2. Kolloquium Straßenbau - Februar 2021 475 Einsatz fasermodifizierter Asphalte Anordnung eines Zugbandes an der Unterseite der Asphaltbefestigung Christiane Weise TU Dresden, Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau, Professur für Straßenbau, Dresden, Deutschland Viktoria Sommer TU Dresden, Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau, Professur für Straßenbau, Dresden, Deutschland Zusammenfassung In einer regelkonformen Asphaltbefestigung treten die maximalen Zugspannungen bei ausreichendem Schichtenverbund zwischen den einzelnen Asphaltschichten an der Unterseite der Asphalttragschicht auf. Daraus folgt, dass in diesem Bereich Asphaltgemische mit besonderen Materialeigenschaften hinsichtlich wiederholter Zugbeanspruchung (Ermüdungsverhalten) eingesetzt werden sollten. Die Anordnung eines sogenannten Zugbandes aus einem entsprechend (faser-)modifizierten Asphaltgemisch würde diese Anforderungen erfüllen und damit der Entstehung von Rissen an der Unterseite und somit dem Versagen der Befestigung entgegenwirken. Unter Einbeziehung bisheriger Forschungsarbeiten an der TU Dresden ist der Einsatz fasermodifizierter Asphaltgemische als Zugband besonders erfolgsversprechend. Die untersuchten fasermodifizierten Asphalte wiesen signifikant verbesserte Ermüdungseigenschaften auf. Unter Berücksichtigung der Kosten haben sich insbesondere Glasfasern bewährt. Voraussetzung für die Umsetzbarkeit der Bauweise ist eine entsprechende Vorbereitung des Planums sowie die Sicherstellung eines umfassenden Schichtenverbundes zwischen den Asphaltschichten. Durch den Einsatz eines fasermodifizierten Zugbandes wird eine rechnerisch nachgewiesene Schichtdickenreduzierung der darüber liegenden Asphaltschichten ermöglicht. Je nach Materialeinsatz ist so eine Kostenreduzierung hinsichtlich des gesamten Asphaltpaketes realistisch. Zur Validierung und zur Evaluation der technischen Umsetzbarkeit der Bauweise soll eine Versuchsstrecke angelegt werden. 1. Einleitung Durch die signifikante Erhöhung der Achslasten der Fahrzeuge des Schwerverkehrs aufgrund der wirtschaftlich notwendigen Auslastung und durch die steigende Verkehrsdichte sind Rissbildungen derzeit einer der am häufigsten zu beobachtenden Schäden in Asphaltbefestigungen. Die an der Oberseite der Asphaltbefestigung sichtbaren Risse sind dabei zumeist auf Ermüdungsrisse an der Unterseite der Asphalttragschicht zurückzuführen, die bei fortbestehender Belastung von unten nach oben (bottom-up-cracking) durchschlagen. Die Anordnung einer Asphaltschicht mit besonderer Widerstandsfähigkeit bzgl. der Ermüdung an der Unterseite des Asphaltpaktes ermöglicht es, dieses Schadensbild zu verhindern. 2. Charakterisierung Fasermodifizierte Asphalte Die ausreichende Einbindung der Fasern in die Asphaltmastix ist bei Asphaltgemischen mit einem für diese Asphaltsorten vergleichsweise hohen Bindemittelgehalt erfahrungsgemäß gewährleistet. Bei sehr trockenen Asphaltgemischen ist die Erhöhung des Bindemittelgehaltes bis zum Zugabeprozentsatz der Fasern erforderlich. D.h. bei der Zugabe von 0,5 M.-% Fasern in ein trockenes Asphaltgemisch, ist eine Erhöhung des Bindemittelgehaltes um maximal 0,5 M.-% zu überprüfen. Die Modifizierung von Asphalten mit losen Kurzschnittfasern kann eine signifikante Verbesserung der Materialeigenschaften bewirken und ist daher Gegenstand der Forschung und der Umsetzung auf Versuchsstrecken Einsatz fasermodifizierter Asphalte 476 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 2.1 Faser-Materialien An der TU Dresden wurden im Rahmen zweier AiF-ZiM Kooperationsprojekte (gefördert durch das BMWI) [1] [2] zahlreiche Asphaltgemische mit verschiedenen Fasermodifikationen untersucht. Signifikant verbesserte dimensionierungsrelevante Materialeigenschaften konnten insbesondere für Glas- und PAN-Fasern ermittelt werden. Für die in den folgenden Abschnitten dargestellten Versuchsergebnisse wurden industriell verfügbare lose Kurzschnittfasern verwendet. Die Eigenschaften der verwendeten Fasern sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: Eigenschaften der verwendeten Fasern Eigenschaft Einheit Glas PAN Schnittlänge [mm] 4,4 6 Dichte [g/ cm³] 2,6 1,18 Feinheit [dtex] 4 Filamentdurchmesser [µm] 13 Zugfestigkeit [cN/ tex] 130,8 [MPa] 3400 616 Reißdehnung [%] 3,5 E-Modul [MPa] 2807 5030 Temperatur-beständigkeit [°C] 550 ~200 Bei Betrachtung unter dem Mikroskop (Abbildung 1 und Abbildung 2) unterscheiden sich die beiden Fasern kaum voneinander. Die Fasern sind als dünne Fäden mit glatter Oberfläche zu erkennen. Abbildung 1: PAN-Faser - rechts: 5fach vergrößert Abbildung 2: Glas-Faser - rechts: 5fach vergrößert 2.2 Asphaltgemische und Probekörperherstellung In Vorversuchen [1][2] zeigte sich, dass eine homogene Verteilung der Fasern im Asphaltgemisch mit üblichen Einwellen-Labormischern nicht zu gewährleisten ist, so dass die hier vorgestellten Asphaltgemische als 2t- Charge an einer regulären Mischanlage (Doppelwellenzwangsmischer) hergestellt werden mussten. Zu den fasermodifizierten Asphalten wurde jeweils eine Vergleichsvariante ohne Fasern hergestellt, um den Einfluss der Fasern auf die Materialeigenschaften darstellen zu können. Tabelle 2 zeigt die an der Mischanlage hergestellten Asphalte. An den Asphaltbinderschichtvarianten (B) AC 16 B S wurde der Einfluss des Bindemittelgehaltes und an den Asphalttragschichtvarianten (T) AC 22 T S die Auswirkungen der Zugabemenge von Asphaltgranulat (RC) auf die Materialeigenschaften bestimmt. Die Eingangsuntersuchungen zeigten, dass das verwendete Asphaltgranulat ein Asphalttragschichtmaterial AC 22 mit einem Bindemittelgehalt von 4,2 M.-% war. Tabelle 2: Untersuchte Asphaltvarianten Variante Bindemittel-art/ -sorte Bindemittelgehalt RC- Anteil Fasermenge/ -art [M.-%] [M.-%] [M.-%] B0-1 25/ 55-55A 4,3 - - B0-2 25/ 55-55A 4,7 - - B4-1 25/ 55-55A 4,3 - 0,5 (Glas) B4-2 25/ 55-55A 4,7 - 0,5 (Glas) T0-25 50/ 70 4,2 25 - T4-25 50/ 70 4,2 25 0,5 (Glas) T4-40 50/ 70 4,2 40 0,5 (Glas) T0 50/ 70 4,7 - - TP 50/ 70 4,7 - 0,5 (PAN) Einsatz fasermodifizierter Asphalte 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 477 Es ist zwingend zu berücksichtigen, dass die Varianten T0 und TP an einer anderen Mischanlage mit abweichenden Gesteinskörnungen und gänzlich ohne Zugabe von Recycling-Material (RC) hergestellt wurden. Für die Probekörper der Spaltzugschwellversuche wurden im Labor mit Hilfe des Walzsegment-Verdichters Platten (Maße 26 x 32 cm, Zielhöhe 4 bzw. 6 cm) hergestellt. Die Verdichtung erfolgte kombiniert weg- und kraftgeregelt gemäß TP Asphalt-StB Teil 33 [3]. Aus den Platten wurden mittels eines Handbohrgerätes Bohrkerne mit einem Durchmesser von 100 bzw. 150 mm herausgebohrt und die Raumdichte sowie die geometrischen Abmessungen bestimmt. Die Raumdichtebestimmung erfolgte entsprechend TP Asphalt-StB Teil 6 [4]. Die Raumdichte der für die Spaltzugschwellversuche ausgewählten Probekörper variierte gemäß TP Asphalt-StB Teil 24 [5] in einem Bereich von max. 0,03 g/ cm³, um sicherzustellen, dass die Prüf-ergebnisse durch den Hohlraumgehalt nicht beeinflusst werden. 2.3 Versuche zur Charakterisierung der Materialeigenschaften Anhand von Spaltzugschwellversuche wurden sowohl die Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktionen (Multistage-Versuche) als auch die Ermüdungsfunktionen ermittelt. Bei der Ermittlung der Steifigkeitsmodul-Temperatur- Funktionen wurde von den Versuchsbedingungen gemäß TP Asphalt-StB Teil 26 [6] abgewichen und die Versuche bei nur drei Temperaturen (-10, 5 und 20°C), durchgeführt, da die Parameter für die rechnerische Dimensionierung verwendet werden. Die Ermittlung der Ermüdungsfunktion erfolgte gemäß TP Asphalt-StB Teil 24 [5]. 2.4 Versuchsergebnisse Die ermittelten Steifigkeits-Modul-Temperatur-Funktionen zeigen, sowohl für die Asphaltbinderschichtals auch für die Asphalttragschichtvarianten, dass durch die Zugabe von Glas- oder PAN-Fasern eine Verringerung der Werte zu beobachten ist. Dies ist Abbildung 3 und Abbildung 4 zu entnehmen. Für die Asphaltbinderschichtvarianten mit niedrigem Bindemittelgehalt (B0-1/ B4-1 mit 4,3 M.-% Bitumen) zeigt sich im Bereich hoher Temperaturen >10°C eine Versteifung und im Bereich niedriger Temperaturen gleichbleibende Werte beim Vergleich der fasermodifizierten Variante (B4-1) gegenüber der Variante ohne Faserzugabe (B0-1). Abbildung 3: Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktionen für die Asphaltbinderschicht-Varianten Für die ATS mit erhöhtem RC-Anteil (T4-40 gegenüber T0-25) ist eine besonders ausgeprägte Verringerung der Steifigkeitsmodul-Werte zu erkennen. Dies lässt einen signifikanten Einfluss des Frischbitumens 70/ 100 gegenüber dem Bitumenanteil aus dem RC-Material vermuten. Rechnerisch wird zwar ein Bitumen 50/ 70 wie für die Vergleichsvariante T0-25 erzielt, im Gemisch überwiegen jedoch die Eigenschaften des Frischbindemittels. Dieses Ergebnis muss in Zukunft noch weiter untersucht werden. Auch für die Tragschichtvariante mit PAN-Fasern (TP) kann im Vergleich zur Variante T0 die Verringerung der Steifigkeitsmoduln aufgezeigt werden. Abbildung 4: Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktion für die Asphalttragschicht-Varianten Im Gegensatz dazu kann bei Betrachtung der Ermüdungsfunktionen eine signifikante Verbesserung festgestellt werden. Die Ermüdungsfunktionen der Asphaltbinderschichtgemische in Abbildung 5 zeigt, dass die Zugabe der Fasern in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt zu unterschiedlich stark ausgeprägten Verbesserungen der Ermüdungseigenschaften führt. Statt ~10.000 Lastwechseln (B0-1) bei einer elastischen Anfangsdehnung von 0,1‰ werden infolge Fasermodifikation ~20.000 Lastwechsel (B4-1) ertragen. Einsatz fasermodifizierter Asphalte 478 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Abbildung 5: Ermüdungsfunktionen für die Asphaltbinderschicht-Varianten Die Zugabe von Glasfasern zu den betrachteten Asphalttragschichtgemischen bewirkt hinsichtlich der Ermüdungseigenschaften Verbesserungen von ca. 40%, wie aus Abbildung 6 deutlich wird. Die Zugabe von PAN-Fasern bewirkt z.B. bei einer elastischen Anfangsdehnung von 0,1‰ eine Erhöhung der ertragbaren Lastwechsel von ~20.000 (T0) auf ~190.000 (TP). Diese signifikanten Verbesserungen stehen im Gegensatz zu den „Verschlechterungen“ der Steifigkeitsmodul-Temperatur-Funktionen. Eine Gesamtbetrachtung kann nur anhand von Dimensionierungsberechnungen gemäß RDO Asphalt 09 [7] erfolgen. Auf Grund der unterschiedlichen Herkunft der Tragschichtvarianten mit Glasbzw. PAN-Fasern, kann nicht grundsätzlich geschlussfolgert werden, dass die Modifikation mit PAN- Fasern leistungsfähiger ist. Dies ist wahrscheinlich auf den höheren Bindemittelgehalt (4,7 M.-% statt 4,2 M.- %) zurückzuführen. Abbildung 6: Ermüdungsfunktionen für die Asphalttragschicht-Varianten 3. Wirkprinzip eines Zugbandes an der Unterseite der Asphalttragschicht Im Asphaltpaket treten unter Voraussetzung eines optimalen Schichtenverbundes, die maximalen Zugspannungen an der Unterseite der Asphalttragschicht auf. In diesem Zusammenhang wird als Zugband eine Asphaltschicht mit besonderen Eigenschaften bezüglich der auftretenden wiederholten Zugbeanspruchungen (Steifigkeits- und Ermüdungsverhalten) angesehen. Abbildung 7: Aufbau einer Straßenbefestigung nach RStO 12, BK100 (links) [8] - Anordnung eines Zugbandes unter der Asphalttragschicht (rechts)- Als Zugband können sowohl Asphalttragschichtgemische mit entsprechender Modifikation z.B. durch die Zugabe von Fasern oder die Verwendung polymermodifizierten Bitumens oder andere geeignete Asphaltgemische angeordnet werden. 3.1 Ergebnisse der Dimensionierungsberechnungen Die Dimensionierungsberechnungen zur Darstellung der technischen und wirtschaftlichen Eignung eines Zugbandes wurden für einen hochbelasteten Straßenaufbau der BK100 durchgeführt, da sich hier gesamtvolkswirtschaftlich das größte Potential dieser Bauweise erwarten lässt. Die Ergebnisse der Dimensionierungsberechnungen sind in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. enthalten. Zeile 1 enthält die Vergleichsvariante mit einem unmodifizierten Asphalttragschichtmaterial entsprechend der Standardbauweise. Die gesamte Asphalttragschicht ist mit dem Material T0-25 ausgeführt. In den folgenden Zeilen ist ein Zugband aus unterschiedlichen Asphalten (unterhalb der nicht modifizierten Asphalttragschicht T0-25) angeordnet. Bei den Dicken sind die technisch notwendigen Mindestschichtdicken nach den ZTV Asphalt-StB berücksichtigt. Die Gesamtdicke des frostsicheren Oberbaus beträgt 700 mm. Kann die Dicke des Asphaltpaketes aufgrund der verbesserten Materialeigenschaften des Zugbandes reduziert werden, so muss dies in der Frostschutzschicht (FSS) ausgeglichen werden. Die angegeben Kosten umfassen ausschließlich reinen Materialkosten des Aufbaus. Da für die Kosten Annahmen getroffen werden mussten, sind die Werte nicht absolut, sondern im Verhältnis zueinander zu betrachten. Der Ermüdungsstatus wurde sowohl an der Unterseite des Zugbandes als auch an der Unterseite der unmodifizierten Asphalttragschicht bestimmt. Damit konnte sichergestellt werden, dass auch die unmodifizierte Tragschicht ausreichend dimensioniert ist. Weiterhin zeigt sich, wel- Einsatz fasermodifizierter Asphalte 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 479 ches Potential in der jeweiligen Variante steckt. Die Berücksichtigung der erforderlichen Mindestschichtdicken führt z.T. zu einer Verlängerung der Nutzungsdauer. 3.2 Diskussion der Berechnungsergebnisse Es zeigt sich, dass bei Verwendung von modifizierten Asphalttragschichtgemischen (TP), von Gemischen ohne RC-Zugabe (T0) oder von Asphaltgemischen mit polymermodifizierten Bitumen (B0-1 bzw. B4-1) eine signifikante Reduzierung der erforderlichen Asphaltschichtdicken möglich ist. Der Ermüdungsstatus des Zugbandes zeigt, dass rechnerisch theoretisch eine weitere Schichtdickenreduzierung möglich wäre, die technologisch jedoch nicht umsetzbar ist. Tabelle 3: Ergebnisse Dimensionierungsberechnungen [10] Material Dicke [mm] Ermüdungsstatus [%] Kosten [EUR/ m²] Zugband unmod. ATS Zugband FSS unmod. ATS Zugband T0-25 200 - 380 95,52 - 63,90 T4-25 120 80 380 8,14 93,90 65,40 T4-40 100 80 400 35,64 89,77 62,20 T0 150 80 250 11,76 85,02 68,30 TP 80 80 420 37,49 97,67 64,90 B0-1 90 50 440 49,72 98,36 58,70 B0-2 100 50 430 37,03 99,28 60,00 B4-1 80 50 450 39,29 47,46 58,40 B4-2 80 50 450 55,80 91,98 58,40 An dieser Stelle besteht also die Möglichkeit durch die Verwendung von Asphalten mit kleinem Größtkorn als Zugband (und somit geringeren technologisch notwendigen Schichtdicken) eine weitere Optimierung des gesamten Aufbaus durchzuführen, wenn eine Nutzungsdauerverlängerung nicht erwünscht ist. Jedoch ist für diesen Fall ebenfalls die technologische Ausführbarkeit zu überprüfen, da ein Asphalt mit einem Größtkorn von z.B. 11 mm qualitätsgerecht auf die Frostschutzschicht aufgebracht und ausreichend verdichtet werden muss. Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass einige aufgezeigte Varianten in Tabelle 3 höhere Kosten als die Referenzvariante aufweisen, was auf die Kosten der Faserzugabe zurückzuführen ist. 3.3 Ausblick Versuchsstrecke Im Rahmen eines vom BMWi geförderten ZiM-Kooperationsprojektes ist der Bau von Versuchsstrecken geplant. Große Hoffnung wird in diesem Zusammenhang in die Zugbandvariante ATS mit polymermodifiziertem Bitumen gesetzt. Die ersten Ergebnisse hierzu liegen voraussichtlich Ende 2021 vor. Um die Herstellung der fasermodifizierten Asphaltgemische zukünftig auch ohne händische Zugabe der losen Kurzschnittfasern zu ermöglichen, wird derzeit eine Verfahrensweise zur Erzeugung von Glasfaserpellets erforscht. Damit soll die Dosierung der Fasern über die üblichen Vorrichtungen an der Mischanlage gewährleistet werden 4. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Insgesamt ist festzuhalten, dass durch die Modifizierung der Asphaltgemische mit Fasern die Eigenschaften deutlich verbessert werden können. Die angeführten Dimensionierungsergebnisse zeigen das Potenzial Anordnung eines fasermodifizierten Zugbandes auf, die in verschiedenen Materialkombinationen eine Reduzierung des Asphaltpaketes erlauben. Quellen [1] Weise, C. und Zeißler, A. (2014) Fasermodifizierte Asphalte zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von Straßenbefestigungen, Straße und Autobahn 11/ 2014, S. 880-886, Kirschbaum-Verlag, Bonn, 2014 [2] Weise, C.; Schmalz, M.; Ziegler, T.; Reußmann, T. und Wolf, S. (2019) Glasfasermodifizierte Asphaltgemische - Herstellung, Einbau und Materialeigenschaften, Straße und Autobahn 4/ 2019, Kirschbaum-Verlag, Bonn, 2019