Tieftemperaturverhalten von bituminösen Baustoffen : labortechnische Ansprache und numerische Simulation des Gebrauchsverhaltens

Abstract

Diese Arbeit behandelt das Tieftemperaturverhalten von flexiblen Straßenkonstruktionen, die mit Heißmischgut aus Asphalt hergestellt wurden. Es wird eine neue Methodik entwickelt, mit deren Hilfe die maßgeblichen Beanspruchungsmechanismen bei der Beurteilung des Widerstands von Asphaltmischgütern gegen Tieftemperaturreißen berücksichtigt werden. Diese Methodik umfasst statische und dynamische Asphaltprüfungen, die zum ersten mal in Österreich durchgeführt wurden, und die numerische Modellierung von flexiblen Fahrbahnaufbauten.<br />Die statischen Abkühl- und Zugfestigkeitsprüfungen am Splittmastixasphalt ergeben, dass die wichtigsten Einflussparameter auf das Tieftemperaturverhalten der Bindemitteltyp, der Hohlraumgehalt und das Bitumen-Füller Verhältnis sind und dass die Bindemittelmenge eine eher untergeordnete Rolle spielt.<br />Die Ergebnisse aus diesen statischen Experimenten an Asphaltprobekörpern liefern die Versuchsbedingungen für einen erstmals in Österreich eingeführten zyklisch dynamischen Tieftemperaturermüdungsversuch (Zugschwellversuch), mit dessen Hilfe gleichzeitig die thermischen und die mechanogenen Beanspruchungen bei tiefen Temperaturen realitätsnahe simuliert werden können.<br />Allerdings erfordert die Interpretation der Versuchsergebnisse (insbesondere wenn während des Versuchs auch Lastpausen berücksichtigt werden) eine zur bisher in Österreich geübten Praxis der Versuchsauswertung veränderte Vorgangsweise.<br />Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuchsauswertungen zeigten, dass es nicht ausreicht, für eine vergleichende Materialuntersuchung allein die Anzahl der maximal ertragbaren Lastwechsel zu beurteilen. Es wird daher die Gesamtenergie ausgewertet, die sozusagen während des Dauerversuchs insgesamt in das geprüfte Material "gesteckt" wurde (vergleiche beispielsweise von Van Dijk et al. [1972, 1975 und 1977]).<br />Ein größerer Energieoutput bedeutet ein besseres Ermüdungsverhalten. In der Arbeit wird daher erstmals für zyklisch dynamische Prüfungen die Rissanfälligkeit eines Mischguts über die Ermüdungsdehnung und die Ermüdungsenergie beurteilt. Wegen der Darstellung der Versuchsergebnisse in Form einer Energiebilanz, ist es nun möglich das Ermüdungsverhalten und die Rissbeständigkeit unabhängig von Temperatur und Belastungsgeschichte während des Versuchs zu beurteilen.<br />

This study treats the low-temperature behavior of flexible road constructions made of hot mix asphalt. A new procedure is developed, which allows to consider the relevant damage mechanisms needed for evaluation of the resistance of asphalt mixtures to low-temperature cracking. This methodology covers both experimental methods (static and dynamic tests) at asphalt mixtures and the numeric modelling of flexible road constructions.<br />The results of the static tests on asphalt mix specimens of stone mastic asphalt, i.e. TSRST and UTST indicate that the most important parameters influencing low temperature performance are the type of asphalt binder, air void content and bitumen-filler ratio, thereby the bitumen quantity plays a minor role.<br />The results of these static experiments on asphalt specimens provide the test conditions for a low-temperature fatigue test (Cyclic Tensile Stress Test), which is performed in Austria for the first time. It allows to simulate realistically thermal and traffic related loading conditions at low-temperatures at the same time.<br />However the interpretation of the test results (in particular if load pauses are considered during testing) requires a procedure of data interpretation that is different to the one practiced in Austria so far.<br />The study showed that for a comparative material investigation it is not sufficient to determine only the number of yieldable load cycles. Due to this the total energy is determined, which was so to say "induced" into the specimen during the test (e.g., cp. Van Dijk et al. [1972, 1975 and 1977]). The higher the energy output, the better is the fatigue behavior. Thus, it is recommended within the frame of this study to assess in cyclic dynamic tests the susceptibility of an asphalt mixture to low-temperature cracking by use of the fatigue strain and the fatigue energy. Because test results are represented by test parameters that are based on an energy balance approach, it is now possible to assess the fatigue behavior and the crack resistance independently from the temperature conditions and the load history applied during the test.