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1 Einleitung
Ein anforderungsgerechter Verbund zwischen einzelnen Asphaltschichten ist abhängig von Verzahnungen, Verklebungen und Reibung. Durch einen vollständigen und dauerhaften Schichtenverbund soll die Bewegung zwischen den einzelnen Schichten durch Beanspruchungen aus Verkehr und Klima verhindert werden und somit ermöglichen, dass die Asphaltbefestigung als Ganzes den Beanspruchungen widersteht und die Belastung für die tieferliegenden Schichten sowie des Untergrundes reduziert wird [1].
Eine gute Verzahnung ist vorhanden, wenn die Gesteinskörnung der oberen Schicht in die untere Schicht eindringt. Das Einbauverfahren „heiß auf heiß“ ermöglicht in der Regel eine hohe Verzahnung, da bei diesem Verfahren die beiden Asphaltschichten unmittelbar nacheinander hergestellt und gemeinsam in einem Arbeitsschritt verdichtet werden. Bei dem Einbauverfahren „heiß auf kalt“ wird eine weniger stark ausgeprägte Verzahnung erreicht. Dies führt häufig zu einem geringeren Schichtenverbund [2].
Ein weiterer Faktor für einen hohen Schichtenverbund ist neben der Verzahnung die Verklebung. Die Verklebung wird durch das Aufbringen eines Vorspritzmittels erzielt. Dabei muss gewährleistet sein, dass keine Fremdstoffe wie Schmutz, Wasser oder andere Störstoffe das Verkleben verhindern. Die Güte der Verklebung wird dabei durch die Einbautemperatur und durch die eingesetzte Menge an Vorsprühmittel beeinflusst [3].
Holl [1976] stellte fest, dass ein idealer Schichtenverbund vorhanden ist, wenn keine Inhomogenität in den inneren Strukturen des Schichtenverbundes auftritt (siehe Bild 1). Nach Holl lässt sich ein idealer Verbund durch die Einbauweise „heiß auf heiß“ erzielen, da bei dieser Kombination die Bitumenfilme die richtige Dicke aufweisen und unmittelbar miteinander verschmelzen. Bei allen Kombinationen von „frisch auf alt“ lässt sich diese Verschmelzung nicht erreichen, da davon auszugehen ist, dass der Oberflächenfilm der alten Unterlage nicht für eine Verklebung ausreicht. Hier empfiehlt Holl den Einsatz von zusätzlichem Bindemittel, welches auf die kalte Unterlage aufgespritzt wird.
Bild 1: Unterschied zwischen idealem und wirklichem Verbund [4]
Stöckert [2002] unterteilt die Einflussgrößen auf den Schichtenverbund in vier Gruppen. Das Bild 2 stellt diese grafisch dar und verdeutlicht die Vielzahl der Einflussfaktoren. Die Gruppen
„Asphaltkenngrößen“, „Einbaubedingungen“ und „Oberflächenzustand der zu überbauenden Schicht“ werden dem Herstellungsprozess zugeordnet. Die Verkehrsbelastung hat Einfluss auf die zeitliche Entwicklung des Schichtenverbunds.
Bild 2: Einflüsse auf den Schichtenverbund nach [3]
Ziel der zwei BMVI/BASt-Forschungsvorhaben waren zum einen eine systematische Untersuchung des Einflusses der Applikation von Ansprühmittel auf die Güte des Schichtenverbundes. Dabei sollte neben der Art auch die Dicke des Ansprühmittels variiert werden. Zum anderen eine systematische Untersuchung des Einsatzes des Sprühfertigers. Dabei sollte der Sprühfertiger auf unterschiedlichen Oberflächen und mit verschiedenen Ansprühmitteln untersucht werden. Basierend auf diesen Untersuchungen und den daraus gewonnenen Erkenntnissen sollten allgemeingültige Empfehlungen formuliert werden.
2 Untersuchungsmethodik
2.1 Herstellung Probekörper
Zur Überprüfung der Ansprühmittel auf unterschiedlichen Oberflächentexturen im Labor werden aus bestehenden Asphaltbefestigungen mit gefräster Oberfläche Platten gesägt. Die Platten werden in der Größe 320 mm x 260 mm aus den Asphaltbefestigungen entnommen. Die Schichtdicke der Platten liegt zwischen 4 und 6 cm, je nach Asphaltart. Aus einer mit einer Standardfräse LA 15 und mittlerer Geschwindigkeit bearbeitete Asphaltstraße werden Platten ausgesägt.
Der Ausbau der gefrästen Platten aus einer Baumaßnahme in Niedersachen ist im Bild 3 dargestellt.
- a) Fräsfläche
- b) Sägen der Plattenmaße
- c) Entnahme der Platten
Bild 3: Ausbau der gefrästen Platten
Zusätzlich zu den Platten aus bestehenden Asphaltbefestigungen werden neue Platten mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellt. Die Herstellung der erforderlichen Asphaltplatten erfolgt nach den TP Asphalt-StB, Teil 33.
2.2 Herstellung Probekörper
Die Applikation der Ansprühmittel erfolgt mit einer eigens gebauten Ansprühanlage.
In der Ansprühanlage werden die Platten auf ein motorbetriebenes Fließband gelegt und fahren unter einer Düse, die die Bitumenemulsion als feinen Nebel aufträgt, hindurch. Im Vergleich zu der Realität bewegt sich hierbei nicht die Ansprühvorrichtung (Düse), sondern der Asphaltbelag (Platte). Durch die Einstellung der Geschwindigkeit des Fließbandes kann die applizierte Menge der Bitumenemulsion variiert werden. Die verwendete Düse entspricht den Düsen, die in der realen Baupraxis eingesetzt werden. Durch einen Adapter besteht die Möglichkeit, verschiedene Düsentypen einzusetzen und weitere Untersuchungen mit variierenden Düsen vorzunehmen.
Zusätzlich kann für eine realitätsnahe Simulation des Ansprühvorganges der Düsendruck je nach Emulsion variiert werden. Das Ansprühmittel wird in einem Aufbewahrungskessel auf 70 °C temperiert und entspricht somit der Temperatur, welche im Sprühfertiger eingestellt wird. Der Vorgang der Applikation im Labormaßstab ist demzufolge dem Verfahren des Sprühfertigers in situ sehr ähnlich.
Bild 4: Ansprühen einer Walzsektorplatte
2.3 Simulation Sprühfertiger
Die Besonderheit des Sprühfertigers ist das Ansprühen der Bitumenemulsionen und das Einbauen der Asphaltschicht in einem Arbeitsschritt. Dies soll durch eine Laboruntersuchung simuliert werden. Durch die Simulation sollen Erkenntnisse zur Problematik der Blasenbildung (keine Zeit für den vollständigen Brechvorgang der Emulsion) gewonnen werden. Das Ansprühen der Bitumenemulsion erfolgt beim Sprühfertiger an drei verschiedenen Stellen. Die Stellen der Ansprühdüsen sind im Bild 5 nummeriert. Nummer 1 steht für die Ansprühposition Mitte, Nummer 2 für die Ansprühposition Seite und Nummer 3 für die Ansprühposition Kette. Anhand der Abmessungen des Sprühfertigers und der Einbaugeschwindigkeit kann der zeitliche Abstand zwischen Ansprühen und Einbauen des Asphaltes berechnet werden.
Bild 5: Sprühfertiger mit den Angaben der Ansprühpositionen 1 bis 3
Da die Platte im Labor nach dem Ansprühvorgang gewogen und zu dem Walzsektor-Verdichter transportiert werden muss und dafür entsprechend Zeit benötigt wird, wird die Simulation für die Ansprühposition 1 mit der Einbaugeschwindigkeit von 6 m/min durchgeführt. Geringere Zeitabstände sind aufgrund der Logistik und Handhabung der Geräte nicht möglich. Die Zeitabstände sind in der Tabelle 1 grün dargestellt. Unter der Berücksichtigung von verschiedenen Ansprühmengen und mit dem Vergleich der Probekörper aus der konventionellen Herstellung kann somit die Auswirkung der Reduzierung der Brechzeit bei verschiedenen Ansprühmengen ermittelt werden.
Tabelle 1: Zeitenberechnung der Sprühfertigersimulation
2.4 Untersuchung der Probekörper
Zur Bestimmung der Scherkraft wird der Abscherversuch gemäß den TP Asphalt-StB, Teil 80 durchgeführt. Für die Prüfung werden aus den hergestellten Probeplatten Bohrkerne mit einem Durchmesser von 150 mm entnommen. Zu prüfen sind zwei Bohrkerne je Probeplatte (Asphaltpaket).
Zur Identifikation und Lagebestimmung der Luftporen einer Asphaltprobe eignet sich die Asphaltpetrologie. Durch die Herstellung von Anschliffen mithilfe abgestimmter Präparationstechniken (siehe Bild 6) für den Asphalt und einer Bildanalyse ist eine genauere Bestimmung der Materialstruktur möglich. Die Anschliffe ermöglichen zudem eine detaillierte Betrachtung der Schichtgrenzen zwischen den beiden Asphaltschichten. Entstandene Blasen können lokalisiert und definiert werden.
Bild 6: Präparation eines asphaltpetrologischen Probekörpers [5]
2.5 Baumaßnahmen
Neben den Untersuchungen an Probekörpern aus dem Labor sollen die Ansprühmittel sowie das Verfahren des Sprühfertigers auch in situ unter Variation der Ansprühmengen und Ansprühmittel untersucht werden. Die Versuchsstrecken wurden hierfür vom Fräsvorgang bis zum Einbau des neuen Belages durch das Forschungsteam begleitet. In Zusammenarbeit mit den Straßenbauverwaltungen aus Bayern, Rheinland-Pfalz, Baden-Württemberg und Sachsen-Anhalt wurden die Baumaßnahmen ausgewählt und durchgeführt.
3 Ergebnisse
3.1 Einfluss von Ansprühmittel auf den Schichtenverbund
Im Bild 7 sind die Ergebnisse des Ansprühmittels C40 B5-S bei konventioneller Herstellung auf einer gefrästen Asphaltplatte dargestellt. Insgesamt wurden hohe Scherkräfte gemessen, dennoch lassen sich anhand der Ergebnisse Unterschiede zwischen den Ansprühmengen erkennen. Bei der mittleren Ansprühmengen (300 g/m²) sinkt die Scherkraft minimal, steigt dann wieder an und fällt bei 450 g/m² wieder ab. Es bildet sich ein Wellenverlauf aus.
Bild 7: Ergebnisse Scherversuch bei Verwendung von C40 B5-S auf gefräster Unterlage (Laboruntersuchung)
Auf frisch hergestellten Asphaltplatten wurden ebenfalls Ansprühmengen mit einer großen Spannbreite (250 g/m² bis 550 g/m²) aufgetragen. Die Ergebnisse sind im Bild 8 dargestellt. Anders als bei den Versuchen mit gefräster Unterlage weisen hier die mittleren und hohen Ansprühmengen höhere Scherkräfte auf. Es ist ebenfalls ein wellenförmiger Verlauf der Ergebnisse im Diagramm zu erkennen.
Bild 8: Ergebnisse Scherversuch bei Verwendung von C40 B5-S auf frischer Unterlage (Laborversuch)
Im Bild 9 ist der Vergleich der Scherkräfte in Abhängigkeit von den Ansprühmengen dargestellt. Hierbei lässt sich als erste Erkenntnis festhalten, dass die Probekörper mit der gefrästen Unterlage im Vergleich zu den Probekörpern einer neu hergestellten Unterlage höhere Scherkräfte erzielen.
Bild 9: Vergleich Scherkräfte auf gefräster und frischer Unterlage
Neben den Erkenntnissen aus dem Labor wurden noch Bohrkerne und FWD-Messungen bei ausgewählten Baumaßnahmen durchgeführt. Ziel der Untersuchungen der Baumaßnahmen war es, die Ergebnisse aus dem Labor unter realen Bedingungen zu überprüfen.
Bei dem Vergleich der Ergebnisse aus den Baumaßnahmen ist zu sehen, dass sich die Scherwerte im Vergleich zu den Grenzwerten aus den ZTV Asphalt-StB auf einem hohen Niveau befinden und nur geringe Unterschiede zwischen den Mittelwerten vorhanden sind.
Bei der Emulsion C40 B5-S ist wieder ein parabelförmiger Verlauf der Scherwerte zu erkennen, der durch geringere Scherwerte bei zu geringen Bitumenmengen ergänzt wird. Dies bedeutet, dass die tendenziell höchsten Scherwerte durch niedrige und hohe Bitumenmengen erzielt werden, allerdings führt eine zu geringe Bitumenmenge (80 g/m²) zu einem ähnlich geringen Schichtenverbund, wie die mittleren Mengen. Es ist davon auszugehen, dass der Scherwert unter einer Bitumenmenge von 80 g/m² abnimmt.
Zusätzlich ist aus dem Bild zu erkennen, dass die Streuung bei der hohen Bitumenmenge aus der C60 BP4-S sehr hoch ist. Eine hohe Bitumenmenge in Verbindung mit dem Bindemittel aus der neu hergestellten Schicht könnte zur Bildung eines Schmierfilms führen, welcher die niedrigen Scherwerte erklären könnte.
Bild 10: Vergleich der Bitumenemulsion auf einer frischen Unterlage – Baumaßnahmen
Generell sind die Schwankungen sicher nicht nur abhängig von der Bitumenmenge, sondern auch von den sich ändernden Rahmenbedingungen auf den verschiedenen Baustellen.
Für eine Bewertung des Schichtenverbundes wurden zusätzlich für dieses Forschungsprojekt anhand der charakteristischen Steifigkeit der lastverteilenden Schicht M1h³ die FWD-Messergebnisse der Erstmessung (Unterlage) und der Folgemessung (nach Einbau) miteinander verglichen. Der Vergleich erfolgt zum einen als grafische Gegenüberstellung der Tragfähigkeitskennwerte im Streckenband als auch als grafische Darstellung der prozentualen Veränderung der Messergebnisse. Die prozentuale Veränderung wird dabei wie folgt berechnet:
Gleichung in der PDF Gleichung 1
= Veränderung der charakteristischen Steifigkeit der lastverteilenden Schicht an der Stelle i [-]
= Charakteristische Steifigkeit der lastverteilenden Schicht der Erstmessung an der Stelle i [-]
= Charakteristische Steifigkeit der lastverteilenden Schicht der Folgemessung an der Stelle i [-]
Der Vergleich der Messwerte aus den Maßnahmen zwischen M1h³rel und der Scherkraft zeigt, dass ein linearer Zusammenhang der beiden Messwerte besteht (siehe Bild 11). Das Bestimmtheitsmaß R² ist hier mit 0,702 angegeben, welcher für einen mittleren linearen Zusammenhang steht. Außerdem ist anhand der Verteilung der Einzelwerte der lineare Zusammenhang grafisch ersichtlich. Ist beispielsweise die Scherkraft hoch, so liegt der dazugehörige M1h³rel Wert ebenfalls im hohen Bereich. Das gleiche Bild lässt sich mit den niedrigen Scherkräften abzeichnen. Somit kann davon ausgegangen werden, dass ein hoher M1h³rel-Wert einen guten Schichtenverbund repräsentiert und bei einem niedrigen M1h³rel-Wert der Schichtenverbund deutlich schwächer ist.
Bild 11: Vergleich Scherkräfte und M1h3rel aus FWD-Messung
3.2 Einfluss des Einbauverfahrens Sprühfertiger auf den Schichtenverbund
In den Bildern 12 und 13 sind die Ergebnisse aus der Simulation des Sprühfertigers im Labor dargestellt. Im Labor wurden die beiden Bitumenemulsion C40 BF5-S und C60 BP4-S eingesetzt. Die beiden Emulsionen unterscheiden sich in der Menge des Wassers und Bitumen. Die Emulsion C40 BF5-S hat einen höheren Anteil an Wasser. Da die Bitumenemulsion bei der Anwendung des Sprühfertigers keine Zeit hat, vollständig zu brechen, kann es zu einer Blasenbildung an der Schichtgrenze kommen.
Im Bild 12 sind die Ergebnisse der Scherkraft der konventionellen und der Sprühfertiger Simulation gegenübergestellt. Es ist zu erkennen, dass bei niedrigen Ansprühmengen die Scherwerte nahezu identisch sind. Mit steigender Ansprühmenge sinken die Werte der Sprühfertiger Simulation. Dies lässt auf eine Schädigung des Verbundes aufgrund von eingeschlossenem Wasser schließen.
Bild 12: Simulation Sprühfertiger im Labor – C40 BF5-S; Scherkraft bei Variation der Ansprühmengen
Im Bild 13 sind die Ergebnisse der Simulation mit der Bitumenemulsion C60 BP4-S dargestellt. Die Ergebnisse je Ansprühmenge sind sowohl für die Simulation des konventionellen Einbaus als auch für die Simulation des Sprühfertigers auf einem gleichen Niveau. Im Vergleich zu der Bitumenemulsion C40 BF5-S weisen die Versuche mit der Bitumenemulsion C60 BP4-S höhere Scherwerte auf.
Bild 13: Simulation Sprühfertiger im Labor – C60 BP4-S; Scherkraft bei Variation der Ansprühmengen
Im Bild 14 sind die Scherkräfte der Probekörper aus den drei Ansprühpositionen aus den Baumaßnahmen dargestellt. Dem gegenüber ist der Wassergehalt in g/m², der sich aus der Emulsionsmenge ergibt, aufgetragen. Hierbei bestätigt sich die Annahme aus den Laborversuchen: Ein zu hoher Wassergehalt ist für die Anwendung des Sprühfertigers ungeeignet. Die Bitumenemulsion C40 BF5-S weist die schlechtesten Scherwerte auf. Diese Emulsion hat den höchsten Wassergehalt.
Bild 14: Scherkräfte; Proben aus mehreren Baumaßnahmen – Einbau Sprühfertiger
Neben der Messung des Schichtenverbundes anhand von Bohrkernen wurden an den Bohrkernen aus den Baumaßnahmen auch asphaltpetrologische Untersuchungen durchgeführt. Bei dem Einsatz der Bitumenemulsion C50 BP4-S liegt der Hohlraumgehalt an der Schichtgrenze für die drei verschiedenen Ansprühpositionen der Probekörper zwischen 0,47 % und 0,17 %. Eine Hohlraumbildung ist demzufolge bei der Anwendung der Bitumenemulsion C50 BP4-S nicht gegeben. Die Anschliffe der Schichtgrenzen und die Auswertung des Hohlraumgehaltes der Probekörper mit der Bitumenemulsion C50 BP4-S sind im Bild 15 dargestellt.
Bild 15: Hohlraumgehalt an der Schichtgrenze (a, b, c = Darstellung der Schichtgrenze) – Einbau Sprühfertiger C50 BP4-S
Die Bitumenemulsionen C60 BP4-S weist im Vergleich zu den Probekörpern mit der Bitumenemulsion C50 BP4-S mehr Hohlräume an der Schichtgrenze auf, aber deutlich weniger im Vergleich zu den Probekörpern mit der Bitumenemulsion C40 B5-S.
Bild 16: Hohlraumgehalt an der Schichtgrenze (a, b, c = Darstellung der Schichtgrenze) – Einbau Sprühfertiger C60 BP4-S
Die Probekörper mit der Bitumenemulsion C40 B5-S weisen von allen untersuchten Probekörpern die meisten Hohlräume an der Schichtgrenze auf (siehe Bild 17). Hierbei fällt zunächst auf, dass die meisten Hohlräume an den Probekörpern aus dem Seiten- und Kettenbereich entstanden sind, welche die geringsten Zeitabstände zwischen Applizieren und Einbauen zulassen.
Bild 17: Hohlraumgehalt an der Schichtgrenze (a,b,c = Darstellung der Schichtgrenze) – Einbau Sprühfertiger C40 BF5-S
Aufgrund der niedrigen Scherwerte und der hohen Anzahl von Hohlräumen ist die Bitumenemulsion C40 BF5-S für die Anwendung des Sprühfertigers nicht geeignet. Die beiden anderen Bitumenemulsion C50 BP4-S und C60 BP4-S bewirkt einen niedrigeren Wassergehalt in der Schichtgrenze und führen bei der Anwendung des Sprühfertigers zu höheren Scherkräften.
4 Interpretation und Zusammenfassung
Anhand der Ergebnisse aus den beiden Forschungsprojekten können folgende Empfehlungen für den Einsatz von Ansprühmittel und den Einsatz des Sprühfertigers formuliert werden. Allgemein gilt bei dem Einsatz von Ansprühmittel Folgendes zu beachten:
- Wahl der Ansprühmenge: Die Wahl der Ansprühmenge ist von mehreren Faktoren abhängig. Hierbei ist unter anderem die Unterlage (gefräst, neu hergestellt)
- Vorbereitung der Unterlage: Die Unterlage muss vollständig trocken und gereinigt Schmutz führt zu geringerem Schichtenverbund.
- Einbau-/Ansprühbedingungen (Wetter): Der Einbau/das Ansprühen darf nur bei trockenen Bedingungen erfolgen. Es sollte auf jeden Fall auf einen Einbau/ein Ansprühen bei Regen oder nassen Bedingungen verzichtet werden. Bei dem Ansprühvorgang könnte dadurch die aufgetragene Bitumenemulsion abgetragen werden. Während des Einbaues besteht die Gefahr, dass Wasser eingeschlossen wird, wodurch der Schichtenverbund geschädigt werden. Der Einbau bei Regen ändert die Zusammensetzung der Emulsion und beeinflusst den Brechvorgang.
- Schutz der angesprühten Fläche: Die angesprühte Unterlage muss vor Störfaktoren geschützt. Durch den Baustellenverkehr kann Schmutz eingetragen und die Bitumenemulsion abgefahren werden. Dies führt zu Störstellen im Schichtenverbund. Aus diesem Grund ist die angesprühte Fläche vor diesen Einflussfaktoren zu schützen.
Bei dem Einsatz des Sprühfertigers ist die applizierte Wassermenge je Bitumenemulsion entscheidend. Anhand der Ergebnisse aus der Simulation im Labor ist ein maximaler Wassergehalt pro m² zwischen 180 und 220 g/m² möglich. Dies gilt allerdings für Laborbedingungen. Die Ergebnisse der Baumaßnahmen haben gezeigt, dass bereits ein Wassergehalt von 150 g/m² kritisch sein kann. Aus diesem Grund empfehlen sich die in der Tabelle 2 dargestellten Wassermengen je g/m² für die Arten der Unterlagen und aufzubringenden Schichten. Da die gefrästen Unterlagen meistens keine oberflächennahen Hohlräume aufweisen, sollte hier der Wert im Vergleich zu frisch hergestellten Unterlagen etwas niedriger sein.
Tabelle 2: Empfehlung der Wassermenge [g/m²] für den Einsatz des Sprühfertigers
Literaturangaben
- Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Hinweise zur Erzielung eines anforderungsgerechten Schichtenverbundes bei Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (H SVA), Ausgabe 2017, Köln (FGSV 731)
- Wistuba, M.; Walther, A.: Auswirkungen des Schichtenverbundes auf die theoretische Lebensdauer von Straßenbefestigungen aus Asphalt, Straße Autobahn 64/2013, Nr. Heft 7, S. 501–507
- Stöckert, U.: Ein Beitrag zur Festlegung von Grenzwerten für den Schichtenverbund im Asphaltstraßenbau, Ph. D. Thesis, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, 2002
- Holl, A.: Spritz- und Anstricharbeiten beim Heißeinbau von Asphalt, Straßen Tiefbau, 1976, Band Heft 30
- Tielmann, M. R. D.; Hill, T. J.: Air Void Analyses on Asphalt Specimens Using Plane Section Preparation and Image Analysis, J Mater Civ Eng, 2018, S. 11
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