Die Dauerhaftigkeit einer Straßenbefestigung ist von einer Reihe von Einflussfaktoren abhängig, wie zum Beispiel die bei der Herstellung von Asphaltmischgut zulässigen Schwankungen der Mischgutzusammensetzung. Diese zulässigen Toleranzen sind dabei in der DIN EN 13108-21 festgelegt und müssen vom Mischguthersteller eingehalten werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes FE 7.0236/2010/AGB („Grundlagen für die Beurteilung der dimensionierungsrelevanten Eigenschaften und der Wirtschaftlichkeit von Oberbaubefestigungen aus Asphalt“) war zu untersuchen, welche signifikanten Auswirkungen diese zulässigen Toleranzen bei der Asphaltmischgutherstellung auf die dimensionierungsrelevanten mechanischen Asphalteigenschaften und somit auf die Dauerhaftigkeit einer Straßenbefestigung haben. Die Ermittlung der dimensionierungsrelevanten Asphalteigenschaften erfolgte mit dem SpaltzugSchwellversuch nach AL Sp-Asphalt 09 an drei Asphaltmischgutsorten (SMA 8 S, AC 16 B S und AC 32 T S), welche jeweils  systematisch bezüglich ihrer Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes unter Ausreizung der maximal zulässigen Toleranzen der DIN EN 13108-21 variiert wurden. Die Auswirkungen auf die Nutzungsdauer fiktiver Asphaltbefestigungen wurden mittels des Dimensionierungsverfahrens der RDO Asphalt 09 untersucht.

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

1 Einleitung und Zielstellung

Mit Hilfe der in den „Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht“ (RDO Asphalt 09) beschriebenen Verfahrensweise ist es möglich, die Dicken der Befestigungsschichten des Straßenoberbaus in Abhängigkeit von unterschiedlichen mechanischen Kenngrößen der verwendeten Baustoffgemische, detaillierter Verkehrslastdaten sowie klimatischer Einflüsse zu berechnen. Dabei muss im Gegensatz zur Dimensionierungsmethodik der „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen“ (RStO 12) die Beständigkeit der Konstruktionsschichten an ausgewählten maßgebenden Punkten nachgewiesen werden.

Die nach derzeitigem Stand der Technik für den Dimensionierungsprozess relevanten Asphalteigenschaften sind die temperaturabhängigen Steifigkeitsmodule, beschrieben durch die Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion sowie die dehnungsabhängigen Ermüdungslastwechselzahlen, dargestellt durch die Ermüdungsfunktion. Beide Materialeigenschaften werden gemäß der AL Sp-Asphalt 09 mit dem Spaltzug-Schwellversuch ermittelt sowie deren Zusammenhang zu den jeweiligen Prädiktorvariablen Temperatur und Dehnung mit Hilfe von Regressionsanalysen funktional beschrieben.

Die Präzision des Verfahrens zur rechnerischen Dimensionierung hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, zu denen unter anderem

• die verwendete Rechenmethode,
• die eingebundenen rheologischen Modelle der Straßenbaumaterialien sowie
• die Qualität der versuchstechnisch erfassten Materialparameter zählen.

Die Qualität der für den Rechenprozess erforderlichen Materialparameter wird, ein regelkonformer Versuchsablauf vorausgesetzt, wesentlich durch die Variabilität der jeweiligen Materialeigenschaften beeinflusst. Diese Veränderlichkeit der Materialeigenschaften kann durchaus in eine natürliche oder auch endogene Variabilität sowie eine künstliche oder auch exogene Variabilität unterteilt werden. Dabei beschreibt die endogene Variabilität jene Streuungen der Materialeigenschaften, die auf die Inhomogenität des Baustoffs zurückzuführen und somit völlig unabhängig von äußeren Faktoren sind. Dagegen resultiert die exogene Variabilität aus allen (exogenen) Faktoren die von außen und unabhängig von der natürlichen Variabilität Einfluss auf die Schwankungen der Versuchsergebnisse/Materialeigenschaften nehmen.

Exogene Faktoren können erheblichen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit der gesamten Asphaltbefestigung haben. Zu diesen exogenen Faktoren gehören u. a. die bei der Herstellung von Asphaltmischgut zulässigen Schwankungen der Mischgutzusammensetzungen. Diese zulässigen Toleranzen sind dabei in der DIN EN 13108-21 festgelegt und müssen vom Mischguthersteller eingehalten werden. Die in (Arand et al. 1996; Dragon et al. 2011; Lipke et al. 2011; Mollenhauer et al. 2013; Reinhardt 2002 und Lüthje 2000) durchgeführten Untersuchungen lassen vermuten, dass in Folge der zulässigen Toleranzen für die Mischgutzusammensetzungen die dimensionierungsrelevanten mechanischen  Asphalteigenschaften unterschiedlicher Produktionschargen signifikante Schwankungen aufweisen werden.

Ein Ziel des Forschungsprojektes FE 7.0236/2010/AGB (Dragon et al. 2014) war es daher, den Einfluss der nach DIN EN 13108-21 nicht zu beanstandenden Toleranzen bei der Mischgutzusammensetzung auf die Eingangsparameter der rechnerischen Dimensionierung nach den RDO Asphalt und somit auf die Ergebnisse der Dimensionierung zu bestimmen.

2 Untersuchungsmethodik

Für jede Asphaltmischgutsorte, welche an einem Mischwerk hergestellt wird, ist nach TL Asphalt-StB 07 eine Erstprüfung vor der ersten Verwendung durchzuführen. Mit dieser ist der Nachweis zu erbringen, dass das jeweilige Asphaltmischgut den Anforderungen der Technischen Lieferbedingungen entspricht. Für die Leistungserklärung des Mischgutherstellers ist von der Erstprüfung ein Erstprüfungsbericht anzufertigen und aufzubewahren. Die Erstprüfung hat eine Gültigkeitsdauer von 5 Jahren falls keine gravierenden Änderungen bei den verwendeten Gesteinskörnungen (Gewinnungsort, petrografischer Typ, Rohdichte) und dem Bindemittel (Art und Sorte) vorgenommen werden.

Ein weiterer wesentlicher Teil der Leistungserklärung des Asphaltherstellers ist die Durchführung der Werkseigenen Produktionskontrolle (WPK) nach DIN EN 13108-21, welche durch ein Zertifikat einer Überwachungs- und Zertifizierungsstelle zu bestätigen ist. Im Rahmen der WPK werden an der Mischanlage Proben des fertigen Asphaltmischgutes entnommen, welche repräsentativ für die Gesamtproduktion sind DIN EN 13108-21, und u. a. hinsichtlich ihrer Korngrößenverteilung und ihres Bindemittelgehaltes überprüft. Die Ergebnisse der kompositionellen Merkmalsgrößen sind mit den auf die Sollzusammensetzung (Erstprüfung) anzuwendenden Toleranzen nach Tabelle A.1 der DIN EN 13108-21 zu vergleichen und als konform oder nichtkonform einzuordnen. Es wird angenommen, dass die Abweichung (Toleranz) einer Merkmalsgröße vom zugehörigen Sollwert durch die Asphaltherstellung, durch die Probenahme und durch die Präzision des Prüfverfahrens verursacht wird (Reinhardt 2002).

2.1 Auswahl der zu untersuchenden Asphaltmischgutsorten

Für die Untersuchungen zur Erfassung, Analyse und Beschreibung der Auswirkungen exogener Faktoren auf die dimensionierungsrelevanten Asphalteigenschaften sollten jeweils ein Deck-, Binder- und Tragschichtmaterial einbezogen werden. Die Verwendung von Asphaltgranulat sollte im Rahmen dieser Untersuchungen ausgeschlossen werden. Folgende Asphaltmischgutsorten wurden verwendet:

• SMA 8 S mit PmB 25/55-55 A
• AC 16 B S mit PmB 25/55-55 A
• AC 32 T S mit 50/70.

2.2 Zusammensetzung der Erstprüfung

Die Erstprüfung soll je nach Anwendungszweck die optimale Asphaltmischgutzusammensetzung darstellen. Dabei müssen nach TL Asphalt-StB 07 Anforderungen eingehalten werden, welche sicherstellen sollen, dass das Asphaltmischgut dem Anwendungszweck entsprechend gute Gebrauchseigenschaften besitzt (Reinhardt 2002). Im Forschungsvorhaben (Dragon et al. 2014) sollte je Asphaltmischgutsorte auch eine Variante Asphaltmischgut untersucht werden, welche exakt nach der Erstprüfung zusammengesetzt ist. Die wesentlichen kompositionellen Merkmalsgrößen des Erstprüfungsberichtes des SMA 8 S, des AC 16 B S und des AC 32 T S sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Zusammensetzung Erstprüfung Siebdurchgang

2.3 Zusammensetzung der Asphaltmischgutvarianten

Für die Beurteilung des Einflusses der kompositionellen Merkmalsgrößen im Rahmen der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A auf die dimensionierungsrelevanten Asphalteigenschaften waren je festgelegter Asphaltmischgutsorte neben der Erstprüfungsvariante 4 weitere Varianten zu untersuchen. Um eine möglichst große Spannweite der dimensionierungsrelevanten Eigenschaften bzw. der Dimensionierungsergebnisse erreichen zu können, sollten die maximal zulässigen Toleranzen ausgereizt werden. In der Tabelle 2 sind die Abweichungen von der Erstprüfung für die Mischgutvariationen zusammengefasst. Damit für die Auswertung in Tabellen und Diagrammen eine einheitliche und eindeutige Beschriftung der einzelnen Varianten möglich ist, war es sinnvoll, einen Bezeichnungscode der verschiedenen Asphaltmischgutvarianten einzuführen:

1. Zeichen: Asphaltart und -sorte

D…  Asphaltdeckschichtmaterial SMA 8 S

B…  Asphaltbinderschichtmaterial AC 16 B S

T…  Asphalttragschichtmaterial AC 32 T S

2. Zeichen: Beschreibung Zusammensetzung

EP…                       Erstprüfung (Tabelle 1)

EP(+KGV)…           positive Abweichung der Korngrößenverteilung von der Erstprüfung (Tabelle 2)

EP(+KGV, +BM)…  positive Abweichung der Korngrößenverteilung sowie des Bindemittelgehaltes von der Erstprüfung (Tabelle 2)

EP(-KGV)……         negative Abweichung der Korngrößenverteilung von der Erstprüfung (Tabelle 2)

EP(-KGV, -BM)…    negative Abweichung der Korngrößenverteilung sowie des Bindemittelgehaltes von der Erstprüfung (Tabelle 2).

Tabelle 2: Toleranzen bezüglich der Abweichung des Asphaltmischgutes von der Zusammensetzung der Erstprüfung für die Beurteilung der Konformität mit dem Einzelergebnisverfahren nach DIN EN 13108-21, Anhang A, welche für die Festlegung der Asphaltmischgutvarianten verwendet wurden.

2.4 Herstellen der Asphaltlaborprobekörper

Die Herstellung der für die Spaltzug-Schwellversuche notwendigen Probekörper erfolgte im Straßenbaulabor der TUD. Die Asphaltplatten wurden mit Abmessungen von B x L = 260 mm x 320 mm (TUD) im Walzsektor-Verdichtungsgerät gemäß TP Asphalt, Teil 33 verdichtet. Die Verdichtungstemperatur des SMA 8 S sowie des AC 16 BS betrug 145 °C und die des AC 32 T S 135°C. Entsprechend der AL Sp-Asphalt sind für Asphaltgemische mit einem Größtkorn von bis zu 16,0 mm kreiszylindrische Probekörper mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Höhe von 40 mm und für Asphaltgemische mit einem Größtkorn von ≥ 22,4 mm kreiszylindrische Probekörper mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Höhe von 90 mm erforderlich. Die Probekörper wurden aus den Asphaltplatten durch Bohren herausgetrennt. Die Untersuchungen der im Labor hergestellten Probekörper erfolgten nur an solchen mit einem Verdichtungsgrad zwischen 99 % und 101 %.

2.5 Prüfverfahren zur Bestimmung der dimensionierungsrelevanten Materialeigenschaften

Die Durchführung der Spaltzug-Schwellversuche für die Bestimmung der für die rechnerische Dimensionierung von Asphaltbefestigungen notwendigen Funktionen erfolgte nach der AL Sp-Asphalt 09. Dabei wurde für die einzelnen Asphaltdeck-, Asphaltbinder- und Asphalttragschichtvarianten die Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion anhand von Multistage-Versuchen bei den Prüftemperaturen von -10 °C, 0 °C, 10 °C und 20 °C sowie den Belastungsfrequenzen von 0,1 Hz, 1 Hz, 5 Hz und 10 Hz durchgeführt. Weiterhin waren für die Prognoserechnungen die Ermittlung der Ermüdungsfunktionen der verschiedenen Asphalttragschichtvarianten bei einer Temperatur von 20 °C und einer Belastungsfrequenz von 10 Hz erforderlich.

3 Untersuchungsergebnisse

3.1 Einfluss der zulässigen Toleranzen bei der Herstellung von Asphaltmischgut auf den Steifigkeitsmodul

In den Diagrammen der Bilder 1 bis 3 sind beispielhaft die Mittelwerte und zugehörigen Standardabweichungen für jede Asphaltvariante des SMA 8 S, des AC 16 BS und der AC 32 T S bei einer Prüftemperatur von 10 °C in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt.

Das Bild 1 ist zu entnehmen, und dies bestätigten auch die durchgeführten statistischen Tests (Dragon et al. 2014), dass für den geprüften Splittmastixasphalt eine positive Ausreizung der Toleranzgrenzen im untersuchten Temperatur- und Frequenzbereich größtenteils zu einer Zunahme der Steifigkeit führt und eine negative Ausreizung der Toleranzgrenzen hinsichtlich der Korngrößenverteilung demnach im untersuchten Temperaturbereich im Wesentlichen eine Abnahme der Steifigkeit bewirkt. Eine zusätzliche Verringerung des Bindemittelgehaltes wirkt sich hingegen kaum negativ auf die Steifigkeit aus.

Bild 1: Gegenüberstellung der Steifigkeitsmodule bei 10 °C der SMA 8 S-Varianten zum Einfluss der zulässigen Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung auf die Materialeigenschaften

Die im Forschungsvorhaben durchgeführten statistischen Tests ergaben, dass die positive Ausreizung der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A hinsichtlich der Korngrößenverteilung sowie der Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes des untersuchten Asphaltbinderschichtmischgutes größtenteils keinen Einfluss zu besitzen scheint (Bild 2). Eine negative Ausreizung der Toleranzgrenzen hinsichtlich der Korngrößenverteilung bewirkte im untersuchten Temperatur- und Frequenzbereich eine Abnahme des Steifigkeitsmoduls des geprüften Asphaltbetons AC 16 B S. Eine zusätzliche Verringerung des Bindemittelgehaltes hat eine weitere Abnahme des Steifigkeitsmoduls zur Folge.

Bild 2: Gegenüberstellung der Steifigkeitsmodule bei 10 °C der AC 16 B S-Varianten zum Einfluss der zulässigen Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung auf die Materialeigenschaften

Das Bild 3 zeigt, dass die gleichzeitige positive Ausreizung der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A hinsichtlich der Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes des im Forschungsvorhaben untersuchten Asphalttragschichtmischgutes eine Verringerung der Steifigkeit bewirkte, wenn auch in einem geringeren Maße als ohne gleichzeitige Zunahme des Bindemittelgehaltes. Eine negative Ausreizung der Toleranzgrenzen hinsichtlich der Korngrößenverteilung führte im Temperaturbereich > 0 °C zu einer Abnahme des Steifigkeitsmoduls der untersuchten Asphalttragschicht AC 32 T S. Eine zusätzliche Abnahme des Bindemittelgehaltes hatte eine weitere Verringerung der Steifigkeit im gesamten untersuchten Temperatur- und Frequenzbereich zur Folge.

Bild 3: Gegenüberstellung der Steifigkeitsmodule bei 10 °C der AC 22 T S-Varianten zum Einfluss der zulässigen Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung auf die Materialeigenschaften

3.2 Einfluss der zulässigen Toleranzen bei der Herstellung von Asphaltmischgut auf die Ermüdungsfunktion

Das Bild 4 zeigt die Ermüdungsfunktionen der 5 untersuchten Asphalttragschichtvarianten. Wie die grafische Darstellung verdeutlicht, bewirkt die positive Ausreizung der zulässigen Toleranzen nach Anhang A, DIN EN 13108-21 hinsichtlich der Korngrößenverteilung sowie auch die zusätzliche Ausreizung des Bindemittelgehaltes des im Forschungsvorhaben untersuchten Asphalttragschichtmischgutes, dass bei elastischen Dehnungen größer ca. 0,06 ‰ kleinere zulässige Lastwechselzahlen für die Variante T-EP bei gleicher Dehnung im Vergleich zur Variante T-EP(+KGV) und EP(+KGV, +BM) ermittelt werden. Weiterhin geht aus Bild 4 hervor, dass die negative Ausreizung der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A bei den untersuchten Asphalttragschichtgemischen zur Folge hat, dass bei elastischen Dehnungen kleiner ca. 0,15 ‰ größere zulässige Lastwechselzahlen für die Variante T-EP bei gleicher Dehnung im Vergleich zur Variante T-EP(-KGV) und EP(-KGV, -BM) bestimmt werden.

Bild 4: Gegenüberstellung der Ermüdungsfunktionen der Varianten des AC 32 T S zum Einfluss der zulässigen Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung auf die Materialeigenschaften

3.3 Einfluss der zulässigen Toleranzen bei der Herstellung von Asphaltmischgut auf die Nutzungsdauer von Asphaltbefestigungen

3.3.1 Festlegungen

Basierend auf den ausgewerteten und analysierten Ergebnissen der durchgeführten Laborversuche wurden auf der Grundlage der in den RDO Asphalt 09 beschriebenen Verfahrensweise Prognoserechnungen zur strukturellen Nutzungsdauer von fiktiven Asphaltbefestigungsvarianten durchgeführt. Die Berechnung des Ausfallzeitpunktes erfolgte für den Aufbau nach Tafel 1, Zeile 1 der RStO 12 zum einen für eine Belastungsklasse Bk100 und zum anderen für eine Belastungsklasse Bk3,2. Die Stärke des frostsicheren Oberbaus wurde für die Belastungsklasse Bk100 mit 65 cm und für die Belastungsklasse Bk3,2 mit 60 cm festgelegt. Die Eingangswerte der Verkehrsbelastung wurden so gewählt, dass für die Belastungsklasse Bk100 eine B-Zahl von ca. 32 Mio. (AÜ (10 t)) sowie ca. 100 Mio. (AÜ (10 t)) und für die Belastungsklasse Bk3,2 eine B-Zahl von ca. 1,8 Mio. (AÜ (10 t)) sowie 3,2 Mio. (AÜ (10 t)) ermittelt wurde. Durch diese Variation sollte zusätzlich der Einfluss der Verkehrsbelastung untersucht werden. Weiterhin erfolgte die Untersuchung des Einfluss der Veränderung der dimensionierungsrelevanten Materialparameter der einzelnen Asphaltkonstruktionsschichten infolge der veränderten Asphaltzusammensetzung auf die Nutzungsdauer (Einfluss Asphaltdeckschicht (ADS), Einfluss Asphaltbinderschicht (ABS) und Asphalttragschicht (ATS)) für den Aufbau der Belastungsklasse Bk100 und der B-Zahl von ca. 100 Mio. (AÜ (10 t)).

Da die Versuche zur Bestimmung der kryogenen Zugspannungen des Asphalttragschichtmaterials nicht Inhalt des Forschungsvorhabens waren, wurden für alle untersuchten Asphalttragschichtvarianten bezüglich dieser Eigenschaft die Kennwerte des Kalibrierasphaltes angesetzt. Zwischen den gebundenen Schichten wurde der Schichtenverbund zu 100 %, zwischen gebundenen Schichten und ungebundenen Schichten zu 0 % gesetzt. Die Häufigkeitsverteilung der Achslastklassen entsprach der Verteilung des Achslastkollektives „BAB-Fernverkehr“ und die Häufigkeitsverteilung der Oberflächentemperaturen der Temperaturzone 3 der RDO Asphalt.

Die Berechnungen erfolgten bei sonst identischen Vorgaben mit den Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen der jeweils untersuchten Asphaltgemischvarianten des SMA 8 S, AC 16 B S und AC 32 T S sowie der Ermüdungsfunktion der einzelnen AC 32 T S-Varianten für die gewählten Aufbauvarianten der Tabelle 3.

Tabelle 3: Asphaltvarianten der Asphaltdeck-, Asphaltbinder- und Asphalttragschicht für die strukturelle Bewertung der untersuchten Asphaltbefestigungsvarianten

3.3.2 Ergebnisse

Die Verläufe der Ermüdungsstatus-Werte (Ergebnis der Dimensionierungsberechnung) sind für die nach Tabelle 3 untersuchten Asphaltbefestigungsvarianten zum Einfluss der zulässigen Toleranzen bei der Herstellung von Asphaltmischgut und des Einflusses der Verkehrsbelastung in den Bildern 5 bis 8 dargestellt. Der Einfluss der Veränderung der dimensionierungsrelevanten Materialparameter der einzelnen Asphaltkonstruktionsschichten infolge der veränderten Asphaltzusammensetzung auf die strukturelle Nutzungsdauer (Einfluss Asphaltdeckschicht (ADS), Einfluss Asphaltbinderschicht (ABS) und Asphalttragschicht (ATS)) sind in den Bildern 9 bis 11 zu sehen.

Aus den Diagrammen der Bilder 5 bis 6 geht hervor, dass die Erhöhung des Fülleranteils und des Anteils an feinen Gesteinskörnungen sowie die Abnahme des Anteils an groben Gesteinskörnungen im Rahmen der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A gegenüber der Erstprüfungsvariante dazu führen kann, dass sich für die  Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung der Belastungsklasse Bk100, welche mit diesen Asphaltgemischen hergestellt werden würde, eine um ca. 36 % bis 47 % verkürzte prognostizierte Nutzungsdauer anhand der im Forschungsprojekt ermittelten Materialparameter ergibt. Bei der Asphaltbefestigungsvariante, deren Asphaltschichten die Materialparameter der Asphaltgemischvarianten mit der positiven Ausreizung der Toleranzgrenzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A gegenüber der Erstprüfungsvariante bezüglich der Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes aufweisen, führt dies für die zwei untersuchten Verkehrsbelastungen B-Zahl = 32 Mio. (AÜ (10 t)) und B-Zahl = 100 Mio. (AÜ (10 t)) zu einer Abnahme der vorhergesagten Nutzungsdauer um ca. 20 % bis 26 %. Demnach werden zwar für die im Forschungsvorhaben untersuchten Berechnungsbeispiele unter Verwendung der Materialparameter der Asphaltgemische mit der feinen Sieblinie des Gesteinskörnungsgemisches kürzere Nutzungsdauern der Asphaltbefestigungen vorhergesagt, aber die geplante Nutzungsdauer von 30 Jahren wird lediglich von der Aufbauvariante D-EP(+KGV)/B-EP(+KGV)/T-EP(+KGV) bei einer B-Zahl von ca. 100 Mio. AÜ (10 t) um ca. 3 Jahre unterschritten.

Für die Asphaltbefestigungsvarianten der Belastungsklasse Bk100, für deren Asphaltschichten die Materialparameter der Asphaltgemische zur Anwendung kamen, welche hinsichtlich der Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes eine negative Ausreizung der Toleranzgrenzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A gegenüber der  Erstprüfungsvariante aufwiesen, wurde für die Nutzungsdauer eine Verkürzung um 73 % bis 82 % (D-EP(-KGV)/B-EP (-KGV)/T-EP(-KGV)) und um 78 % bis 86 % (D-EP(-KGV, -BM)/B-EP(-KGV, -BM)/T-EP(-KGV,-BM)) prognostiziert. Dies bedeutet für die geplante Nutzungsdauer von 30 Jahren, dass sie um ca. ein Drittel reduziert werden würde bei einer B-Zahl von ca. 32 Mio. (AÜ (10 t)) bzw. sogar um 70 % (D-EP(-KGV)/B-EP(-KGV)/T-EP(-KGV)) bzw. 76 % (D-EP(-KGV, -BM)/B-EP (-KGV, -BM)/T-EP(-KGV, -BM)) bei einer B-Zahl von ca. 100 Mio. (AÜ (10 t)).

Die Bilder 7 und 8 zeigen, dass die Erhöhung des Fülleranteils und des Anteils an feinen Gesteinskörnungen sowie die Abnahme des Anteils an groben Gesteinskörnungen im Rahmen der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A gegenüber der Erstprüfungsvariante dazu führen kann, dass sich für die Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung der Belastungsklasse Bk3,2, welche mit diesen Asphaltgemischen hergestellt werden würde, eine um ca. 24 % bis 27 % verkürzte prognostizierte Nutzungsdauer anhand der im Forschungsprojekt ermittelten Materialparameter ergibt. Bei der Asphaltbefestigungsvariante, deren Asphaltschichten die Materialparameter der Asphaltgemischvarianten mit der zusätzlichen positiven Ausreizung der Toleranzgrenzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A gegenüber der Erstprüfungsvariante bezüglich des Bindemittelgehaltes aufweisen, führt dies für die zwei untersuchten Verkehrsbelastungen B-Zahl = 3,2 Mio. (AÜ (10 t)) und B-Zahl = 1,8 Mio. (AÜ (10 t)) hingegen zu einer  geringfügigen Zunahme der vorhergesagten Nutzungsdauer um ca. 5 %. Wie aus den Bildern 7 und 8 deutlich wird, werden aber trotz der Abweichungen der Zusammensetzung
bei diesen Asphaltbefestigungsvarianten die geplante Nutzungsdauer von 30 Jahren erreicht.

Aus den Diagrammen der Bilder 7 und 8 geht außerdem hervor, dass für die Asphaltbefestigungsvarianten der Belastungsklasse Bk3,2, für deren Asphaltschichten die Materialparameter der Asphaltgemische zur Anwendung kamen, welche hinsichtlich der Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes eine negative Ausreizung der Toleranzgrenzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A gegenüber der Erstprüfungsvariante aufwiesen, für die Nutzungsdauer eine Verkürzung um ca. 60 % bis 64 % (D-EP(-KGV)/B-EP(-KGV)/T-EP(-KGV)) und um ca. 70 % bis 73 % (D-EP(-KGV, -BM)/B-EP(-KGV, -BM)/T-EP(-KGV, -BM)) prognostiziert wurde. Demnach würde sich die prognostizierte Nutzungsdauer von 30 Jahren bei einer B-Zahl von ca. 1,8 Mio. (AÜ (10 t)) bei der Asphaltbefestigungsvariante (D-EP(-KGV, -BM)/B-EP(-KGV, -BM)/T-EP(-KGV, -BM)) nur geringfügig um ca. 1 Jahr verkürzen. Die Asphaltbefestigungsvariante (D-EP(-KGV)/B-EP(-KGV)/T-EP(-KGV)) hingegen erreicht die geplante Nutzungsdauer von 30 Jahren (Bild 7). Steigt die Verkehrsbelastung in dieser Belastungsklasse jedoch an, so erhöht sich auch der Einfluss der Abweichung der Zusammensetzung des Asphaltgemisches von der Erstprüfung auf die prognostizierte strukturelle Nutzungsdauer, denn wie das Bild 8 zeigt, wurde für die Asphaltbefestigungsvariante (D-EP(-KGV)/B-EP(-KGV)/T-EP(KGV)) bei einer B-Zahl von ca. 3,2 Mio. (AÜ (10 t)) eine Verkürzung der Nutzungsdauer von 30 Jahren um ca. 23 % ermittelt und für die Asphaltbefestigungsvariante (D-EP(-KGV, -BM)/BEP(-KGV, -BM)/T-EP(-KGV, -BM)) bei gleicher Verkehrsbelastung sogar eine Verkürzung der Nutzungsdauer um ca. 42 %.

Bild 5: Verlauf der Ermüdungsstatus-Werte der Asphaltbefestigungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses zulässiger Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung, Belastungsklasse Bk100; B = 32 Mio. AÜ (10 t)

Bild 6: Verlauf der Ermüdungsstatus-Werte der Asphaltbefestigungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses zulässiger Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung, Belastungsklasse Bk100; B = 100 Mio. AÜ (10 t)

Bild 7: Verlauf der Ermüdungsstatus-Werte der Asphaltbefestigungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses zulässiger Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung, Belastungsklasse Bk3,2; B = 1,8 Mio. AÜ (10 t)

Bild 8: Verlauf der Ermüdungsstatus-Werte der Asphaltbefestigungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses zulässiger Toleranzen von Asphaltmischgut bei der Herstellung, Belastungsklasse Bk3,2; B = 3,2 Mio. AÜ (10 t)

Bild 9: Verlauf der Ermüdungsstatus-Werte der Asphaltbefestigungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses zulässiger Toleranzen von Asphaltdeckschichtmischgut bei der Herstellung, Belastungsklasse Bk100; B = 100 Mio. AÜ (10 t)

Bild 10: Verlauf der Ermüdungsstatus-Werte der Asphaltbefestigungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses zulässiger Toleranzen von Asphaltbinderschichtmischgut bei der Herstellung, Belastungsklasse Bk100; B = 100 Mio. AÜ (10 t)

Weiterhin war es interessant, zu untersuchen, wie groß der Einfluss der Steifigkeiten der verschiedenen Asphaltmischgutvarianten der Asphaltdeck- und Asphaltbinderschicht auf die Nutzungsdauer der Asphaltbefestigung ist. Hierfür wurde beispielhaft für die B-Zahl von 100 Mio. AÜ (10 t) die Nutzungsdauer der gewählten Asphaltbefestigung gemäß Tabelle 3 zum einen für 5 Aufbauvarianten, welche sich nur hinsichtlich des Asphaltdeckschichtmaterials (Ergebnisdarstellung in Bild 9) und zum anderen für 5 Aufbauvarianten, welche sich ausschließlich hinsichtlich des Asphaltbinderschichtmaterials (Ergebnisdarstellung im Bild 10) unterschieden, ermittelt. Weiterhin erfolgte die Betrachtung des Einflusses der im Forschungsvorhaben untersuchten Asphalttragschichtgemische, indem die Nutzungsdauer für 5 Aufbauvarianten prognostiziert wurde, welche nur bezüglich ihres Asphalttragschichtmaterials variierten (Ergebnisdarstellung im Bild 11).

Bild 11: Verlauf der Ermüdungsstatus-Werte der Asphaltbefestigungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses zulässiger Toleranzen von Asphalttragschichtmischgut bei der Herstellung, Belastungsklasse Bk100; B = 100 Mio. AÜ (10 t)

Die Darstellung im Bild 9 zeigt, dass die Veränderung des Steifigkeitsmoduls der Asphaltdeckschicht infolge der Abweichung der Asphaltzusammensetzung bei der Asphaltherstellung gegenüber der Erstprüfungsvariante im Rahmen der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A einen vernachlässigbar kleinen Einfluss auf die strukturelle Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung ausübt. Der Einfluss der Steifigkeit der Asphaltbinderschicht als Folge einer abweichenden Asphaltzusammensetzung beträgt für den betrachteten Befestigungsaufbau maximal ca. -8 % (negative Ausreizung der Toleranzgrenzen des Bindemittelgehaltes und der Korngrößenverteilung, Bild 10). Das Bild 11 macht deutlich, dass die Materialparameter der Asphalttragschicht den größten Einfluss auf die vorherzusagende Nutzungsdauer besitzen, da die festgestellte Reihung der ermittelten Nutzungsdauern der Aufbauvarianten mit konstanter Asphaltdeck- und Asphaltbinderschicht der Reihung der Nutzungsdauern aus dem Bild 6 entsprechen.

4 Zusammenfassung

In dem Forschungsprojekt FE 7.0236/2010/AGB (Dragon et al. 2014) wurden die Auswirkungen infolge der Abweichung der Asphaltzusammensetzung bei der Asphaltherstellung gegenüber der Erstprüfungsvariante im Rahmen der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21 auf die dimensionierungsrelevanten Asphalteigenschaften untersucht, um deren Gesamtauswirkung auf die strukturelle Nutzungsdauer von Asphaltbefestigungen abschätzten zu können.

In die Untersuchungen zur Erfassung, Analyse und Beschreibung der Auswirkungen unter Ausnutzung der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21 auf die dimensionierungsrelevanten Asphalteigenschaften und strukturelle Nutzungsdauer von Asphaltbefestigungen wurden ein Asphaltdeck-, ein Asphaltbinder- und ein Asphalttragschichtmaterial in jeweils 5 unterschiedlichen Varianten einbezogen. Die Verwendung von Asphaltgranulat sollte im Rahmen dieser Untersuchungen ausgeschlossen werden. Folgende Asphaltmischgutsorten kamen zur Anwendung:

– SMA 8 S mit PmB 25/55-55 A,

– AC 16 B S mit PmB 25/55-55 A,

– AC 32 T S mit 50/70.

Die Variante EP der jeweils zu untersuchenden Asphaltsorten stellte die Variante der Erstprüfung dar, welche die Anforderungen nach TL Asphalt-StB 07 einhalten musste, um sicher zu stellen, dass diese dem Anwendungszweck entsprechend gute Gebrauchseigenschaften besitzt.

Für die Beurteilung des Einflusses der kompositionellen Merkmalsgrößen im Rahmen der zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21 auf die dimensionierungsrelevanten Asphalteigenschaften sollten je festgelegter Asphaltmischgutsorte 4 Varianten untersucht werden. Um eine möglichst große Spannweite der dimensionierungsrelevanten Eigenschaften bzw. der Dimensionierungsergebnisse erreichen zu können, wurden die maximal zulässigen Toleranzen von der Erstprüfung bezüglich der Korngrößenverteilung und des Bindemittels ausgereizt.

Hinsichtlich der dimensionierungsrelevanten Materialparameter kann anhand der dargestellten Untersuchungsergebnisse Folgendes zusammengefasst werden. Eine negative Ausreizung der maximal zulässigen Toleranzen bezüglich der Korngrößenverteilung und des Bindemittels hat zum größten Teil eine Abnahme der Steifigkeit zur Folge. Bei einer positiven Ausreizung der maximal zulässigen Toleranzen hinsichtlich der Korngrößenverteilung und des Bindemittels scheint die Auswirkung auf die Materialeigenschaft Steifigkeit abhängig von der Asphaltsorte und damit von der Zusammensetzung des Gesteinskörnungsgemisches der Erstprüfung zu sein. Möglicher Weise gibt es ein optimales Verhältnis Bindemittelanteil zu dem Anteil der feinen Gesteinskörnungen. In Bezug auf die Ermüdungsfunktion ist die Auswirkung der Änderung der Asphaltzusammensetzung abhängig von der Größenordnung der Dehnungen.

Die prognostizierte Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung wird im Wesentlichen von den Materialparametern der Asphalttragschicht beeinflusst. Hier konnte anhand der Untersuchungsergebnisse im Wesentlichen eine Abnahme der Nutzungsdauer infolge der Ausreizung der maximal zulässigen Toleranzen nach DIN EN 13108-21, Anhang A beobachtet werden. Ob die geplante Nutzungsdauer von 30 Jahren verkürzt wird und in welcher Größenordnung hängt dabei jedoch von der Größe der Verkehrsbelastung ab.

Literaturverzeichnis

Deutsches Institut für Normung e. V. (2006): Asphaltmischgut – Mischgutanforderungen – Teil 21: Werkseigene Produktionskontrolle, Deutsche Fassung EN 13108-21, Beuth Verlag, Berlin

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2007): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (ZTV AsphaltStB 07), Ausgabe 2007, Köln (FGSV 799)

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

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2007): Technische Prüfvorschriften für Asphalt im Straßenbau (TP Asphalt-StB), Ausgabe 2007, Köln (FGSV 756)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2009): Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphalten mit dem Spaltzug-Schwellversuch als Eingangsgröße in die Dimensionierung (AL Sp-Asphalt 09), Ausgabe 2009, Köln (FGSV 430)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2012): Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen, (RStO 12), Ausgabe 2012, Köln (FGSV 499)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2009): Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht, (RDO Asphalt 09), Ausgabe 2009, Köln (FGSV 798)

A r a n d, W.; R u b a c h, C. und v. d. D e c k e n, S. (1996): Grundlegende Untersuchungen über den Einfluss der Zusammensetzung auf die Ermüdungsbeständigkeit von Walzasphalten mittels systematischer Variation kompositioneller Merkmale zur Schaffung eines quantitativen Bewertungshintergrundes, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik Heft 717, Typo-Druck- & Verlagsgesellschaft mbH, Bonn

D r a g o n, I.; W e l l n e r, F. (2011): Einfluss der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf ihre primären Gebrauchseigenschaften, Schlussbericht zum AiF-Forschungsprojekt 15624 BR/1, Technische Universität Dresden

D r a g o n, I.; B i r b a u m, J.; W e l l n e r, F.; Z a n d e r, U. (2014): Grundlagen für die Beurteilung der dimensionierungsrelevanten Eigenschaften und der Wirtschaftlichkeit von Oberbaubefestigungen aus Asphalt, Entwurf zum Schlussbericht des vom BMWI über die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Forschungsvorhabens FE 7.0236/2010/AGB, Technische Universität Dresden

L i p k e, S.; W e l l n e r, F.; W e r k m e i s t e r, S.; K a y s e r, S.; P a t z a k, J. (2011): Dimensionierungsrelevante Eingangsgrößen für Asphaltbefestigungen, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik Heft 1056, Verlag für neue Wissenschaft GmbH, Bonn

L ü t h j e, U. (2000): Nutzungsdauer von Asphaltschichten – Abhängigkeit vom Verdichtungsgrad, Asphalt, 33, Heft 8, Giesel Verlag GmbH, S. 8–16

M o l l e n h a u e r, K.; W i s t u b a, M.; W a l t h e r, A. (2013): Ermittlung der Streuung dimensionierungsrelevanter Eingangsgrößen für Asphalte, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik Heft 1087, Verlag für neue Wissenschaft GmbH, Bonn

R e i n h a r d t, I. (2002): Auswirkungen der Mischgutzusammensetzung im Rahmenzulässiger Toleranzen auf die Standfestigkeit von Asphalt – Untersuchungen mit Hilfe verschiedener Prüfmethoden, Dissertation, Bergische Universität Wuppertal