Schichtdicke

führen, zu vermeiden. ([Nakkel 1986], [EAPA 2007], [Martin, Cooley, Hainin 2003]). Ein Hohlraumgehalt von rund 1 bis 1,5 V.-% ergibt sich allein unter Berücksichtigung der kubischen Ausdehnungskoeffizienten von Bitumen und Gestein (für Bitumen beträgt der Koeffizient etwa 6,0 bis 6,2 · 10^-4/°C, das ist der 20- bis 30-fache Wert des Koeffizienten für Gestein [Beecken u.a.

1994]), wird eine hohlraumfreie Verdichtung bei der End-Verdichtungstemperatur angenommen.

Es ist jedoch zu betonen, dass ein hoher Verdichtungsgrad bzw. ein geeignet reduzierter Hohlraumgehalt allein nicht unbedingt die oben beschriebenen Asphalt-Eigenschaften (Steifigkeit, Verformungswiderstand, Ermüdungsverhalten) bewirkt. Hier sind zudem die Zusammensetzung des Asphalts (Korngrößenverteilung, Bitumengehalt) und die materialspezifischen Eigenschaften (Rauheit, Härte, Kantenfestigkeit etc.) zu berücksichtigen. [Utterodt, Egervari 2008] Zu der Zusammensetzung des Asphalts und den materialspezifischen Eigenschaften siehe Abschnitt 3.3.

Ist der Bitumengehalt zu hoch (vgl. oben den Zusammenhang mit der Verdichtung), kehren sich die für den Verdichtungsgrad dargestellten Zusammenhänge um und der Verformungswiderstand der hergestellten Asphaltschicht sinkt insgesamt [Jacobs 1977].

Neben dem ausreichenden Maß ist die Gleichmäßigkeit der Verdichtung im Längs- und im Querprofil für die Qualität und die Lebensdauer der Asphaltbefestigung wichtig. Im Querprofil werden häufig höhere Hohlraumgehalte in den Randbereichen des Querschnitts der Straße bzw. der Einbaubahn beobachtet, die auf eine lokal geringere Verdichtungsarbeit zurückgeführt werden.

([Partl 1992], [Martin, Cooley, Hainin 2003]) Folge können lokal in den Bereichen die oben für einen zu hohen Hohlraumgehalt bzw. eine zu geringe Verdichtung genannten Schadensbilder und Eigenschaften sein. Aus der Ungleichmäßigkeit der Verdichtung im Längsprofil können außerdem Allgemeine Unebenheiten entstehen (vgl. Abschnitt 3.6.5). Dabei ist nicht nur die Homogenität der Verdichtung der Asphaltdeckschicht, sondern aller Asphaltschichten und des Erdbaus bedeutsam [Thurner 1999].

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass eine zu geringe Verdichtung sich bei allen Asphaltarten nachteilig auf das Langzeitverhalten auswirkt. Eine Verdichtung auf über 100 % ist unter Berücksichtigung der Asphaltart und der Zusammensetzung zu beurteilen. Sie kann eine Überverdichtung bedeuten, ist der Hohlraumgehalt zu gering, oder eine Verbesserung der Asphalt-eigenschaften, wenn der Hohlraumgehalt im geeigneten Bereich liegt.

Fahrbahnbefestigung und die Tragfähigkeit zu finden (zum Beispiel [Schubert 1984], [Lempe 1972], [BASt 1984] in [Schmuck 1987]). Für einen Überblick und zur Darstellung der Bedeutung der Schichtdicke für die Lebensdauer werden ausgewählte Erkenntnisse über die gesamte Asphaltbefestigung vorgestellt.

In einer älteren Untersuchung ([BASt 1984] in [Schmuck 1987]) wurden auf verschiedenen Fahrbahnbefestigungen in Asphaltbauweise (bestehend aus Asphaltdeckschicht, Asphaltbinder-schicht und AsphalttragAsphaltbinder-schicht, vergleichbar zu Zeile 1 der [RStO 86]) die Ist-Gesamtdicke der jeweiligen Soll-Gesamtdicke gegenüber gestellt. Die Soll-Gesamtdicken der erfassten Asphalt-befestigungen lagen bei 15,0 cm, 18,0 cm, 22,0 bis 22,5 cm und 23,5 bis 24,0 cm.

Das Ergebnis der Untersuchung zeigt Bild 3.7: Die Ist-Gesamtdicke schwankt erheblich, die Spannweite der Ist-Gesamtdicken beträgt etwa 10 cm bis 14 cm, wobei die geringere Spannweite bei Befestigungen mit einer größeren Soll-Gesamtdicke (22 cm/22,5 cm und 24 cm) auftreten.

Weiterhin sind bei den größeren Soll-Gesamtdicken die tatsächlichen Gesamtdicken augenscheinlich symmetrisch um die Soll-Gesamtdicke verteilt. Bei den geringeren Soll-Gesamtdicken von 15 cm und 18 cm liegt der Mittelwert der Ist-Gesamtdicken unterhalb der Gesamtdicke, bei der Soll-Gesamtdicke von 15 cm in einem stärkeren Maß als bei jener von 18 cm.

Zwei weitere Auswertungen, bei denen zum einen einzeln verschiedene Asphaltschichten und zum anderen verschiedene Fahrbahnbefestigungen mit unterschiedlichem Aufbau betrachtet wurden, zeigten, dass grundsätzlich eher dünnere Asphaltschichten hergestellt werden. ([Lempe 1972], [Schubert 1984]) An Proben verschiedener Fahrbahnbefestigungen der Bauklasse I (Bauweise A, Zeile 1 nach [RStO 75]) mit einer Soll-Gesamtdicke von 30 cm Asphaltbefestigung betrug die Ist-Gesamtdicke im Mittel 28,75 cm. Diese Minderdicke von 1,25 cm führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer um etwa 27 %, das heißt die betrachteten Asphaltbefestigungen können im Mittel nur 73 % der vorgesehenen Belastung aufnehmen. Innerhalb des dazugehörigen Konfidenzbereichs von 28,2 cm bis 29,3 cm – das ist der Bereich, in dem der „wahre“ Mittelwert mit einer Wahrscheinlich-keit von 90 % liegt – kann sich die Lebensdauer um etwa 10 %-Punkte weiter reduzieren bzw.

erhöhen. [Schubert 1984] (Die Lebensdauer wurde dabei anhand der Anzahl der ertragbaren Lastwechsel bei Biegezug- bzw. Schubbeanspruchung bestimmt, die mit dem Programm BISAR schrittweise berechnet und anschließend auf die Minderdicken übertragen wurde.)

Die Standardabweichung der Ist-Schichtdicke steigt mit zunehmender Soll-Schichtdicke: Bei den betrachteten Asphaltdeckschichten betrug die Standardabweichung von 0,4 bis 0,5 cm, bei den Asphaltbinderschichten sowie den Kombinationen aus Asphaltdeckschicht und Asphaltbinderschicht durchschnittlich 1,0 cm und bei den Asphalttragschichten sowie der gesamten Asphaltbefestigung 1,5 bis 2,5 cm. [Schubert 1984] In Bild 3.7 ist dieses Ergebnis bei Betrachtung der relativen Häufigkeitsverteilung in der Tendenz zu erkennen.

Werden die in den (auch noch heute in den ZTV Asphalt-StB 07) bestimmten Grenzwerte für die Unterschreitung der Einbaudicke ausgeschöpft, sind erhebliche Einbußen in der Lebensdauer der Asphaltbefestigung zu erwarten, wie die bereits genannte Untersuchung ergab: Für eine Asphalt-befestigung (Bauklasse I, Zeile 1 gemäß [RStO 75]: 4 cm Asphaltdeckschicht, 8 cm Asphaltbinder-schicht, 18 cm Asphalttragschicht) reduziert sich die Lebensdauer der gesamten Asphaltbefestigung bei einer um 10 % dünneren Asphaltdeckschicht (-0,4 cm, gültig für den Mittelwert der Einbaudicken) auf 90 % und bei einer um 25 % dünneren Asphaltdeckschicht (-1,0 cm, gültig für den Einzelwert) bereits auf 77 %. [Schubert 1984] (Weitere Untersuchungsergebnisse, insbesondere für die Mehr- und Minderdicken der weiteren Schichten, sind in der genannten Quelle zu finden.) Die Auswirkung der Änderung der Schichtdicke (Δh) auf die Lebensdauer (N, gemessen mit der Anzahl der Achslastübergänge) einer Asphaltbefestigung lässt sich mit folgender Formel abschätzen

h=K⋅log





wobei K = 8, wenn Δh in cm ausgedrückt wird. Nach dieser Formel führt eine Erhöhung der Schichtdicke um 2,4 cm zu einer Verdopplung der Lebensdauer. [Nakkel 1988]

Bild 3.7: Relative Häufigkeitsverteilung der Ist-Gesamtdicken verschiedener Asphaltbefestigungen (vergleichbar zu Zeile 1 der RStO 86) bei einer Soll-Gesamtdicke von 15, 18, 22 bzw. 24 cm ([BASt 1984] in [Schmuck 1987])

Grundsystem Dickenschwankung bei konstanter Gesamtdicke Asphaltdeckschicht (Asphaltbeton 0/11 mit B 65) 4 cm 2 cm 6 cm 4 cm Asphaltbinderschicht (Asphaltbinder 0/16 mit B 65) 4 cm 6 cm 2 cm 2 cm Asphalttragschicht (siehe unten, aus Rundkorn) 14 cm 14 cm 14 cm 16 cm Lebensdauer,

Asphalttragschicht 0/32 mit B 65 100 % 108 % 96 % 100 %

Lebensdauer,

Asphalttragschicht 0/32 mit B 80 100 % 105 % 94 % 94 %

Tabelle 3.6: Lebensdauer (unter Berücksichtigung der Biegezugspannung) infolge der Dickenschwankung in den Schichten bei konstanter Gesamtdicke der Asphaltbefestigung (22 cm, Bauklasse III nach RStO 75) und bei einer durchschnittlichen Jahrestemperatur [Schubert 1984]

Wird genau betrachtet, welche Schicht über eine Minder- und Mehrdicke verfügt, resultieren durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Asphaltschichten verschiedene Lebensdauern der Asphalt-befestigung, siehe Tabelle 3.6. Dabei wird der in der Spalte „Grundsystem“ gegebene Aufbau (nach Zeile 1, Bauklasse III [RStO 75]) und eine durchschnittliche, repräsentative Jahrestemperatur vorausgesetzt. (Das Bitumen B 65 entspricht heutigem Bitumen 50/70 und das Bitumen B80 dem Bitumen 70/100.) Weiterhin ist in dieser Betrachtung die Mehr- bzw. Minderdicke über die gesamte betrachtete Fläche konstant und die Dickenschwankung beträgt stets 2 cm.

Eine höhere Lebensdauer ist zu verzeichnen, wenn eine Minderdicke der Asphaltdeckschicht um 2 cm mit einer entsprechenden Mehrdicke in der Asphaltbinderschicht kompensiert wird, sodass die Dicke der Asphaltbinderschicht 6 cm beträgt (siehe Tabelle 3.6). Die Lebensdauer steigt für das Beispiel auf 105 bis 108 % (je nach Bitumenhärte in der Asphalttragschicht). Wird eine Minderdicke der Asphaltbinderschicht mit einer Mehrdicke in der Asphaltdeckschicht kompensiert, sinkt die Lebensdauer aufgrund der geringeren Steifigkeit der Asphaltdeckschicht. [Schubert 1984]

Diese Ergebnisse zeigen (wie auch in [Timm, Bower, Turochy 2006] beschrieben), dass bei einer steiferen Unterlage entweder die Lebensdauer steigt oder eine geringere Gesamtdicke für die gleiche Lebensdauer hinreichend ist. Die Beobachtung, dass eine Asphaltbefestigung mit einer dünneren Asphaltdeckschicht und entsprechend stärkerer Asphaltbinderschicht die Lebensdauer positiv verändert, wurde in der Praxis für sehr stark beanspruchte Verkehrsflächen unter den Begriffen „funktionaler Schichtenaufbau“ und „standfestere Fahrbahndecken“ umgesetzt. ([Huschek 1988], [Dübner 1996], [Potschka 1997]) Heute ist eine vergleichbare Bauweise in den ZTV Asphalt-StB 07 enthalten, nämlich die Kompaktasphaltbauweise (vgl. die Erläuterung zur Beispielstrecke in Kompaktasphaltbauweise in Kapitel 4), bei der die Asphaltdeckschicht bei entsprechender Verstärkung der Asphaltbinderschicht um etwa 2 cm reduziert wird; für die Konzeption des Asphaltmischguts und den Einbau bestehen zum Teil besondere Anforderungen (siehe zum Beispiel [ZTV Asphalt-StB 07], [M KA 2001], [Richter, Dietrich 1997], [Schäfer, Rosauer 2007]).

Wird in der Betrachtung eine lokale Begrenzung der Mehr- und Minderdicken ergänzt, zeigt sich eine höhere Lebensdauer, wenn über die Fläche gleichmäßige Bedingungen vorliegen. Die lokale Begrenzung der Schichtdicken wurde in der bereits genannten Untersuchung von Schubert (1984) mit der Verziehungslänge beschrieben. Die Verziehungslänge ist die Länge, über die in der Schicht die Minderdicke auf- bzw. abgebaut wird. Mit steigender Verziehungslänge nimmt die Lebensdauer überproportional ab und nähert sich am Ende asymptotisch dem entsprechenden Ergebnis bei konstanter Minderdicke an (vgl. Bild 3.8).

Bild 3.8: Lebensdauer in % einer 22 cm dicken Asphaltbefestigung mit axial- und zentralsymmetrischer Dickenschwankung in Abhängigkeit der Verziehungslänge ∆l, bezogen auf die Lebensdauer einer gleichmäßig 22 cm dicken Asphaltbefestigung [Schubert 1984]

Bei einer Asphaltbefestigung der Bauklasse III (22 cm Gesamtdicke) mit einer lokalen axialsymmetrischen Minderdicke von 0,5 bis 2 cm auf einer Verziehungslänge von 4,5 cm sinkt die Lebensdauer um 0,8 bis 10 % ab. Ab einer Verziehungslänge von 50 cm differiert die Lebensdauer von der konstanten Minderdicke bzw. von der lokal begrenzten Minderdicke nur noch um wenige Prozentpunkte. Ab einer Verziehungslänge von 2,5 bis 3,0 m sind die Lebensdauern von lokal begrenzten Minderdicken von bis zu 2 cm ähnlich zu denen der konstanten Minderdicken, bei lokal

begrenzten Minderdicken von 4 bis 6 cm erst ab einer Verziehungslänge von etwa 4,0 bis 6,0 m.

Wird die lokal begrenzte Minderdicke hingegen zentralsymmetrisch angenommen, ist die Lebensdauer infolge der besseren Spannungsumlagerung stets höher als bei der axialsymmetrischen Ausprägung. Bei kleinen Verziehungslängen war sogar eine Zunahme der Lebensdauer festzustellen.

Betragen die Verziehungslänge 4,5 cm und die Minderdicken 0,5 bis 2,0 cm konnte eine Lebensdauer von 104 bis 102 % berechnet werden. [Schubert 1984]

Wird in der Betrachtung zusätzlich eine inhomogene Beschaffenheit des Materials über die einzelnen Schichten (zum Beispiel lokale Streuung des Bitumengehalts, des Hohlraumgehalts oder der Untergrundverhältnisse) berücksichtigt, indem dem Material der jeweiligen Schicht lokal unterschiedliche Steifigkeiten zugewiesen werden, zeigt sich dennoch ein deutlicher Einfluss der Schichtdicke und ihrer Schwankung auf die Lebensdauer. So ist der Einfluss der Schwankung der Schichtdicken umso größer, je höher die Steifigkeit der Asphaltbefestigung ist. Die Auswirkung der Schichtdicken-Schwankung nimmt ab, je höher die Gesamtdicke der Asphaltbefestigung und die Steifigkeit der Unterlage sind. [Schubert 1984]

Zusammenfassend und die beschriebenen Untersuchungsergebnisse vergleichend ist festzustellen, dass die negativen Auswirkungen der abweichenden Schichtdicken auf die Lebensdauer gemindert werden, wenn ein Dickenausgleich in der Asphaltbefestigung zwischen den Schichten erfolgt und so die Gesamtdicke beibehalten wird. Eine Mehrdicke in einer Schicht, die zu einer größeren Gesamtdicke führt, ist demnach für die Lebensdauer nicht kritisch. Im Hinblick auf den Verformungswiderstand ist das Maß der unschädlichen Mehrdicke in Abhängigkeit von der Spannungsverteilung und der Asphaltkonzeption, insbesondere bei der Asphaltdeckschicht, begrenzt. Eine weitere Voraussetzung ist, dass die Schichten fachgerecht hergestellt wurden und eine etwaige Mehrdicke nicht auf eine unzureichende Verdichtung bzw. eine Minderdicke nicht auf eine Überverdichtung (vgl. Abschnitt 3.6.4) zurückzuführen ist.