Bewertung der Verbundeigenschaften in Whitetopping-Aufbauten

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit der Instandsetzungs- und Erhaltungsmaßnahmen von Landesstraßen in der Whitetopping-Ausführung. Diese Variante, den Oberbau auszuführen, hat sich in den USA schon seit mehreren Jahren als langlebige und kostengünstige Variante dieStraße zu sanieren, etabliert. Durch das Verwenden des Materials Beton ist eine solche Methode hauptsächlich auf Straßen mit einer hohen Belastung von großem Vorteil, außerdem ist dies eine langfristigere Lösung als andere Erhaltungsmaßnahmen.Zu Beginn werden die Grundlagen von Whitetopping erläutert sowie verschiedene Einsatzgebiete,die Herstellung und der Einbau. Daraufhin wird auf den Verbund zwischen Asphalt und Beton im Detail eingegangen. Die Prüfverfahren Haftzugfestigkeits- und Scherfestigkeitsversuche werden erläutert und an Probekörpern, die von einer Teststraße entnommen wurden, durchgeführt.Die ausgewerteten Daten der Laborversuche werden genutzt, um den Einfluss von Temperaturen und Feldabmessungen der Betonplatten auf die Spannungen im Verbund zu bewerten und zu vergleichen. Die Feldabmessungen wurden so gewählt, dass entweder ein Feld oder maximal zwei Felder pro Fahrtrichtung vorhanden sind.Die Laborprüfungen wurden mit Finite Elemente Modellen nachsimuliert und anhand der gewonnenen Parameter (Festigkeiten und Steifigkeiten) konnten Eingangsgrößen für die Bemessungsberechnungen ermittelt werden. Somit konnte man Modelle für die verschiedenen Plattenabmessungen berechnen und die Resultate vergleichen.Anhand der ausgewerteten Berechnungen konnte festgestellt werden, dass bei niedrigeren Temperaturendie Steifigkeiten und Festigkeiten im Verbund deutlich höher sind. Dafür ist die Streuung der Werte bei höheren Temperaturen sehr gering, verglichen mit jenen bei tiefen Temperaturen.Außerdem wurde nachgewiesen, dass bei hohen Temperaturen der Asphalt vor dem Verbund versagt.Mit Hilfe von Dimensionierungsberechnungen ist es möglich die Lebensdauer solcher Oberbaukonstruktionen zu bewerten. Verglichen werden zudem unterschiedliche Reibungsmodelle und Kohäsivzonenmodelle.Anhand der Bemessungsergebnisse, wird gezeigt wie die Reibungsmodelle Whitetoppingkonstruktionen unterschätzen und somit nicht zu 100% das System genutzt wird.Zu Folge dieser Arbeit können die Bemessungsmethoden für Whitetopping-Aufbauten weiterentwickelt werden.

The aim of this work is to examine the various options for rehabilitating and maintaining roadsusing the whitetopping approach. This has been established in the USA for several years asa long-lasting and cost-effective method of road rehabilitation. Due to the use of concrete asa material, such method is of great advantage mainly on roads subject to high loads. From along-term perspective, such method is also preferred in contrast to other maintenance measures.In the first part, the basics of whitetopping are explained, as well as the different types of placements,production, and paving techniques which such method foresees. The bond between asphalt and concrete is then discussed in further detail. The test methods tensile bond strengthand shear strength tests are outlined and carried out using specimens taken from a test road.The evaluated data from the laboratory tests are then used to evaluate and compare the effect of temperature and size of the concrete slabs on the stresses exerted on the bond.The different sizes of the slabs were selected in order to provide either one, or a maximum of two,slabs per direction of travel.The laboratory tests were simulated with Finite Element models and based on the obtained parameters (strength and stiffness) design calculations were considered and performed. Thus, it was possible to calculate models for the different dimensions of the slabs.On the basis of the resulting data, it was determined that at lower temperatures the stiffness and strength of the bond are significantly higher. On the other hand, the scatter of dispersion of values at higher temperatures is very small when comparing it to results at low temperatures. It was also demonstrated that at high temperatures the asphalt fails prior to the bond.Based on pavement design calculations it is possible to evaluate the service life of such structures.A friction model will be compared with a cohesive model.Using the data calculated, it is shown how the friction models under estimate whitetopping constructions and thus do not use the system to 100%.As a result of this thesis, the design methods for White Topping can be further developed.