Performance-Ansatzes in die Prüfpraxis sind vermutlich die folgenden:

– Die Gerätetechnik ist komplex und kostspielig; Probenvorbereitung und Prüfung sind aufwendig. Für die unterschiedlichen Temperaturbereiche des Gebrauchsverhaltens werden unterschiedlich Prüfmethoden und Beurteilungskonzepte eingesetzt (bspw. Relaxationsvermögen bei tiefen Gebrauchstemperaturen, Ermüdungswiderstand bei mittleren, Verformungswiderstand bei hohen Gebrauchstemperaturen). Die prüftechnische Analyse dauert oft zu lange, um im Bauablauf rechtzeitig reagieren zu können. Oder die Bestimmung der Asphalt-Performance (lange) vor dem Einbau ist problematisch, weil Baustoffkomponenten teilweise noch nicht bekannt sind (z. B. bei Mitverwendung von Fräsgut).

– Die Aussagekraft von Prüfergebnissen wird mitunter stark von den gewählten Randbedingungen bestimmt. So hat man zur Prüfung einer bestimmten Gebrauchseigenschaft oft die Wahl unter verschiedenen Prüfanordnungen. Auch die Prüfbedingungen können mitunter innerhalb vorgegebener weiter Grenzen frei gewählt werden (s. Wistuba; Mollenhauer, 2010). Zurzeit besteht international weder eine Einigung über das jeweils optimale Prüfverfahren je Gebrauchseigenschaft, noch über die für die jeweilige Prüfung festzulegenden Prüfbedingungen. Die Möglichkeit der freien Wahl der Prüfmethode bzw. der Prüfbedingungen führt zu teils widersprüchlichen Prüfergebnissen, zu Problemen bei der vergleichenden Interpretation und zu Kritik an der gebrauchsverhaltensorientierten Prüfsystematik insgesamt.

– Teilweise wurden erhebliche Streuungen in den Prüfergebnissen festgestellt (vgl. Wistuba et al. 2013a; 2013b; 2014; Mollenhauer et al., 2010; Walther et al., 2010), wahrscheinlich zurückzuführen auf die unpräzisen normativen Regelungen und uneinheitliche Prüf- und Auswertemethoden sowie auf die oft unzureichend kontrollierte Homogenität der Probeplatten, bedingt durch fehlende Vorgaben zum Vorgehen für ein einheitliches Mischen (Mischertyp, Mischdauer) und Verdichten (Gerät; innere Struktur; s. Grönniger, 2018) sowie durch die unregelmäßige Geometrie von geschnittenen Probekörpern.

– Mitunter werden die Beurteilung des Ermüdungswiderstands und die daraus abgeleitete Lebensdauerprognose mittels rechnerischer Dimensionierung mit Skepsis betrachtet und es wird Bedarf gesehen für eine Optimierung der Prüf- und Berechnungsmethodik. International wird die in Deutschland übliche Prüfung des Ermüdungswiderstands anhand des Spaltzug-Schwellversuchs oft als suboptimal eingestuft. Im Verlauf des Spaltzug-Schwellversuchs ist die eigentliche Materialermüdung gegenüber plastischen Zugverformungen meist untergeordnet (Isailović et al., 2015; 2017) und die Bewertung des Ermüdungswiderstands allein bei einer Prüftemperatur von 20 °C kann zu Fehleinschätzungen der Lebensdauer führen (Isailović, 2018).

– Die Skepsis der Fachwelt zum Performance-Ansatz wird auch beflügelt durch zum Teil fehlende Nachvollziehbarkeit, eine verhaltene fachliche Diskussion und unzureichende Dokumentation – u. a. wie Laborverfahren funktionieren, von welchen Prüfbedingungen die Ergebnisse beeinflusst sind und wie Daten ausgewertet werden. Bei Wissenslücken wurden in der Vergangenheit „aus der Not“ heraus pragmatische Festlegungen und Lösungen erarbeitet und dann oft so propagiert, als wären es Fakten. Stattdessen wünscht man sich fachlichen Konsens als eine Voraussetzung für einen systematischen Erkenntnisgewinn und einen soliden Ausbau des Wissens. 

2 Auf dem Weg zur Vereinfachung der Performance-Prüfung: Forschung am ISBS

Mit den erläuterten komplexen Prüfmethoden zur Untersuchung der Asphalt-Performance kann – bei richtiger Versuchsdurchführung und -analyse – das Asphaltverhalten im Gebrauchszustand prognostiziert und damit die zu erwartende Lebensdauer einer Asphaltbefestigung zuverlässig abgeschätzt werden. Der Prüfaufwand ist aufgrund der Komplexität der Prüfmethoden und des damit verbundenen Bedarfs an aufwendigen Prüfgeräten im Vergleich zu den konventionellen Prüfmethoden hoch und eignet sich deshalb kaum für Routineuntersuchungen. Die Vereinfachung von Performance-Prüfungen ist daher international von großem Interesse.

Am Institut für Straßenwesen der TU Braunschweig (ISBS) wird seit einigen Jahren gezielt an der Entwicklung von vereinfachten Prüfansätzen gearbeitet. Forschungsziel ist es, neue Grundlagen für eine technische und wirtschaftliche Optimierung des Asphaltmischguts auf der Grundlage von Performance-Prüfungen zu schaffen. Erste Forschungsergebnisse sind u. a. das Verfahren zur Bestimmung des Erstarrungsbeginns von Wachsen in Bitumen (s. Alisov; Wistuba, 2016a; 2017), das Bitumen-Typisierungs-Schnellverfahren (BTSV; Alisov; Wistuba, 2016b; Wistuba; Alisov, 2017; Alisov, 2017) und die Prüfung des Ermüdungswiderstands von Asphalt anhand eines Sweep-Tests (Isailović; Wistuba, 2018). Seit 2014 wird am ISBS die systematische Entwicklung von Prüfmethoden für Bitumen und Mastix (Bitumen-Füller-Gemisch) vorangetrieben, von der im Folgenden berichtet wird.

2.1 Forschungsziel und grundsätzliches Vorgehen

2.1.1 Ziel

Das übergeordnete Forschungsziel ist eine zuverlässige Bewertung der Leistungsfähigkeit von Bindemitteln und daraus hergestellten Asphalten anhand von einfach zu ermittelnden und aussagekräftigen Bindemittel- und Mastix-Kennwerten. Anstelle von komplexen Asphaltprüfungen sollen vereinfachte Performance-Prüfungen an Bitumen und Mastix für eine Abschätzung der Asphalt-Performance ausreichen.

Solche neu zu entwickelnden, vereinfachten Prüfansätze sollen als Ergebnis zuverlässige Indikatoren für das Gebrauchsverhalten von Asphalt liefern, ohne dabei in jedem Fall auf Performance-Prüfungen an Asphalt zurückgreifen zu müssen. Dabei muss der Einfluss unterschiedlicher Baustoffe bzw. Baustoffkomponenten und deren Qualitäten auf die Asphalt-Performance eindeutig prüf- und nachweisbar sein.

Zur Entwicklung einer zuverlässigen Prüfmethodik wird von einer naheliegenden Vorstellung ausgegangen: Das Gebrauchsverhalten von Asphalt wird von der Bitumenqualität bzw. Mastixqualität maßgeblich gesteuert. Wesentliche Eigenschaften des Asphalts (im strukturell/ makroskopisch ungeschädigten Bereich des Baustoffversagens) wie Steifigkeit, Festigkeit, Viskosität, Kriechverhalten, Ermüdungswiderstand, Alterungsverhalten sollten daher über Bitumen- bzw. Mastixkennwerte abgeschätzt werden können, vorausgesetzt die Baustoffkomponenten sind so ausgewählt, dass es zu keinen grundsätzlichen Problemen im Asphaltmischgut kommt (z. B. Haftprobleme) und dass der Oberbau ausreichend verdichtet ist (s. Bild 3). 

Bild 3: Die Baustoffkomponenten, ihre Interaktion und die Struktur des verdichteten Oberbaus bestimmen maßgeblich die Asphalt-Performance 

Die Vorteile einer vereinfachten Prüfmethodik liegen auf der Hand: Aussagekräftige Ergebnisse würden wesentlich schneller und kostengünstiger erzielt als aus Asphalt-Performance-Prüfungen, weil die notwendigen Zeiten für Probenvorbereitung und Versuchsdurchführung sowie die Probenmengen deutlich reduziert wären. Würde es außerdem gelingen, die Analyse vollständig und über den gesamten Gebrauchstemperaturbereich mithilfe eines einzigen Prüfgeräts zu realisieren, könnte die Anzahl an notwendigen Prüfgeräten für Bitumen- und Asphaltprüfungen deutlich reduziert werden (Bild 4). 

Bild 4: Forschungsziel: Vereinfachung der Prüfsystematik 

Die Anwendungsmöglichkeiten in der Baupraxis wären vielfältig, u. a. eine rasche, aussagekräftige Wareneingangskontrolle; die Auswahl/Bestellung der bestgeeigneten Bindemittel, die Bewertung von lieferfrischen, gealterten, geblendeten Bindemitteln; der Ausschluss ungeeigneter Bindemittel und Bindemittel-Füller-Kombinationen; die Optimierung der Asphaltmischgut-Rezeptur auch mit Asphaltgranulat (Bewertung von Rejuvenatoren; präzise Wahl von Art und Menge des Frischbindemittels, auch wenn PmB im Spiel ist); und die Bewertung alternativer Baustoffgemische (Eigen- und Fremdfüller, Additive, Mehrfachrecycling).

Bisher wurden international verschiedene Ansätze verfolgt, um mittels neuer Prüfverfahren das Gebrauchsverhalten von Bitumen als Bindemittel im Asphalt zu analysieren, und um komplexe Asphaltprüfungen zu ersetzen. Doch bei allen bisherigen Versuchen, die mischgutspezifischen Asphalteigenschaften mit den Eigenschaften der zugehörigen Bitumen zu korrelieren, wurden nur mäßige Erfolge erzielt (s. Soenen et al., 2004; Pérez-Jiménez et al., 2008; Johnson et al., 2009; Shen et al., 2010; Liao et al., 2012). Eine allgemein über alle Temperaturbereiche gültige Korrelation zwischen Mastix- und Asphaltebene sowie die Identifikation eines physikalischen Zusammenhangs ist ausständig. Es mangelt nach wie vor an geeigneten und akzeptierten Prüfsystematiken und Anforderungswerten. 

2.1.2 Vorgehen

Entwicklungsziel sind neue Prüfverfahren zur vollständigen Prüfung der Bindemittel- und Mastixqualitäten anhand von rheologischen Kennwerten und die Ableitung von Einsatzgrenzen für Bindemittel und Mastix. Geplant ist die Kombination verschiedener, an ein und demselben Prüfgerät (DSR Dynamisches Scher-Rheometer, s. Abschnitt 2.2) realisierbarer temperaturspezifischer Messverfahren, sodass als Ergebnis Informationen zur Performance für den gesamten Gebrauchstemperaturbereich vorliegen (Bild 5): zum Tieftemperaturverhalten z. B. über Relaxationsprüfungen und/oder Bruchprüfungen im DSR, zum Mitteltemperaturbereich z. B. über Ermüdungsprüfungen im DSR, und zum Hochtemperaturverhalten z. B. über BTSV und Kriechprüfungen im DSR. 

Bild 5: Geplante Kombination von temperaturspezifischen Messverfahren im DSR

Das Vorgehen dazu gliedert sich in vier Module (Bild 6). Zunächst sind geeignete Prüfverfahren zu entwickeln zur rheologischen Ansprache der Bitumen- und Mastix-Performance und deren Aussagekraft anhand von Asphalt-Performance-Prüfungen zu validieren (Modul A). Im nächsten Schritt wird anhand der entwickelten Prüfmethodik das Gebrauchsverhalten für verschiedene Bindemittel- und Mastixvarianten ermittelt (Modul B). Dabei werden verschiedene Gebrauchseigenschaften untersucht, mindestens der Ermüdungswiderstand, der Verformungswiderstand und der Widerstand gegen Kälterissbildung. Im Modul C wird ein System zur Ableitung von Kennziffern der Bitumen- und Mastixqualitäten entwickelt und Anwendungsgrenzen festgelegt (mit Korrelation zur Asphalt-Performance). Danach geht es im Modul D in die breite Anwendung der entwickelten Prüfmethodik und in den Aufbau von Datenbanken zu den mittels Reihenuntersuchungen geprüften Produkten. 

Bild 6: Vorgehen: Entwicklung von aussagekräftigen Performance-Prüfungen im DSR

2.2 Prüfung des Gebrauchsverhaltens von Bitumen und Mastix mit dem DSR

Die Entwicklung von neuen Prüfverfahren wird als notwendig angesehen, weil heute trotz einer Vielzahl an unterschiedlichen Prüfmethoden eine rasche und physikalisch einwandfreie Differenzierung der Bindemittel nicht möglich ist. Konventionelle Bitumenprüfungen sind jedenfalls unzureichend, der Erweichungspunkt Ring und Kugel gemäß EN 1427 (2015) funktioniert bei komplexen Bindemitteln nicht. Weitgehend fehlen Methoden zur aussagekräftigen Bewertung von Bindemittel- und Mastixqualitäten und zur zuverlässigen Bewertung von Modifikationsmitteln (trotz steigender Anzahl an Bitumen-Modifikationen). Es fehlen allgemein akzeptierte Kennwerte zur Beurteilung der Alterungsbeständigkeit und der Dauerhaftigkeit von Bindemitteln. Obwohl immer Recyclingstoffe eingesetzt werden, ist deren Bewertung allzu unsystematisch.

Am ISBS werden zurzeit neue Performance-Prüfungen an Bitumen, Mastix und Mörtel im Labor entwickelt und die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Komponenten und dem Asphaltgemisch identifiziert. Dabei wird insbesondere die Kombination aus Füller und Bitumen auf ihren Einfluss auf die Asphalt-Performance untersucht. Die Untersuchungen sind auf rheologische Prüfungen mit dem Dynamischen Scher-Rheometer (DSR) fokussiert. 

2.2.1 Dynamisches Scher-Rheometer (DSR)

Das DSR wurde zu Beginn der 1990er-Jahre im Rahmen des SHRP-Programms in den USA für Bitumenprüfungen eingeführt. Es ist ein Prüfgerät zur Messung von rheologischen Eigenschaften, zu denen verschiedene Kenngrößen zählen, welche das Deformations- und Fließverhalten aller Arten von Materialien beschreiben können. Moderne Universalrheometer, zu denen das DSR zählt, erlauben den Einsatz verschiedener Messgeometrien und haben weite Messbereiche sowie die Möglichkeit zu statischen und dynamischen Untersuchungen, zu einer schergeschwindigkeits- oder scherspannungsgesteuerten Betriebsweise und zur computerunterstützten Steuerung und Auswertung.

Das DSR liefert aufgrund der großen Variabilität der Prüfparameter (Belastungsart, Belastungshöhe, Temperatur, Frequenz etc.) eine umfangreiche Datenquelle mit komplexen Interpretationsmöglichkeiten, kann sowohl für Bitumen als auch Mastixuntersuchungen verwendet werden und eignet sich grundsätzlich zur Ansprache aller entscheidenden Materialeigenschaften in den jeweils ausschlaggebenden Temperaturbereichen (Widerstand gegen Kälterissbildung, Steifigkeit, Ermüdungs- und Verformungswiderstand).

Aufgrund dieser Vielseitigkeit ist das DSR geradezu prädestiniert für die Entwicklung eines in der Prüfroutine einsetzbaren Performance-Prüfverfahrens für Bitumen und Mastix – bei ausreichender Aussagekraft und Präzision, unter Verwendung von sehr geringen Mengen an Probenmaterial und bei akzeptablem Zeitaufwand. Es ist denkbar, dass die Prüfung von Bitumen und Mastix allein mit dem DSR ausreichend ist, um alle notwendigen Informationen für die Anwendung im Asphaltstraßenbau zu erhalten. Alle anderen Prüfgeräte könnten dann gegebenenfalls entfallen.

Im DSR können Bitumen- oder Mastixproben mit unterschiedlichen Belastungsarten (rotierend oder oszillierend) auf Scherung und in machen Geräten auch axial auf Zug und Druck belastet werden, um so die rheologischen Eigenschaften des Materials zu bestimmen. Zur Messung stehen in der Standardausstattung verschiedene Messgeometrien (Kegel/Platte, Platte/Platte und konzentrischer Zylinder) zur Verfügung (Bild 7). Zwischen der oberen und der unteren Messgeometrie (bzw. äußeren und inneren beim Zylinder) befindet sich die Probe. Diese wird auf Scherung belastet, wobei eine Rotationsbelastung (kontinuierliche Drehung) oder eine Oszillationsbelastung (Drehschwingung) gewählt wird.

Bei Rotation wird die obere Messgeometrie mit einer vorgegebenen Schergeschwindigkeit oder Scherspannung kontinuierlich gedreht und die jeweils andere Messgröße als Reaktion der Probe aufgezeichnet. Die aus dem Quotienten von Belastung und Reaktion resultierende Scherviskosität beschreibt das materialspezifische viskose Fließverhalten.

Das elastische Materialverhalten wird mit der Oszillationsbelastung untersucht. Dazu wird die obere Messgeometrie mit einer vorgegebenen Scherdeformation oder Scherspannung sinusförmig mit einer bestimmten Frequenz zwischen zwei Punkten hin und her gedreht. Es resultiert der komplexe Schermodul als Kennwert für die Materialsteifigkeit und der Phasenwinkel als Kennwert des viskoelastischen Materialverhaltens.

DSR mit serienmäßiger Ausstattung sind meistens für Prüfungen in einen Temperaturbereich von -40 °C bis +200 °C geeignet. Je nach Temperaturbereich werden aufgrund der temperaturabhängigen Steifigkeit von Bitumen/Mastix unterschiedliche Plattendurchmesser und damit Probekörperabmessungen gewählt. Für Bitumen hat sich dabei die Verwendung von Platte/ 

Bild 7: Messsysteme des Dynamischen Scher-Rheometers: Kegel/Platte, Platte/Platte und konzentrischer Zylinder 

Platte-Geometrien mit Durchmessern von 4 mm (für Prüftemperaturen von -40 °C bis +10 °C), 8 mm (für Prüftemperaturen von -10 °C bis +40 °C) und 25 mm (für Prüftemperaturen von +30 °C bis +90 °C) als sinnvoll erwiesen (Bild 8). 

Bild 8: Anwendung verschiedener Prüfgeometrien für verschiedene Prüftemperaturen 

Im Rahmen des Forschungsprojektes soll für jede Prüfgeometrie ein Prüfverfahren entwickelt werden, mit dem die in dem prüfbaren Temperaturbereich jeweils ausschlaggebende Gebrauchseigenschaft sicher angesprochen werden kann. Durch systematische Reihenuntersuchungen werden die Prüfparameter optimiert, um möglichst aussagekräftige Materialkennwerte zu bestimmen. Neben den Prüfparametern (Beanspruchungsart, Beanspruchungshöhe, Prüftemperatur, Prüffrequenz etc.) werden auch externe Einflussgrößen auf das Prüfergebnis (Probenvorbereitung, Probeneinbau, Temperierzeit, Nachgiebigkeit des Prüfgeräts etc.) systematisch untersucht und überprüft, damit am Ende davon auszugehen ist, dass jedes neue Prüfverfahren gesicherte Prüfergebnisse liefert.

2.2.2 Prüfung des Verformungsverhaltens von Bitumen und Mastix mit dem DSR

Im oberen Bereich der Gebrauchstemperatur ist der Widerstand gegen permanente Verformungen (Spurrinnen) das ausschlaggebende Kriterium für die Dauerhaftigkeit von Asphaltbefestigungen. Für einen ausreichenden Verformungswiderstand muss das verwendete Bitumen optimale Kriecherholungs-Eigenschaften aufweisen. Auf der Grundlage von Forschungsergebnissen von (Bahia et al., 2001) wurde der Multiple Stress Creep and Recovery Test (MSCRT) im DSR entwickelt, welcher das Verformungsverhalten von Bitumen und insbesondere von polymermodifzierten Bitumen bewerten soll. Im Jahr 2015 wurde der MSCRT auch in das europäische Regelwerk übernommen (DIN EN 16659, 2015) und wird seitdem auch in Deutschland angewendet. Bisher existieren aber weder eine Bewertungsgrundlage noch Anforderungswerte für dieses Prüfverfahren. Interpretationsprobleme mit diesem Verfahren ergeben sich vor allem aus den kurzen Belastungs- (1 s) und Entlastungszeiten (9 s), in denen kein tatsächliches Kriechen bzw. Rückformen möglich ist (vgl. Santagata et al., 2014). Außerdem stellen manche Autoren die Aussagekraft der beiden ermittelten Materialkennwerte (Rückformung und Nachgiebigkeit) infrage (s. z. B. Merusi, 2012).

Nach Meinung der Autoren dieses Beitrags könnte die Aussagekraft des MSCRT durch eine Optimierung der Prüfsystematik, beispielweise durch verlängerte Belastungszeiten und eine veränderte Beanspruchung, gesteigert werden, sodass ausreichende Informationen zum Verformungsverhalten von Bitumen erhalten werden. Verschiedene Autoren haben bereits mit derart modifizierten MSCRT experimentiert und konnten so interessante Zusammenhänge zum Verformungsverhalten von Asphalt feststellen (s. Santagata et al., 2017; Elnasri et al., 2018). Im Bild 9 ist beispielhaft ein mathematischer Zusammenhang zwischen den Kennwerten aus der Kriechprüfung von Bitumen im DSR und der Triaxialprüfung von Asphaltprobekörpern (mit identischen Bitumen als Bindemittel) zu erkennen.

Durch Optimierung der Prüfsystematik und Anwendung auch für Mastixprobekörper werden diese Zusammenhänge am ISBS weiter untersucht, um damit gegebenenfalls die Grundlagen für ein verbessertes MSCRT-Prüfverfahren zu schaffen. 

Bild 9: Zusammenhang zwischen der Kriechrate von Bitumen aus dem DSR (CCR für Creep Compliance Rate) und der Fließzahl von Asphalt aus der Triaxialprüfung (FN Flow Number) (Santagata et al., 2017)

2.2.3 Prüfung des Ermüdungsverhaltens von Bitumen und Mastix mit dem DSR

Das DSR wurde am ISBS bereits auch für Dauerversuche an Bitumen bzw. Mastix verwendet. Dabei wurden die Materialproben im Oszillationsmodus dauerhaft bis zum Versagen des Materials belastet. Es ist zu beachten, dass das Materialverhalten dabei jedoch stark von den Prüfbedingungen abhängt (Belastungsart, Belastungsamplitude, Prüftemperatur, Prüffrequenz; s. Schrader, 2016). Die Entwicklung eines robusten Dauerversuchs ist daher bei weitem noch nicht abgeschlossen.

Eine geeignete Wahl der Prüfbedingungen vorausgesetzt (sodass die rheologischen Eigenschaften auf den unterschiedlichen Ebenen der Betrachtung vergleichbar sind), wurden von manchen Autoren Korrelationen zwischen den Ermüdungskennwerten für Bitumen bzw. Mastix und Asphalt beobachtet (Soenen; Eckmann, 2000; Shen et al., 2006; Pérez-Jiménez et al., 2008; Johnson et al., 2009; Shen et al., 2010; Liao et al., 2012; Schrader, 2016). Insbesondere das Konzept der dissipierten Energie dürfte sich für eine Korrelation zwischen Bitumen und Asphalt eignen, da es eine fundamentale Materialeigenschaft abbildet. Da ein Bitumen und der daraus hergestellte Asphalt im visko-elastischen Materialverhalten vergleichbar sind, muss auch die Energiedissipation bei Ermüdung vergleichbar sein. Mit dem „Plateau-Value“ führten Shen et al. (2006) einen Kennwert ein zur Quantifizierung der dissipierten Energie während der Ermüdungsprüfung (Bild 10). 

Bild 10: Vergleich der Ermüdung von Mastix (blaue Linie) und von daraus hergestelltem Asphalt (rote Linie) anhand des Plateau Values (Shen et al., 2006) 

Auch am ISBS werden diverse Ansätze zur Überprüfung des Ermüdungsverhaltens überprüft. Das Bild 11 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Ermüdungsverhalten von Mastix im DSR und jenem vom zugehörigen Asphalt im Zug-Druck-Wechselversuch. Gegenübergestellt sind die jeweiligen Ermüdungslastwechselzahlen (nach dem Ermüdungskriterium von Rowe) für Mastix und Asphalt. Die entsprechenden Prüfungen wurden unter geeigneten Prüftemperaturen und Prüffrequenzen durchgeführt, sodass die rheologischen Eigenschaften für Mastix und Asphalt vergleichbar waren. So konnten Zusammenhänge identifiziert und bereits erste Schlussfolgerungen zur Wirkung von Polymeren gezogen werden.

Bild 11: Vergleich der erreichbaren Ermüdungslastwechsel für Mastix und für daraus hergestellte Asphaltprobekörper (Prüfbedingungen für vergleichbare rheologische Eigenschaften) 

2.2.4 Prüfung des Kälteverhaltens von Bitumen und Mastix mit dem DSR

Die Beurteilung des Kälteverhaltens von Bitumen erfolgt oft mit dem Brechpunkt nach Fraaß nach EN 12593 (2015), was aufgrund der geringen Präzision des Prüfverfahrens nicht abschließend möglich ist (Hugener; Bueno, 2014). Alternativ wird bevorzugt der Versuch mit dem Biegebalkenrheometer (BBR) nach EN 14771 (2012) eingesetzt. Dazu sind vergleichsweise große Probemengen (ca. 150 g pro Materialvariante) erforderlich und der erhebliche Einfluss der Probekörpergeometrie kann zu Fehlinterpretation bei den Messergebnissen führen. Zum BBR existieren einige Publikationen, die das Materialverhalten modellieren und mit Prüfungen auf der Asphaltebene korrelieren (Isacsson; Zeng, 1998; Wörner et al., 2009; Cannone Falchetto et al., 2017). Bisher ist aber die Korrelation mit dem Kälteverhalten auf der Asphaltebene nicht abschließend erforscht und es besteht weiter Forschungsbedarf.

Das DSR wurde bisher hauptsächlich im Bereich der mittleren und hohen Gebrauchstemperaturen erfolgreich eingesetzt. Zum Einsatz des DSR zur Prüfung des Gebrauchsverhaltens im Bereich tiefer Gebrauchstemperaturen besteht ebenfalls Forschungsbedarf.

Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass sich das DSR auch für Messungen im Tieftemperaturbereich bis zu -40 °C und für die Untersuchung von Asphaltmastix eignet (Hugener; Bueno, 2014; Hospodka et al., 2015; Farrar et al., 2015; 2016; Schäffler et al., 2016; Schrader et al., 2016; Gehrke, 2017; Riccardi et al., 2017; Hoffmann, 2018; Laukkanen et al., 2018).

Auch wurde von manchen Autoren eine Korrelation zum DSR beobachtet (Hugener; Bueno, 2014; Sui et al., 2010; Carret et al., 2015; Farrar et al., 2015; 2016; Mensching et al., 2015; Riccardi et al., 2017), allerdings beschränken sich diese Untersuchungen in der Mehrzahl auf die Ermittlung des komplexen Schermoduls durch Oszillationsmessungen, welche eigentlich keinen Hinweis auf das Kälteverhalten (Relaxation und Retardation) geben. Daher mangelt es für die Prüfung des Kälteverhaltens mit dem DSR nach wie vor an geeigneten und akzeptierten Prüfsystematiken und Anforderungswerten. Am ISBS wird daher weiter nach einem neuen Prüfverfahren gesucht.

3 Zusammenfassung

Mit den genormten Prüfmethoden zur Untersuchung der Asphalt-Performance kann – bei richtiger Versuchsdurchführung und -analyse – das Asphaltverhalten im Gebrauchszustand prognostiziert und damit die zu erwartende Lebensdauer einer Asphaltbefestigung abgeschätzt werden. Allerdings ist der Prüfaufwand aufgrund der Komplexität der Prüfmethoden und des damit verbundenen Bedarfs an aufwendigen Prüfgeräten im Vergleich zu den konventionellen Prüfmethoden hoch und eignet sich deshalb kaum für Routineuntersuchungen. Die Vereinfachung von Performance-Prüfungen ist daher international von großem Interesse. Am Institut für Straßenwesen der TU Braunschweig (ISBS) wird an der Entwicklung von vereinfachten Prüfansätzen gearbeitet. Forschungsziel ist es, neue Grundlagen für eine technische und wirtschaftliche Optimierung des Asphaltmischguts auf der Grundlage von Performance-Prüfungen zu schaffen.

Am ISBS wird seit einigen Jahren insbesondere die systematische Entwicklung von Prüfmethoden für Bitumen und Mastix (Bitumen-Füller-Gemisch) vorangetrieben. Ziel ist eine zuverlässige Bewertung der Leistungsfähigkeit von Bindemitteln und daraus hergestellten Asphalten anhand von einfach zu ermittelnden und aussagekräftigen Bindemittel- und Mastix-Kennwerten. Die Anwendungsmöglichkeiten in der Baupraxis wären vielfältig, u. a. eine rasche, aussagekräftige Wareneingangskontrolle, die Auswahl/Bestellung der bestgeeigneten Bindemittel, die Bewertung von lieferfrischen, gealterten, geblendeten Bindemitteln, der Ausschluss ungeeigneter Bindemittel und Bindemittel-Füller-Kombinationen, die Optimierung der Asphaltmischgut-Rezeptur auch mit Asphaltgranulat (Bewertung von Rejuvenatoren; präzise Wahl von Art und Menge des Frischbindemittels, auch wenn PmB im Spiel ist) und die Bewertung alternativer Baustoffgemische (Eigen- und Fremdfüller, Additive, Mehrfachrecycling). Entwicklungsziel ist die Kombination verschiedener, an ein und demselben Dynamischen Scherrheometer (DSR) realisierbarer temperaturspezifischer Messverfahren, sodass als Ergebnis gesicherte Informationen zur Performance für den gesamten Gebrauchstemperaturbereich vorliegen. Aus den bisherigen Erkenntnissen und Untersuchungsergebnissen kann festgehalten werden:

– Die Bitumen-Performance kann im gesamten Gebrauchstemperaturbereich allein mit dem DSR rheologisch analysiert und ausreichend beurteilt werden.

– Es scheint gut möglich, dass auch die Mastix mit dem DSR im gesamten Gebrauchstemperaturbereich sicher geprüft werden kann. Geeignete Messverfahren im DSR sind noch zu entwickeln bzw. zu optimieren.

– Ein Bitumen und der daraus hergestellte Asphalt sind im visko-elastischen Materialverhalten vergleichbar. Es ist davon auszugehen, dass die Leistungsfähigkeit von Asphalt anhand von (neuen) Performance-Kennwerten für Bitumen und Mastix abgeschätzt werden kann – vorausgesetzt, dass Gebrauchsverhalten von Bitumen und Asphalt wird im strukturell/makroskopisch ungeschädigten Bereich des Baustoffversagens verglichen, dass die Baustoffkomponenten verträglich zueinander sind (gutes Haftvermögen) und dass eine ausreichende Verdichtung des Asphalts sichergestellt ist.

– Eine geeignete Wahl der Prüfbedingungen vorausgesetzt, sodass die rheologischen Eigenschaften auf unterschiedlichen Ebenen der Betrachtung vergleichbar sind, wurden Korrelationen zwischen den Gebrauchseigenschaften für Bitumen bzw. Mastix und Asphalt beobachtet und beispielhaft in diesem Beitrag abgebildet.

– Zur Korrelation der Gebrauchseigenschaften für Bitumen bzw. Mastix und Asphalt sind geeignete Prüfverfahren insbesondere für den Mitteltemperaturbereich (Ermüdungswiderstand) und für den Tieftemperaturbereich (Widerstand gegen Kälterissbildung) weiterzuentwickeln und zu erproben.

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