Performance von Asphalt Ermüdungswiderstand und Steifigkeit€¦ · Die Steifigkeit von Asphalt wird durch den komplexen E-Modul und die komplexe Querdehnzahl beschrieben. Widerstand

Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 1

Gesellschaft für

Straßenbautechnik

Dresden mbH

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Dipl.-Ing. Jan Jähnig

Performance von Asphalt

Ermüdungswiderstand und Steifigkeit


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Straßenbautechnik

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Eingangswerte für die rechnerische Dimensionierung

Ermüdungswiderstand

Steifigkeit Viskoelastische Kenngröße zur Berechnung der

temperatur- und belastungszeitabhängigen

Spannungs-Dehnungsbeanspruchungen in

Asphaltschichten. Die Steifigkeit von Asphalt wird

durch den komplexen E-Modul und die komplexe

Querdehnzahl beschrieben.

Widerstand gegen ermüdungsbedingte Rissbildung,

die infolge wiederholter Verkehrsbelastung zu

fortschreitender Schädigung und dadurch zu

verringerter Steifigkeit und Festigkeit führt.

Einleitung – Erfahrungen – Tendenzen


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Empirische Verfahren Analytische Verfahren

i.d.R. Standardisierung

- Vorgabe Schichtdicke nach

Erfahrung,

- keine Berücksichtigung von

unterschiedlichen Material-

eigenschaften

Flexibles Bemessungsverfahren

- Schichtdicke nach Erfordernis,

- Berücksichtigung unter-

schiedlicher Materialeigen-

schaften sowie verkehrlicher und

klimatischer Bedingungen

möglich

Dimensionierungsverfahren



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Rechnerische Dimensionierung

2002 2004 2006 2008 …

BMBF – Projekt

„Nachhaltiger Straßenbau“

… 2010 B

3

5

S 2

86

-1

S 2

86

-2

…



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Dimensionierungsverfahren

Deckschicht

Binderschicht

ATS

Simulation der Beanspruchungen im Labor


Nachweisführung


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Verkehrslast-kollektiv

KlimatischeBedingungen

Materialkennwerte,Schichtdicken

ModellbildungBerechnungsverfahren

Nachweis AsphaltErmüdung

"Nachweis" AsphaltSpurrinne

Nachweis ToBVerformung

Neufestlegung:Materialeigenschaften

und Schichtdicken

NEINErfüllt?

JA

Nachweis Boden (Planum)Verformung

Ausreichenddimensionierte Befestigung

JA

NEIN

NEINErfüllt?

Erfüllt?

JA

[Alexander KIEHNE]

Rechnerische Dimensionierung



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Einfluss der Materialqualität

1. Standard-Asphalte nach ZTV

• Schichtdicken wie RStO 01 (Tafel 1)

2. „optimierte“ Asphalte

• Bessere Performance Eigenschaften als Standard-Asphalte (Nachweis im Labor)

• Längere Nutzungsdauer, wenn Schichtdicke wie in RStO 01

• Geringere Schichtdicke, wenn Nutzungsdauer = 30 Jahre

• Einsatzmöglichkeit der Asphaltbauweise für höchste Beanspruchungen

• Hochbelastete BAB (B > 100 Mio.)

• Industrie- und Sonderverkehrsflächen

Dicke der Frostschutzschicht

4

Asphaltdeckschicht

Asphaltbinderschicht

Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

18

50

150

45

4

8

14

46 120

45

44

10

20

150

45

4

34

45

4

20

100

45

10 6) 120

45

Kiestragschicht

Ev2 150(120) 20

120

20

150

4

8

10

42

45

20

120

150

38 120

10

20

150

120

120 8

32

20

100

30

Asphalttragschicht und Kiestragschicht auf Frostschutzschicht

5

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

4

8

18

60

150

45

4

8

14

56

45

44

10

30 5)

150

45

4

44

45

4

25 5)

45

10 6)

120

45

30 5)30 5)

150

4

8

10

52

45

30 5)

150

48

10

30 5)

150 120 8

37

25 5)

35

Asphalttragschicht und Schotter- oder Kiestragschicht auf Schicht aus frostunempfindlichem Material

1) Bei abweichenden Werten sind die Dicken der Frostschutzschicht bzw. des

frostunempfindlichen Materials durch Differenzbildung zu bestimmen, siehe auch Tabelle 8

2) Mit rundkörnigen Gesteinskörnungen nur bei örtlicher Bewährung anwendbar

3) Nur mit gebrochenen Gesteinskörnungen und bei örtlicher Bewährung anwendbar

4) Nur auszuführen, wenn das frostunempfindliche Material und das zu verfestigende Material

als eine Schicht eingebaut werden

5) Bei Kiestragschicht in Bauklassen SV und I bis IV in 40 cm Dicke, in Bauklassen V und

VI in 30 cm Dicke

6) Tragdeckschicht, siehe auch Abschnitt 3.3.3

17) siehe Abschnitt 3.3.2

- - 253) 35 - - 293) 39 - - 332) 43 - - 273) 37 - - 312) 41 - - 232) 33 - 153) 25 35

> 32 > 10 - 32 > 3 - 10 > 0,8 - 3 > 0,3 - 0,8 > 0,1 - 0,3 0,1

Zeile Bauklasse SV I II III IV V VI

Tafel 1: Bauweisen mit Asphaltdecke für Fahrbahnen auf F2- und F3-Untergrund/Unterbau

(Bauweisen auf F1-Böden s. Abschnitt 3.1.2) (Dickenangaben in cm; Ev2-Mindestwerte in MN/m²)

Dicke des frostsich. Oberbaues1) 55 65 75 85 55 65 75 85 55 65 75 85 45 55 65 75 45 55 65 75 35 45 55 65 35 45 55 65


Asphalttragschicht auf Frostschutzschicht

1

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

22

34 120

45

4

8

18

30 120

45

4

8

14

26 120

45

44

14

22 120

45

4

14

18 120

45

4

10

14 100

45

10 6)

10 100

45

Asphalttragschicht und Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel auf Frostschutzschicht bzw.

Schicht aus frostunempfindlichem Material

- 312) 41 51 253) 35 45 55 293) 39 49 59 - 332) 43 53 273) 37 47 57 212) 31 41 51 25 35 45 55

Äquivalente10-t-Achsübergänge

in Mio.B


2.2

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

4

8

18

45 45

4

8

14

41

45

4

8

15

37

45

44

15

33

45

Verfestigung15

15

1010

2.3


Asphalttragschicht

Schicht aus frostunempfindlichem Material–enggestuft gemäß DIN 18196–

4

8

18

50 45

4

8

14

46 45

4

8

20

42

45

44

20

38

45

Verfestigung20

20

10

10

Schicht aus frostunempfindlichem Material–weit- oder intermittierend gestuft gemäß DIN 18196–


Asphalttragschicht und Schottertragschicht auf Frostschutzschicht

3

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

18

45

150

45

4

8

14

41 120

45

44

10

15

150

45

4

29

45

4

15

100

45

10 6) 120

45

Schottertragschicht17)

Ev2 150(120)

15

120

15

150

4

8

10

37

45

15

120

150

33 120

10

15

150

120

120 8

27

15

100

25

- - 342) 44 - 283) 38 48 - 302) 40 50 - - 342) 44

104)204) 30 40 144) 24 34 44 184) 28 38 48 124) 22 32 42

54) 154) 25 35 94) 194) 29 39 134) 23 33 43 74) 174) 27 37

- - 302) 40 - - 342) 44 - 283) 38 48 - - 322) 42 - 263) 36 46 - 183) 28 38 - 202) 30 40

263) 36 46- 163) 26 36- 163) 26 36-

2.1

Asphaltdeckschicht


Asphalttragschicht

Frostschutzschicht

4

8

14

41 120

45

4

8

10

37 120

45

4

8

15

35 120

45

44

15

31 120

45

Hydraulisch gebundene

Tragschicht (HGT)15

15

88

4

10

29 120

45

15

4

10

29 100

45

15

4

10

29 100

45

15

26 36 46164) 164) 26 3664) 164) 26 3664)

26 36 46164) 164) 26 3664) 164) 26 3664)

4

10

29

45

15

4

10

29

45

15

4

10

29

45

15

10

29

45

15

10

29

45

15

10

29

45

15

4 4 4

Dicke der Schicht ausfrostunempfindlichem Material



Schicht aus

frostunempfindlichem Material

Ab 12 cm aus frostunempfindlichem Material, geringere Restdicke ist mit dem darüber liegenden Material auszugleichen

Asphaltdeckschicht

Schotter- oder Kiestragschicht17)

Ev2 150(120)



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Performance-Prüfungen

• Steifigkeiten (E-Modul-Temperaturfunktion)

• Ermüdungsfunktionen

• Schichtenverbund

• Verformungsverhalten

• Tieftemperaturverhalten



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Dimensionierungskennwerte

Dynamischer Spaltzugversuch

AK 4.5.4



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Dimensionierungskennwerte

Bestimmung des E - Moduls

e

s

Δuh

μ0,274ΔF|E|



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Versuchsaufwand zur Schichtdickenfestlegung

E-Moduln aus Spaltzugschwellversuchen

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temperatur [°C]

ab

s. E

-Mo

du

l [N

/mm

²]

AB

EB

ETO

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

0,01 0,10 1,00

La

stw

ec

hs

elz

ah

l NM

akro

[-]

elastische Anfangsdehnung eel [‰]

≥ 9 Versuche ≥ 27 Versuche



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Beispiel Oberbaudimensionierung

B = 10 Mio

BKl II

4 cm DS

8 cm BS

14 cm ATS

44 cm FSS

RStO 01

+ 2 cm - 1 cm - 6 cm

4 cm DS

8 cm BS

16 cm ATS

42 cm FSS

ATS A

ohne PmB H bit

4 cm DS

8 cm BS

13 cm ATS

47 cm FSS

ATS B

ohne PmB H bit

3 cm DS

7 cm BS

10 cm ATS

50 cm FSS

ATS C

mit PmB H bit

Bandbreite: 8 cm

von + 2 cm bis – 6 cm im Vergleich zur RStO



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S 286 - Neubau westlich von Mülsen



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Schichtdickenfestlegung

- 6 cm

Höhere Verformungsbeständigkeit



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Einfluss der Materialqualität

Spezielle Mischgutzusammensetzung

• Spezielle Volumetrische Konzepte

• Stetig gestufte Sieblinie

• Spezialbindemittel

Sieblinienbereich für modifizierte ATS



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Verdichtungskontrolle im Rahmen der Eigenüberwachung

Besondere Eigenschaften = Besondere Anforderungen



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17

BK für Spaltzug-Schwellversuche

Dimensionierungskontrolle



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Dimensionierungskontrolle

E-Modul Ermüdung

[S 286] [S 286]



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Untersuchung zu Alternativen Asphaltbinderschichten

1. Straßenbaulabor TU Dresden

• E-Modul-Temperaturfunktionen

• Ermüdungsfunktionen

• Tieftemperaturverhalten

• Verformungswiderstand

2. Nutzungsdauerprognose mit PaDesTo

• Berechnungen für die Untersuchungsvarianten

Typ AC 16 B S (TL) AC 16 B S - SMA

BiMi 10/40-65 A 10/40-65 A

Raumdichte 2,508 2,513

B 4,5 5,6

V (MPK) 5,6% 3,5%

BV (MPK) 11,0% 13,7%

VFB 66,3% 79,6%

V1 V2



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Zusammenfassung

Tendenz: AC B S - SMA

+

+

+

o

o

o


Typ AC 16 B S (TL) AC 16 B S - SMA

BiMi 10/40-65 A 10/40-65 A

Raumdichte 2,508 2,513

B 4,5 5,6

V (MPK) 5,6% 3,5%

BV (MPK) 11,0% 13,7%

VFB 66,3% 79,6%

Ermüd. / Steifigkeit 100,0% > 150%

s Z [MPa] 3,7 4,5

T [°C] -19,1 -19,3

PRD_Luft 2,6% 2,9%

V1 V3


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0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Ho

hlr

au

mg

eh

alt

H

bit

[Vo

l.-%

]

Bindemittelgehalt HB [Vol.-%]

AC 16 B S

AC 22 B S

stetige ABi

SMA-Binder

HA 100 %

HA 90 %

HA 85 %

HA 80 %

HA 75 %

HA 70 %

HA 60 %

HA 65 %

HA 95 %

HM,bit 22,5 %HM,bit 20,0 %HM,bit 17,5 %

HM,bit 15,0 %

HM,bit 12,5 %

HM,bit 10,0 %

AC 22 B S AC 16 B S

dichteABi

SMA-Binder

[AK 7.3.3]



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Anf. des Nutzers

Funktionale Anforderungen

Anforderungen an die Konstruktion

Anforderungen an elementare Materialeigenschaften

(Gebrauchsverhalten, Performance)

Anforderungen an Baustoffgemische

Sicherheit, Fahrkomfort, Verfügbarkeit, ...

Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung, ...

Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit, ...

Widerstand gegen Ermüdung, Verformung, Kälterissbildung...

Sieblinie, BM-Gehalt, Volumetrische Anforderungen, ...

PSV, Kornform, PmB, … Anforderungen an Baustoffe

Danke an R. Bull-Wasser & H. Els



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Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!


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