Mechanische und bruchmechanische Bewertung von Grenzflächen zwischen angefrästen und neuen Asphaltschichten

Abstract

Risse in Asphaltschichten sind eine der häufigsten Ursachen für eine Instandsetzungsmaßnahme im Straßenbau. Diese Instandsetzungsmaßnahmen belasten, wenn sie vor Ablauf der prognostizierten Lebensdauer einer Straße durchgeführt werden müssen, zusätzlich das Straßenbaubudget der Verwaltungsbehörden. und verhindern die Umsetzung von neuen Projekten oder andere Instandsetzungen. Auch basieren die Erhaltungsstrategien von Bund und Länder auf der prognostizierten Lebensdauer von Straßen und werden die Etats nach den berechneten Kenngrößen festgesetzt. Treten Schäden vor dem Erreichen der prognostizierten Lebensdauer auf, führt dieser Umstand mittel- bis langfristig zu einer Verschlechterung des Gesamtstraßenzustands oder zu höheren volkswirtschaftlichen Aufwendungen.<br />Die vor angesprochenen, an der Oberfläche ersichtlichen Risse, können durch einen mangelhaften Verbund zwischen den Schichten der Asphaltkonstruktion hervorgerufen werden. Aus diesem Grund wurden in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Haftung zwischen Asphaltschichten entwickelt (z.B. Haftzug- oder Scherprüfung). Durch die Entwicklung der Bruchmechanik entstanden neue Prüfmethoden, in der die bruchmechanischen Werte (z.B. Bruchenergie, Risswiderstand, Kerbzugfestigkeit) an Werkstoffen und mehrschichtigen Werkstoffe bestimmt werden. Ein Beispiel dafür ist die Keilspaltmethode nach Tschegg, die die charakteristischen Werte für sprödes oder duktiles Bruchverhalten an Asphalt und Asphaltverbunde unterscheiden kann. In diesem Forschungsvorhaben wurde neben den herkömmlichen genormten Prüfmethoden auch die Keilspaltmethode eingesetzt zur bruchmechanischen Charakterisierung von Asphaltverbunde. Es konnte gezeigt werden, dass schlechte Verbundeigenschaften einen maßgeblichen Einfluss auf die Rissausbildungen in Asphaltschichten haben und die mit der Keilspaltmethode ermittelten spezifischen Bruchenergie, als Kennwert für den Widerstand gegenüber Rissentstehung und Rissausbreitung, im Vergleich zu den Brucheigenschaften der vollen Asphaltschichten gering sind. Aus diesen Untersuchungen, gestützt durch wissenschaftliche Untersuchungen an Verbunden zwischen alten und neuen Betonschichten, wurde offensichtlich, dass durch eine Optimierung der Oberflächenstruktur, abgestimmt auf das Größtkorn des neu aufzubringenden Baustoffs, die Bruchenergien der Interfaces gesteigert und dadurch die Gebrauchsdauer der Straße wesentlich verlängert werden kann.<br />Der Schwerpunkt der durchzuführenden Materialprüfungen lag in der messtechnischen Erfassung des Einflusses unterschiedlicher Oberflächengestaltungen (durch verschiedene Fräsformen) auf die Qualität des Verbundes zwischen den Schichten einer mehrlagigen Konstruktion.<br />Durch eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche wurde zu einer Grenzflächenoptimierung geführt, die eine Erhöhung des Energiekonsums bzw. hohen Widerstand gegenüber Rissausbreitung brachte. Die Dehnfähigkeit der Verbundregion ohne makroskopische Rissbildung könnte dann mit jener der Asphaltschichten vergleichbar sein.<br />Für die gegenständlichen experimentellen Untersuchungen wurden im Zuge realer Baumaßnahmen bestehende Asphaltschichten mit unterschiedlichen Kaltfräsen abgefräst und nach einer entsprechenden Vorbereitung der Fräsflächen neue, teilweise unterschiedliche Asphaltschichten, wieder aufgebaut. In einem ersten Schritt musste ein geeignetes Verfahren zur Beschreibung der Rauheit bzw. der Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Asphaltfläche nach dem Fräsvorgang gefunden werden. Ebenso waren die qualitativen Eigenschaften der im Bestand verbliebenen und der neu verlegten Asphaltschichten bruchmechanisch und unter Anwendung von im Straßenbau üblichen Prüfverfahren zu beschreiben. Um den Einfluss der Oberflächengestaltung auf die Brucheigenschaften zeigen zu können, wurde die Haftzug- und Scherprüfung sowie die Keilspaltmethode nach Tschegg eingesetzt. Des Weiteren wurde, unter Zugrundelegung der Ergebnisse der bruchmechanischen Prüfungen, mit der FE-Methode ein Modell für die Rissentstehung und den Rissausbreitung in Verbundwerkstoffen entwickelt. Das Ziel der gegenständlichen Materialprüfungen stellt die Optimierung der Verbundeigenschaften von bituminösen Werkstoffen dar, um die Lebensdauer von Straßenkonstruktionen zu erhöhen damit größtmöglicher volkswirtschaftlicher Nutzen erzielt werden kann.<br />

Cracks in asphalt layers are one of the most frequent causes for repair measures in road construction. If they have to be carried out before the expiry of the forecast lifespan of a road such repair measures are an additional burden on the road con-struction budget of the administrative authorities and prevent the realisation of new projects. However, the maintenance strategies of the Federal Government and the Federal States are based on the forecast lifespan of roads and the budgets are es-tablished in accordance with the calculated characteristics. If damages occur be-fore the forecast lifespan has been reached this circumstance leads to a deteriora-tion of the overall road condition or higher expenditure for the national economy in the medium to long term.<br />The previously mentioned cracks which are visible on the surface can be caused by a poor bond between the layers of the asphalt structure. For this reason various methods to improve the adhesion between asphalt layers were developed in the past (e.g. the adhesive tensile or shear tests. As a result of the development of frac-ture mechanics, new test methods emerged by means of which fracture-mechanical values (e.g.<br />fracture energy, crack resistance, notch bending tensile strength) are determined on materials and multi-layer materials. An example for this is the wedge splitting method according to Tschegg which is able to distinguish characteristic values for brittle or ductile fracture characteristics on asphalt and asphalt composites.<br />In this work, the wedge splitting method was also employed beside the convention-ally standardised test methods for the fraction-mechanical characterisation of as-phalt composites. It was possible to show that poor bond characteristics have a substantial influence on the formation of cracks in asphalt layers and the specific fracture energies determined with the wedge splitting method, as characteristic for the resistance to crack development and propagation, are low compared with the fracture characteristics of the solid asphalts. From these investigations, backed by scientific investigations on bonds between new and old concrete layers it became apparent that through optimisation of the surface structure, matched to the maxi-mum grain size of the building material to be newly applied, the fracture energies of the interface can be increased and as a result the utilisation period of the road con-siderably extended.<br />Emphasis of the material tests to be carried out is on the technical measurement recording of the influence of various surface finishes (different milling) on the quality of the bond between the layers of a multi-layer structure. An appropriate finish of the surface is intended to achieve an expansion of the process zone in the interfaces so that the "microcracking" and "bridging processes" also take place in the materials of the adjacent areas of both connected layers. This interface optimisation leads to high energy consumption and thus to high crack propagation resistance. The high elongation of the bond area without macroscopic crack formation could then be comparable with those of the asphalt layers.<br />For the present experimental investigations, existing asphalt layers are milled with different cold milling machines as part of real construction measures and after ap-propriate preparation of the milled surfaces new, partly different asphalt layers rein-stalled. In a first step a suitable method to describe the roughness or the surface condition of the machined asphalt surface after the milling operation had to be found.<br />Likewise, the qualitative characteristics of the remaining and newly installed asphalt layers have to be described in terms of fracture mechanics and using test methods usual in road construction. In order to be able to show the influence of the surface finish on the fracture characteristics the adhesive tensile and shear tests as well as the wedge splitting method according to Tschegg were employed. In addi-tion, based on the results of the fracture-mechanical tests, a model for the crack development and the crack curve in composite materials was developed with the FE method.<br />The objective of the present material tests constitutes the optimisation of the com-posite characteristics of bituminous materials in order to increase the lifespan of road structures so that maximum possible economic benefit can be derived.