Die richtige Definition der Festigkeit von Asphalt

AESCHLEVENT Campus Sursee
am 07.05.2015
Die richtige Definition der Festigkeit
von Asphalt
Prof. Dr.-Ing. Kurt Schellenberg
Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg Rottweil GmbH,
D-78628 Rottweil, Rottweiler Str. 13
Asphalteigenschaften
Haltbarkeit/Lebensdauer von Asphalt wird entscheidend durch den Hohlraumgehalt bestimmt. Je höher der Hohlraumgehalt, je geringer die Haltbarkeit.
Art der Beläge
Hohlraumgehalt
Vol.-%
Durchschnittliche Lebensdauer
Jahre
Gussasphalt MA
0 – 1,5
25 – 35
Asphaltbeton AC
2–6
15 – 20
Splittmastix SPA
2–5
10 – 15
Rauasphalt AC MR
6 – 12
10 – 15
Offenporiger Asphalt
20 – 25
6–9
 Wasser auf der Strasse mit reduzierter Oberflächenspannung dringt in die
Grenzflächen zwischen Bindemittel und Gesteinskörner ein und verdrängt das
Bindemittel (stripping Effekte)
 Durch Wasser und Strahlungen (Atmosphärilien) kommt es zu Versprödungen
des Bindemittels (oxidative und destillative Vorgänge)
 Salz und Schmutz in den Poren des Asphalts behindern die Verklebung der
Gesteinskörner
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Walzasphalte und Gussasphalte müssen, um sich
zu bewähren, folgende Eigenschaften aufweisen:
- gute Verarbeitbarkeit zur Erzielung von homogenen Schichten
- hohe Kälteflexibilität zur Vermeidung von Rissen
- hohe Dichtigkeit (niedriger Hohlraumgehalt) zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit
- möglichst wenig Poren zur Reduzierung der Neigung zur Versprödung
(Rissbildungen)
- hohe Standfestigkeit in der Wärme zur Vermeidung von Spurrinnen
(Verformungen)
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Standfestigkeit in der Wärme bei
Walzasphalt und Gussasphalt
Allgemein
Bei der Prüfung der Festigkeit von Baustoffen ist von Bedeutung, welche
Reaktionen die Probekörper verschiedener Baustoffe beim Aufbringen von
Spannungen zeigen.
Beton
Bei einer hydraulischen Bindung, wie beim Beton, treten bei der Prüfung der
Festigkeit überwiegend elastische Verformungsanteile auf, die es gestatten – vor
dem Bruch des Probekörpers – den Elastizitätsmodul zu bestimmen. Bei der
Prüfung von Beton gibt es eine direkte Abhängigkeit der Druckfestigkeit vom
E-Modul. Man kann beim Beton mit Hilfe von Umrechnungsfaktoren von der
Druckfestigkeit ausgehend die Zugfestigkeit, die Biegezugfestigkeit und die
Spaltzugfestigkeit ermitteln.
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Asphalt
Ganz anders verhält es sich bei der Prüfung von Asphalt, der Bitumen als
Bindemittel oder Modifikationen mit Polymeren oder Wachsen enthält. Das
thermoplastische Bindemittel im Asphalt führt, abhängig von der Temperatur bei
Druck-, Zug-, Biegezug und Spaltzugprüfungen, zu Festigkeiten mit unterschiedlich ausgeprägten irreversiblen plastischen Verformungsanteilen. Festigkeiten von Asphalt sind nur im Plustemperaturbereich von Bedeutung, weil bei
Minustemperaturen keine bleibenden Verformungen auftreten. Bei Minustemperaturen kommt es allenfalls zu Rissbildungen, denen nicht durch
Zugfestigkeitsreserven des Asphalts [1] begegnet werden kann, sondern vielmehr
durch Dehnungsreserven, die dazu beitragen Spannungen durch Dehnungen
abzubauen (Relaxation).
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Festigkeiten beim Asphalt zu prüfen wie beim Beton, muss zwangsläufig zu
Fehlinterpretationen führen. Das ist auch der Grund dafür, warum das in den
50er Jahren des letzten Jahrhunderts aus Amerika übernommene Verfahren der
Prüfung der Marshall-Stabilität nicht zielführend sein konnte. Bekanntlich wird
bei der Prüfung der Stabilität nach Marshall der Probekörper aus Asphalt
bei konstanter Temperatur von 60 °C mit einem konstanten Vorschub von
50 mm/Minute so lange belastet, bis er zerstört ist. Die dabei gemessene
maximale Kraft in kN als Stabilität nach Marshall spricht auch nicht darauf an, ob
dem Bindemittel elastifizierende Zusätze, zum Beispiel Polymere, zugesetzt
werden.
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Keine zerstörende Prüfungen
Um aussagefähige Prüfungen der Festigkeit von Asphalt zu erhalten, dürfen
keine zerstörenden Versuche wie Druck- und Spaltzugversuche durchgeführt
werden. Es sind vielmehr, in Abhängigkeit von der Temperatur, die jeweiligen
Viskositäten zu prüfen, das heisst, den Widerstand gegen Verformungen zu
ermitteln, den der Asphalt den entsprechenden Beanspruchungen entgegenstellt.
Dabei müssen bei der Prüfung von Bitumen, Asphaltmörtel, Walzasphalt und
Gussasphalt bei verschiedenen Prüftemperaturen auch die Spannungen
angepasst werden, um auswertbare Verformungen (Viskositäten) zu erreichen, in
Abhängigkeit von der Zeit.
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Rheologische Wirkungsmechanismen
Druck-Schwell-Versuche
Die Oberspannung bei der Prüfung ist auf die Steifigkeit des zu prüfenden
Asphalts abzustimmen, weil der Asphalt bei der Prüfung nicht zerstört werden darf
und auf der anderen Seite die Spannung so gross sein muss, dass die daraus
entstehenden Verformungen ausgewertet werden können. Folgende Oberspannungen haben sich bewährt:
Oberspannung MPa
Art des Belages
0,20
Asphaltbeton
0,35
Splittmastixasphalt
0,50
Asphaltbinder- und Tragschichten
Auswertbare Verformungsraten sind anzustreben in der Grössenordnung von
1 – 50 • 10-4 ‰ pro Lastwechsel.
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Optimale Bindemittelmenge beim Walzasphalt
Die Festlegung der erforderlichen Bindemittelmenge bei Walzasphalt erfolgt in der
Regel über den als zweckmässig angesehenen Hohlraumgehalt am Probekörper
nach Marshall z. B. 3 Vol.-%.
Dies ist nur bedingt zielführend, weil der Hohlraumgehalt bei identischer
Verdichtungsarbeit (Marshallverfahren) nicht konstant ist, sondern abhängig von
der Belagsart
4 Vol.-% Hohlraumgehalt beim Asphaltbeton: unbedenklich
4 Vol.-% Hohlraumgehalt beim Splittmastixasphalt: problematisch, weil
wasserdurchlässig
vom Grösstkorn
je kleiner das Grösstkorn, umso grösser darf der Hohlraumgehalt sein, um
dieselben Eigenschaften zu erreichen (Wärmestandfestigkeit – Wasserdurchlässigkeit).
Nicht auf die Festigkeit kommt es an, sondern auf die Zähigkeit.
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Zur Festlegung der optimalen Bindemittelmenge kommt es nicht auf die
volumetrischen Verhältnisse (Hohlraumgehalt) allein an, sondern auf das
Verformungsverhalten. Der Abb. 1 ist zu entnehmen, dass sich bei der
Durchführung von Druck-Schwell-Versuchen ein ausgeprägtes Verformungsminimum in Abhängigkeit von der Bindemittelmenge einstellt.
Dehnungsrate in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt bei
Splittmastixasphalt (SMA 11)
[Dehungsrate [0/00 / n]
3.00E-03
2.50E-03
2.00E-03
1.50E-03
1.00E-03
5.00E-04
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
Bindemittelgehalt [M-%]
7.1
7.2
7.3
7.4
Abb. 1
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10
Minimum bei den Dehnungsraten
Die auf das Verformungsminimum abgestimmte Bindemittelmenge ist als optimal
zu bezeichnen, bezogen auf die jeweilige Zusammensetzung des Splittmastixasphaltes.
Um Spurrinnenbildungen bei hohen Temperaturen im Sommer zu vermeiden, sind
entsprechende Dehnungsraten als „Festigkeit“ in Druck-Schwell-Versuchen
anzustreben, die nicht nur am Probekörper nach Marshall, sondern auch an den
Originalschichten
durchgeführt
werden
können,
bei
Reduzierung
der
Oberspannung.
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Versprödung des Asphalts
Die
Versprödung
des
Asphaltes
kann
auch
durch
die
Prüfung
des
Verformungswiderstands mit Hilfe von Druck-Schwell-Versuchen nachgewiesen
werden. Es ist nicht nur eine hohe Steifigkeit des Asphaltes mit möglichst
niedrigen Verformungsraten in Druck-Schwell-Versuchen zur Vermeidung von
Spurrinnen anzustreben, sondern auch eine Mindestverformungsrate, die die
noch vorhandene Relaxationsfähigkeit des Asphaltes widerspiegelt.
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12
Zug-Retardationsverfahren (REVIS-Verfahren)
Das Verformungsverhalten unter Spannung kann über die Zugviskosität anhand
von Retardationsversuchen an Bindemittel und Asphaltmörtel mit dem REVISVerfahren [2] überprüft werden. Dabei wird auf reibungsfrei gelagerte
Probekörper, in Form von Schulterstäben, eine spontane gleichbleibende
Zugspannung bei konstanter Temperatur aufgebracht. Aus der dadurch
entstehenden Verformungskurve kann die Viskosität mit hoher Präzision
errechnet werden.
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Anpassung der Zugspannungen an
die Prüftemperaturen
Auch
bei
diesen
Prüfungen
müssen
die
jeweiligen
Spannungen
den
entsprechenden Prüftemperaturen angepasst werden entsprechend Tab. 1.
Prüftemperatur
Zugspannung MPa
°C
Bindemittel
Asphaltmörtel
+5
0,01
0,10
-5
0,10
0,10
-15
0,25
0,25
-25
0,25
0,50
Tab. 1: Zugspannungen versus Prüftemperatur
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14
8.0
7.5
Pen 15
Bitumen
Pen 45
Pen 65
7.0
Mit
log (Viskosität) [MPa · s]
Pen 80
den
angepassten
unter-
6.5
schiedlichen Spannungen ergeben
6.0
sich bei Bestimmung der Viskositäten im Retardationsversuch mit
Pen 15
5.5
dem
REVIS-Verfahren
bei
den
5.0
verschiedenen
Pen 45
4.5
Prüftemperaturver-
fahren sehr plausible Ergebnisse [3]
Pen 65
4.0
mit jeweils geradlinigem Verlauf bei
logarithmischer Darstellung in der
3.5
Pen 80
Dimension MPa  s wie Abb. 2 für
3.0
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatur T [°C]
0
5
das Bindemittel Bitumen zeigt
Abb. 2
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15
8.0
PmB 1
PmB 2
PmB 3
7.0
PmB 4
PmB 5
PmB 6
Polymermodifizierte Bitumen
log (Viskosität) [MPa · s]
6.0
Die Viskositäten von PmB-Proben
5.0
PmB 4
Nr. 1 – Nr. 6 mit unterschiedlichen
PmB 3
4.0
Modifikationen
zeigen
ebenfalls
PmB 6
einen
PmB 5
3.0
geradlinigen
Verlauf
bei
logarithmischer Darstellung in der
PmB 1
Dimension MPa • s (siehe Abb. 3).
2.0
PmB 2
1.0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
Temperatur T [°C]
Abb. 3
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16
Keine Abhängigkeit Zugviskosität vom
EP RuK bei PmB
Die hoch gesicherten Abhängigkeiten bei allen Versuchen führen dazu, dass zum
Vergleich der Viskositäten die REVIS-Versuche nur bei einer Temperatur durchgeführt werden müssen, als Ersatz für den Erweichungspunkt Ring und Kugel, dessen
Bestimmung bei der Prüfung von modifiziertem Bitumen keine Aussage über die tatsächliche Viskosität liefert, wie nachfolgende grafische Darstellung in Abb. 4 zeigt.
1.0E+05
Zugviskosität [MPa · s]
PmB 3
PmB 6
1.0E+04
PmB 5
PmB 1
PmB 4
1.0E+03
PmB 2
1.0E+02
50
55
60
65
70
75
80
85
PmB 1, PmB 2 und PmB 4
weisen hohe Erweichungspunkte Ring und Kugel
zwischen 75 und 80 °C auf,
bei relativ niedrigen absoluten Viskositäten im Vergleich zu PmB 3, PmB 5
und PmB 6.
Erweichungspunkt Ring und Kugel [°C]
Abb. 4
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17
Gesicherte Abhängigkeit Zugviskosität vom
EP RuK bei Bitumen
Bei der Prüfung von Bitumen korrespondieren die Erweichungspunkte Ring und Kugel
sehr gut mit den im REVIS-Verfahren ermittelten Viskositäten, wie auf Abb. 5 zu
erkennen ist.
1.0E+07
y = 4E-13x10.502
R² = 0.935
Zugviskosität [MPa · s]
1.0E+06
Gut gesicherter Zusammenhang zwischen Viskosität in
MPa • s und EP RuK bei
der Prüfung von Bitumen.
1.0E+05
1.0E+04
y = 3E-19x13.148
R² = 0.9631
- 5°C
1.0E+03
- 15°C
1.0E+02
40
45
50
55
60
65
Erweichungspunkt Ring und Kugel [°C]
Abb. 5
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18
Asphaltmörtel
Bei der Zähigkeit des Asphalts kommt es nicht nur auf die Viskosität des
Bindemittels an, sondern entscheidend auch auf die Viskosität des im Asphalt
enthaltenen Asphaltmörtels, da das im Asphalt enthaltene Steinmehl (Füller), je
nach Art und Menge, den aus Bindemittel und Steinmehl bestehende
Asphaltmörtel versteift. Die Viskosität des Asphaltmörtels kann ebenfalls mit dem
Prüfverfahren REVIS ermittelt werden.
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19
Gesicherter Zusammenhang zwischen der
Zugviskosität und dem Füller-Bitumen-Verhältnis bei
Prüftemperatur T = -15 °C
Zugviskosität [MPa  s]
In Abb. 6
Abb. 6
In Abb.
6 ist
die Zugviskosität
in Abhängigkeit
von der im
Füllermenge
ist die
Zugviskosität
in Abhängigkeit
von der Füllermenge
Asphaltmörtelim
beiAsphalteiner
mörtel
bei einer Prüftemperatur von –15 ° C dargestellt.
Prüftemperatur von -15 °C dargestellt.
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20
Gesicherter Zusammenhang zwischen der Zugviskosität
und dem Füller-Bitumen-Verhältnis bei
Prüftemperatur T = +35 °C
Zugviskosität [MPa  s]
Der Abb. 7
Abb. 7
In Abb.
7 sind die entsprechenden Ergebnisse bei Zugviskositäten von +35 °C
sind die entsprechenden Ergebnisse bei Zugviskositäten von +35 °C zu entnehmen.
zu entnehmen.
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21
Ergebnisse bei Viskositätsmessungen im REVISVerfahren in Abhängigkeit von der Temperatur (Abb. 8)
Die Ergebnisse der Viskositätsmessungen beim REVIS-Verfahren folgen sowohl beim
Bindemittel Bitumen, wie auch bei dem polymermodifizierten Bitumen immer der
Gesetzmässigkeit:
a = Viskositätsniveau bei T = 0 °C
b = Temperaturempfindlichkeit der Viskosität
T = Temperatur
Log (Viskosität) [MPa  s]
log () = a + b x T
Abb. 8: Verlauf der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur
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22
Durch die Änderung des Füller-Bitumen-Verhältnisses bei Gussasphalt von 3,0 : 1
bis 4,0 : 1 wird über die gesamte Temperaturspanne von -15 °C bis +35 °C die
Viskosität um eine Zehnerpotenz erhöht (siehe Abb. 9).
8.0
log Zugviskosität [MPa · s]
7.0
6.0
F : B = 4,0 : 1
5.0
F : B = 3,5 : 1
4.0
y = -0,085x + 6,299
F : B = 3,0 : 1
3.0
y = -0,09x + 5,962
y = -0,089x + 5,431
2.0
-15
-5
5
15
25
35
Temperatur T [°C]
Abb. 9
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23
Die Mörtelviskosität wirkt sich direkt auf die
dyn. Eindringtiefe aus
Je nach den gewünschten Eigenschaften bei Gussasphalt, kann die Viskosität des
Mörtels entsprechend eingestellt werden. Die Mörtelviskosität bestimmt unmittelbar
die mechanischen Eigenschaften des Gussasphaltes wie die Grafik in Abb. 10
Mörtelviskosität [T = 35 °C]
[MPa  s]
zeigt.
Abb. 10
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24
Exemplarisch kann aus Abb. 10 abgelesen werden, dass, wenn die dyn.
Eindringtiefe am Gussasphaltprobekörper von 4 mm auf 1 mm reduziert werden
soll, dass dann die Mörtelviskosität bei einer Prüftemperatur von +35 °C von 1500
auf 4300 MPa  s erhöht werden muss.
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25
Zusammenfassung
Die Festigkeit von Asphalt kann und darf nicht mit Hilfe von zerstörenden
Prüfungen wie durch die Ermittlung der Druck-, Zug-, Spaltzugfestigkeiten
ermittelt werden, sondern muss über die Prüfung der Zähigkeit erfolgen durch
Auswertung des Verformungsverhalten des Asphalts bei angepassten
Spannungen und Temperaturen. Bewährt haben sich Retardationsversuche am
Bindemittel, am Asphaltmörtel und am Gussasphalt oder am Walzasphalt, sowie
Eindringversuche (statisch und dynamisch) am Gussasphalt sowie Druck-SchwellVersuche am Walzasphalt.
Die Bestimmung der optimalen Bindemittelmenge ist bei Walzasphalten nicht nur
über die Kenngrösse Hohlraumgehalt am Probekörper nach Marshall
festzulegen, sondern über die Prüfung des Verformungsverhaltens als
Dehnungsraten im Druck-Schwell-Versuch oder als absolute Viskositäten in
MPa • sec. im Retardationsversuch.
[1] FGSV-Arbeitspapier Tieftemperaturverhalten von Asphalt; Teil 1: Zug- und Abkühlversuche
[2] FGSV-Arbeitsanleitung zur Bestimmung der Viskositäten von Bitumen, bitumenhaltigen Bindemitteln und bitumenhaltigem
Mörtel bei niedrigen Temperaturen im Retardationsversuch mit dem REVIS-Verfahren
[3] Kurt Schellenberg, Peter Schellenberg: Die Viskositäten von Bindemittel und Asphaltmörtel im Zugretardationsversuch mit
Anwendungsbeispielen, Strasse und Autobahn 6/2010
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