| FGSV-Nr. | FGSV A 45 |
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| Ort | Leipzig |
| Datum | 21.09.2021 |
| Titel | Asphalt im Klimawandel – Erkenntnisse und Herausforderungen Teil 2 |
| Autoren | Dipl.-Ing. Volker Schäfer |
| Kategorien | Asphaltstraßen |
| Einleitung | ... Fortsetzung von Asphalt im Klimawandel – Erkenntnisse und Herausforderungen Teil 1 ab 5 Untersuchungen und angepasste Konzepte für Guss- und Walzasphalte |
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| Volltext | Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.... Fortsetzung ... 5 Untersuchungen und angepasste Konzepte für Guss- und WalzasphalteAusgehend von den Asphaltuntersuchungen, den Erkenntnissen zur Spurrinnenbildung auf dem Neckartalübergang und den Folgerungen für das weitere Vorgehen wurden umfangreiche Bitumenuntersuchungen und Bitumenentwicklungen zunächst von Shell (Shell, 2019, Vondenhof 2020), dem Hersteller der verwendeten Bitumen, durchgeführt. Betrachtet wurden hierbei die Bitumen 15/25 VL, PmB 25/45 VL, PmB 10/40-80 VL RC, PmB 45/80-80 RC, PmB 10/30- 75 VL, PmB 20/40-75 VL, PmB 10/25 VL, PmB 10/40-80 RC und PmB 25/55-80 RC. Diese Bitumen untersuchte im Weiteren auch die TU Dresden (Wellner, 2020). Dabei wurden die Bitumen und Untersuchungsergebnisse im Hinblick auf die Eignung für die Anwendung im Gussasphalt einerseits und im Walzasphalt andererseits bewertet. Hiernach wurde für den Gussasphalt das viskositätsveränderte Polymermodifizierte Bitumen PmB 10/30-75 VL und für den Walzasphalt das viskositätsveränderte Polymermodifizierte Bitumen PmB 10/40-80 VL RC als am meisten geeignet erachtet, sodass auch das Chemisch Technische Laboratorium Hart Untersuchungen an diesen sowie an den zuvor verwendeten Bitumen 15/25 VL und PmB 24/45 VL durchführte (CTL Hart, 2020b). Zusätzlich wurden teilweise für die bereits klassifizierten, am Markt regelmäßig verfügbaren und vorliegend auch verwendeten viskositätsveränderten Bitumen 15/25 VL und PmB 24/45 VL zum Vergleich die Eigenschaften dieser Bitumen zwei anderer Hersteller untersucht. Dabei wurden die Bitumen sowohl im frischen Zustand als auch im Zustand nach beschleunigter Kurz- sowie Kurz- und Langzeitalterung geprüft. Die beschleunigte Kurzzeitalterung des Bitumens erfolgte mit dem Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) Verfahren nach DIN EN 12607-1. Die beschleunigte Langzeitalterung wurde mit dem Pressure Ageing Vessel (PAV) Verfahren nach DIN EN 14769 durchgeführt. Bei den Bitumenuntersuchungen wurde ein Fokus auf rheologische Untersuchungen im Dynamischen Scherrheometer gelegt, weil mit den rheologischen Untersuchungen das Verhalten des Bitumens mit z. B. dem Komplexen Schermodul und dem Phasenwinkel oder auch der Äquisteifigkeitstemperatur (bzw. TBTSV) besser angesprochen wird als über klassische Bitumenkennwerte (z. B. Erweichungspunkt Ring und Kugel, elastische Rückstellung). Die zugehörigen Untersuchungen im DSR wurden mit dem T-Sweep, dem Temperatur-Frequenz-Sweep nach Wellner u.a. (2019) und dem BTSV durchgeführt. Die Ansprache des Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen erfolgte im DSR mit dem Multiple Stress Creep and Recovery Test (MSCRT). Das Kälteverhalten des Bitumens wurde im Biegebalkenrheometer (BBR) untersucht. Weiterhin wurde von der TU Dresden das Ermüdungsverhalten des Bitumens mit einem in Anlehnung an die für Asphalt bekannten Prüfverfahren zur Bestimmung des Ermüdungsverhaltens und der Ermüdungsfunktion analysiert. Ferner wurde am frischen Bitumen die Verarbeitbarkeit über die Prüfung der Viskosität bewertet. Die Untersuchungen wurden von den verschiedenen Instituten jeweils einfach durchgeführt. Die DSR-Untersuchungen im T-Sweep belegen zum Teil deutliche Unterschiede zwischen den bereits klassifizierten Bitumen unterschiedlicher Hersteller. Für das neu entwickelte Bitumen PmB 10/30-75 VL zeigt sich gegenüber dem zuvor im Gussasphalt auf der BAB 6 verwendeten Bitumen 15/25 VL erwartungsgemäß mit dem Phasenwinkel ein deutlich elastischeres Verhalten, sowohl im frischen als auch im gealterten Zustand. Der Komplexe Schermodul differiert nicht wesentlich, aber liegt bei den höheren Temperaturen (T > 60 °C) für das PmB 10/30-75 VL im frischen Zustand über dem Kurvenverlauf des 15/25 VL, im kurz- und langzeitgealterten Zustand ist die Differenz nur sehr gering. Das neu entwickelte Bitumen PmB 10/40-80 VL RC weist gegenüber dem zuvor im Splittmastixasphalt auf dem Neckartalübergang verwendeten PmB 25/45 VL ein mit steigender Temperatur zunehmend höheren Komplexen Schermodul auf. Die Differenz ist dabei im gealterten Zustand größer. Ferner ist erwartungsgemäß mit der höheren Polymermodifizierung über den Phasenwinkel ein elastischeres Verhalten festzustellen. Ähnlich zeigt sich sowohl bei der Bestimmung der Äquisteifigkeitstemperatur mittels BTSV oder T-Sweep im DSR am kurz- und langzeitgealterten Bitumen als auch bei der Betrachtung der Hauptkurven und des Black-Diagramms, welche auf Basis von Temperatur-Frequenz-Sweep-Untersuchungen im DSR am frischen Bitumen ermittelt wurden, ein deutlich weniger elastisches Verhalten der auf dem Neckartalübergang verwendeten Bitumen PmB 25/45 VL und 15/25 VL. Zwar enthält auch das PmB 25/45 VL Polymere, jedoch nach den Ergebnissen der rheologischen Untersuchungen offenbar nicht in dem Maß wie die weiteren untersuchten und entwickelten Polymermodifizierten Bitumen. Im Hinblick auf die betrachteten Alterungsindizes, ermittelt für den Komplexen Schermodul (Steifigkeit) und den Phasenwinkel bei einer Referenztemperatur von 20 °C und 60 °C und einer Frequenz von 10 Hz, verändert das Bitumen PmB 45/80-80 RC sein rheologisches Verhalten infolge der Alterung am wenigsten und das Bitumen PmB 25/55-80 RC am stärksten. Der Komplexe Schermodul bei einer Frequenz von 10 Hz und einer Referenztemperatur von 20 °C bleibt für die Bitumen PmB 10/30-75 VL und PmB 10/40-80 VL RC infolge der Kurzzeitalterung nahezu auf vergleichbarem Niveau, bei der Referenztemperatur von 60 °C liegt die Zunahme mit dem Alterungsindex im mittleren bzw. oberen Bereich der Spannweite. Der Alterungsindex des Phasenwinkels ist für die meisten untersuchten Bitumen bei 60 °C größer als bei 20 °C, bei den Bitumen PmB 10/30-75 VL und PmB 20/40-75 VL ist das Verhältnis hingegen umgekehrt: Der Alterungsindex bei 20 °C ist hier höher als bei 60 °C, was eine geringere Veränderung des Verhaltens bei hohen Temperaturen infolge von Alterung beschreibt. Das Verformungsverhalten der Bitumen bei Wärme, geprüft mit dem MSCRT (bei 60 °C), zeigt für die auf dem Neckartalübergang eingesetzten Bitumen eine deutlich höhere Dehnung (Bild 6) mit einer höheren Nachgiebigkeit und einer geringeren Elastizität. Die neu entwickelten höher Polymermodifizierten und/oder viskositätsveränderten Bitumen weisen alle deutlich geringere Dehnungen auf. Wie bereits am rheologischen Verhalten im T-Sweep festzustellen, sind hier für die bereits klassifizierten Bitumen 15/25 VL und PmB 25/45 VL zum Teil deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Herstellern zu beobachten (Bild 7; die unterschiedlichen Hersteller sind mit A, B und C bezeichnet). Bild 6: Vergleich der Dehnung der frischen Bitumen im MSCRT, untersucht von Shell (Shell, 2019) Bild 7: Vergleich der Dehnung der frischen Bitumen im MSCRT, untersucht von CTL Hart (Daten: CTL Hart, 2020b, CTL Hart, 2021b) Mit der Alterung nimmt für alle Bitumen die Dehnung ab. Bei den übrigen Bitumen ist zum Teil eine Verschiebung in der Reihung zu beobachten. Die Rückstellung und die Nachgiebigkeit nach Kurz- sowie Kurz- und Langzeitalterung verändern sich über die Prüfstellen hinweg unterschiedlich, in der Tendenz zeigt sich hier jedoch mehrheitlich eine Zunahme der Rückstellung und eine Abnahme der Nachgiebigkeit. Das deutlich ungünstigere Verhalten der Bitumen 15/25 VL und PmB 25/45 VL gegenüber den weiteren Bitumen verbleibt aber auch mit der Alterung. Nach Erkenntnissen in der Praxis sind Werte für die Rückverformung R > 80 % als sehr gut im Hinblick auf den Widerstand gegen bleibende Verformungen bei Wärme zu bewerten. Demnach weisen die auf dem Neckartalübergang verwendeten Bitumen 15/25 VL (A) und PmB 25/45 VL (A) mit Werten von knapp 10 % bzw. 15 % ein sehr ungünstiges Verformungsverhalten auf. Aber auch für diese Bitumen der Hersteller B und C beträgt die Rückverformung deutlich < 80 % (im frischen Zustand R ≤ 35 %), sodass sie als ungeeignet einzustufen sind. Die neu entwickelten Bitumen besitzen demgegenüber Rückstellungen im frischen Zustand von mindestens 75 %. Das günstigste Kälteverhalten lässt sich unter Berücksichtigung der Temperaturen Tm0,3 und TS300 sowohl im frischen als auch im kurz- und langzeitgealterten Zustand für das Bitumen PmB 45/80-80 RC feststellen; dieses entspricht aber auch der weichsten Variante aller untersuchten Bitumen, sodass dieses Ergebnis plausibel ist. Ferner zeigen die höher Polymermodifizierten Bitumen (RC) ein günstigeres Kälteverhalten als die (zusätzlich) viskositätsveränderten Bitumen. Das Bitumen PmB 45/80-80 RC besitzt aber auch den geringsten Ermüdungswiderstand in Abhängigkeit von der Scherspannung, geprüft bei 20 °C und f = 10 Hz. Bei hohen Scherspannungen weist das härtere Bitumen 15/25 VL den höchsten Ermüdungswiderstand auf, bei Scherspannungen < 400 kPa bzw. 350 kPa liegen die Ermüdungsfunktionen des Bitumens PmB 20/40-75 VL und PmB 10/30-75 VL am höchsten und besitzen damit den höchsten Ermüdungswiderstand gegen Scherbeanspruchung. Ausgehend von den Ergebnissen der Bitumenuntersuchungen am frischen Bitumen sowie am kurz- und langzeitgealterten Bitumen der Shell (2019) folgerte Vondenhof (2020), dass für die Anwendung im Gussasphalt das Bitumen PmB 10/30-75 VL und als Alternative das Bitumen PmB 10/25 VL insbesondere im Hinblick auf das Verformungsverhalten mit dem Widerstand gegen Scherbeanspruchung (Komplexer Schermodul) sowie der Dehnung im MSCRT und auch bezüglich des Kälteverhaltens von den entwickelten Bitumen am meisten geeignet ist. Für die Anwendung im Walzasphalt bzw. Splittmastixasphalt wurde das Bitumen PmB 10/40- 80 VL RC und alternativ das Bitumen PmB 10/30-75 VL, eventuell auch das Bitumen PmB 20/40-75 VL vor dem Hintergrund des Verformungsverhaltens bei Wärme sowie des Kälteverhaltens favorisiert. Die Auswertung der Untersuchungsergebnisse von Wellner (2020) mittels Netzdiagramm ergab die größten aufgespannten Flächen für die Bitumen PmB 10/30-75 VL, PmB 20/40- 75 VL, PmB 45/80-80 RC und PmB 10/25 VL. Die beiden erstgenannten Bitumen weisen besonders gute Gebrauchseigenschaften hinsichtlich des Verformungsverhaltens bei Wärme und der Steifigkeit sowohl bei hohen als auch bei üblichen Gebrauchstemperaturen, auch unter Berücksichtigung der Alterung, auf. Das PmB 10/25 VL ist ähnlich zu bewerten, besitzt jedoch einen ungünstigeren Alterungsindex der Steifigkeit und ein etwas geringeres viskoelastisches Verhalten. Damit ist das PmB 10/25 VL trotz einer nicht deutlich geringeren Verformungsbeständigkeit vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse und den Untersuchungsergebnissen im Zusammenhang mit der Weserbrücke als eher ungeeignet einzustufen. Das PmB 45/80-80 RC zeigt im Vergleich zu den beiden erstgenannten Bitumen ein deutlich günstigeres Kälteverhalten, aber im Gegenzug Nachteile im Hinblick auf die Steifigkeit. Ein Vergleich der Ergebnisse im Netzdiagramm des schließlich favorisierten und zwischenzeitlich bereits erprobten Bitumens PmB 10/30-75 VL zu den Bitumen 15/25 VL (verwendet auf dem Neckartalübergang) und PmB 10/25 VL (zuvor verwendet auf der Weserbrücke) im Gussasphalt zeigt das Bild 8 und für das Bitumen PmB 10/40-80 VL RC zu dem Bitumen PmB 25/45 VL (verwendet auf dem Neckartalübergang) im Walzasphalt das Bild 9. Hierbei sind im Wesentlichen die Prüfergebnisse nach Kurzzeitalterung (RTFOT) dargestellt. Zwischen den verschiedenen beteiligten Laboren einheitlich ist die Bewertung, dass die auf dem Neckartalübergang eingesetzten Bitumen 15/25 VL und PmB 25/45 VL insbesondere hinsichtlich des Widerstands gegen Verformungen bei Wärme und den rheologischen Eigenschaften bei sehr hohen Temperaturen sowohl im frischen Zustand als auch im gealterten Zustand ein ungeeignetes Gebrauchsverhalten besitzen. Bild 8: Bewertung der Bitumen 15/25 VL (A) und PmB 10/25 VL im Vergleich zum PmB 10/30-75 VL im Netzdiagramm (Daten: Wellner, 2020) Bild 9: Bewertung des Bitumens PmB 25/45 VL (A) im Vergleich zum PmB 10/40-80 VL RC im Netzdiagramm (Daten: Wellner, 2020) Zur Sanierung der Weserbrücke im Sommer 2020 wurden aufbauend auf den Erkenntnissen der Bitumenuntersuchungen umfangreiche Voruntersuchungen zur Zusammensetzung der dort einzubauenden Gussasphalte für die Schutzschicht und die Asphaltdeckschicht durchgeführt. So wurden Bitumenuntersuchungen sowohl an dem bereits bei der Sanierung im August 2018 verwendeten Bitumen PmB 10/25 VL als auch dem neu entwickelten und zur Anwendung vorgesehenen Bitumen PmB 10/30-75 VL durchgeführt. Ferner wurde das rheologische Verhalten und der Widerstand gegen Verformung verschiedener Mastixgemische mit zwei unterschiedlichen Füllern untersucht. Die Voruntersuchungen am Bitumen für die Weserbrücke bestätigen für die untersuchten Kennwerte die Ergebnisse aus den umfangreichen ersten Bitumenuntersuchungen nach der Spurrinnenbildung auf dem Neckartalübergang: Das Bitumen PmB 10/30-75 VL besitzt ein deutlich günstigeres Alterungsverhalten und verändert seine rheologischen Eigenschaften infolge von Alterung in einem geringeren Maß als das PmB 10/25 VL. Die stärkere Alterung des PmB 10/25 VL, wie sie durch das BTSV festzustellen war, wird auch im Hinblick auf das Verformungsverhalten bei Wärme bestätigt. Mit einer Rückverformung R > 80 % und einer Nachgiebigkeit Jnr ≤ 2,0 kPa−1 sind jedoch beide Bitumen nach den bisherigen Erkenntnissen aus der Forschung und der Praxis als geeignet für hoch belastete Straßen einzustufen. Die Temperatur Tm0,3 ist für das Bitumen PmB 10/25 VL am frischen Bitumen geringfügig niedriger als am Bitumen PmB 10/30-75 VL. Mit der Alterung steigt wie auch bei der Temperatur TS300 die Temperatur Tm0,3. Anders als bei den ersten Bitumenuntersuchungen ist hier jedoch eine stärkere Zunahme und damit ein ungünstigeres Alterungsverhalten des PmB 10/25 VL zu beobachten. Die Untersuchungen am Gussasphalt zur Bewertung des Widerstands gegen Verformungen wurden nicht nur bei den konventionellen Prüftemperaturen durchgeführt, sondern bei Temperaturen bis 65 °C. So wurde z. B. die statische Stempeleindringtiefe bei den Temperaturen von 40 °C, 50 °C, 60 °C und 65 °C bestimmt. Hierbei ist auffällig und zu betonen, dass eine überproportionale Zunahme der statischen Stempeleindringtiefe mit steigender Temperatur zu beobachten ist. So steigt die statische Stempeleindringtiefe beispielsweise an der untersuchten/zur Verwendung vorgesehenen Variante des MA 11 S (bereits mit PmB 10/30-75 VL) von 1,0 mm bei 40 °C auf 1,6 mm bei 50 °C und auf 6,2 mm bei 65 °C. Dies dürfte das verstärkte Versagen von konventionellen Asphalten in exponierten, besonnten Lagen bei einer entsprechenden Belastung im Sommer 2019 unter anderem begründen, besonders wenn zudem die Verwendung weniger wärme- und verformungsbeständiger Bitumen vorausgesetzt wird. An den hinsichtlich der Zusammensetzung optimierten Varianten des Gussasphalts konnte der Widerstand gegen bleibende Verformung bei Wärme nochmals deutlich erhöht werden. Am MA 11 S reduziert sich bei der Standardprüftemperatur die statische Stempeleindringtiefe zwar nur geringfügig um 0,1 mm auf 0,9 mm, aber bei der Prüftemperatur von 65 °C wird der Wert auf 3,0 mm mit einer Zunahme von 0,2 mm mehr als halbiert. Auch die dynamische Stempeleindringtiefe reduziert sich bei 65 °C um etwa 20 % auf 1,69 mm. Am MA 8 S führt die Optimierung zu einer noch größeren Erhöhung des Verformungswiderstands und reduziert sich die Stempeleindringtiefe bei 40 °C um 0,3 mm auf 0,8 mm mit einer Zunahme von 0,1 mm und bei 65 °C auf etwa ein Drittel (1,6 mm mit einer Zunahme von 0,1 mm). Zwar existieren für die hohen Prüftemperaturen keine Anforderungs- oder andere umfangreiche Erfahrungswerte zur Bewertung, doch erfüllen die Werte der optimierten Varianten auch bei den hohen Prüftemperaturen die für die Standardprüfbedingungen geltenden Anforderungen. Daher und auch im Vergleich zu den Ergebnissen an der jeweiligen Probe der Variante 1 wurde dieser Wert im Hinblick auf die kritischen Bedingungen der besonders hohen Beanspruchungen als positiv und sehr gut verformungsbeständig bewertet. An Rückstellproben des Bitumens und des hergestellten Gussasphalts MA 8 S und MA 11 S wurden zum weiteren Erkenntnisgewinn nach den Bauarbeiten auf der Weserbrücke umfangreiche Nachuntersuchungen durchgeführt. Die Nachuntersuchungen an der Rückstellprobe des angelieferten Bitumens haben allerdings insbesondere mit den rheologischen Kenndaten einen geringeren Widerstand gegen Verformungen erkennen lassen als nach den Ergebnissen der Voruntersuchungen zu erwarten. Analoges gilt für die aus den Rückstellproben des Gussasphaltes rückgewonnenen Bitumen. Mit der Alterung erhöht sich zwar die Steifigkeit entsprechend der Erfahrungen, aber es verbleibt ein Unterschied in dem Verhalten des Bitumens. Dies spiegelt sich in dem hier etwas ungünstigeren Widerstand gegen Verformungen der Gussasphalte wider, die mit der statischen Stempeleindringtiefe und der dynamischen Stempeleindringtiefe angesprochen wurden; auch die Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen der Rückstellproben beider Gussasphalte liegt im relevanten Temperaturbereich unter den Kurven aus der Voruntersuchung. Neben dem Einfluss der Bitumeneigenschaften kann der Widerstand gegen Verformungen zusätzlich durch geringe Verschiebungen in der Korngrößenverteilung, insbesondere einer Reduzierung des Feinanteils, beeinträchtigt worden sein, auch wenn die Zusammensetzung jeweils unter Berücksichtigung der Toleranzen nach den ZTV Asphalt-StB 07/13 anforderungskonform sind. Ferner zeigen die Nachuntersuchungen am Bitumen, dass die rückgewonnenen Bitumen anscheinend eine geringere Alterung erfahren als mittels RTFOT am angelieferten Bitumen simuliert. So deutet sowohl der Unterschied der Äquisteifigkeitstemperatur als auch des zugehörigen Phasenwinkels auf eine geringere Alterung des Bitumens im Gussasphalt als am kurzzeitgealterten angelieferten Bitumen. Allerdings ist ein Einfluss aus einer möglicherweise nicht vollständigen Rückgewinnung aller Bitumenbestandteile aus dem Asphaltmischgut nicht auszuschließen. 6 Beobachtungen im Sommer 2020 & Winter 2020/21Zur Analyse der Erwärmung bzw. allgemein der Temperaturen in den Asphaltschichten wurden im Zuge sowohl der Untersuchung der Spurrinnenbildung auf dem Neckartalübergang als auch der Instandsetzung des Hauptfahrstreifens der Weserbrücke nachträglich bzw. beim Einbau der Asphaltschichten in verschiedenen Tiefen Messsensoren eingebaut, mit denen die Temperaturen in der Schutzschicht und der Asphaltdeckschicht im Tagesverlauf gemessen werden sollen. Die Messsensoren mit einem Durchmesser von 3,0 cm und einer Dicke von 1,7 cm können Temperaturen zwischen −25 °C und 125 °C mit einer Auflösung von 0,1 K und einer Genauigkeit von ±0,5 K zwischen 0 °C und 65 °C erfassen. Die Auswertung der Messdaten erfolgte unter Berücksichtigung von Daten des Deutschen Wetterdienstes, die von nahe gelegenen Wetter-Messstationen stammen. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Auswertungen sind in der Tabelle 1 dargestellt und dem Bild 10 können beispielhaft die Temperaturganglinien im Sommer 2020 im Zeitraum mit den jeweils am höchsten auftretenden Temperaturen entnommen werden. Im Sommer 2020 sind auf dem Neckartalübergang in der Schutzschicht an den verschiedenen Stationen mindestens die gleichen, mehrheitlich jedoch höhere minimale Temperaturen, aber niedrigere maximale Temperaturen (42,2 °C bis 44,8 °C) gemessen worden als in der Asphaltdeckschicht (maximale Temperatur 45,9 °C bis 47,4 °C) an derselben Station. Die Differenzen zwischen den maximalen Temperaturen der Asphaltschichten einer Station sind mit 2 K bis 3 K größer als bei den minimalen Temperaturen mit 0 K bis unter 2 K. Tabelle 1: Ergebnisse von Temperaturauswertungen Eine tropische Nacht mit einer minimalen Lufttemperatur über 20 °C lag auf dem Neckartalübergang in dem Sommer 2020 nur in der Nacht vom 10. zum 11.8.2020 vor. Jedoch sinken die Temperaturen in den Asphaltschichten nachts in den beiden Zeiträumen um den 31.7.2020 mit der maximalen Lufttemperatur (Wetter-Messstation DWD 3734 Obersulm-Willsbach) und um den 9.8.2020 mit der maximalen Temperatur in den Asphaltschichten nicht unter 20 °C, sondern liegen zum Teil – besonders an den Tagen nach dem 9.8.2020 – sogar über 25 °C. In der tropischen Nacht sinkt die Temperatur in den Asphaltschichten an der Messstation 3 (Strombrücke, Fahrtrichtung Mannheim; Messstation mit den höchsten Messwerten) nicht unter 28 °C. Bild 10: Verlauf der Lufttemperatur an der Messstation Obersulm-Willsbach (DWD 3734; Daten: Deutscher Wetterdienst, 2020d) und der Temperatur der Asphaltdeckschicht (NTÜ 3A) und der Schutzschicht (NTÜ 3B) auf dem Neckartalübergang, Messstation 3 im Zeitraum 29.7.2020 bis 13.8.2020 Für die Weserbrücke wurde im Sommer 2020 an der nächstgelegenen Wetter-Messstation DWD 691 Bremen-Flughafen die maximale Lufttemperatur am Samstag, den 8.8.2020 erfasst, wobei diese mit 34,3 °C um 1,8 K unter der maximalen Lufttemperatur in Obersulm-Willsbach lag. In einer ähnlichen Größenordnung liegt in dem vergleichend betrachteten Messzeitraum vom 21.7. bis 20.8.2020 die mittlere Lufttemperatur in Bremen (20,8 °C) unter der mittleren Lufttemperatur in Obersulm-Willsbach (22,2 °C). Demnach ist insgesamt von tendenziell geringeren Lufttemperaturen in Bremen im Vergleich zu Obersulm-Willsbach auszugehen. Auf der Weserbrücke, die auf der Asphaltdeckschicht aus Gussasphalt eine Abstreuung mit Lysit aufweist, liegen die Temperaturen in der Asphaltdeckschicht mit maximal 42,0 °C bis 43,8 °C, im Mittel 43,1 °C und in der Schutzschicht 40,6 °C bis 41,4 °C, im Mittel 41,0 °C ebenso niedriger als auf dem Neckartalübergang. Allerdings ist die Differenz der höchsten Temperaturen zwischen den beiden Brückenbauwerken mit 3,6 K bzw. 3,4 K größer als die Differenz in der Lufttemperatur. Eine tropische Nacht mit Lufttemperaturen über 20 °C liegt an der Messstation Bremen-Flughafen nur in der Nacht vom 08. zum 09.08.2020 vor. In dieser Nacht sinkt die Temperatur in den Asphaltschichten an der Messstation 3 (in Fahrstreifenmitte und mit den höchsten Temperaturen) im Bereich der Strombrücke auf der Weserbrücke nicht unter 22,5 °C. Damit kühlen die Asphaltschichten auf der Weserbrücke stärker ab als auf dem Neckartalübergang, was aber auch in Zusammenhang mit der grundsätzlich geringeren Erwärmung der Asphaltschichten zu sehen ist. Die Spannweiten zwischen der minimalen und maximalen Temperatur eines Tages sind in dem Zeitraum 21.7. bis 20.8.2020 an den Messstationen auf dem Neckartalübergang größer als auf der Weserbrücke. Temperaturen der Asphaltdeckschicht von über 50 °C oder sogar 60 °C, wie sie in der Literatur (z. B. Von Stosch, 1968; Meseberg, 2011) für die Oberflächentemperatur dokumentiert sind, wurden im Sommer 2020 trotz Tageshöchsttemperaturen der Luft von bis zu 36,1 °C in Obersulm-Willsbach bzw. 34,3 °C in Bremen weder am Neckartalübergang noch auf der Weserbrücke in der Asphaltdeckschicht bzw. an der Oberfläche gemessen. Dennoch zeigt sich ein Unterschied zwischen den Brückenbauwerken im Verlauf der Erwärmung der Asphaltschichten während der wärmsten Tage im Sommer 2020: Das Tagesmaximum der Temperatur der Asphaltdeckschicht liegt auf dem Neckartalübergang etwa zeitgleich bis höchstens eine halbe Stunde nach dem Tagesmaximum der Lufttemperatur und das Tagesminimum tritt bis zu 3 Stunden nach der minimalen Lufttemperatur auf. Auf der Weserbrücke tritt das Tagesmaximum in der Asphaltdeckschicht zeitgleich oder um bis zu 4 Stunden nach der maximalen Lufttemperatur auf, das Tagesminimum ist etwa 1 bis 2 Stunden nach der minimalen Lufttemperatur zu verzeichnen. Somit scheint die Asphaltdeckschicht der Weserbrücke sich tendenziell langsamer zu erwärmen, aber auch schneller abzukühlen. Auch die Erwärmung der Schutzschicht wird auf der Weserbrücke stärker verzögert als auf dem Neckartalübergang. Wird die geringere Erwärmung der Asphaltdeckschicht auf der Weserbrücke ihrer hellen Abstreuung mit Lysit zugeschrieben, ließe sich aus den erfassten und analysierten Daten eine Reduzierung der Erwärmung zwischen 2 K und 5 K ableiten. Diese Werte liegen unter oder im unteren Bereich der in der Literatur genannten Wirkung einer hellen Oberfläche gegenüber einer dunklen Oberfläche, welche aber für geographisch nah beieinander liegende Strecken ermittelt wurden. Demgegenüber liegt die Weserbrücke rund 430 km nördlich des Neckartalübergangs. Daher können hier neben der Helligkeit der Oberfläche und der betrachteten Faktoren Sonnenscheindauer und Lufttemperatur weitere Faktoren, wie z. B. der Wind (einschließlich Fahrtwind des Verkehrs), die Bewölkung, Regenschauer etc., aber auch die Zusammensetzung der Asphalte, die Erwärmung der Asphaltdeckschicht im Einzelnen beeinflusst haben. Auch die mit der Schichtdicke bedingte unterschiedlich tiefe Lage der Messsensoren in der Asphaltdeckschicht (ca. 1 cm tiefer auf dem Neckartalübergang als auf der Weserbrücke) lässt einen Einfluss auf das Messergebnis und eine Beeinträchtigung der Vergleichbarkeit der Ergebnisse vom Neckartalübergang und von der Weserbrücke nicht ausschließen. Im Winter 2020/2021 wurden an den Messstationen auf dem Neckartalübergang minimale Temperaturen in der Asphaltdeckschicht von −9,4 °C bis −8,2 °C und in der Schutzschicht von −8,8 °C bis −7,7 °C gemessen. Die niedrigste Lufttemperatur an der Wetter-Messstation Obersulm-Willsbach lagen hingegen bei −13,4 °C und wurde nicht an dem Tag erfasst, an dem die minimale Temperatur in den Schichten eintrat, sondern 3 Tage zuvor. Gleichwohl lagen diese Tage alle in einem Zeitraum mit Eistagen, wenn die maximale Lufttemperatur nicht über 0 °C steigt. In Bremen lag im Winter 2020/2021 die minimale Lufttemperatur an der Wetter-Messstation Bremen-Flughafen mit −15,8 °C unter den Werten von Obersulm-Willsbach. So wurden auch auf der Weserbrücke niedrigere Temperaturen gemessen; in der Asphaltdeckschicht lagen die geringsten Temperaturen bei −12,8 °C bis −11,6 °C und in der Schutzschicht bei −12,2 °C bis −10,5 °C. Auch hier kühlten somit die Asphaltschichten, selbst an der Oberfläche des Brückenbelags (minimale Temperatur −12,9 °C und −11,7 °C), nicht auf die minimale Lufttemperatur ab, obgleich ebenfalls eine Periode mit Eistagen bestand. Die gegenüber der Lufttemperatur höheren minimalen Temperaturen in den Asphaltschichten auf dem Neckartalübergang und der Weserbrücke zeigen sich in den Messdaten über den Winter 2020/2021 insgesamt: Auf dem Neckartalübergang liegen die Tiefsttemperaturen in den Asphaltschichten um etwa mindestens 3,5 K bis gut 5 K (bezüglich der Durchschnittstemperaturen mindestens etwa 1,5 K) höher als für die Luft. Die Abkühlung in den Asphaltschichten erfolgt, wie bereits im Sommer zu beobachten, bezüglich des Minimums langsamer als die Abkühlung der Lufttemperatur. Ferner erwärmt sich die Asphaltdeckschicht bei den Tagesspitzen stärker als die Schutzschicht, wobei die Differenz vermutlich von den detaillierten Wetterbedingungen abhängt. Auf der Weserbrücke liegen die Tiefsttemperaturen in den Asphaltschichten um 2,5 K bis knapp 5 K über der minimalen Lufttemperatur. Dabei sind Differenzen hinsichtlich der Lage der Messstationen auf der Vorlandbrücke oder der Strombrücke zu beobachten, mit geringeren Schwankungen auf der Vorlandbrücke (die Vorlandbrücke besteht aus einer Spannbetonkonstruktion und der Überbau der Strombrücke aus einer Stahlkonstruktion). Die Abkühlung in den Asphaltschichten erfolgt hinsichtlich der Tiefsttemperaturen zum Teil leicht verzögert zur Abkühlung der Lufttemperatur. Somit sind insgesamt in den Asphaltschichten um mindestens rund 3 K bis 5 K höhere minimale Temperaturen vorhanden als die gemessene minimale Lufttemperatur, welche im Winter 2020/2021 im Vergleich zu den letzten Wintern relativ niedrig lag, und wurde eine Temperatur von −15 °C in den Asphaltschichten auf den beiden Brücken trotz der relativ tiefen Lufttemperaturen nicht unterschritten. Daher sind zum einen geringere Beanspruchungen der Asphaltschichten bei tiefen Temperaturen durch kryogene Spannungen zu erwarten als die Lufttemperatur vermuten lässt und erscheint zum anderen für den überwiegenden Einsatz auch die Anforderung an eine Bruchtemperatur des Asphalts für den Brückenbelag von TF ≤ −15 °C im Abkühlversuch zur Ansprache des Kälteverhaltens als hinreichend (Ausnahmen können gegebenenfalls in besonderen Höhenlagen bestehen). Ferner zeigt die Auswertung der Messdaten, dass auch im Winter die hell abgestreute Asphaltdeckschicht auf der Weserbrücke weniger zur Erwärmung neigt als die dunklere Asphaltdeckschicht auf dem Neckartalübergang. Der Mittelwert über den Winter 2020/2021 (21.12.2020 bis 20.3.2021) beträgt für die Lufttemperatur in Obersulm-Willsbach 3,6 °C, an der Messstation 3 auf dem Neckartalübergang liegt der Mittelwert in der Asphaltdeckschicht um 2,3 K höher. In Bremen wurde eine mittlere Lufttemperatur von 2,7 °C gemessen, die Temperatur der Asphaltdeckschicht an der Messstation 3 auf der Weserbrücke liegt durchschnittlich um 1,4 K höher. Der Unterschied in der Erwärmung der Asphaltdeckschicht auf den Brücken beträgt demnach rund 1 K, sodass bei tiefen Temperaturen anscheinend ein geringerer Effekt der Reduzierung der Erwärmung besteht als bei hohen Temperaturen. Allerdings ist im Winter die Intensität der Sonneneinstrahlung geringer und gelten auch hier die zusätzlichen Einflüsse auf die Temperaturmessung (unter anderem Bewölkung, Niederschlag, Tiefenlage der Messsensoren). Trotz der für den Neckartalübergang erfassten wider Erwarten „geringen“ Asphalttemperaturen von bis zu etwa 47 °C im Sommer 2020 zeigt sich hier eine weitere deutliche Zunahme in der Spurrinnenbildung. Die Hitzeperiode Anfang August, nur vier Wochen nach dem Einbau des Gussasphalts auf der Weserbrücke, hat der neue Brückenbelag auf der Weserbrücke hingegen ohne erkennbare bleibende Verformungen überstanden. Das Gebrauchsverhalten über die weiteren Winter und die nächsten, womöglich wieder heißeren Sommer muss sich in der Praxis zeigen. Auch auf zwei kleinen Brückenbauwerken im Zuge der BAB 6, auf denen im Dezember 2019 ausgehend von den Untersuchungen der Verformungen am Neckartalübergang eine Asphaltdeckschicht aus AC 11 D SP mit PmB 10/40-80 VL RC eingebaut wurde, zeigte sich über den Sommer 2020 ein positives Gebrauchsverhalten. Während auf dem nahe gelegenen Neckartalübergang bei diesen Temperaturen eine weitere Spurrinnenbildung eingetreten ist, ließ eine Betrachtung der Asphaltdeckschicht beider Brückenbauwerke im Oktober 2020 und darüber hinaus weder eine Bitumenanreicherung oder Änderung der Textur noch eine Verformung der Asphaltdeckschicht erkennen, obwohl besonders hohe Beanspruchungen bestanden. 7 Empfehlungen zur Vermeidung von Verformungen in AsphaltschichtenAusgehend von den Erfahrungen und Erkenntnissen der zahlreichen Bitumenuntersuchungen, der Untersuchungen zur Optimierung der Asphalte für die Asphaltdeckschicht und die Schutzschicht, aber auch der Analyse des Versagens zuvor eingebauter Asphalte werden folgende Empfehlungen für vorläufige Maßnahmen zur Vermeidung von Verformungen im Asphalt in Verkehrsflächen mit besonders hohen Beanspruchungen gegeben:
Tabelle 2: Empfohlene Untersuchungen am Walz- bzw. Gussasphalt mit zugehörigen Anforderungen
Tabelle 3: Anforderungen an PmB 10/30-75 VL und PmB 10/40-80 VL Für die Durchführung der performance-orientierten Untersuchungen am Bitumen, am Mastix und am Asphaltmischgut wird vor der ersten Ausführung ein Zeitraum von ca. 3 Monaten benötigt. Dies sollte bei einer Anwendung berücksichtigt werden. Bild 11: Fertiger Hauptfahrstreifen der Weserbrücke nach etwa 3 Wochen unter Verkehr 8 Zusammenfassung und AusblickDie Auswirkungen des Klimawandels sind auch im deutschen Straßennetz mit vermehrt auftretenden Spurrinnenbildungen in Asphaltbefestigungen auf der Strecke und insbesondere auf Brückenbauwerken deutlich zu erkennen. Die Ursache hierfür liegt nicht nur in der steigenden Anzahl der Sommertage mit immer höheren Maximal-Temperaturen, sondern auch in einem ständig ansteigenden Aufkommen an Lkw-Verkehr. Bei genauer Betrachtung lässt sich aus den hiervon besonders betroffenen Bereichen ein neuer Lastfall ableiten, der als „besonders hohe Beanspruchungen“ bezeichnet wird. Die Erfahrungen mit Hochtemperaturereignissen seit dem Sommer 2019 zeigen einmal mehr, dass eine ganzheitliche Betrachtung des Systems Asphalt mehr denn je gefordert ist. Hierzu gehört auch das Hinterfragen der Prüftemperatur für den Nachweis der Verformungsbeständigkeit von Guss- und Walzasphalt. Das Prüfen der statischen Eindringtiefe von Gussasphaltwürfeln bei einer Temperatur von 40 °C, wie seit 1960 (!) im Regelwerk beschrieben, ist an dieser Stelle überhaupt nicht mehr zweckmäßig. Für den Druck-Schwellversuch und die Dynamische Stempeleindringtiefe liegen zwar seit über 15 Jahren Vorschläge für einen Bewertungshintergrund bei der Durchführung der Prüfungen bei 50 °C vor, die aber aufgrund der zwischenzeitlich geänderten klimatischen und verkehrlichen Randbedingungen zumindest für Asphaltdeckschichten als nicht mehr uneingeschränkt charakteristisch anzusehen sind. Daher sollten diese Versuche künftig mit einer einheitlichen Prüftemperatur von 65 °C durchgeführt werden, um hiermit weitere Erfahrungen zu sammeln, auf deren Grundlage gegebenenfalls neue Grenzwerte für Anforderungen abgeleitet werden können. Die vorstehenden Ausführungen haben aber auch gezeigt, dass es trotz einer ungünstigen Ausgangslage bei sachgerechtem Vorgehen sehr wohl möglich ist, Konzepte für ausreichend verformungsbeständige Asphaltbefestigungen zu entwickeln und anzuwenden. Zum sachgerechten Vorgehen gehört zunächst das richtige detektieren der in der jeweiligen Örtlichkeit vorliegenden Rahmenbedingen in Form der baulichen Randbedingungen, der Verkehrsbelastung, der Verkehrssituation und der wetterbedingten Ausprägungen. Nach der Auswahl insbesondere der Art der Asphaltdeckschicht ist für die zu erwartenden Beanspruchungen das geeignete Bitumen zu wählen. Bei der Umsetzung im Bauvertrag sollten zum Nachweis der Eignung des zur Verwendung vorgesehenen Asphaltmischguts neben Performance-Prüfungen am Asphaltmischgut auch Untersuchungen am Bitumen und Bitumen-Füller-Gemisch vorgesehen werden, um nicht nur eine ausreichende Verformungsbeständigkeit, sondern auch ein ausreichendes Temperaturverhalten und Ermüdungsverhalten dauerhaft sicherstellen zu können. Die konventionelle Ausführung von Asphaltbinderschichten und Asphaltdeckschichten sollte auf Bundesfernstraßen, wo möglich, nur noch im Zusammenhang mit der Ausführung von Asphaltdeckschichten aus Gussasphalt zur Anwendung kommen. In allen anderen Fällen sollten, Asphaltbinderschichten und Asphaltdeckschichten, sofern es die Randbedingungen ermöglichen, als Kompakte Asphaltbefestigung „heiß auf heiß“ ausgeführt werden. Gerade hier geht bei der Variante 2 (Einbau mit zwei unmittelbar hintereinanderfahrenden Fertigern, auch als „InlinePave“ bezeichnet) die Entwicklung dahingehend weiter, dass es künftig möglich ist, diesen Einbau auch in Breiten größer 8,50 m bis 11,50 m auszuführen (Bild 12). Damit können auch zweistreifige Richtungsfahrbahnen von Bundesautobahnen einschließlich des Seitenstreifens in voller Breite mit einem Einbauzug ausgeführt werden. Bild 12: Einbau einer Kompakten Asphaltbefestigung „heiß auf heiß“ in einer Breite zwischen 9,75 m und 11,50 m Der neue Lastfall „besonders hohe Beanspruchungen“ und seine damit verbundenen Auswirkungen und die weiteren in diesem Beitrag vorgestellten Vorschläge sollten daher nicht nur bei der Bearbeitung des Technischen Regelwerks im Asphaltbereich unbedingt berücksichtigt werden, damit auch in Zukunft Asphaltbefestigungen mit einem ausreichenden Vorhaltemaß in Bezug deren Verformungsbeständigkeit hergestellt werden können, sondern könnten auch jetzt schon bei den hierfür in Frage kommenden Baumaßnahmen Berücksichtigung finden. Mit den vorgestellten ersten Erkenntnissen ist es möglich, in ersten Schritten mit den gegenwärtigen Herausforderungen durch den Klimawandel zu begegnen. Wobei einige der hierfür erforderlichen Bausteine bereits vorhanden sind, sie müssen nur entsprechend angewendet werden. Mittels weiterer Forschungen sollten die bisherigen Erkenntnisse weiter untersetzt und gegebenenfalls durch weitere Erkenntnisse und weitere Ideen auf eine noch breitere Basis gestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Nachhaltigkeit der Asphaltbauweise in allen Anwendungsbereichen noch weiter zu stärken. 9 DanksagungDie vorgestellten Ergebnisse stammen aus einer projektvorbereitenden Studie, die von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in Abstimmung mit dem Bundeministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) beauftragt wurde. Dem Referat Straßenbautechnik und Straßenerhaltung des BMVI sowie dem Referat Asphaltbauweisen der BASt wird an dieser Stelle für die sehr kooperative Zusammenarbeit mit beiden Institutionen ausdrücklich gedankt. Ohne die Unterstützung des Amts für Straßen und Verkehr der Freien Hansestadt Bremen, der Autobahn GmbH des Bundes, Niederlassung Nordwest, Außenstelle Verden und der Shell Deutschland GmbH wäre die Arbeit nicht möglich gewesen. Den Firmen HOCHTIEF infrastructure GmbH und JOHANN BUNTE Bauunternehmung GmbH & Co. KG, zusammengeschlossen in der BAUARGE A6West, wird ebenfalls für die zur Verfügungstellung von aktuellen Projektdaten sehr gedankt. Ganz persönlich möchte sich der Autor bei der Co-Autorin der Projektstudie, Frau Dr.-Ing. Verena Rosauer bedanken, mit der er über 15 Jahre sehr vertrauensvoll zusammengearbeitet hat und die mit Ihrem Teil der Arbeit maßgeblich zum Gelingen der Projektstudie beigetragen hat. Literaturverzeichnis
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