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1 Einführung

Im Rahmen der europäischen Asphaltspezifikationen werden zukünftig vermehrt Anforderungen an performance-orientierte Asphaltkennwerte gestellt. Diese Anforderungen betreffen das Verformungs- und Tieftemperaturverhalten sowie die Steifigkeits- und Ermüdungseigenschaften. Die Asphaltkennwerte werden an im Labor hergestellten Probekörpern ermittelt, womit die Qualität der Probekörper-Herstellung einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse der Performance-Prüfungen hat. Die Probekörper werden aus Platten gewonnen, welche mittels Walzsektor-Verdichtungsgerät (WSV) unter standardisierten Bedingungen nach den TP Asphalt-StB, Teil 33 hergestellt werden. Aktuell wird in dieser Prüfvorschrift nicht gezielt nach verschiedenen Asphaltsorten und Plattendicken im Verdichtungsprozess unterschieden. Sowohl leicht als auch schwer verdichtbare Asphalte sind regulär mit dem gleichen Verdichtungsregime zu verdichten. Wenn die Plattendicke oder der Verdichtungsgrad damit nicht den Anforderungen entsprechen, dann sind nach den TP Asphalt-StB die Bedingungen für die Verdichtung zu optimieren. Dies erfolgt durch Variation der Anzahl der Walzübergänge sowie der Höchstlast bei der Verdichtung. Diese Anpassung muss so lange und iterativ erfolgen, bis die Bedingungen für den Verdichtungsgrad sowie für die Dichte- und Dickenverteilung eingehalten sind. Eine solche Optimierung des Verdichtungsregimes in jedem einzelnen Fall erfordert Zeit und Material und ist ohne Erfahrung schwer durchzuführen, weshalb die Umsetzung in der Praxis nicht ohne Weiteres erfolgen kann. Deshalb wurde durch die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V. im Jahr 2015 das Forschungsprojekt FGSV-Nr. 1/2015:

„Optimierte Herstellung von WSV-Probekörpern für Performance-Prüfungen“ initiiert, das am KIT bearbeitet und im Jahr 2019 abgeschlossen wurde.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Verdichtung von Asphalt-Probeplatten für verschiedene Asphaltmischgutsorten im Labor zu optimieren. Als Orientierungswerte für den Verdichtungserfolg wurden Verdichtungsgrade sowie Hohlraumgehalte ähnlicher Asphalte aus zahlreichen Kontrollprüfungen herangezogen, um eine möglichst realitätsnahe und praxisorientierte Verdichtung der Probekörper für die Performance-Prüfungen zu erreichen.

2 Untersuchungsmethode

Tabelle 1: Übersicht der betrachteten Varianten und des Untersuchungsprogrammes

Im Anschluss an diese Untersuchungen wurden mischgutspezifische Vorschläge zur Modifizierung der aktuellen TP Asphalt-StB, Teil 33 erarbeitet.

Abschließend erfolgten Betrachtungen zur Überwachung des Verdichtungserfolges, um zukünftig den Verdichtungsprozess im Walzsektor-Verdichtungsgerät gezielt steuern zu können.

3 Anpassung der Verdichtungsregime

Um dem entgegenzuwirken, ist eine Anpassung der Verdichtungsgrade der Asphalt-Probeplatten bzw. der daraus gewonnenen zylindrischen Probeköper an die Verdichtungsgrade der Bohrkerne zielführend. Dies kann in Einzelfällen auch eine Abweichung von den aktuellen Anforderungen nach sich ziehen. Dafür wird anstelle der Betrachtung einer optimalsten Verdichtung bzw. der Endverdichtung (k = 100 %) der Verdichtungsgrad herangezogen, der in situ realisiert wurde.

Daher wurden zahlreiche Ergebnisse von Kontrollprüfungen ausgewertet und mit Ergebnissen anderer Forschungsvorhaben (TU Braunschweig, 2015; Roos, 2018) ergänzt, um realitätsnahe Sollwerte für die Verdichtung einzelner Asphaltsorten zu definieren. Anschließend wurden die Verdichtungsgrade der Probekörper für Performance-Prüfungen an die Verdichtungsgrade in situ angenähert, so dass indirekt der Einfluss des Marshall-Probekörpers auf die Verdichtung und damit auf die performance-relevanten Eigenschaften möglichst reduziert wird.

Aktuell wird nach den TP Asphalt-StB nur die ganze Asphalt-Probeplatte betrachtet. Aufgrund der geringeren Verdichtung der Randbereiche, unterscheiden sich die an ganzen AsphaltProbeplatten ermittelten Raumdichten von denjenigen der Probekörper für die Performance-Untersuchungen z. T. deutlich. Die Asphalt-Probeplatten weisen dabei stets geringere Raumdichten auf. Deshalb wurde innerhalb dieses Projektes eine Anpassung der Verdichtungsregime gemessen an der Verdichtung von zylindrischen Probekörpern erprobt, damit ein Verdichtungszustand resultiert, der den in situ gewonnenen Bohrkernen entspricht und damit dem Verdichtungszustand des fertigen Bauwerks.

4 Untersuchungsergebnisse

4.1 Asphaltbeton für Asphaltdeckschichten

Aus den nach den TP Asphalt-StB, Teil 33 verdichteten Asphalt-Probeplatten aus Asphaltbeton für Asphaltdeckschichten (AC 11 D S) wurden zylindrische Probekörper mit Verdichtungsgraden von im Mittel 101 % gewonnen. Aus zahlreichen Kontrollprüfungen ergab sich ein Zielverdichtungsgrad von 99,2 %, der aktuell im Mittel in situ erreicht wird. Dieser konnte bei der Verdichtung im Labor durch geringere Kräfte bei der Vor- und Hauptverdichtung erreicht werden. Für das optimierte Verdichtungsregime werden bei der Vorverdichtung nur noch 2,0 kN und bei der Hauptverdichtung nur noch 5,0 kN aufgebracht. Mittels neuem Regime konnten insgesamt Verdichtungsgrade der Probekörper zwischen 98,9 % und 99,6 % erreicht und damit deutlich gesenkt werden. Beispielhaft sind für den ACD-1 im Bild 1 die Verdichtungsgrade der Asphalt-Probeplatten und zylindrischen Probekörper nach dem TP-Regime (ACD-1-TP) und nach neuem Regime (ACD-1-NEU) dargestellt.

Bild 1: Verdichtungsgrade des Asphaltbetons für Asphaltdeckschichten (ACD-1)

Die Streuungen der Kenngrößen Raumdichte, Raumdichteverteilung, Dickenverteilung, Hohlraumgehalt als auch Verdichtungsgrad des ACD-1 sind für beide Regime ähnlich. Bei den beiden anderen Asphaltbetonen weisen die neuen Varianten höhere Schwankungen in den einzelnen Kenngrößen auf.

Eine tendenzielle Veränderung des Widerstandes gegen bleibende Verformungen aufgrund des neuen Verdichtungsregimes macht sich bei den Varianten ACD-1-NEU und ACD-2-NEU bemerkbar, fällt jedoch unterschiedlich aus, was mit deren kompositioneller Zusammensetzung begründet werden kann. Im Bild 2 sind die Ergebnisse der Variante ACD-1 beispielhaft dargestellt. Für den Asphaltbeton ACD-3 sind keine eindeutigen Unterschiede aufgetreten. Bei zusätzlich hergestellten unterverdichteten Probekörpern (k = 96,4 %) zeichnet sich ein merklich verschlechterter Widerstand gegen bleibende Verformungen ab.

Bild 2: Verläufe der dynamischen Eindringtiefen des ACD-1

Bei den Abkühl- und Zugversuchen sowie bei den Spaltzug-Schwellversuchen hat sich bei allen Mischgütern und Verdichtungsmanagements eine mal mehr und mal weniger ausgeprägte Tendenz zu einem schlechteren Kälteverhalten sowie zu niedrigeren Steifigkeitsmoduln mit dem optimierten Regime ergeben. In den Bildern 3 und 4 sind die Ergebnisse der Abkühl- und Zugversuche sowie im Bild 5 die Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen der Variante ACD-1 exemplarisch dargestellt. In (Roos et al., 2018) wurden das Mischgut von einigen Asphaltbetonen für Asphaltdeckschichten sowie entnommene Bohrkerne untersucht und ein ähnlicher Zusammenhang festgestellt – die Tieftemperatureigenschaften sowie die Steifigkeit sind am Bohrkern schlechter, d. h. es ergaben sich höhere Bruchtemperaturen und niedrigere Steifigkeiten, als an Probekörpern aus WSV-Platten.

Bild 3: Einzelwerte der Bruchtemperaturen (links) und der Bruchspannungen (rechts) der Abkühlversuche des ACD-1

Bild 4: Einzelwerte der Zugfestigkeiten der Zugversuche bei -10 °C des ACD-1

Bild 5: Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen für eine Belastungsfrequenz von 10 Hz des ACD-1

Insgesamt konnte die Performance dem Verhalten in situ angenähert werden und auch die Verdichtungsgrade entsprechen einem realitätsnäheren Zustand. Deshalb wurde eine Modifizierung der Technischen Prüfvorschrift empfohlen. Zukünftig sollte im Labor ein Zielverdichtungsgrad von 99,5 % für die Probekörper und damit ein Zielverdichtungsgrad von 98,5 % für Asphalt-Probeplatten angestrebt werden.

4.2 Splitmastixasphalt

Beim Splittmastixasphalt (SMA 8 S) ergab sich für die Probekörper ein mittlerer Verdichtungsgrad von 101 %, die aus den nach den TP Asphalt-StB, Teil 33 verdichteten Asphalt-Probeplatten hergestellt wurden. Aufgrund von Auswertungen von Kontrollprüfungsergebnissen wurde ein Zielverdichtungsgrad von 99,6 % festgelegt, der den Verdichtungszustand in Realität widerspiegelt.

Durch eine geringere Kraft bei der Hauptverdichtung von 5,0 kN konnte ein mischgutspezifischer Verdichtungszustand erreicht werden. Die mittleren Verdichtungsgrade der Probekörper konnten damit auf ca. 99,4 % gesenkt werden.

Die Ergebnisse der Performance-Prüfungen waren dabei ebenfalls realitätsnäher im Vergleich zu der Verdichtung nach aktueller Prüfvorschrift. Obwohl sich das Verhalten teilweise wenig veränderte, zeichneten sich eher schlechtere Gebrauchseigenschaften ab, was bei Bohrkernuntersuchungen in vorangegangen Forschungsvorhaben ebenfalls festgestellt worden war. Daher wurde für diese Asphaltsorte eine Modifikation der TP Asphalt-StB, Teil 33 vorgeschlagen. Darin sollte ein Verdichtungsgrad von 99,5 % für die Probekörper für Performance-Prüfungen und von 99,0 % für die Asphalt-Probeplatten festgeschrieben werden.

4.3 Offenporiger Asphalt

Der offenporige Asphalt (PA 8) wurde neben der Verdichtung nach den TP Asphalt-StB auch mit dem Regime nach dem „Merkplatt für Asphaltdeckschichten aus offenporigen Asphalt (M OPA) verdichtet und untersucht. Darüber hinaus wurden ebenfalls neue Verdichtungsregime erprobt, um die Ansprache dieser Asphaltsorte im Labor zu analysieren. Dabei stellte sich heraus, dass sich mittels des Regimes nach dem M OPA reproduzierbar und praxisorientiert verdichten lässt. Außerdem zeigte es sich, dass der Hohlraumgehalt bei den offenporigen Asphalten eine geeignetere Zielgröße ist, da er weitaus weniger Streuungen unterliegt als der Verdichtungsgrad. Als Zielhohlraumgehalt wurde sich bei der Verdichtung am unteren Grenzwert der ZTV Asphalt-StB orientiert, welcher 22,0 Vol.-% beträgt.

Die Ergebnisse der Performance waren Großteils nicht eindeutig und unterlagen vielen Streuungen, dennoch erwies sich das Regime nach M OPA als das Geeignetste zum Erreichen des Zielhohlraumgehaltes und damit dem optimalen Zustand in situ. Eine Modifizierung der TP Asphalt-StB wird dahingehend empfohlen, dass das Regime aus dem Merkplatt in die TP Asphalt-StB übernommen wird. Für die Probekörper sollte dann ein Hohlraumgehalt von ≥ 2,0 Vol.-% und für die Asphalt-Probeplatten von ≥ 25,0 Vol.-% angestrebt werden.

4.4 Asphaltbinder

Aufgrund der grundsätzlich höheren Verdichtungsgrade der Probekörper, die mit der Verdichtung nach den TP Asphalt-StB aktuell erreicht werden, wurden die Kräfte bei der Hauptverdichtung reduziert.

Mit einer Kraft von 9,0 kN ergab sich ein mittlerer Verdichtungsgrad der Probekörper von 100,8 %, was einer Senkung von rund 1 % im Vergleich zur Verdichtung nach der Technischen Prüfvorschrift entspricht.

Aufgrund von diesem realitätsnäheren Verdichtungszustand sowie von teilweise deutlichen Veränderungen bei den Performance-Eigenschaften wurde vorgeschlagen, zukünftig einen Verdichtungsgrad von 100,0 % für die Probekörper und entsprechend einen Verdichtungsgrad von 99,5 % für die Asphalt-Probeplatten anzustreben.

4.5 Splittmastixbinder

Die Probekörper aus den drei Mischgütern des Splittmastixbinders (SMA 16 B S) wiesen bei der Verdichtung nach den TP Asphalt-StB einen mittleren Verdichtungsgrad von 101,4 % auf. Zu Beginn des Projektes wurde ein Zielverdichtungsgrad von 100,6 % definiert, der sich anhand einer umfassenden Auswertung von Kontrollprüfungen ergab. Daraufhin wurde das Untersuchungsprogramm nach den TP Asphalt-StB durchgeführt und modifizierte Regime zum Erreichen des Zielverdichtungsgrades erprobt. Dabei stellte sich heraus, dass trotz einer deutlichen Änderung der Kraft bei der Hauptverdichtung keine wesentliche Änderung des Verdichtungsgrades erfolgte. Außerdem vergrößerten sich die Streuungen bei der Raumdichte und der Raumdichteverteilung teilweise für das neu erprobte Regime im Vergleich zu der Verdichtung nach Technischer Prüfvorschrift. Dies deutet insgesamt darauf hin, dass für den Splittmastixbinder bereits eine gute Annährung der Verdichtung in situ mittels des Regimes nach den TP Asphalt-StB getroffen wird. Daher wurde keine Modifizierung der TP Asphalt-StB vorgeschlagen.

4.6 Asphalttragschicht

Bei den beiden untersuchten Asphalttragschichten (AC 32 T S) wurde bei einer Verdichtung nach den TP Asphalt-StB ein mittlerer Verdichtungsgrad der Probekörper von ca. 101,3 % erreicht. Aus Erfahrungswerten wurde ein Zielverdichtungsgrad von 102,0 % festgelegt. Dieser konnte mit einer Verdichtung mit mehr Walzübergängen (25 anstelle von 15) erreicht werden, da die großen Körner der Tragschicht mehr Zeit haben sich auszurichten. Der Verdichtungsgrad wurde damit im Vergleich zu der TP-Variante um rund 1,0 % erhöht. Ferner veränderten sich die Performance-Kennwerte Steifigkeit und Ermüdung infolge des neuen Verdichtungsregimes. Daher sollte eine Modifizierung der aktuellen Prüfvorschrift erfolgen. Darin sollte für die Asphalt-Probeplatten zukünftig ein Verdichtungsgrad von 102,5 % und für die Probekörper von 102,0 % angestrebt werden.

5 Zusammenfassung