Ausgangspunkt der Betrachtungen sind Defizite der zurzeit in der Praxis angewandten Methoden zur Bewertung der Asphalteigenschaften, zur Dimensionierung der Befestigung, zur Optimierung der Baustoffeigenschaften und letztlich auch zur Qualitätssicherung. Dies ist umso bedeutsamer, als das in Anbetracht der bereits erreichten und der noch zu erwartenden Steigerung der Verkehrsbelastung und der Veränderung des Klimas dringender Handlungsbedarf besteht. Die im Beitrag aufgeführten Beispiele zeigen, wie sich bei detaillierter Betrachtung der Zusammenhänge die Defizite erkennen lassen und Grundlagen zur Lösung dieser geschaffen werden können bzw. bereits geschaffen sind.

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

1 Einleitung

Straßenbefestigungen, der heutigen Struktur gleichend, werden seit ca. 5000 Jahren in den verschiedensten Varianten gebaut. Zur Verteilung der Lasten ursprünglich aus Wagenrädern, später Kraftfahrzeugrädern wurde der heute als Oberbau bezeichnete Bauwerkskörper aus verschiedenen Schichten aufgebaut. Die Aufgabe dieses Bauwerkes bestand zunächst nur darin, die Lasten so zu verteilen, dass die Beanspruchung des anstehenden Bodens auf ein Maß reduziert wird, welches schädliche Verformungen durch die Belastung ausschließt. Diese Aufgabe sollte zu allen Jahreszeiten erfüllt werden; das bedeutet, dass Frostschäden, Schäden aus reduzierter Tragfähigkeit infolge Wassereinwirkung/Wassersättigung ausgeschlossen sein sollten.

Mit der Entwicklung des modernen Verkehrs seit Beginn des 20. Jahrhunderts wurden zusätzliche Kriterien eingeführt, z. B. der Fahrkomfort, weitestgehende Sicherheit auch bei widrigen Wetterverhältnissen sowie die Wirtschaftlichkeit des Bauwerks bei gesamtheitlicher Betrachtung aller Aufwendungen von den Bau- bis zu den Nutzerkosten. Die Dauerhaftigkeit des Bauwerkes und Überlegungen zur Reduzierung der Kosten für Herstellung und Erhaltung/ Erneuerung des Oberbaus sowie der Nutzer infolge von Stauereignissen, Umleitungen sowie Unfällen mussten dabei berücksichtigt werden.

Trotz des daraus resultierenden sehr hohen Anspruchs an Planung, Entwurf und Ausführung des Bauwerkes Straße wurde weltweit bisher fast ausschließlich den sogenannten empirischen Ansätzen zur Einschätzung der Qualität und Leistungsfähigkeit der Straßenbaustoffe sowie zur Dimensionierung von Oberbauten nach den o. g. Kriterien der Vorrang gegeben. In Deutschland werden für konventionelle Bauverträge nach wie vor Straßenbefestigungen nach den auf Erfahrung beruhenden Schichtdickenfestlegungen standardisiert vorgegeben, statt – wie im übrigen Bauingenieurwesen auf der Basis von Berechnungen üblich – dimensioniert. Die Qualität der Baustoffe selbst wird auf der Grundlage von einfachen Versuchen eingeschätzt. Die Qualität des Baustoffes Asphalt wird beispielsweise hauptsächlich mit für die Baustoffkomponenten festgelegten Anforderungen wie z. B. Nadelpenetration, Erweichungspunkt Ring und Kugel (für Bitumen) oder Vorgaben zur Korngrößenverteilung (für die Zuschlagstoffe) und Anforderungen bezüglich der Zusammensetzung (Bindemittelgehalt, Hohlraumgehalt usw.) definiert. Eine Prüfung des Verhaltens der Baustoffe unter gebrauchsrelevanten Beanspruchungen findet nicht bzw. nur sehr vereinfacht und wenig aussagefähig statt.

Mit ständig steigenden Mobilitätsanforderungen der Gesellschaft, zunehmender Industrialisierung (Straße als „Lagerfläche“ der Industrie) und kontinuierlich wachsenden Handelsbeziehungen einer globalisierten Wirtschaft vollzog sich eine Steigerung der Verkehrsbelastung während der vergangenen zwei bis drei Jahrzehnte in einer noch nicht dagewesenen und nicht vorhersehbaren Größenordnung. Der Straßengüterverkehr in der Bundesrepublik verfünffachte sich von weniger als 100 Mrd. tkm im Jahre 1980 auf ca. 500 Mrd. tkm im Jahre 2010. Die Prognosen für die kommenden 30 Jahre zeigen diesbezüglich keine Entspannung. Es wird eine nochmalige Verdopplung bis Verdreifachung der Straßengüterverkehrsmenge in den kommenden Jahrzehnten prognostiziert. Damit geht einher, dass die zu erwartenden Veränderungen der klimatischen Bedingungen negative Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit der Befestigungen haben werden und zusätzlich die Verknappung der Ressourcen eine Verteuerung der Baustoffe und damit eine weitere Verschärfung der finanziellen Situation für die Herstellung der Befestigungen bewirken werden.

Hieraus leitet sich die dringende Notwendigkeit ab, die Straße als Bauwerk zukünftig detaillierter und auf wissenschaftlich und mechanisch fundierter Basis zu betrachten. Auf der Grundlage der Struktur dieses Bauwerkes und unter Berücksichtigung der zu erwartenden Verkehrsbelastung sowie den zu erwartenden klimatischen Bedingungen muss zukünftig die Optimierung der Baustoffe sowie die des gesamten Bauwerkes mit der Zielsetzung der Entwicklung von Straßenbefestigungen mit hoher Resistenz gegenüber den einwirkenden Belastungen erfolgen. Wenn auch in den vergangenen 10 bis 15 Jahren entsprechende Anstrengungen auf wissenschaftlichem Gebiet unternommen wurden, Dimensionierungs- und Prognoseverfahren zu entwickeln, und in Deutschland ein erstes rechnerisches Dimensionierungsverfahren in Form einer Richtlinie für Asphalt- und Betonbefestigungen eingeführt und ein Prognoseverfahren in Form einer Richtlinie für Asphaltbefestigungen [RSO Asphalt E 18] entwickelt wurde, hat sich eine breite praktische Anwendung dieser Verfahren noch nicht durchgesetzt. Es bleibt zu hoffen, dass in den kommenden Jahren ein Umdenken stattfindet. Mit den bisher angewendeten empirischen Methoden zur Dimensionierung und Prognose kann eine funktionierende Straßeninfrastruktur in wirtschaftlicher Weise nicht mehr gebaut und erhalten werden.

Es soll gezeigt werden, dass auf der Grundlage der Betrachtung der Struktur der Asphaltbefestigungen signifikante Einflussfaktoren auf die Dauerhaftigkeit eruiert werden können. Als Kriterium für die Dauerhaftigkeit der Struktur wurde in diesem Beitrag die Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdungsrissbildung in der Asphalttragschicht gewählt. Die Betrachtung weiterer Kriterien, wie die ermüdungs- und kältebedingte Rissbildung oder die Spurrinnenbildung in der Asphaltdecke, wäre ebenso interessant. In ähnlicher Weise detaillierte Darstellungen zu den genannten anderen Kriterien für Asphaltbefestigungen und für Betonbefestigungen würden den Rahmen dieses Beitrages sprengen und werden später veröffentlicht. 

2 Stand der Technik

2.1 Stand gemäß Regelwerk

Die Struktur eines Asphaltoberbaus ist beispielhaft in Bild 1 dargestellt. 

Bild 1: Asphaltoberbau nach den RStO 12 [RStO 12] 

Die Asphalte werden konventionell auf der Grundlage eines sehr umfangreichen Regelwerkes nach Anforderungen an die Baustoffkomponenten, an die Zusammensetzung des Asphaltes sowie an einfache Eigenschaften der Schichten im eingebauten Zustand (Hohlraumgehalt, Verdichtungsgrad) standardisiert definiert. Die an diese Anforderungen an die Baustoffe angepasste Dimensionierung der Oberbauten kann auf zwei Wegen erfolgen. Der erste, sehr einfache Weg zur Dimensionierung des Oberbaus ist das Verfahren nach den RStO (Standardisierung) [RStO 12]. Hier werden für bestimmte Belastungsbedingungen, klimatische Bedingungen und Untergrund/Unterbauverhältnisse Schichtdicken standardisiert vorgegeben. Eine Dimensionierung auf der Grundlage verschiedener Nachweise der Resistenz der Struktur gegenüber z. B. Ermüdungsbeanspruchung infolge zyklischer Belastung ist hier nicht gefordert. Die Dicke der Gesamtkonstruktion zur Gewährleistung der Frostsicherheit des Bauwerkes wird in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der anstehenden Böden bzw. der Böden des Unterbaus ebenfalls standardisiert vorgegeben. Die Schichtdicken sowie die Gesamtdicke der Befestigungen wurden empirisch auf der Grundlage von Erfahrungen festgelegt. Dieses Dimensionierungsverfahren (Standardisierung) wird bis heute fast ausschließlich angewendet.

Das nachfolgend beschriebene rechnerische Verfahren wird nur in Ausnahmefällen (Nebenangebote, PPP-Projekte, Funktionsbauverträge) angewendet. Die hierfür eingeführten Richtlinien, die RDO Asphalt [RDO Asphalt 09], beinhalten derzeit ein Verfahren, welches im Rahmen der Dimensionierung den rechnerischen Nachweis der einzelnen Schichten nach den Kriterien der Ermüdungs- und Verformungsbeständigkeit beinhaltet. Für die Baustoffe wird linear-elastisches Verhalten, für die Asphalte werden jedoch temperatur- bzw. frequenzabhängige Steifigkeitsmoduln angenommen. Die für die Nachweisführung in den Asphaltschichten erforderlichen Materialeigenschaften, beschrieben durch die sog. Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion und Ermüdungsfunktion, werden für die zur Anwendung vorgesehenen Asphalte mit Hilfe von Versuchen ermittelt, die Versuchsdurchführung ist beschrieben in der AL Sp-Asphalt [AL Sp-Asphalt 09] bzw. zukünftig in den TP Asphalt, Teile 24 und 26 [TP Asphalt-StB, Teil 24] [TP Asphalt-StB, Teil 26]. Zur Abbildung des gesamten Achslast- und Temperaturspektrums während eines Jahres werden vereinfachte Annahmen für – die Belastung mit Einteilung der Klassenbreiten für die Achslasten (derzeit 11 Achslastklassen von 0-2t, 2-4t, ... > 22 t) mit einer entsprechend der Verkehrssituation zuzuordnenden Häufigkeitsverteilungen der Klassen und – die Temperaturverläufe über das Asphaltschichtenpaket (derzeit 13 Verläufe für die Oberflächentemperaturklassen von -15 °C bis -10 °C, -10 °C bis -5 °C … +45 °C bis +50 °C) mit einer entsprechend der geografischen Lage zuzuordnenden Häufigkeitsverteilungen der Klassen

getroffen. Daraus ergeben sich derzeit aber immerhin 13*11 = 143 Belastungszustände (zukünftig bis zu 200*22 = 4400), welche in den Dimensionierungs-/Prognoseberechnungen Berücksichtigung finden müssen. Die Bewertung der einzelnen, den Belastungszuständen zuzuordnenden Lastzyklen bezüglich des „Verbrauchs“ an Nutzungsdauer erfolgt dann nach der Hypothese von MINER. Die modellbedingten Abweichungen der berechneten Ergebnisse zur Realität werden derzeit mithilfe eines Sicherheitskonzeptes abgedeckt. Die hierfür erforderlichen Sicherheitsbeiwerte (Gesamtsicherheitsbeiwerte) wurden durch Kalibrierrechnungen an den derzeit standardisierten Dicken der Oberbauten (RStO) unter der Annahme ermittelt, dass diese Oberbauten für bestimmte Kalibrierbedingungen (Annahmen für die Baustoffeigenschaften, Belastungen und Temperaturen) eine Nutzungsdauer von 30 Jahren erreichen. 

2.2 Bewertung und weiteres Vorgehen für das Regelwerk

Es stellt sich die Frage, ob mit dem beschriebenen Verfahren zur Standardisierung (RStO 12) sowie den entsprechend hinterlegten weiteren Regelwerken zur Festlegung der Gemischzusammensetzung bzw. Anforderungen hierzu z. B. [TL Asphalt-StB 07/13], [ZTV Asphalt-StB 07/13] eine ausreichend sichere Vorgehensweise für ein zielsicheres Erreichen der Dauerhaftigkeit, insbesondere bezüglich der erforderlichen Verformungsbeständigkeit und des erforderlichen Ermüdungswiderstandes der Baustoffe und der Struktur, möglich ist. Anforderungen z. B. an das Verformungs- oder Ermüdungsverhalten der Asphalte sind trotz des inzwischen eingeführten Regelwerkes zu rechnerischen Dimensionierung [RDO Asphalt 09] bisher (noch?) nicht definiert.

Wegen der Verwendung von Bitumen als „Bindemittel“ und Gesteinskorngemischen als Zuschlagstoff zeigt der Asphalt spannungsabhängiges elastisch und plastisch viskoses Stoffverhalten. Bedingt durch die stark temperaturabhängige Viskosität des Bindemittels erzeugen gleiche Lasten auf den gleichen Oberbauten jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen deutlich unterschiedliche Beanspruchungszustände und Belastungsreaktionen. Trotzdem werden auch weiterhin zunächst vereinfacht linear-elastisches und temperatur- und frequenzabhängiges Stoffverhalten für die Asphalte vorausgesetzt. Auch wird vorläufig für die Tragschichten ohne Bindemittel linear-elastisches Verhalten vorausgesetzt, obwohl das nichtlineare Verhalten dieser lange bekannt ist. Zur Bewertung der Schädigungen, welche durch die einzelnen Lastzyklen bei den verschiedenen Belastungsbedingungen hervorgerufen werden, bleibt die Schadenshypothese von MINER in Diskussion. Wenn auch an der Professur Straßenbau der TU Dresden durchgeführte Untersuchungen gezeigt haben [Wellner, 2012 u. a.], dass mit dieser Hypothese durchaus akzeptable Ergebnisse errechnet werden können, ist hier möglicherweise Bedarf für weiterführende vertiefte Forschung.

Zur weiteren Verbesserung der Aussagekraft und Realitätsnähe ist in Diskussion, die Straßenbelastung erweitert gegenüber den o. g. Festlegungen in den RDO Asphalt [RDO Asphalt 09] anhand von sogenannten Achslastkollektiven mithilfe von 22 Achslastklassen (1-t-Klassen, ab 1 bis 2 t bis > 22 t) und zugeordneten Häufigkeiten des Auftretens zu beschreiben. Die auftretenden Temperaturen in den Asphaltschichten während des Jahres und im Tagesverlauf sollten zur Verbesserung der Realitätsnähe in einem nächsten Schritt mit mindestens 200 verschiedenen Temperaturverläufen bei definiert vorgegebenen Oberflächentemperaturen und Häufigkeiten des Auftretens dieser beschrieben werden. Durch Kombination dieser Belastungsbedingungen ergeben sich daraus dann bis zu 22*200 = 4.400 Belastungszustände. Der dadurch entstehende Rechenzeitaufwand muss trotzdem in praxisrelevanten Grenzen gehalten werden.

Weiterhin werden die Asphaltschichten des Oberbaus in der Regel nacheinander und „heiß auf kalt“ hergestellt. In dem im Bild 1 dargestellten Oberbau ergeben sich hieraus Schichtgrenzen

– zwischen der Asphaltdeck- und Asphaltbinderschicht der Asphaltdecke,

– zwischen der Asphaltdecke und der Asphalttragschicht und

– zwischen der 1. und der 2. Lage/Schicht der Asphalttragschicht ab ca. 18 cm Gesamtdicke dieser wegen des dann aus Verdichtungsgründen in der Regel erforderlichen zweischichtigen bzw. -lagigen Einbaus.

Der Verbund zwischen den Asphaltschichten wird nach derzeitigem Stand der Technik durch Ansprühen der Oberfläche der unteren in der Regel bereits erkalteten Schicht mit Bitumenemulsion vor Einbau der oben aufliegenden Schicht hergestellt. Mit dieser Art und Weise soll ein Verbund zwischen den Schichten erzeugt werden, welcher eine dauerhafte und weitgehend starre Verklebung in den Verbundebenen gewährleistet. Das zur Verklebung verwendete Bitumen ist jedoch im Gebrauchstemperaturbereich der Straße eine Flüssigkeit mit temperatur- und frequenzabhängiger Viskosität. An der Straßenoberfläche können bei intensiver Sonneneinstrahlung im Sommer Temperaturen zwischen 50 °C und maximal 60 °C erreicht werden. In der ca. 4 cm tiefer liegenden Grenzebene zwischen Deck- und Binderschicht sind die Temperaturen nicht wesentlich anders als an der Oberfläche. Wirkt das Bitumen bei diesen Bedingungen als Klebstoff oder als Gleitmittel? Vorausgesetzt das Letztere ist der Fall, welche Auswirkungen auf die Beanspruchungen und auf den Verformungs- und Ermüdungswiderstand des Asphaltoberbaus hat das? Hierzu sind Untersuchungen am Institut Stadtbauwesen und Straßenbau durchgeführt worden, auf welche später noch eingegangen wird.

Weitere Fragestellungen, wie z. B. die nach der Auswirkung der Alterung von Bitumen durch oxidative und destillative Vorgänge, werden derzeit in der Fachwelt intensiv diskutiert. Die durch Alterung einsetzende Versprödung hat wesentliche Auswirkung auf das Verformungsverhalten der Befestigung und infolge der durch Alterung verminderten Relaxationsfähigkeit des Asphaltes Auswirkung auf den Beanspruchungszustand in der Struktur insbesondere bei niedrigen, winterlichen Temperaturen in bedeutendem Maße.

Die angesprochenen Sachverhalte zeigen einen erheblichen Forschungsbedarf auf, welcher inzwischen weltweit erkannt und teilweise schon seit Jahrzehnten zu breit angelegten Initiativen geführt hat. Einige im Folgenden dargestellten Details sollen die angesprochene Problematik weiter verdeutlichen.

3 Stand der Forschung

3.1 Vorbemerkung

Sowohl national als auch international ist eine intensive Forschungstätigkeit zur Entwicklung verbesserter Verfahren zur Dimensionierung von Oberbauten, zur Prognose des Verhaltens der Befestigungen sowie zur Verbesserung der Annahmen für die Verkehrs- und Klimabelastung für diese Verfahren zu erkennen. Die Forschung führte bereits zur Erweiterung des Verständnisses über das Verhalten der Baustoffe und der Struktur des Bauwerkes Straße sowie dessen Auswirkung auf die Beanspruchung in den Schichten und letztlich auf die Nutzungsdauer der Oberbauten. Im Folgenden sollen Beispiele hierzu gezeigt werden. 

3.2 Bewertung mit Hilfe bisheriger einfacher Ansätze – Kriterium Ermüdung

Beispiel 1

Unter Verwendung der o. g. Verfahren wurden im Rahmen des FE 04.0202/2005/ARB [Wellner u. a. 2005] für drei im Labor hergestellte Asphalte Berechnungen zur Nutzungsdauer unter folgenden Annahmen/Voraussetzungen durchgeführt:

– gleiche Verkehrsbelastung,

– gleicher Oberbau (gleiche Schichtdicken),

– gleiche Temperaturbedingungen,

– gleiche Asphaltzusammensetzung nach den Anforderungen des Regelwerkes.

Für die Zuschlagstoffe wurde ein Gesteinskornmaterial aus nur einem Steinbruch mit durch Laborabsiebung erzeugter Korngrößenverteilung verwendet. Der (einzige) Unterschied der Asphalte bestand darin, dass Bitumen 50/70 (nach Regelwerk gleiche Klassifizierung) aber unterschiedlicher Hersteller (Herkunft) eingesetzt wurde. An den aus diesen Asphalten hergestellten Probekörpern wurde nach der damals analog zur später veröffentlichten Arbeitsanleitung zur Durchführung der Spaltzugschwellversuche [AL Sp-Asphalt 09] die Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion sowie die Ermüdungsfunktion bestimmt und den Berechnungen zugrunde gelegt.

Das Bild 2 zeigt das Ergebnis der Berechnungen. Allein durch den Einsatz von Bitumen zwar der gleichen Klassifikation (50/70) aber unterschiedlicher Hersteller werden bei sonst gleichen Bedingungen unterschiedliche Nutzungsdauern von 10 bis 30 Jahren berechnet. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es heute gängige Praxis an Mischanlagen ist, bei Lieferengpässen oder auch aus Preisgründen die Bitumenlieferanten zu wechseln, ohne Überprüfung bzw. Änderung der Asphaltzusammensetzung, wird allein schon durch dieses Beispiel deutlich, dass ein sicheres Anzielen einer gewünschten oder vorgegebenen Nutzungsdauer in der Praxis mit den auf Empirie basierenden Dimensionierungsmethoden in Kombination mit den im weiteren Regelwerk definierten Anforderungen nicht möglich sein wird. 

Bild 2:Berechnete Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung bei Herstellung der Asphalte mit Bindemittel unterschiedlicher Hersteller und sonst gleichen Bestandteilen und Bedingungen

Beispiel 2

Ausgehend von diesem ersten Beispiel bestand das Ziel weiterer Untersuchungen am Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau [Wellner u. a. 2011] in der Bestimmung des Einflusses der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf deren Gebrauchseigenschaften sowie dessen Auswirkung auf die Dauerhaftigkeit des Bauwerkes Straße nach dem Ermüdungskriterium. Mit den versuchstechnisch gewonnenen Ermüdungs- und Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen erfolgten die Berechnungen an ausgewählten Oberbauvarianten. Insgesamt wurden aus 18 verschiedenen Asphalttragschichtvarianten der Sorte AC 22 T S Probekörper hergestellt. Dabei erfolgte die Variation der Korngrößenverteilung, des Bindemittelgehaltes, der Bindemittelviskosität und des Bindemittelherstellers. Um den Einfluss der Korngrößenverteilung eines Asphalttragschichtgemisches analysieren zu können, wurde der Siebdurchgang des Gesteinskorngemisches bei 0,063 mm, 2,0 mm und 16,0 mm Korngröße so festgelegt, dass dieser erstens genau mittig im geforderten Toleranzbereich der TL Asphalt-StB [TL Asphalt-StB 07/13] lag (mittlere Korngrößenverteilung = mKGV), zweitens auf der unteren Grenze (grobe Korngrößenverteilung = gKGV) und drittens auf der oberen Grenze des Sieblinienbereiches (feine Korngrößenverteilung = fKGV) einer AC 22 T S lag. Der erforderliche Mindest-Bindemittelgehalt B_min ergab sich gemäß TL Asphalt-StB auf der Grundlage der ermittelten Rohdichte des verwendeten Gesteinskörnungsgemisches (Amphibolit) für alle Korngrößenverteilungen zu B_min3,5. Die Bindemittelgehalte wurden dann in 0,5 M.-% bzw. in 1,0 M.-%-Schritten bis max. 6,5 M.-% erhöht. Bei den verwendeten Bindemitteln handelt es sich um Straßenbaubitumen 50/70 zweier Bindemittelhersteller (A und B) sowie um Straßenbaubitumen 30/45 (A) eines der beiden Bindemittelproduzenten. In der Tabelle 1 ist eine Übersicht der geprüften Asphalttragschichtvarianten dargestellt.

Tabelle 1: Untersuchten Asphaltvarianten (= Asphaltgemische)

Aus der Tabelle 1 ergibt sich die Bezeichnung der jeweiligen Gemischvariante in folgender Art und Weise: mKGV 3,5 M.-% 50/70 A bedeutet: Mittlere Korngrößenverteilung, Bindemittelgehalt 3,5 M.-%, Bitumen 50/70 des Herstellers A. Diese Bezeichnungen/Abkürzungen finden sich in den folgenden Abbildungen wieder.

Die für diese Gemischvarianten bestimmten Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen sind im Bild 3, die Ermüdungsfunktionen im Bild 4 dargestellt.

Die Gemischvarianten zeigen signifikante Unterschiede bei den Steifigkeiten. Der „weichste“ Asphalt weist bei 10 °C lediglich 7.500 MPa der steifste Asphalt den doppelten Betrag von 15.000 MPa auf.

Analog zeigen sich große Unterschiede in den Ermüdungsfunktionen. Der Asphalt mit dem geringsten Ermüdungswiderstand konnte z. B. bei 0,1 ^o/_oo elastischer Anfangsdehnung nur 2.000 Lastzyklen bis zum Versagen des Probekörpers im Versuch ertragen, der Asphalt mit dem höchsten Ermüdungswiderstand konnte demgegenüber ca. 12.000 Lastzyklen widerstehen. 

Bild 3: Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion für alle untersuchten Asphalttragschichtgemische 

Bild 4: Ermüdungsfunktion für alle untersuchten Asphalttragschichtgemische

Das Bild 5 zeigt die Schichtdickenanpassung, welche zur Erlangung derselben rechnerischen Nutzungsdauer für die verschiedenen Asphaltvarianten notwendig ist. Die Berechnungen wurden für die Oberbauvariante gemäß Bild 1 vorgenommen. Die Annahme der Verkehrsbelastung erfolgte so, dass für die frei gewählte Referenzvariante fKGV 30/45-A bei einem Bindemittelgehalt von 5 % keine Schichtdickenanpassung notwendig ist. Zwei wesentliche Aussagen lassen sich aus diesen Ergebnissen ableiten:

– Bindemittelgehalt, Korngrößenverteilung sowie Bindemittelviskosität haben bereits bei geringer Variation einen signifikanten Einfluss auf die Ermüdungsresistenz der Asphalte und damit des Oberbaus

– es ist offensichtlich möglich, anhand der hier angewandten Methodik optimale Bindemittelgehalte für vorgegebenen Korngrößenverteilungen und Bindemittelviskositäten zu bestimmen. 

Bild 5: Schichtdickenanpassung zur Erlangung derselben rechnerischen Nutzungsdauer in Abhängigkeit von Bindemittelgehalt und Korngrößenverteilung

Die absoluten Unterschiede in den erforderlichen Schichtdickenanpassungen zeigen äußerst deutlich, dass auf der Grundlage der herkömmlichen empirischen Art und Weise der Dimensionierung und der Festlegung der Gemischzusammensetzungen allein nur auf der Basis von Hohlraumgehaltsbetrachtungen eine gewünschte Nutzungsdauer zielsicher nicht erreicht werden kann. Detaillierte Betrachtungen zur Optimierung der Asphalte und Abstimmung auf die Struktur des Bauwerkes sind zumindest für den Bereich mit hohen und sehr hohen Belastungen und Frequentierungen zwingend erforderlich. 

Beispiel 3

In der Regel besteht das Asphaltpaket einer Straßenbefestigung aus Asphaltdeck-, Asphaltbinder- und Asphalttragschicht. Der Schichtenverbund soll die Übertragung von Scher- und Normalspannungen zwischen den Asphaltschichten ermöglichen und wirkt über die Verzahnung der Gesteinskörner in der Schichtengrenzfläche, die Reibung zwischen den Gesteinskörnern und die Verklebung mit Bitumen.

Die entstehenden, teilweise extremen Schubbeanspruchungen an den Schichtengrenzflächen müssen so aufgenommen werden, dass horizontales Gegeneinandergleiten der Schichtengrenzflächen weitestgehend ausgeschlossen wird. Fehlender oder verminderter Schichtenverbund verändert den Beanspruchungszustand in der gesamten Befestigung so, dass es zu einer signifikanten Reduzierung der Nutzungsdauer infolge vorzeitiger Materialermüdung kommen kann. Damit alle Schichten der Asphaltbefestigung bei Belastung des Oberbaus als Einheit wirken können und an der Schichtengrenzfläche keine bzw. nur sehr geringe Relativverschiebungen zwischen den Schichten stattfinden, muss ein möglichst steifer und dauerhafter Schichtenverbund angestrebt werden.

Auch hierzu wurden Untersuchungen am Institut Stadtbauwesen und Straßenbau und an dem Institut für Straßenwesen der TU Braunschweig durchgeführt [Wellner 2015]. Das Ziel bestand darin, die Wirksamkeit des Schichtenverbundes durch funktionale Zusammenhänge zwischen Schersteifigkeit, Temperatur, Belastungsfrequenz und Normalspannung auf der Grundlage von Experimenten zu bestimmen. Mithilfe des Finite-Elemente-Programmes SAFEM, implementiert in das Verfahren zur rechnerischen Dimensionierung von Asphaltbefestigungen in Anlehnung an die RDO Asphalt [RDO Asphalt 09], sollten des Weiteren Rückschlüsse zur Auswirkung des Schichtenverbundes auf die Nutzungsdauer der Straßenbefestigung (Ermüdungskriterium) gezogen werden.

Mithilfe zyklischer Versuche mit einer neu entwickelten Vorrichtung zur Prüfung der Schersteifigkeit in der Verbundebene zwischen zwei Schichten an zylindrischen Probekörpern konnte das Verständnis zur Wirksamkeit des Schichtenverbundes erweitert werden. Dabei erfolgte die Berücksichtigung der Temperatur, der Scherbelastung (zyklisch) sowie deren Belastungsfrequenz und der Normalspannung. Die Schersteifigkeiten sind bei unterschiedlicher Beschaffenheit und unterschiedlichem Verschmutzungsgrad der Oberfläche der Schichten, Bitumenemulsionsarten und -mengen experimentell ermittelt worden.

Aus den Versuchen ergab sich zunächst eine deutliche Abhängigkeit der Schersteifigkeit von

– der Temperatur,

– der Frequenz der Scherbelastung und

– der Normalspannung.

Weniger deutlich, aber erkennbar zeigte sich die Abhängigkeit der Schersteifigkeit von

– der Oberflächengestalt der Schichten und

– dem Verschmutzungsgrad.

Es konnte festgestellt werden, das Bitumen als Klebstoff eine nur sehr geringe Schersteifigkeit (auch bei winterlichen Temperaturen in keinem Fall über 100 MPa/mm) erzeugt und gegenüber den Asphaltschichten bei vergleichbaren Temperaturen und Belastungsfrequenzen um einen Faktor von 10 bis 100 geringer ist. Bei sommerlichen Temperaturen und bei geringer bzw. nicht vorhandener Normalspannung tendiert die Schersteifigkeit gegen Null (entspricht einer Gleitschicht).

Aus den Versuchsergebnissen konnten sigmoidale Masterfunktionen zur Beschreibung der Schersteifigkeit für verschiedene Zustände abgeleitet werden. Aus allen Versuchen wurde die Funktion für die schlechteste Schersteifigkeit als „bad case“, die für die höchste Schersteifigkeit als „good case“ bezeichnet, herausgefiltert. Weiterhin wurden am Institut für Straßenwesen der TU Braunschweig Scherermüdungsversuche durchgeführt. Aus diesen war erkennbar, dass nach dem ermüdungsbedingten Bruch der Verklebung zwischen den Schichten nur noch Reibung/Verzahnung in Abhängigkeit von der Normalspannung wirksam ist. Auch aus diesen Versuchen wurde für den schlechtesten Fall eine Funktion als Grundlage für die Berechnungen aufgestellt. Diese Funktionen wurden in das Finite-Elemente-Programm SAFEM, entwickelt an der RWTH Aachen, Institut für Straßenwesen, implementiert. Aus den Berechnungen bei Anwendung des Verfahrens der rechnerischen Dimensionierung nach den RDO Asphalt [RDO Asphalt 09] konnte der Verlauf des Ermüdungszustandes über die Nutzungsdauer für den vollständigen (starr), den guten (Good Case), den schlechten (Bad Case), den vollständig ermüdeten und den vollständig aufgelösten (gleiten) Schichtenverbund für die im Bild 1 dargestellte Asphaltbefestigung ermittelt werden.

Um die Auswirkungen des verminderten Schichtenverbundes auf das Ermüdungsverhalten von Asphaltkonstruktionen zu untersuchen, wurden mithilfe des Finite-Elemente-Programms SAFEM Prognoseberechnungen entsprechend dem Verfahren nach den RDO Asphalt [RDO Asphalt 09] durchgeführt. Dafür wurden fünf verschiedene Schichtenverbundkonfigurationen für die Schichtgrenzen zwischen Deck- und Binder- sowie zwischen Binder- und Tragschicht (Tragschicht einlagig angenommen) angesetzt:

– Vollständiger Schichtenverbund:

   ● in den Versuchen nicht festgestellt

   ● obere und untere Asphaltschicht sind starr miteinander verbunden

– „Good Case“: jeweils bester, an den labortechnisch hergestellten Probekörpern gemessener Schichtenverbund

– „Bad Case“: jeweils schlechtester, an den labortechnisch hergestellten Probekörpern gemessener Schichtenverbund

– Vollständig ermüdeter Schichtenverbund: an den labortechnisch hergestellten Probekörpern in Langzeitversuchen festgestellter, normalspannungsabhängiger, temperaturunabhängiger Schichtenverbund (TU Braunschweig)

– Vollständig aufgelöster Schichtenverbund:

   ● in den Versuchen nicht festgestellt

   ● obere und untere Asphaltschicht gleiten reibungsfrei aufeinander.

Die Berechnungen sind für eine Bauweise gemäß Bild 1 und für eine sehr hohe Verkehrsbelastung und -frequentierung durchgeführt worden (Bild 6). Ermüdungsstatus 100 % bedeutet das Ende der rechnerische Nutzungsdauer. Die Verkehrsbelastung wurde so gewählt, dass für den „Good Case“ 30 Jahre Nutzungsdauer erreicht werden können. Interessant ist, dass ein vollständiger Verbund bei sonst gleichen Bedingungen eine rechnerische Nutzungsdauer weit über 30 Jahre gewährleisten würde, demgegenüber alle anderen realitätsnahen Fälle deutlich unter 30 Jahre liegen. 

Bild 6: Verlauf der Schädigung infolge Ermüdung für verschiedene Verbundkonstellationen 

Diese Ergebnisse aus drei Beispielen zeigen ebenfalls sehr deutlich, dass erst mit detaillierten Betrachtungen zur Struktur und unter Zugrundelegung von Ergebnissen aus Performanceprüfverfahren die Auswirkung eines der maßgebendsten Einflussfaktoren auf die Nutzungsdauer – dem Schichtenverbund – realitätsnah abgeschätzt werden kann. Erst darauf aufbauend können sinnvolle bautechnische Lösungen entwickelt werden.

4 Ausblick

Die im Abschnitt 3 dargestellten Beispiele zeigen sehr deutlich die dringende Notwendigkeit der besseren Berücksichtigung der relevanten Asphalt-/Schichtenverbundeigenschaften. Es ist dringend erforderlich, verbesserte Methoden zur Charakterisierung des Materialverhaltens, der Schersteifigkeit usw. als Grundlage für ein verbessertes Verständnis der Beanspruchung sowie zum Verhalten der einzelnen Schichten im Oberbau zu entwickeln und in Praxis einzuführen.

Es sind bereits verschiedene Forschungsprojekte, finanziert über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften (AIF), das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) bzw. das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) erfolgreich abgeschlossen worden. Wenn auch im Rahmen von PPP-Projekten „Performance“ im umfassenden Sinne inzwischen Anwendung fand, sind bei der weitaus größeren Zahl konventioneller Bauverträge derartige Überlegungen nach wie vor nicht zu finden. Es wäre wünschenswert, wenn sich das in den kommenden Jahren verändern könnte.

Literaturverzeichnis

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[TL Asphalt-StB 07/13]: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Asphaltmischgut für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen (TL Asphalt-StB 07/13), Ausgabe 2007/Fassung 2013, Köln (FGSV 797)

[ZTV Asphalt-StB 07/13]: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB 07/13), Ausgabe 2007/Fassung 2013, Köln (FGSV 799)

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[TP Asphalt-StB, Teil 24]: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB), Teil 24 Spaltzug-Schwellversuch – Beständigkeit gegen Ermüdung, Köln (FGSV 756/24)

[TP Asphalt-StB, Teil 26]: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB), Teil 26 Spaltzug-Schwellversuch – Bestimmung der Steifigkeit, Köln (FGSV 756/26)

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[Wellner, F. u.a. 2012] : W e l l n e r, F.; W e i s e, Chr.: Schadensakkumulation bei unterschiedlicher Beanspruchung unter Berücksichtigung von Heilungs- und Affinitätseinflüssen an ausgewählten Asphalten von der DFG gefördertes Forschungsvorhaben Nr. WE 1642/5-1, Abschlussbericht, Dresden, 2012

[Wellner, F. u.a. 2011] : W e l l n e r, F.; D r a g o n, I.: Einfluss der Gemischzusammensetzung auf die primären Gebrauchseigenschaften von Asphalt, vom BMWI über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördertes Forschungsvorhaben Nr. 15624 BR/1, Abschlussbericht, Dresden, 2011

[Wellner, F. 2015]: W ellner, F.; Hristov, B.; Wistuba, M.; Isailovi c, I; Büchle r, S.: Zyklische Schersteifigkeits- und Scherermüdungsprüfung zur Bewertung und Optimierung des Schichtenverbundes in Straßenbefestigungen aus Asphalt, vom BMWI über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvorhaben „Otto von Guericke” e. V. (AIF) gefördertes Forschungsvorhaben Nr. 17634 BG, Abschlussbericht, Dresden, 2015