Das Gebrauchsverhalten von Asphalt hängt von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren ab. Dabei liegt es nahe, dass die innere Asphaltstruktur, also beispielsweise die Verteilung der Hohlräume, die Anzahl an Kontaktpunkten des Gesteinskörnungsgerüstes sowie die Orientierung der Einzelkörner, das Gebrauchsverhalten der Asphaltbefestigung unter Belastung beeinflusst. Eine zweidimensionale Bilderfassung und nachfolgende Bildanalyse ermöglichen es, Strukturparameter zu bestimmen, die eine Charakterisierung der Asphaltstruktur ermöglichen. Die hier referierten Untersuchungen wurden an Varianten eines Splittmastixasphaltes SMA 11 S durchgeführt, die unter Variation der Asphaltgranulatart und -zugabemenge hergestellt wurden. Mittels Bildanalyse wurden für die einzelnen Asphalt-Probekörper Strukturparameter bestimmt. Anschließend wurden der Ermüdungswiderstand mittels Zug-Schwellversuch bestimmt und die Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch mit ausgewählten Strukturparametern verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Asphaltstruktur und dem Ermüdungswiderstand besteht. So korreliert beispielsweise die Anzahl der Kontaktpunkte positiv mit der Bruchlastwechselzahl.

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

1 Einführung

Es ist davon auszugehen, dass die geometrischen Eigenschaften der Gesteinskörnung, insbesondere bezüglich der Korngrößenverteilung, der Kornform, der Kornorientierung und der Oberflächentextur wesentlichen Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften eines Asphalts haben können. Die gegenwärtig im Regelwerk verankerten Methoden zur Bestimmung geometrischer Kenngrößen der Gesteinskörnung liefern keine vollständige Charakterisierung. So wird beispielsweise die Oberflächenbeschaffenheit gemäß Europäischer Normung bis dato nur durch visuelle Abschätzung des Masseanteils vollständig gebrochener, gebrochener oder vollständig runder Körner charakterisiert (DIN, 2005). Ebenso aus technischer Sicht unzureichend werden Kornform und die Plattigkeit prüftechnisch angesprochen. Es ergeben sich von der Subjektivität des jeweiligen Prüfers beeinflusste Ergebnisse. Weiterhin ist es praktisch unmöglich, geometrische Unregelmäßigkeiten einer Gesteinskörnung durch eine einzelne Testmethode anzusprechen, da die unterschiedlichen Parameter wie Kornform, Kornausrichtung oder Oberflächentextur teilweise völlig unabhängig voneinander sind, sie jedoch in ihrer Gesamtheit die geometrische Unregelmäßigkeit der Gesteinskörnung definieren. Zusammenstellungen der international gebräuchlichen, konventionellen Prüfmethoden zur Bestimmung geometrischer Gesteinseigenschaften finden sich unter anderem bei Masad et al. (2005). Vor diesem Hintergrund sind diverse Forschungsarbeiten der Entwicklung und Anwendung von bildanalysebasierten Methoden zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften von Gesteinskörnungen gewidmet. Literatursynthesen hierzu von Masad et al. (2005) oder Lee et al. (2007) zeigen die Vielfalt an entsprechenden Ansätzen auf. Hierbei zeigt sich, dass vorrangig Methoden Verwendung finden, die die Bildanalyse von zweidimensional (2-D) erfassen Digitalaufnahmen zum Gegenstand haben. Daneben existieren Ansätze, die eine 3-D-Bilderfassung beispielsweise mittels Stereokamerasystem oder das Abtasten der Gesteinskörner mittels Laserscanning verwenden.

Das Ziel der hier referierten Untersuchungen war es, die Asphaltstruktur mittels eines laborökonomischen Verfahrens zu charakterisieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Kontakteigenschaften der Gesteinskörnungsgemische. Im Weiteren soll untersucht werden, ob sich Zusammenhänge zwischen der Asphaltstruktur und den resultierenden Gebrauchseigenschaften – hier auf den Ermüdungswiderstand – identifizieren lassen. 

2 Untersuchungsmethodik

2.1 Asphaltvarianten

Für die Untersuchungen wurden Splittmastixasphalte SMA 11 S für Asphaltdeckschichten bei Variation der Art des wachsmodifizierten Asphaltgranulats in drei Stufen, der Zugabeanteile an Asphaltgranulat in drei Stufen (0 %, 20 % und 40 %) und der Art des Zugabebindemittels in drei Stufen (ohne Wachs, mit FT-Wachs, mit Amidwachs) hergestellt. Anschließend wurden Asphalt-Probeplatten mittels Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellt und daraus prismenförmige Asphalt-Probekörper mit den Abmessungen 160 mm x 40 mm x 40 mm für die weiteren Untersuchungen geschnitten. 

2.2 Bildanalyse

Wichtige Grundlagen zur Verwendung der Bildanalyse für Asphalt wurden von Roohi et al. (2012) erarbeitet. In ihren Untersuchungen wurde die innere Struktur des Gesteinsgerüsts mittels Bildanalysetechnik charakterisiert. Dabei wurden unter anderem Parameter wie die Anzahl der Kontaktpunkte, die Summe der Kontaktlängen oder die Kontaktorientierung bestimmt. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Anzahl der Gesteinskontakte die Spannungsverteilung und die Konnektivität der Mikrostruktur beeinflusst. Je größer die Kontaktzahl, desto optimaler die Spannungsverteilung und desto geringer die Spannungskonzentration. Voruntersuchungen am Institut für Straßenwesen der TU Braunschweig bestätigten die grundlegende Eignung der Bildanalysetechnik zur Charakterisierung der Asphaltstruktur (Wiskow, 2015). 

Auf Basis dieser Grundlagen wurde die innere Struktur von Asphalt-Probekörpern mittels der Bildanalysetechnik analysiert. Dieser Prozess gliedert sich im Rahmen der Untersuchungsmethodik in die drei wesentlichen Elemente der Bilderfassung, der Bildverarbeitung sowie der Bildanalyse (Bild 1).

Bild 1: Untersuchungsmethodik zum Einfluss der Asphaltstruktur auf das Gebrauchsverhalten 

Unter Bilderfassung wird hier das Verfahren verstanden, dass die digitale Aufnahme eines Probekörpers und die digitale Übertragung zur Verarbeitung auf ein Computersystem umfasst. Dafür existieren grundsätzlich zwei methodisch unterschiedliche Varianten: die destruktive und die zerstörungsfreie Bilderfassung. Die destruktiven Verfahren werden im Allgemeinen durch die zweidimensionale (2-D-)Bilderfassung gekennzeichnet, da zur Herstellung eines repräsentativen Querschnitts in der Regel Schnitte angesetzt werden müssen. Sie ist relativ kostengünstig, kann jedoch nicht die Hohlraumverteilung wiedergeben. Hinsichtlich der Erfassungspraktiken kann auf Digitalkameras, Flachbettscanner oder Mikroskope zurückgegriffen werden. Die dreidimensionale (3-D-)Bilderfassung hingegen erfolgt prinzipiell zerstörungsfrei und konzentriert sich zumeist auf die Computertomografie (CT). Es handelt sich dabei um ein computergestütztes Röntgenverfahren.

Für die Untersuchungen wurde aus laborökonomischen Gründen die 2-D-Bilderfassung mittels Digitalbildkamera eingesetzt.

Bild 2: Ablauf der Digitalbildverarbeitung zur Charakterisierung der Asphaltstruktur (in Anlehnung an Coenen et al., 2012) 

Im Anschluss an die Bilderfassung folgt die Bildverarbeitung. Sie unterstützt bei der Optimierung der Bildqualität und ermöglicht es, die einzelnen Bildelemente exakt differenzieren zu können. Die Aufnahmen werden im Regelfall unabhängig von der Aufnahmequalität, in eine 8-Bit-Graustufenversion konvertiert. Ein 8-Bit-Bild besteht aus 256 verschiedenen Grauwerten. Dabei stehen nach Tashman et al. (2007) ein extrem niedriger Grauwert von 0 (Hohlraum) für die Farbe Schwarz und der maximale Grauwert von 255 für die Farbe Weiß (Gesteinskorn). Coenen et al. (2012) stellen die elementaren Teilprozesse der Bildverarbeitung in einer Prozesskette dar (Bild 2).

Der Medianfilter unterdrückt die Ausreißer bzw. Extremwerte, welche durch das „Salz & Pfeffer-Rauschen“ bzw. durch Pixelfehler ausgelöst werden. Bei der Hmax-Transformation handelt es sich um ein regionenorientiertes Verfahren, welches regionale Maximalwerte (Maxima) in Form der niedrigsten Grauwerte des Bereiches im Histogramm der Aufnahme festgelegt. So können unterschiedliche Pixelintensitäten innerhalb eines Gesteinskorns angeglichen werden. Durch die Hmax-Transformation ergibt sich eine klarere Differenzierung der Bestandteile des Probekörpers. Durch die nachfolgende Wasserscheidenfilterung werden die Korngrenzen definiert und hervorgehoben, indem die jeweiligen Pixelwerte vom maximalen Grauwert von 255 abgezogen werden. Anschließend wird mittels Thresholding aus der verarbeiteten 8-bit-Graustufen-Aufnahme durch einen zuvor festgelegten Grenzwert ein binäres Bild erstellt (schwarz/weiß), in dem die Gesteinskörnung in weiß (255) und alle anderen Bestandteile wie Hohlräume, Bindemittel und Füller in schwarz (0) dargestellt werden. Im letzten Schritt wird mit der Etikettierung den identifizierten Gesteinskörnern Zahlen zur Registrierung zugeordnet. Im Rahmen der weiteren Bildanalyse ist als wichtige Eingangsgröße ein Grenzwert für Identifikation eines Kontakts zwischen zwei Gesteinskörnern festzulegen. Dieser Grenzwert wird als SDT-Wert (surface distance threshold) bezeichnet und legt den maximalen Abstand zwischen zwei Gesteinskörnern fest, bis zu welchem ein Kontakt identifiziert werden soll (Bild 3, links). Der Kontaktwinkel, beschreibt in diesem Zusammenhang die Winkelbeziehung der 2-D-Kontaktorientierung von zwei Gesteinskörnern und der horizontalen Achse (Bild 3, rechts).  

Bild 3: SDT-Wert (surface distance threshold) zur Identifizierung eines Kontaktpunkts zwischen zwei Gesteinskörnern (links), sowie die Kontaktorientierung (rechts)

Auf Grundlage der von Roohi et al. (2012) und Coenen et al. (2012) entwickelten Algorithmen wurden mittels Bildanalyse die in der Tabelle 1 aufgeführten Strukturparameter zur Charakterisierung der Gesamtstruktur (C) und des Asphaltskeletts (C,S) gewonnen.

Tabelle 1: Mittels Bildanalyse gewonnene Strukturindizes zur Charakterisierung der Gesamtstruktur (C) und des Asphaltskeletts (C,S)

Die durchschnittliche Anisotropie der Kontaktorientierungsverteilung wird mit der Vektormagnitude (VM) quantitativ beschrieben. Bei einer ideal einheitlichen Ausrichtung der Kontaktorientierung nimmt VM den Wert 100 %, bei einer vollständig ungleichmäßigen Kontaktorientierungsverteilung den Wert 0 %. Der „Internal Structure Index“ (ISI) beschreibt die Summe der Widerstandskomponenten in Lastrichtung und damit die Effektivität sowie die Verzahnung der Gesteinskörner. 

2.3 Ermüdungswiderstand

Der Ermüdungswiderstand der Asphaltvarianten wurde gemäß DIN EN 12697-46 (2012) mittels Zug-Schwellversuch bestimmt. Im Zug-Schwellversuch wird ein prismatischer Probekörper anfänglich spannungsfrei auf die entsprechende Prüftemperatur temperiert. Anschließend wird eine sinusförmige Zugbeanspruchung durch die Überlagerung einer Grundspannung und mechanogener Zugspannung aufgebracht (Bild 4). Während der Prüfung wird die Vertikalverformung des Probekörpers über zwei diametral angeordnete induktive Wegaufnehmer gemessen. Für jede Einzelschwingung werden 40 Messwerte aufgezeichnet. Die Prüffrequenz (f) beträgt konstant 10 Hz. Die Unterspannungen bei Prüfungen unterhalb von 20 °C werden in Abhängigkeit der zuvor im Abkühlversuch (Thermal Stress Retained Specimen Test bzw. TSRST) ermittelten kryogenen Spannung (σkry(T)) gewählt. Die mechanogene Zugspannung (∆σ) beträgt konstant 1,6 MPa.

Bild 4: Kenngrößen der sinusförmigen Zug-Schwellbeanspruchung 

Der Probekörper wird bis zum Materialversagen belastet. Die Lastwechselzahl bei Bruchversagen (NBr) wird als Ermüdungskriterium verwendet.  

2.4 Zusammenhang Asphaltstruktur und Ermüdungswiderstand

Um den Zusammenhang zwischen der Asphaltstruktur und den Ermüdungswiderstand zu untersuchen, wurden die entsprechenden Ergebnisse statistisch ausgewertet. Die statistische Betrachtung erfolgt hier ausschließlich auf Basis der Untersuchung von linearen Zusammenhängen der Parameter (lineare Regression). Der dabei verwendete Bewertungsmaßstab der statistischen Analyse des Zusammenhangs zwischen Strukturindizes und Ermüdungswiderstand ist in der Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2: Einordnung der Korrelationswerte als Bewertungsmaßstab der statistischen Analyse des Zusammenhangs zwischen Strukturindizes und Ermüdungswiderstand des Asphalts  

3 Ergebnisse

Die hauptsächliche Differenzierungsebene bei der Ergebnisinterpretation ist die Prüftemperatur. Der Zug-Schwellversuch wurde bei Prüftemperaturen von +5 °C sowie -10 °C ausgeführt. Im Folgenden werden ausschließlich die Ergebnisse bei +5 °C referiert. Zusätzlich werden die Stichproben anhand der Wachsmodifizierung und der Zugabemenge von Asphaltgranulat unterschieden und entsprechend analysiert. 

3.1 Zusammenhang Asphaltstruktur und Ermüdungswiderstand – Stichprobe Amidwachs

Erfolgt eine Stichprobeneingrenzung hinsichtlich der Wachsmodifikation, kann der Einfluss der Strukturindizes auf die Bruchlastwechselzahl getrennt nach Wachsart (ohne Wachs, mit Amidwachs, mit FT-Wachs) beurteilt werden.

Eindeutige Zusammenhänge praktisch aller Strukturindizes mit der Bruchlastwechselzahl werden für die SMA-Varianten mit Amidwachs identifiziert (Tabelle 3). Im Bild 4 sind die vier höchsten Korrelationen dargestellt.  

Tabelle 3: Korrelationen zwischen der Bruchlastwechselzahl NBruch und Strukturindizes unter Einbeziehung der Zug-Schwellprüfungen bei der Prüftemperatur +5 °C und einer Stichprobenbegrenzung hinsichtlich der Wachsmodifikation (Tabelle in PDF)

Bis auf die Vektormagnitude des Skeletts (VMC,S) zeigen alle Strukturparameter eine sehr starke Korrelation mit der Bruchlastwechselzahl auf einem hoch signifikanten Niveau. Die festgestellten Zusammenhänge sind positiv, das bedeutet mit steigendem Wert des Strukturindex wird ein entsprechend höherer Bruchlastwechsel erreicht.

Bild 4: Korrelationen zwischen der Bruchlastwechselzahl NBruch und Strukturindizes unter Einbeziehung der Zug-Schwellprüfungen bei der Prüftemperatur +5 °C und einer Stichprobenbegrenzung hinsichtlich der Wachsmodifikation

3.2 Zusammenhang Asphaltstruktur und Ermüdungswiderstand – Stichprobe Amidwachs

Erfolgt eine Stichprobeneingrenzung hinsichtlich der Zugabemenge des Asphaltgranulats, kann der Einfluss der Strukturindizes auf die Bruchlastwechselzahl getrennt nach Zugabemenge (ohne Asphaltgranulat, 20 M.-% und 40 M.-% Asphaltgranulat) beurteilt werden.

Eindeutige Zusammenhänge praktisch aller Strukturindizes mit der Bruchlastwechselzahl werden für die SMA-Varianten mit 40 M.-% Asphaltgranulat festgestellt (Tabelle 4). Das Bild 6 zeigt die vier höchsten Korrelationen.  

Tabelle 4: Korrelationen zwischen der Bruchlastwechselzahl NBruch und Strukturindizes unter Einbeziehung der Zug-Schwellprüfungen bei der Prüftemperatur +5 °C und einer Stichprobenbegrenzung hinsichtlich der Granulatzugabemenge (Tabelle in PDF)  

Die Korrelationswerte der Strukturindizes mit der Bruchlastwechselzahl liegen in einem engen Bereich zwischen 0,730 und 0,800 und sind hoch signifikant. Eine Differenzierung zwischen Strukturindizes der Gesamtstruktur und des Skeletts bezüglich des Zusammenhangs mit der Bruchlastwechselzahl ist nicht eindeutig möglich.

Die höchsten Korrelationswerte für die SMA-Varianten mit 40 M.-% Asphaltgranulat werden für die Vektormagnitude der Gesamtstruktur (0,805) und des Skeletts (0,770) erreicht. Mit steigender Vektormagnitude wird eine höhere Bruchlastwechselzahl erreicht. Die Vektormagnitude repräsentiert die Anisotropie der Kontaktorientierung, bei einem Wert von 0 liegt eine vollkommen ungleiche Kontaktorientierung, bei einem Wert von 1 liegt eine vollkommen einheitliche Kontaktorientierung vor. Vor diesem Hintergrund ist der festgestellte positive Zusammenhang zwischen Vektormagnitude und Bruchlastwechselzahl plausibel. Umso einheitlicher die Kontaktorientierung, desto widerstandsfähiger ist die Asphaltstruktur gegenüber der Lasteinwirkung.  

Bild 5: Korrelationen zwischen der Bruchlastwechselzahl NBruch und Strukturindizes unter Einbeziehung der Zug-Schwellprüfungen bei der Prüftemperatur +5 °C und einer Stichprobenbegrenzung hinsichtlich der Granulatzugabemenge  

4 Zusammenfassung

Es wurden Varianten eines SMA 11 S unter Variation der Asphaltgranulatart und -zugabemenge hergestellt.

Die Charakterisierung der Asphaltstruktur der prismenförmigen Probekörper wurde mittels einer Bildanalysetechnik realisiert. Dabei wurden diverse Strukturparameter bestimmt, insbesondere Kontaktparameter (Anzahl der Kontaktpunkte, Summe der Kontaktlängen) wie auch der durchschnittliche Kontaktwinkel, die Vektormagnitude sowie der interne Strukturindex der internen Gesteinsstruktur.

Anschließend wurde der Ermüdungswiderstand des Asphalts mittels Zug-Schwellprüfung bestimmt und auf Zusammenhänge mit ausgewählten Strukturparametern untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

– Die zweidimensionale Bilderfassung und anschließende Bildanalyse wurde erfolgreich für die Bestimmung von Parametern zur Charakterisierung der Asphaltstruktur eingesetzt,

– Die grundsätzliche Eignung der Bildanalyse zur Charakterisierung der Asphaltstruktur wurde nachgewiesen,

– Die Summen der Kontaktlängen korrelieren positiv mit der Bruchlastwechselzahl; mit Zunahme der Summen werden höhere Bruchlastwechselzahlen erreicht,

– Die Vektormagnitude (Anisotropie der Kontaktorientierung) korreliert positiv mit der Bruchlastwechselzahl; Das bedeutet, umso einheitlicher die Kontaktorientierung desto widerstandsfähiger ist die Asphaltstruktur gegenüber der Lasteinwirkung,

– Insgesamt wurde ein klarer Zusammenhang zwischen ausgewählten Strukturparametern des Asphalts mit dem resultierenden Ermüdungswiderstand festgestellt.

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