3.7 Nutzung und Belastung der Asphaltdeckschicht, Bestimmung der Lebensdauer
3.7.2 Entwicklung der Spurrinnen
Bitumen und Gestein. Weiterhin kann das Wasser das Gefüge der verdichteten Asphaltschicht zerstören, wenn es (zum Beispiel aufgrund von Kapillarkräften oder Behinderung des Abflusses) in der Asphaltbefestigung gehalten wird und gefriert. Daher ist mit dem Ziel einer hohen Lebensdauer bereits bei der Planung der Straße, aber auch bei dem Einbau des Asphalts ein Augenmerk auf die Entwässerung sowohl des Oberflächenwassers als auch des möglicherweise seitlich eindringenden oder aufsteigenden Bodenwassers zu legen.
Wie sich das Wasser aber im konkreten Fall auf die Fahrbahnbefestigung und den Untergrund auswirkt, ist wesentlich abhängig von der Topographie, der Lage der Straße im Grundriss (Hanglage, umgebende Bebauung, Himmelsrichtung) und im Aufriss (Einschnitt/Damm, Höhe des Grundwassers) sowie der Art und der Zusammensetzung des Bodens [von Becker 1982].
Die Sonneneinstrahlung, der Luftsauerstoff und auch die Temperatur führen zu der Alterung des Bitumens. Kann durch die Hohlräume viel Luft eindringen, altert das Bitumen stärker und die Lebensdauer kann sich deutlich verkürzen. Die Zusammenhänge und Auswirkungen von der Bitumenalterung und der Wassereinwirkung sind den Abschnitten 3.3.2 und 3.6.4 zu entnehmen.
Verformungsbeständigkeit und Steifigkeit des Asphalts sowie aus zu geringen Hohlraumgehalten bis hin zu verfüllten Hohlräumen, häufig verbunden mit einer zu hohen Verkehrsbelastung für das vorhandene Asphaltmischgut. Die zu geringe Verformungsbeständigkeit kann unter anderem konzeptionell bedingt sein (vgl. Abschnitt 3.3) oder der übermäßigen Belastung aus Wetter (hohe Temperaturen) folgen. Vorwiegend treten die Schubverformungen in der Asphaltdeckschicht und nur vereinzelt in der Asphaltbinderschicht auf; in den darunter liegenden Schichten ist nicht mit Schubverformungen zu rechnen, da die lokalen Spannungen zu gering sind [von Becker 1982].
Durch einen guten Schichtenverbund kann die Schubverformung vermindert werden [Eisenmann, Hilmer 1986].
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Asphaltdeckschicht. Daher werden in dem Modell nur die Verformungen in vertikaler und horizontaler Richtung in der Asphaltdeckschicht sowie der Fahrbahnabrieb (in Bild 3.12 die oberen Darstellungen) abgebildet. Für die unteren Schichten, vorwiegend die Asphaltbinderschicht, ist jedoch das Modell leicht zu adaptieren, im Wesentlichen entfällt der Fahrbahnabrieb. Die einzelnen Verformungen der Schichten addieren sich dann (in Bild 3.12 die unteren Darstellungen).
Der wesentliche Teil der Nachverdichtung tritt üblicherweise zu Beginn der Nutzungsphase, in der Konsolidierungsphase der Asphaltschicht, auf; anschließend ist die Nachverdichtung relativ gering.
Nachverdichtungen, die über dieses Maß hinaus auftreten (zum Beispiel bei hohen Temperaturen), können gleichzeitig zu Schubverformungen führen. Über die gesamte Lebensdauer der Asphaltdeckschicht besitzt die Schubverformung einen deutlich größeren Anteil an der Spurrinnenbildung als die vertikale Verformung [Eisenmann, Hilmer 1986].
Auf die Entwicklung der Spurrinnen haben seitens des Verkehrs insbesondere die Höhe der Belastung und die Geschwindigkeit/Belastungsfrequenz (und somit die Belastungsdauer und -geschwindigkeit) einen Einfluss. Die Erhöhung der Radlasten und die Erhöhung des Reifeninnendrucks bewirken einen höheren Kontaktdruck und führen zu einer überproportionalen Zunahme der Spurrinnen. Eine geringe Geschwindigkeit des Verkehrs verstärkt die Spurrinnenbildung ebenfalls; so ist bekannt, dass Spurrinnen primär infolge langsam fahrendem Verkehr auftreten. Dieser Einfluss wächst mit hohen Temperaturen der Asphaltdeckschicht. Mit steigender Geschwindigkeit bzw. Belastungsfrequenz nimmt der Einfluss der Temperatur ab.
Untersuchungen zeigten, dass bei einer Zunahme des Schwerverkehrs um jährlich 3 % eine Spurrinnentiefe von 10 mm bereits nach 20 Jahren erreicht wird anstatt nach erst 50 Jahren bei gleichbleibender Schwerverkehr-Stärke und dass eine Lasterhöhung zur überproportionalen Spurrinnenbildung führt. Dabei wurde der Kurvenverlauf der Spurrinnenbildung mit einer Wurzel-Funktion abgebildet. ([Eisenmann, Hilmer 1986], [Bartolomaeus 2003], [AP 25/E1 1991])
Seitens der Asphaltschicht wird die Bildung einer Spurrinne insbesondere von dem Verdichtungsgrad und dem Hohlraumgehalt, dem Bitumengehalt sowie der Härte und Viskosität des Bitumens bzw. des Mörtels (die thermisch bedingt variiert) abhängig. Einen weiteren, jedoch geringeren Einfluss besitzen die Steifigkeit des Asphalts, der E-Modul der Asphaltschicht, die Sieblinie, der Erweichungspunkt Ring und Kugel des Bitumens und die Schichtdicke. ([Fuchs, Litzka 1998], [Eisenmann, Hilmer 1986]) Sind die Schichten dicker, erhöht sich hierdurch die Neigung zur Spurrinnenbildung. Ab einer bestimmten dünneren Schichtdicke verliert dieser Parameter an Bedeutung und die Eigenschaften des Untergrundes, der Entwässerung und des Alters der Fahrbahnbefestigung treten entsprechend Untersuchungsergebnissen aus den USA in den Vordergrund. ([von Quintus, Mallela, Jiang 2005], [von Becker 1982])
Bei der Auswertung von Daten eines Straßennetzes konnte die Spurrinnenbildung mit der Liegedauer, der Bauklasse und der Verkehrsbelastung in Zusammenhang gebracht werden, wobei der erklärende Anteil der Liegedauer etwa doppelt so hoch (10,1 %) war die jeweilige Anteil der Bauklasse (3,4 %) und der Verkehrsbelastung (5,0 %). [Koch 1992]
Der Verlauf der Entstehung der Spurrinnentiefe wird häufig mit einer Funktion dritten Grads beschrieben, die aber im Prinzip aus der Superposition von drei Kurven entsteht (siehe Bild 3.13), welche die wesentlichen Mechanismen innerhalb der drei Phasen der Spurrinnenbildung erklären.
(Zu den Phasen im Folgenden [Eisenmann, Hilmer 1986], [Babbel 1986], [Bartolomaeus 2003], [von Quintus, Mallela, Jiang 2005], [Jacot 2008].)
• In der ersten Phase (I) bestimmt die vertikale Verformung infolge der Nachverdichtung bzw.
der Umlagerung der Gesteinskörner und Anpassung der Asphaltschicht die Entwicklung der Spurrinnen. In Spurbildungsuntersuchungen ist dies daran zu erkennen, dass die bleibende Verformung hauptsächlich unter dem Rad zu verzeichnen ist. Der Kurvenverlauf ist in Abhängigkeit von der Verkehrsbelastung (bei Spurbildungsuntersuchungen die Anzahl der Überrollungen) degressiv. In der Praxis ist die Dauer dieser Phase unterschiedlich und von der Verkehrsbelastung abhängig; sie kann durchaus 5 bis 10 Jahre betragen. Mit der Nachverdichtung der Asphaltschicht kann deren Tragfähigkeit steigen.
• In der anschließenden Phase (II), in dem Spurbildungsversuch häufig nach etwa 2000 Überrollungen, entspricht das Volumen der weiteren bleibenden Verformungen unter dem Rad etwa dem Volumen der sich seitlich bildenden Aufwölbungen, das bedeutet es findet eine Schubverformung und Verdrängung statt. Da in den Lasträndern hohe Schubkräfte herrschen, treten in diesem Bereich und in den Aufwölbungen die größten Verschiebungen in der Asphaltschicht auf. Der Kurvenverlauf ist nahezu linear (siehe Phase II in Bild 3.13) und analog zu der Miner-Hypothese summieren sich die einzelnen minimalen (viskosen) Verformungen schließlich zu der gesamten Verformung. Die Spurbildungsrate steht im linearen Zusammenhang mit dem mittleren Kontaktdruck an der Fahrbahnoberfläche, der in der Praxis mit der Zusammensetzung und der Art des Verkehrs variiert.
• In der dritten Phase (III) verläuft die Kurve progressiv. In den Spurbildungsversuchen kann diese Phase nur vereinzelt zum Ende, falls eine Auflockerung des Gefüges stattfindet, registriert werden. Dabei nimmt das Volumen der Aufwölbungen stärker zu als das Volumen der zusätzlich bleibenden Verformung unter dem Rad. In der Praxis ist diese Phase seltener zu beobachten, vorwiegend bei sehr starker und spurgebundener Verkehrsbelastung oder Ermüdung der gesamten Befestigung. Die spurgebundene Verkehrsbelastung kann ab einer bestimmten Spurrinnentiefe begünstigt werden, wenn die Fahrzeuge in die Spurrinnen geführt werden; dies ist von der Breite und Tiefe der Spurrinnen, dem Reifenprofil und der Geschwindigkeit abhängig. Einhergehend mit der Ermüdung zeigt sich meist die Bildung von Rissen (vgl. Abschnitt 3.7.5).
Bild 3.13: Qualitative Darstellung der Zusammensetzung der Kurvenverläufe aus Nachverdichtung, Schubverformung und Ermüdung zum charakteristischen Kurvenverlauf der Entwicklung der Spurrinnentiefe
Vereinfachend und den Effekt der Ermüdung und Gefügeauflockerung vernachlässigend werden zur Beschreibung der Entwicklung der Spurrinnentiefe (y) meist Wurzelfunktionen bzw.
Potenzfunktionen angewendet, die Effekt 1 und Effekt 2 abbilden ([Eisenmann, Hilmer 1986], [Schmuck, Maerschalk 1987], [Fuchs, Litzka 1998], [Bartolomaeus 2003], [Timm, Bower, Turochy 2006]):
y=ab⋅
n odery=ab⋅nc als allgemeine Form und
y=ab⋅
[
PPs
n]
c unter Berücksichtigung verschiedener Achslasten, wobei n die Anzahl der Überrollungen oder auch die Zeit in Jahren ist,a eine Konstante ist, die das Maß der anfänglichen Nachverdichtung in der Konsolidierungsphase beschreibt,
b, c Konstanten sind, die die Verformungseigenschaften des Asphalts (für eine bestimmte Zusammensetzung des Asphaltmischguts, eine durchschnittliche Temperatur und eine durchschnittliche Verkehrsgeschwindigkeit) abbilden,
P, PS die Radlast und die Vergleichslast sind und
α eine materialspezifische Konstante ist, welche die aus der Belastung resultierende
Beanspruchung der Asphaltbefestigung beschreibt (vgl. die Hinweise zur 4.-Potenz-Regel in Abschnitt 3.7.1).
Neben der beschriebenen Spurrinnentiefe, die sich aus der Abweichung von der Querebenheit bestimmt, wird bei der ZEB außerdem die fiktive Wassertiefe bestimmt. Sie beschreibt bei einer derart starken Ausprägung der Spurrinnen, dass das Wasser nicht seitlich abgeführt werden kann, die lotrechte Tiefe der möglichen Wasseransammlung auf der Fahrbahn (siehe Bild 3.14).
Bild 3.14: Spurrinnentiefe und fiktive Wassertiefe
Die Zustandsgröße fiktive Wassertiefe wird in dem Modell nicht abgebildet, da zu ihrer Ermittlung neben der Spurrinnentiefe selbst Daten über die Neigungsverhältnisse der Fahrbahn (in Längs- und in Querrichtung) erforderlich sind. Sind diese entwurfsspezifischen Daten für eine konkret betrachtete Straße vorhanden und werden sie in dem Modell hinterlegt, könnte die Größe mit bestimmten Annahmen zur Form der Spurrinnenbildung (zum Beispiel die seitliche Aufwölbung durch Schubverformung) und ihrer Bildung in Abhängigkeit von dem Fahrverhalten und der Trassierung für diese Strecke ermittelt werden.
Teilmodell für die Entwicklung der Spurrinnenbildung
Zur Erläuterung der grafischen Darstellungen siehe Abschnitt 2.4. Eine vergrößerte Darstellung des Modells ist in dem Anhang, Abschnitt 8.4.5 abgebildet.