Eigenschaften der Materialien

Die Wahl der Bitumenart (Polymermodifiziertes Bitumen oder Straßenbaubitumen) und der Bitumensorte stellt eine bedeutsame Entscheidung für die grundsätzlich möglichen Eigenschaften des Asphalts in der Nutzungsphase (besonders Verformungswiderstand bei Wärme, Widerstand gegen Rissbildung) dar. Die Steifigkeit des Mörtels und somit des Asphalts kann allerdings noch durch die Eigenschaften der Gesteinskörnung und des Füllers verändert werden.

Für den Herstellungsprozess bedeutet die Wahl eines härteren Bitumens die Erhöhung der Misch-und Einbautemperatur Misch-und eine stärkere Abhängigkeit der verfügbaren Zeitspanne zur Verdichtung von den Wetterbedingungen beim Einbau [Utterodt, Egervari 2008]. Die Auswirkung der Bitumenhärte auf die Tragfähigkeit und Lebensdauer der Asphaltschicht ist unter Berücksichtigung der Verkehrsbelastung, der wetter- und witterungsbedingten Belastung sowie der geografischen Lage zu beurteilen (vgl. [Arand, Lorenzl 1995]).

Mit der Härte des verwendeten Bitumens wird die Steifigkeit des Asphalts beeinflusst, wodurch die Verformungsbeständigkeit (gemessen an der Bildung von Spurrinnen) bei zunehmender Bitumen-Härte steigt [Beckedahl, Neutag, Sivapatham 2008]. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass nicht allein die Härte des Bitumens die Steifigkeit des Asphaltes bestimmt, einen weiteren wesentlichen Einfluss besitzt der Füller mit seinen versteifenden Eigenschaften (siehe unten).

Die Eigenschaften des Bitumens ändern sich infolge seiner Alterung (hierzu im Folgenden [Neumann 1995], [Zenke 1975], [Arand 1982], [Richter 1989], [Renken, Hagner, Feßer 2001]). Im Asphaltstraßenbau haben die oxidative Alterung und die Strukturalterung die größte Bedeutung.

Die oxidative Alterung führt über chemische Prozesse zu einer Veränderung des Volumenverhältnisses zwischen Asphaltenen und Maltenen und so zu einem (relativ) Asphalten-reicheren und damit härteren Bitumen. Über chemische Prozesse werden Verbindungen, die zu der Maltene zählen aufgespalten und gebrochen, sodass zusätzlich Asphaltene entstehen. Die oxidative Alterung kann nur an der Bitumenoberfläche stattfinden, wo Luftsauerstoff und Sonnenlicht (UV-Strahlung) vorhanden sind; fehlt eine dieser beiden Komponenten kann keine oxidative Alterung stattfinden. Bei der Strukturalterung findet eine Strukturierung oder Verkettung der Asphaltene statt, das heißt die Asphaltene bilden größere Aggregate. Dadurch wird gleichzeitig die spezifische Oberfläche der Asphaltene im Bitumen reduziert. Mit der Strukturierung wird das Bitumen fester und weniger plastisch. Die Elastizität des Bitumens steigt zunächst an, sinkt aber mit fortschreitender Strukturalterung. In der Folge wird das Bitumen spröde.

Eine weitere Alterung ist die thermisch-destillative Alterung (auch Verdunstungsalterung genannt), die vorwiegend bei dem Mischen des Asphaltmischguts eintritt und den größten Anteil der Verhärtung im gesamten Herstellungsprozess darstellt. Dabei verhärtet das Bitumen über physikalische Prozesse, in denen leichtflüchtige Ölanteile des Bitumens abdampfen. Das Abdampfen der leichflüchtigen Ölanteile ist umso höher zum einen je weicher die Bitumensorte und zum anderen je höher die Temperatur ist. Ist Sauerstoff in der Umgebung vorhanden, wird die destillative Alterung häufig von den Effekten der oxidativen Alterung überlagert.

Während des Herstellungsprozesses kann das Maß der Verhärtung für eine Bitumensorte deutlich je nach Hersteller oder Herkunft des Rohöls variieren. Weiterhin ist das Maß der Alterung im Herstellungsprozess abhängig von der Größe der Oberfläche des Bitumens, der Bitumenfilmdicke, der Verweilzeit im Mischer, und, wie bereits genannt, der Bitumensorte, der Temperatur sowie dem Vorhandensein von Luftsauerstoff. Bei Verwendung von weichen Bitumensorten in relativ hohlraumreichen und bitumenarmen Asphaltmischungen, die also über eine große Oberfläche des

Bitumens, eine geringe Bitumenfilmdicke und eine bessere Zutrittsmöglichkeit des Luftsauerstoff verfügen, ist die Alterung am höchsten. Dies belegen auch folgende Untersuchungsergebnisse, die sich auf die Differenz des Erweichungspunktes Ring und Kugel am eingebauten Asphaltmischgut und bei Anlieferung des Bitumens an dem Asphaltmischwerk beziehen: An Proben aus Asphaltbeton 0/11 mit Straßenbaubitumen wurden Anstiege des Erweichungspunktes Ring und Kugel von im Mittel 4,0 K und zum Vergleich an Proben aus Asphaltbinder 0/16 rund 5,2 bis 5,6 K und bei extrem hohlraumreichen Asphaltmischungen (zum Beispiel Dränasphalt und Asphaltbinder 0/22) um 8 K ermittelt [Richter 1989]. In einer weiteren Untersuchung mit Polymermodifziertem Bitumen lag der Anstieg des Erweichungspunktes Ring und Kugel in einer ähnlichen Größenordnung, allerdings war die Abhängigkeit von dem Hohlraumgehalt nicht derart deutlich: An Proben aus Splittmastixasphalt 0/11 S lag der Anstieg des Erweichungspunktes Ring und Kugel zwischen 5 und 10 K, an Proben aus Asphaltbinder 0/22 S zwischen 5 und 12 K [Renken, Hagner, Feßer 2001].

Die Kohäsion des Bitumens beeinflusst die Festigkeit des Asphalts, welche aber gleichzeitig eine gute Adhäsion zwischen Bitumen und Gestein fordert. Die Adhäsion zwischen Bitumen und Gestein wird durch Feuchtigkeit gestört und ist beim Bitumen von dessen Oberflächenspannung und dessen Viskosität abhängig. Eine abnehmende Oberflächenspannung führt zu einer zunehmenden Benetzungsfähigkeit des Bitumens, wodurch die Affinität zum Gestein steigt. Mit einer höheren Viskosität des Bitumens steigt sein Widerstand gegen Verdrängung vom Gestein durch das Wasser.

Sinkt die Viskosität durch Temperaturerhöhung, sinkt auch die Oberflächenspannung. Die Herkunft und Zusammensetzung des Bitumens beeinflusst ebenfalls sein Adhäsionsvermögen. Es zeigte sich, dass das Adhäsionsvermögen des Bitumens zunimmt, wenn der Anteil der Aromate an den Maltenen steigt und der Anteil der Paraffine (Alkene) an den Maltenen sinkt. ([Raudenbusch 1970], [Renken 2003], [Sander 2007], [Martin, Cooley, Hainin 2003])

Bei Polymermodifiziertem Bitumen ist gegenüber dem Straßenbaubitumen die Plastizitätsspanne durch die Zugabe der Polymere vergrößert. Daher ist die Temperaturempfindlichkeit im Gebrauchszustand geringer und die Auswirkung der Alterung reduziert. Ferner weist Polymermodifiziertes Bitumen gegenüber normalem Straßenbaubitumen eine verbesserte Festigkeit, Viskosität, Elastizität und Adhäsion auf. Asphaltschichten, die mit Polymermodifiziertem Bitumen hergestellt werden, verfügen daher über einen höheren Verformungswiderstand bei Wärme und einen höheren Widerstand gegen Rissbildung bei Kälte, eine bessere Ermüdungsbeständigkeit und aufgrund der guten Adhäsionseigenschaften über ein besseres Splitt-Haltevermögen, wie beispielsweise folgende Untersuchungsergebnisse zeigen. ([Schneider 1992], [Beckedahl, Neutag, Sivapatham 2008]) Die Scherkräfte, die ein mit Polymermodifiziertem Bitumen hergestellter Asphaltbeton in einem triaxialen Scherversuch aufnehmen kann, betragen etwa den 2,5-fachen Wert (bei vollem Schichtenverbund) bis zum 6-fachen Wert (ohne Schichtenverbund) der Scherkräfte, die an Proben mit nicht modifiziertem Asphaltbeton gemessen wurden. Weiterhin konnten am Polymermodifizierten Asphaltbeton bei tiefen Temperaturen höhere Zugfestigkeits-reserven zur Aufnahme der Verkehrsbelastung festgestellt werden als bei nicht modifiziertem Asphaltbeton. [Schneider 1992] Bei Untersuchungen an Asphaltbefestigungen mit Polymer-modfiziertem Bitumen in den USA zeigten sich weitaus weniger Ermüdungsrisse und thermische Risse sowie deutlich geringere Spurrinnentiefen als an vergleichbaren Asphaltbefestigungen mit nicht modifiziertem Bitumen. [Glanzmann 2005] Folglich kann die Lebensdauer des Asphalts durch die Verwendung von Polymermodifiziertem Bitumen verlängert werden.

Zusätze

Der Einsatz von Zusätzen wird in dem hier entwickelten Modell nicht separat berücksichtigt: Zum einen existieren hinsichtlich der Auswirkung der Zusätze auf die Lebensdauer nur für einzelne Arten und Sorten der Zusätze ausreichend Erfahrung und umfassende Untersuchungen und zum anderen liegt der Fokus der Arbeit auf der Herstellung und dem Einbau von Asphalt und hierbei entstehenden Inhomogenitäten liegt, weniger auf der derart speziellen Konzeption des Asphaltmischguts.

Feine und grobe Gesteinskörnung

Mit der Wahl des Gesteins für die Asphaltdeckschicht wird über deren Polierresistenz (gemessen mit dem PSV) ein wesentlicher Teil der Griffigkeit der Asphaltdeckschicht (siehe Abschnitt 3.7.4) festgelegt. Nach verschiedenen Theorien und Untersuchungen beeinflusst insbesondere der Anteil und die Polierresistenz des Sandes und des Feinsplitts (das heißt der Gesteinskörnung mit einem Korndurchmesser bis etwa 5 mm) die Griffigkeit der Asphaltdeckschicht. Mit sinkendem Anteil der feinen Gesteinskörnung und des Feinsplitts erlangt die Polierresistenz der groben Gesteinskörnung an Bedeutung. Weiterhin wird die Griffigkeit von der Abriebfestigkeit der Gesteinskörner und ihrer Homogenität in der mineralogischen Zusammensetzung geprägt. Zu der Zusammensetzung zählen der Mineralbestand, die Verteilung der polierresistenten Minerale im Gefüge (insbesondere der Minerale mit einer Größe von 0,01 bis 1 mm) und das beim Poliervorgang entstehende Mineral-Relief. ([Gauer 2000], [Löffler, Stammnitz, von Rymon Lipinski 2003], [Lehné 2007])

Mit der gezielten fraktionsweisen Mischung unterschiedlich polierresistenter und selbstaufrauender Gesteinskörnungen kann die Griffigkeit der Asphaltdeckschicht langfristig beeinflusst werden. Eine kleinere Korngröße begünstigt tendenziell die Griffigkeit, da mit einer kleineren Korngröße der Anteil der Kanten und Kantenschärfe gegenüber der Gesteinsoberfläche und ihrer Rauheit relativ steigt. ([Stammnitz, Löffler, von Rymon Lipinski 2005], [M BgA 2004])

Die Oberfläche bzw. Bruchflächigkeit der Gesteine und ihre Kantenfestigkeit beeinflusst die innere Reibung des Asphaltmischguts. Die Verwendung von vollständig gebrochenen und kantenfesten Gesteinskörnungen in Asphaltmischgut kann dessen Einbau und Verdichtung erschweren. Wird jedoch derartiges Asphaltmischgut gut verdichtet, entsteht gleichzeitig ein stark verspanntes Korngerüst, das ebenfalls eine hohe innere Reibung aufweist, sodass die Asphaltschicht dann über eine hohe Verformungsresistenz verfügt. Die Bruchflächigkeit besitzt, nach der Korngrößen-verteilung, einen bedeutsamen Einfluss auf das Gebrauchsverhalten des Asphalts [Bellin 1997].

Die Helligkeit der Asphaltschicht wird ebenfalls mit der Wahl der Gesteinskörnung bestimmt. Bei der Asphaltdeckschicht ist dies von besonderem Interesse (vgl. Abschnitt 2.2.1) und kann gegebenenfalls durch die Zugabe von aufhellender Gesteinskörnung in das Asphaltmischgut verstärkt werden. Obwohl die Helligkeit der Fahrbahnoberfläche eine geforderte Eigenschaft darstellen kann, wird dieser Aspekt in dem hier entwickelten Modell nicht ausgeführt, weil sie durch den Herstellungsprozess und während der Nutzungsphase nicht oder nur marginal beeinflusst und bei der Zustandserfassung und -bewertung nicht berücksichtigt wird.

Die Adhäsion zwischen Bitumen und Gestein ist seitens des Gesteins abhängig von dessen mineralogischer und chemischer Zusammensetzung, Porosität und Oberflächenrauhigkeit. Aus der mineralogischen Zusammensetzung ergibt sich die Oberflächenladung der Gesteine, die durch die Flüssigkeit mit entgegengesetzter Ladung ausgeglichen werden muss. Die Chemie der Minerale bewirkt ihre einzelnen Hafteigenschaften, woraus entsprechend der Zusammensetzung im Gestein dessen Hafteigenschaft resultiert. Bei einem relativ sauren Gestein, das heißt ein Gestein, das viel SiO2 (Quarz) enthält, ist die Adhäsion tendenziell geringer als bei einem basischen Gestein, das hauptsächlich aus CaCO3 (Calcium-Carbonat) besteht. Über die Säure des Gesteins wird gleichzeitig eine Aussage über seine Affinität zu Wasser und somit über das Potential zur Schädigung des Asphalts bei Wassereinwirkung getroffen: Saure Gesteine gelten als hydrophil (verbinden sich also vorzugsweise mit Wasser) und basische Gesteine eher als hydrophob. Demnach wären Schäden durch Wassereinwirkung primär bei sauren Gesteinen zu erwarten, allerdings bestätigt sich der Zusammenhang nicht stets im Detail. Weist ein Gestein ein poröses Gefüge auf, kann sich das Bitumen besser in dem Gesteinskorn „verankern“, sodass mit einer höheren Porosität das Maß der Verbindung zwischen Gestein und Bitumen stärker ist. Eine größere Oberflächenrauhigkeit des Gesteins bedingt eine real größere Oberfläche. Somit ist die Kontaktfläche größer und bei Belastung die Zugspannung an der größeren Kontaktfläche geringer. ([Raudenbusch 1970], [Renken 2003]) Die Adhäsionseigenschaft des Gesteins wird mit der Wahl des Gesteins im Rahmen der Asphaltkonzeption festgelegt. In dem Herstellungsprozess können allerdings die Verschmutzung des Gesteins oder in dem Gestein vorhandene Feuchtigkeit (vgl. hierzu Abschnitt 3.4.2) die Adhäsion beeinträchtigen.

Füller

Der Füller, der für die Asphaltmischung verwendet wird, kann die Eigenschaft und hier insbesondere die Steifigkeit des Mörtels deutlich beeinflussen. Erklärt wird dies einerseits mit physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen dem Füller und dem Bitumen und andererseits mit den Hohlräumen des Füllers, die mindestens bei dichtester Lagerung vorhanden sind und in denen ein entsprechender Anteil des Bitumens als „Verlust“ gebunden wird. Als grobe Faustregel und unabhängig von der Gesteinsart des Füllers gilt, dass (bei einem Bitumen-Füller-Gemisch im Verhältnis 1:2) die Zunahme des Hohlraumgehalts nach Rigden um 1 V.-% eine Erhöhung des Erweichungspunktes Ring und Kugel um 1 °C bewirkt. (Für Erläuterungen siehe zum Beispiel [Shashidhar, Romero 1998], [Anderson, Goetz 1973], [Schellenberg, Flury 1972], [Ewers, Heukelom 1964])

Weiterhin beeinflussen die durchschnittliche Korngröße, die Korngrößenverteilung, die Kornform, das Vorhandensein von Zusammenballungen, das Maß der Verteilung des Füllers in dem Bitumen und die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Bitumen und Füller die versteifende Wirkung des Füllers. Hinsichtlich der Korngröße haben insbesondere die Körner kleiner 10 ì m einen Einfluss, mit steigendem Anteil sinkt die versteifende Eigenschaft des Füllers. Die Eigenschaften an der Grenz-fläche zwischen Bitumen und Füller variieren stark je nach verwendetem Bitumen. Zusammen-ballungen zeigen sich in einer höheren maximalen Lagerungsdichte des Füllers im Bitumen und führen zu einer Verringerung der versteifenden Eigenschaften. [Shashidhar, Romero 1998]

Mit der Versteifung des Mörtels wird gleichzeitig die Verformbarkeit des Asphalts verändert, was sich auf dessen Verdichtungswilligkeit und Gebrauchsverhalten auswirkt. Der Zusammenhang zwischen versteifender Eigenschaft des Füllers und Veränderung bestimmter Gebrauchs-eigenschaften des Asphalts konnte bisher nur ansatzweise und selten nachgewiesen werden, was auf die zahlreichen Größen des Füllers zurückzuführen ist, die sich zudem teilweise gegenseitig beeinflussen. [Shashidhar, Romero 1998] Beispielsweise konnte bei einer Biegezug-Prüfung ein Zusammenhang zwischen versteifender Wirkung des Füllers und der Steifigkeit des Asphalts nachgewiesen werden: Füller, die eine hohe versteifende Eigenschaft besitzen, führten (bei gleicher Verdichtung und gleicher Füllermenge) zu einer geringeren Durchbiegung der Asphaltprobe, das heißt auch der Asphalt ist dann steifer bzw. verformungsbeständiger. Allerdings kann dieses Ergebnis durch weitere Eigenschaften des Füllers beeinflusst sein, zum Beispiel eine verbesserte Adhäsion zwischen Bitumen und Gestein, wie Kalksteinmehl sie bewirkt. [Schellenberg 1975]

Mit der Erhöhung der Füllermenge bis zu einer bestimmten Grenze steigt die Stabilität des Asphaltmischguts (gemessen an der Marshall-Stabilität). Oberhalb dieser Grenze bleibt die Marshall-Stabilität konstant, aber der Marshall-Fließwert steigt weiter deutlich an: Der Asphalt wird weicher. Dies wurde in Untersuchungen nachgewiesen und deckt sich mit den Erfahrungen aus der Praxis. In einer Untersuchung an Mischungen aus Asphaltbeton 0/8 wurde die Grenze mit 10 M.-%

Füller ermittelt. [Schellenberg, Flury 1972]

Ein Einfluss auf die Griffigkeit wurde für den Füller noch nicht nachgewiesen; falls aber sein Anteil relativ hoch ist, steigt durch die Erhöhung des Mörtelvolumens die Gefahr der Bitumen- bzw.

Mörtelanreicherung und so einer reduzierten Griffigkeit. [M BgA 2004]