eJournals Kolloquium Straßenbau in der Praxis 2/1

Kolloquium Straßenbau in der Praxis
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expert Verlag Tübingen
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2021
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Asphaltoptimierung nach Performancekriterien

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Erik Kamratowsky
Frohmut Wellner
Um die vorhandenen Ressourcen effizienter nutzen und ein weitgehend sicheres und dauerhaftes Verkehrsnetz bieten zu können, ist es von großer Bedeutung die einzelnen Konstruktionsschichten von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt ihrer Beanspruchung entsprechend zu konzipieren. Das Ziel des Forschungsvorhabens „Entwicklung von Asphalten für zukünftige schwerste Verkehrsbelastungen“ ist, über die Bestimmung des Einflusses der Zusammensetzung von Asphaltdeckschichtgemischen auf deren Gebrauchseigenschaften eine Herangehensweise für die Asphaltkonzeption unter Verwendung von gebrauchsverhaltensorientierten Prüfverfahren zu entwickeln. Die Ergebnisse der Versuchsergebnisse und der Prognoserechnungen zeigten ebenfalls, dass es bei allen untersuchten Asphaltgemischen jeweils ein Bereich des Bindemittelgehaltes bestimmt wurde, in denen sich das Griffigkeits-, das Ermüdungs- und das Verformungsverhalten nur geringfügig ändern.
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2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 135 Asphaltoptimierung nach Performancekriterien Dipl.-Ing. Erik Kamratowsky TU Dresden, Deutschland Prof. Dr.-Ing. habil. Frohmut Wellner TU Dresden, Deutschland Zusammenfassung Um die vorhandenen Ressourcen effizienter nutzen und ein weitgehend sicheres und dauerhaftes Verkehrsnetz bieten zu können, ist es von großer Bedeutung die einzelnen Konstruktionsschichten von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt ihrer Beanspruchung entsprechend zu konzipieren. Das Ziel des Forschungsvorhabens „Entwicklung von Asphalten für zukünftige schwerste Verkehrsbelastungen“ ist, über die Bestimmung des Einflusses der Zusammensetzung von Asphaltdeckschichtgemischen auf deren Gebrauchseigenschaften eine Herangehensweise für die Asphaltkonzeption unter Verwendung von gebrauchsverhaltensorientierten Prüfverfahren zu entwickeln. Die Ergebnisse der Versuchsergebnisse und der Prognoserechnungen zeigten ebenfalls, dass es bei allen untersuchten Asphaltgemischen jeweils ein Bereich des Bindemittelgehaltes bestimmt wurde, in denen sich das Griffigkeits-, das Ermüdungs- und das Verformungsverhalten nur geringfügig ändern. 1. Einleitung In Deutschland werden Verkehrsflächenbefestigungen größtenteils auf der Grundlage empirisch gewonnener Erkenntnisse dimensioniert und ausgeführt. Die Festlegung der Dicken der gebundenen und ungebundenen Schichten von Straßenbefestigungen erfolgt unter Anwendung der Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen [3]. Des Weiteren wird das Gebrauchsverhalten der Baustoffgemische dieser Schichten indirekt über ihre Zusammensetzungen und einige wenige leistungsbezogene Prüfverfahren beschrieben. Um die noch vorhandenen Ressourcen effizienter nutzen und ein weitgehend sicheres und dauerhaftes Verkehrsnetz bieten zu können, ist es von großer Bedeutung die einzelnen Konstruktionsschichten von Verkehrsflächenbefestigung aus Asphalt ihrer Bean-spruchung entsprechend zu konzipieren. Geeignete Werkzeuge für die Prognose der strukturellen Substanz auf der Grundlage materialtechnischer und stochastisch abgesicherter Kennwerte stellen die Verfahren der Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphalt-deckschichten [2] zur Prognose der Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung und das in [8] beschriebene Verfahren zur Prognose der Spurrinnenentwicklung dar. Das Forschungsvorhaben „Entwicklung von Asphalten für zukünftige schwerste Verkehrsbelastungen“ des Deutschen Asphaltinstitutes (DAI) wurde an der Technischen Universität Dresden bearbeitet und aus den Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften (AiF) gefördert. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist, über die Bestimmung des Einflusses der Zusammensetzung von Asphaltdeck- und Asphaltbindergemische auf deren Gebrauchseigenschaften eine Herangehensweise für die Asphaltkonzeption von diesen Materialien für zukünftige schwerste Verkehrsbelastung unter Verwendung von gebrauchsverhaltensorientierte Asphaltprüfverfahren zu entwickeln. In diesem Artikel werden die Ergebnisse der Laboruntersuchungen und der Prognoseberechnungen der Asphaltdeckschichtgemische vorgestellt. 2. Untersuchte Materialien In die Untersuchungen werden als Asphaltdeck-schichtmaterialien ein Splittmastixasphalt mit einem Größtkorn von 11 mm unter zweifacher Variation der Korngrößenverteilung sowie als Asphaltbinder-gemische ein stetig gestufter Asphaltbeton und ein Splittmastixasphalt mit jeweils einem Größtkorn von 16 mm einbezogen. Die Asphaltbindergemische werden nach Hinweise für die Planung und Ausführung von alternativen Asphaltbinderschichten [1] hergestellt. Als Bindemittel kommen polymermodifizierte Bitumen zum Einsatz. Damit der Einfluss der Korngrößenverteilung (KGV) des Asphaltes auf die Materialeigenschaften bestimmt werden kann, müssen die Sieblinien der einzelnen Deck- 136 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Asphaltoptimierung nach Performancekriterien bzw. Binderschichten möglichst weit auseinander liegen. Somit wird für die Variation der Korngrößenverteilung des SMA 11 S die obere (feine KGV) und die untere Grenze (grobe KGV) des Toleranzbereiches der TL Asphalt-StB 07 [4] verwendet. Die Korngrößenverteilung der Binderschichtgemische wird nach dem gleichen Prinzip variiert. Somit wird für den AC 16 B S SG die obere Grenze und für den SMA 16 B S die untere Grenze nach H Al Abi als Sieblinie verwendet. Der Bindemittelgehalt wurde für jede Korngrößenverteilung ebenfalls variiert. Dafür wurde mithilfe der Untersuchungen des Gesteins und der Bitumen der Bindemittelbedarf der Asphaltgemische nach dem Verfahren von Radenberg et al. [10] ermittelt. Die Methode wurde zur Ermittlung des Bindemittelbedarfes für Dünne Schichten im Kalteinbau entwickelt. Bei diesem Verfahren wird der notwendige Bindemittelbedarf unter Betrachtung der spezifischen Oberfläche, der Bitumenfilmdicke, dem tatsächlichen Massenanteil der Gesteinsfraktion und der Kornformkennzahl ermittelt. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse für die Asphaltgemische zusammengefasst. Tabelle 1: Bindemittelbedarf der Asphaltgemische Asphaltgemisch Bindemittelbedarf SMA 11 S: feine KGV 7,0 M-% SMA 11 S: grobe KGV 5,8 M-% AC 16 B S SG 7,0 M-% SMA 16 B S 5,4 M-% Für die Asphaltdeckschichtgemische und dem SMA 16 B S wird mithilfe des Verfahren jeweils ein realistischer Bindemittelbedarf ermittelt. Das Verfahren zeigt jedoch Grenzen bei der Ermittlung des Bindemittelbedarfes für den stetig gestuften Asphaltbeton (AC 16 B S SG), aufgrund des deutlich zu hohen Bindemittelgehaltes des Asphaltbindergemisches. Zur Festlegung der endgültigen Spanne für die Variation des Bindemittelgehaltes wurden zusätzlich Erstprüfungen an den Asphaltgemischen durchgeführt. In Tabelle 2 sind alle untersuchten Materialien zusammengefasst. Tabelle 2: Übersicht der Asphaltgemische Asphaltgemisch Bitumensorte Bindemittelgehalt [M-%] SMA 11 S fKGV 25/ 55-55A 6,03/ 6,50/ 6,79/ 7,52/ 8,02 SMA 11 S gKGV 25/ 55-55A 5,61/ 6,42/ 6,71/ 7,76 SMA 11 S fKGV 10/ 40-65A 7,01 AC 16 B S SG 10/ 40-65A 4,75/ 5,00/ 5,68/ 5,98/ 6,55 SMA 16 B S 10/ 40-65A 5,17/ 5,47/ 6,03/ 6,50 AC 16 B S SG 25/ 55-55A 5,28 3. Versuchsergebnisse In diesem Artikel werden lediglich die Versuchsergebnisse der Asphaltdeckschichtgemische dargestellt. Die vollständigen Untersuchungsergebnisse sind im Abschlussbericht [9] enthalten und über die Homepage des DAI abrufbar. 3.1 Einfluss der Asphaltzusammensetzung auf das Steifigkeitsverhalten Die Bestimmung der Hauptkurve zur Beurteilung des Steifigkeitsverhaltens erfolgt anhand von einaxialen Druck-Schwellversuche am schlanken Probekörper. Somit kann die Hauptkurve auch bei Temperaturen über 20°C versuchstechnisch ermittelt werden. Die Versuche werden als Multistage-Versuche über mehrere Temperaturen und Frequenzen durchgeführt. Für die Versuche bei einer Temperatur von 35°C wurde ein neuer Probekörper verwendet, damit Teilschädigun-gen, die das Ergebnis beeinflussen können, ausgeschlossen sind. Die Versuchsparameter sind in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3: Versuchsparameter zur Bestimmung der Hauptkurve T [°C] F [Hz] ε ele,anf [‰] σ u [N/ mm²] σ o [N/ mm²] -10; 5; 20; 35 0,1; 0,3; 1; 3; 5; 10 ca. 0,065 0,035 T und f abhängig Zur Minimierung der Querdehnungsbehinderung wird zwischen dem Probekörper und dem Laststempel bzw. der Lastplatte eine Teflonfolie angeordnet. Die Messung der vertikalen Dehnungen erfolgt über die Extensometer, die mithilfe von Magneten am Probekörper befestigt sind. In Abbildung 1 sind die Steifigkeitsmodul-Temperatur- Funktionen der untersuchten Asphaltdeckschichtvarian- 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 137 Asphaltoptimierung nach Performancekriterien ten (SMA 11 S feine KGV) und in Abbildung 2 die Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktionen der untersuchten Asphaltdeckschichtvarianten (SMA 11 S grobe KGV) unter Variation des Bindemittelgehaltes dargestellt. Der Einfluss der Sieblinie ist deutlich erkennbar. Die Steifigkeiten erhöhen sich durch die Verwendung einer feineren Korngrößenverteilung. Die Steifigkeiten der untersuchten Materialien mit einer feinen Korngrößenverteilung reduzieren sich mit zunehmenden Bindemittelgehalt. Eine Ausnahme stellt die Variante mit einem Bindemittelgehalt von 6,79 M-% dar. Diese Variante besitzt höhere Steifigkeiten bei tiefen Temperaturen als die Variante mit einem geringeren Bindemittelgehalt. Bei der groben Korngrößenverteilung bewirkt die Erhöhung des Bindemittelgehaltes eine Zunahme der Steifigkeiten bei tiefen Temperaturen. Allerdings besitzt die Variante mit dem geringsten Bindemittelgehalt die höchsten Steifigkeiten bei Temperaturen über -10°C. Des Weiteren verlaufen die Steifigkeitsmodul-Temperatur- Funktion bei den anderen Varianten nahezu identisch über einer Temperatur von 0°C. Abb. 1: Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktion SMA 11 S feine KGV Abb. 2: Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktion SMA 11 S grobe KGV 3.2 Einfluss der Asphaltzusammensetzung auf das Ermüdungsverhalten Die Bestimmung der Ermüdungsfunktionen der Asphaltvarianten erfolgte gemäß der TP Asphalt-StB Teil 24 Entwurf 2017 [5] mithilfe des Spaltzug-Schwellversuches. In Abbildung 3 und 4 sind die Ermüdungsfunktionen der Asphaltdeckschichtvarianten dargestellt. Bei beiden Korngrößenverteilungen der Deckschichtvarianten nehmen die ertragbaren Lastwechselzahlen mit zunehmendem Bindemittelgehalt bei gleichen elastischen Anfangsdehnungen zu. Bei der feinen Korngrößenverteilung verschlechtert sich die Ermüdungsfunktion erst ab der Variante mit einem Bindemittelgehalt von 8,02 M-%. Dabei verschieben sich die Ermüdungsfunktionen mit Zunahme des Bindemittelgehaltes bei beiden Sieblinien annähernd parallel zueinander. Bei elastischen Anfangsdehnungen von ε el, anf ≤ 0,12 ‰ weisen die Varianten der feinen Korngrößenverteilung bei gleichem Bindemittelgehalt eine bessere Ermüdungsfunktion auf, als die Varianten mit der groben Sieblinie bis zu einem Bindemittelgehalt von 6,50 M-%. Die grobe Korngrößenverteilung bei einem Bindemittelgehalt von circa 6,7 M-% besitzt eine bessere Ermüdungsfunktion ab einer elastischen Anfangsdehnungen von ε el, anf ≤ 0,085 ‰ als die feine Korngrößenverteilung. Bei dem Bindemittelgehalt von 7,76 M-% besitzt die grobe Sieblinie ein besseres Ermüdungsverhalten im gesamten untersuchten Bereich als die der feineren. Zusätzlich besitzen die Deckschichtgemische mit der feinen Korngrößenverteilung größere Steifigkeiten, sodass bei gleicher Lasteintragung geringere Dehnungen im Asphalt entstehen. Somit ist ein besseres Ermüdungsverhalten zu erwarten. Abb. 3: Ermüdungsfunktion SMA 11 S feine KGV Abb. 4: Ermüdungsfunktion SMA 11 S grobe KGV 138 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Asphaltoptimierung nach Performancekriterien 3.3 Einfluss der Asphaltzusammensetzung auf das Verformungsverhalten Der Einfluss der Asphaltzusammensetzungen auf das Verformungsverhalten wird mit dem einaxialen Druck- Schwellversuch und an ausgewählten Asphaltvarianten mit dem Triaxialversuch mit Druckbeanspruchung überprüft. Die Untersuchung der Verformungsbeständigkeit erfolgt in Teilschritten: • Einaxiale Druck-Schwellversuche am schlanken Probekörpern als Multistage-Versuche • Einaxiale Druck-Schwellversuche am gedrungenen Probekörpern als Multistage-Versuche • Einaxiale Druck-Schwellversuche nach TP Asphalt- StB 25 B 1 • Triaxialversuche mit Druckbeanspruchung an den optimierten Asphaltvarianten. Die verschiedenen Versuchsdurchführungen kommen zur Anwendung, um in Auswertung der Versuche und der geplanten Prognoserechnungen der Spurrinnen-entwicklung beurteilen zu können, ob zum einen der einaxiale Druck-Schwellversuch nach TP Asphalt.StB 25 B 1 den Widerstand der Asphalte gegenüber bleibenden Verformungen korrekt beurteilen kann. Zum anderen soll die Frage beantwortet werden, ob es möglich ist, ausschließlich anhand der Ergebnisse der einaxialen Druck- Schwellversuche Spurrinnenprognoserechnungen durchführen und auf die Verwendung von Triaxialversuchen verzichten zu können. Nachfolgend wird die Versuchsdurchführung des einaxialen Druck-Schwellversuches erläutert und dessen Ergebnisse an den Asphaltdeckschichtgemischen dargestellt. Bei dem einaxialen Druck-Schwellversuch am schlanken Probekörper werden Probekörper mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Höhe von 200 mm geprüft. Der Probekörper wurde mindestens 6 Stunden vor Versuchsbeginn auf die jeweilige Prüftemperatur temperiert und anschließend zentrisch unter den Laststempel in die Prüfeinrichtung eingebaut. Zur Minimierung der Querdehnungsbehinderung wird zwischen dem Probekörper und dem Laststempel bzw. der Lastplatte eine Teflonfolie angeordnet. Die Versuche werden als Multistage- Versuche über mehrere Temperaturen bei einer Frequenz von 10 Hz durchgeführt. Die Belastung der Probekörper erfolgt in Form einer kraftgeregelten, harmonischen Sinusschwellbelastung ohne Lastpausen. Die Unterspannung dient der Lagesicherung des Probekörpers während des Versuches und beträgt 0,020 MPa für alle Versuche. Während eines Versuches wird der Probekörper mit 3 unterschiedlichen Oberspannungen mit jeweils 30.000 Lastwechsel belastet. Die Messung der vertikalen Verformungen während des Versuches erfolgten über drei Extensiometer, die in Probekörpermitte jeweils um 120° versetzt angeordnet sind. Die Extensiometer wurden mit Hilfe von Gummiringen direkt am Probekörper angebracht, da die Klebeverbindung mit dem Magneten über die Versuchsdauer von 3 Stunden unter den Belastungen versagte. Zusätzlich sind noch 3 induktive Wegaufnehmer auf dem Laststempel positioniert. In Abbildung 5 sind die plastischen Dehnungen der Deckschichtvarianten in Abhängigkeit des Bindemittelgehaltes dargestellt. Für beide Korngrößenverteilungen ist zu erkennen, dass sich die plastischen Dehnungen mit zunehmendem Bindemittelgehalt zunächst reduzieren. Bei dem Bindemittelgehalt von 6,7 M-% bewirkt eine weitere Zugabe an Bitumen eine Verschlechterung der Verformungsbeständigkeit. Des Weiteren weisen die Varianten mit der feinen Korngrößenverteilung gegenüber denen mit der gröberen eine schlechtere Verformungsbeständigkeit mit gleichem Bindemittelgehalt und eine deutlichere Zunahme der plastischen Dehnungen ab einem Bindemittelgehalt von 6,70 M-% auf. Der Bindemittelgehalt von 6,71 M-% stellt aber nicht zwangsläufig den optimalen Bindemittelgehalt in Bezug auf die Verformungsbeständigkeit der groben Korngrößenverteilung dar. Es besteht die Möglichkeit, dass die Variante mit einem Bindemittelgehalt von 7,50 M-% eine bessere Verformungsbeständigkeit aufweisen könnte. Die Versuche belegen lediglich, dass sich das Verformungsverhalten bei einem Bindemittelgehalt von 7,76 M-% sich wieder verschlechtert. Abb. 5: Ergebnisse des einaxialen Druck-Schwellversuchs der Deckschichtvarianten bei T=40°C; σo=0,15 N/ mm² 3.4 Einfluss der Asphaltzusammensetzung auf das Griffigkeitsverhalten Im Anschluss an das Forschungsprojekt wurde der Einfluss der Asphaltzusammensetzung auf das Griffigkeitsverhalten mithilfe des Prüfverfahrens nach Wehner/ Schulze in der Diplomarbeit [11] untersucht. Das Prüfverfahren Wehner/ Schulze simuliert zeitraffend die Verkehrsbeanspruchung durch drei umlaufende, konische Gummirollen, die die Oberfläche der Asphaltplatte auf einer Kreisbahn befahren. Während der Überrollung der Gummirollen wird ständig ein Wasser-Quarz-Gemisch auf die Oberfläche des Probekörpers gespült um zum einen die Rollen zu kühlen und zum anderen um die Polierwirkung zu verstärken. Nach 90.000 Überrollungen der Asphaltplatte wurde die Oberfläche mit 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 139 Asphaltoptimierung nach Performancekriterien Korundsand abgestrahlt. Die Sandstrahlung simuliert die Beanspruchung der Asphaltfahrbahn durch Witterungseinflüsse und dem Winterdienst. Danach erfolgten 2 Durchgänge mit jeweils 90.000 Überrollungen. Der Reibungskoeffizienten wurde jeweils nach 90.000 Überrollungen und dem Sandstrahlen des Probekörpers mithilfe der Prüfanlage Wehner/ Schulze automatisiert unter definierten Prüfbedingungen ermittelt. Die Endgriffigkeit der Asphaltplatte wurde somit nach 270.000 Überrollungen bestimmt. Die Ergebnisse der Endgriffigkeit der Asphaltdeckschichtgemische sind für die feine KGV in Abbildung 6 und für die grobe KGV in Abbildung 7 dargestellt. Die feine Korngrößenverteilung besitzt im gesamten untersuchten Bindemittelbereich deutlich schlechtere Endgriffigkeitswerte als die grobe Korngrößenverteilung. Bei beiden Sieblinien der Deckschichtgemische konnte ein Bindemittelbereich festgestellt werden, indem die Variation des Bindemittelgehaltes geringe Auswirkungen auf das Griffigkeitsverhalten besitzt. Dieser Bereich liegt bei beiden Korngrößenverteilungen bei einem Bindemittelgehalt zwischen 6,0 M-% und 7,0 M-%. Bei einer weiteren Erhöhung des Bindemittelgehaltes nimmt die Endgriffigkeit insbesondere bei der feinen Korngrößenverteilung ab [11]. Abb. 6: Reibbeiwert PWS in Abhängigkeit des Bindemittelgehaltes SMA 11 S feine KGV [11] Abb. 7: Reibbeiwert PWS in Abhängigkeit des Bindemittelgehaltes SMA 11 S grobe KGV [11] 4. Ergebnisse der Prognoseberechnungen Mit den Versuchsergebnissen werden Prognoserechnungen durchgeführt, welche die Auswirkungen der Asphaltzusammensetzung auf Erhaltungs-/ Erneuerungs-intervalle verdeutlichen können. Die Prognoserechnungen sollen sich hauptsächlich auf die Spurrinnenbildung und Ermüdungsrissbildung innerhalb der Asphaltdeckschicht konzentrieren. Anhand der Versuchsergebnisse und dieser Prognoserechnungen sollen sowohl eine verbesserte Methode zur Bestimmung der Asphaltkonzeption als auch Konzeptionen für Asphaltgemische entwickelt werden, welche hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Anforderungen optimiert sind. Die Prognoserechnungen wurden unter Annahme der folgenden Parameter durchgeführt. Die Mindestdicke des frostsicheren Oberbaus wurde bei einer BK 100 mit 70 cm ermittelt. Als Häufigkeitsverteilung des Achslastkollektivs wurde BAB Fernverkehr und der Oberflächentemperaturen die Zone 3 ausgewählt. Der Konstruktionsaufbau wurde nach RSTO 12 Tabelle/ Zeile 1 ausgewählt: • 4cm Asphaltdeckschicht • 8 cm Asphaltbinderschicht • 22 cm Asphalttragschicht • 36 cm Frostschutzschicht. Die Ergebnisse der Prognoserechnungen wurden wegen noch nicht erfolgter Kalibrierung der Verfahren (Ermüdung Nachweispunkt Deckschicht und Prognose der Spurrinnenbildung) als Relativwerte angegeben. Es erfolgte die Festlegung des Ergebnisses des nachfolgenden Befestigungsaufbaus als Referenzwert (100%): • SMA 11 S, feine Korngrößenverteilung, 6,79 M-% Bindemittelgehalt • AC 16 B S SG, 5,00 M-% Bindemittelgehalt • AC 22 T S, 4,39 M-% Bindemittelgehalt (50/ 70). Bei den unterschiedlichen Berechnungen wird nur die Asphaltdeckschicht variiert. 4.1 Ermüdungsrissbildung innerhalb der Asphaltdeckschicht Die Nachweisführung für die Deckschicht erfolgte in Analogie zu dem Verfahren der RDO Asphalt 2009 [2] für die Tragschicht. Nach RDO Asphalt 2009 sind die Beanspruchungen des Asphaltes soweit zu begrenzen, dass Risse in den Asphaltschichten während des Nutzungszeitraumes auszuschließen sind. Dabei wird angenommen, dass bis zu einer bestimmten Anzahl an ertragenen Lastwechselzahlen bei einer bestimmten Biegezugdehnung die Rissbildung verhindert werden kann. Erst bei einer Überschreitung der sogenannten Grenzlastwechselzahl entstehen Risse in der jeweiligen Asphaltschicht. Die Grenzlastwechselzahl ist dabei von dem jeweiligen vorherrschenden Beanspruchungszustand abhängig. Die verschiedenen Beanspruchungszustände setzen sich aus den verschiedenen Achslasten und den unterschiedlichen Temperaturzustände zusammen. Für die Berechnungen wird vorausgesetzt, dass die Teilschädigungen infolge der ertragenen Lastwechsel anhand der Hypothese von Miner zur Gesamtschädigung akkumuliert werden können. 140 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Asphaltoptimierung nach Performancekriterien In Abbildung 8 ist der Verlauf der vertikalen Dehnungen im Straßenquerschnitt dargestellt. Der maßgebende Nachweispunkt für die Asphaltdeckschicht ist die Oberseite der Deckschicht unter Betrachtung der vertikalen Zugdehnungen. Die größten Zugdehnungen treten dabei 165 mm neben der Lastachse an der Oberseite der Asphaltdeckschicht auf. Die kryogenen Zugspannungen werden bei diesem Nachweis nicht mit betrachtet, da diese in horizontaler Richtung entstehen und der Einfluss auf die vertikalen Zugdehnungen nicht ausreichend bekannt ist. Abb. 8: Verlauf der vertikalen Dehnungen im Straßenquerschnitt Aus den Ergebnissen der Prognoserechnungen (Abbildung 9) ist ersichtlich, dass die feine Korngrößenverteilung bei gleichem Bindemittelgehalt (mit Ausnahme von 8,0 M-%) des SMA 11 S einen deutlich geringeren Ermüdungsstatus aufweist als die grobe Sieblinie. Die feine Korngrößenverteilung besitzt den geringsten Ermüdungsstatus bei einem Bindemittelgehalt von 6,50 M-%. Bei weiterer Erhöhung des Bindemittelgehaltes verschlechtert sich das Ermüdungsverhalten der Deckschicht allmählich. Dagegen bewirkt die Zunahme des Bindemittelgehaltes über den gesamten untersuchten Bereich eine Verringerung (also Verbesserung) des Ermüdungsstatus bei den Deckschichtvarianten mit der groben Korngrößenverteilung. Abb. 9: relativer Ermüdungsstatus der Asphaltdeckschichtgemische 4.2 Prognose der Spurrinnenbildung Bei diesem Verfahren wird für die Spurrinnenprognose die Akkumulation der bleibenden Dehnungen durch zufallsbedingte Beanspruchungszustände vorgenommen. Dabei wird der Beanspruchungszustand anhand der berechneten elastischen Dehnung definiert. Somit kann durch die Impulskriechkurve, die mit Hilfe der elastischen Dehnung aufgestellt wird, der Zusammenhang zwischen dem Beanspruchungszustand und den plastischen Dehnungen geschaffen werden. Jeder Beanspruchungszustand ist weiterhin durch eine bestimmte Kombination aus den Belastungsgrößen Temperatur und Verkehrslast bestimmt. Anhand der Eintrittswahrscheinlichkeit der Belastungsgrößen kann somit jedem Belastungszustand eine beliebige Lastwechselzahl zugeordnet werden. Dabei werden die Kombination der Belastungsgrößen (Temperatur, Verkehrslast), sowie die Reihenfolge in der die Belastungszustände auftreten, zufällig generiert. Damit saisonale Veränderungen der Temperaturverläufe berücksichtigt werden können, werden Ordnungskriterien bei der zufälligen Kombination der Belastungsgrößen und der Reihenfolge der Belastungszustände eingeführt. Infolge der Beanspruchungszustände können in jedem Punkt des Fahrbahnoberbaus Zugbzw. Druckdehnungen entstehen, die in den Berechnungen ebenfalls mit berücksichtigt werden. Das Verfahren bietet die Möglichkeit die Zug- und Druckdehnungen unabhängig voneinander zu betrachten und somit auch unabhängige Materialparameter für beide Zustände zu ermitteln. Nach der Berechnung aller Beanspruchungszustände ermitteln sich die gesamten bleibenden Verformungen der Straßenkonstruktion durch Multiplikation der berechneten Verformung je Schicht mit der jeweiligen Schichtdicken und summiert diese über alle Schichten auf. Das Verfahren der Spurrinnenprognose wurde bisher weder validiert noch kalibriert, sodass nur vergleichende Untersuchungen an fiktiven Asphaltbefestigungen möglich sind. Des Weiteren wurde in diesem Forschungsprojekt das Zugverhalten der Asphaltgemische nicht versuchstechnisch ermittelt. Damit werden die Materialparameter, die mit Hilfe der Druck-Schwellversuche bestimmt wurden, für die Zug- und Druckphasen gleichermaßen verwendet. Die Ergebnisse der Spurrinnenprognose (Abbildung 10) belegen, dass die grobe Korngrößenverteilung im untersuchten Bindemittelbereich ein besseres Verformungsverhalten (Ausnahme bei einem Bindemittelgehalt von 5,61 M-%) aufweisen als die feine Korngrößenverteilung. Mit zunehmenden Bindemittelgehalt verbessert sich die Verformungsbeständigkeit der groben Korngrößenverteilung. Dagegen bewirkt die Zunahme des Bindemittelgehaltes bei der feinen Korngrößenverteilung eine Verschlechterung des Verformungsverhaltens. Zunächst steigt die Spurrinnentiefe zwischen den Varianten des SMA 11 S nur allmählich an. Ab dem Bindemittelgehalt von 7,52 M-% kommt es zu einer deutlichen Verschlechterung der Verformungsbeständigkeit. Aufgrund der ge- 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 141 Asphaltoptimierung nach Performancekriterien ringen Anzahl an auszuwertenden Versuchsergebnissen und der damit verbundenen hohen Unsicherheit bei der Bestimmung der Materialparameter für die Variante des SMA 11 S, der feinen Korngrößenverteilung, mit einem Bindemittelgehalt von 8,02 M-% wird auf eine Darstellung des Ergebnis der Prognoserechnung verzichtet. Abb. 10: relative Spurrinnentiefe der Fahrbahnkonstruktion unter Variation der Asphaltdeck-schichtgemische anhand des Druck-Schwellversuches am schlanken Probekörper 5. Optimierung der Asphaltdeckschichtgemische Bei der Optimierung des Bindemittelgehaltes sollten alle Kriterien (Ermüdung-, Verformungsbeständigkeit, Griffigkeit) bewertet werden. Dadurch können Bereiche des Bindemittelgehaltes ermittelt werden, in denen die Schwankung des Bindemittelgehaltes keine negativen Auswirkungen besitzen. Somit ist der optimale Bindemittelgehalt so zu wählen, dass aufgrund der zugelassen Differenz des Bindemittelgehaltes nach ZTV Asphalt 07/ 13 [7] weder zu Rissen oder Spurrinnen führen kann und eine ausreichende Griffigkeit während der Nutzungsdauer gewährleistet wird. Die feine Korngrößenverteilung besitzt im Bereich des Bindemittelgehaltes von 6,5 M-% bis 7,5 M-% geringe Unterschiede des Ermüdungsstatus. Außerhalb dieser Spanne erhöht sich das Risiko der Rissbildung während des Nutzungszeitraums deutlich. Der Bereich des Bindemittelgehaltes von 6,0 M-% bis 7,0 M-% weist ein sehr ähnliches Verformungsverhalten als auch Griffigkeitsverhalten auf. Dies bedeutet, dass in dem Bereich des Bindemittelgehaltes von 6,5 M-% bis 7,0 M-% der SMA 11 S mit der feinen Korngrößenverteilung nur geringe Unterschiede im Ermüdungs-, Verformungs- und Griffigkeitsverhalten aufweist. Der optimale Bindemittelgehalt sollte so gewählt werden, dass mit der zulässigen Differenz der ZTV Asphalt dieser Bereich eingehalten wird. Somit ist der optimale Bindemittelgehalt des untersuchten SMA 11 S (feine KGV) Bopt = 6,6 M-% (Abbildung 11). Abb. 11: Optimierung des Bindemittelgehaltes SMA 11 S feine KGV In dem Bereich des Bindemittelgehaltes von 6,7 M-% bis 8,0 M-% weist der SMA 11 S mit der groben Korngrößenverteilung nur geringe Unterschiede im Ermüdungs- und Verformungsverhalten auf. Allerdings ändert sich das Griffigkeitsverhalten im Bereich des Bindemittelgehaltes von 6,0 bis 7,0 M-% nur geringfügig. Hinsichtlich der Verkehrssicherheit und der Verkehrssicherungspflicht besitzt die Griffigkeit eine maßgebende Rolle. Daher ist der optimale Bindemittelgehalt des SMA 11 S (grobe KGV) Bopt = 6,8 M-%. Abb. 12: Optimierung des Bindemittelgehaltes SMA 11 S grobe KGV