Prüfung des Tieftemperaturverhaltens von Asphalt und Mastix unter Einbeziehung von Korrelationsanalysen

Abstract

Asphalt in Straßen ist allen erdenklichen Witterungseinflüssen ausgesetzt. Verschiedene Formen von Niederschlag sowie unzählige Kombinationen aus Temperatur, Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung wirken binnen der ganzen Lebensdauer auf Asphalt ein. Zudem gibt es Belastungen durch Verkehr, chemische Stoffe und sogar Pflanzen, die den Asphalt beschädigen können. Das Abkühlen des Asphalts kann zu Rissen an der Oberfläche führen, die sich in weiterer Folge durch das Frieren von eingedrungenem Wasser vergrößern. Sobald diese zu groß sind, muss der Asphalt instandgesetzt oder erneuert werden. Aus diesem Grund ist es essenziell, das Tieftemperaturverhalten im Vorhinein abschätzen zu können. Es gibt diverse Prüfmethoden, welche dieses Verhalten im Labor untersuchen, doch diese nehmen zum Teil viel Zeit in Anspruch. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob das Tieftemperaturverhalten durch Berechnungen vorhergesagt werden kann. Außerdem wird untersucht, welche Änderungen an der Mischgutrezeptur zu positiven oder negativen Auswirkungen führen. Zuerst wurden neun verschiedene Mischgüter hergestellt. Jedes davon enthält eine einzige Änderung zur Ausgangs-Variante. Mithilfe des Abkühlversuchs wurden die klassischen Prüfergebnisse jedes Mischgut ermittelt. Anschließend folgte eine genauere Analyse der Spannungsverläufe, um bedeutende Charakteristika der Graphen zu untersuchen. Dafür wurden die Spannungsverläufe von jeweils drei Probekörpern pro Mischgut gemittelt und ausgewertet. Zusätzlich wurden Versuche an den verwendeten Bindemitteln und Mastix-Proben durchgeführt. Anschließend kamen Regressionen zum Einsatz, um die Zusammenhänge der gewonnenen Daten zu überprüfen. Als erstes wurden die Ergebnisse des Abkühlversuchs mit den Ergebnissen der Mastixversuche modelliert. Danach wurden erneut die Ergebnisse des Abkühlversuchs modelliert, nun aber auf Basis vieler verschiedener Versuchsresultate und Rezeptur-Kenngrößen. Die Auswertung des Abkühlversuchs zeigte zum Teil deutliche Unterschiede der verschiedenen Mischgüter. Speziell die Verwendung eines härteren Bitumens oder aber das drastische Reduzieren des Füllergehalts führen zu einem schlechteren Ergebnis der Bruchtemperatur. Eine Verbesserung konnte durch die Erhöhung des Füllergehalts und durch die Verringerung des Größtkorns erzielt werden. Das Entfernen von Kalkhydrat hat leicht negative Auswirkungen auf die Bruchtemperatur. Das Tieftemperaturverhalten von Mastix zeigte zum Teil ähnliche, aber auch entgegengesetzte Resultate. Das härtere Bitumen senkt das Relaxationsvermögen, wodurch sich das Kälteverhalten verschlechtert. Durch das Entfernen von Kalkhydrat und durch die Reduktion des Füllergehalts wird die Relaxation positiv beeinflusst. Analysen der Regressionen konnten belegen, dass einfach lineare Zusammenhänge zwischen dem Tieftemperaturverhalten von Asphalt und Mastix bestehen. Diese sind jedoch begrenzt und betreffen nur den Spannungsverlauf im Abkühlversuch. Die Berücksichtigung von weiteren Material- und Rezeptur-Parametern führt zu teils noch stärkeren Abhängigkeiten. Insbesondere die Bruchtemperatur korreliert mit dem Verhältnis von Bitumen:Füller und mit dem komplexen Schermodul des verwendeten Bitumens. Die weiterführende Forschung und Überprüfung der gewonnenen Modelle könnte es ermöglichen, das Tieftemperaturverhalten von Asphalt mit entsprechender Genauigkeit zu prognostizieren.

Asphalt pavements are exposed to every conceivable weather condition. Different forms of precipitation, as well as countless combinations of temperature, humidity and sunlight, affect asphalt during its whole lifespan. Furthermore, exposure to traffic, chemical substances and even plants can damage the asphalt. The cooling of asphalt can lead to cracks on the surface, which enlarge due to the freezing of penetrated water. Once these cracks become too large, the asphalt must be repaired or renewed. For this reason, it is essential to be able to estimate the low-temperature performance in advance. Several test methods exist to investigate this behaviour, but some of them are very time-consuming. This thesis addresses whether the low-temperature performance can be predicted by calculations. In addition, it studies which adjustments of the asphalt mix design lead to positive or negative consequences. First of all, nine different asphalt mixtures were produced. Each contains one adaption compared to the reference mixture. The typical test results were obtained using the thermal stress restrained specimen test (TSRST). Afterwards, a more specific analysis of the stress curve followed to consider key characteristics of the graphs. Therefore, the stress curves of three specimens per mix were averaged and evaluated. Additionally, tests were conducted on all binders and mastic samples used. Subsequently, regression analysis was used to check for correlations between the previously acquired data. First, the results of the TSRST were modelled using the results of the mastic-tests. In a second step, the results of the TSRST were modelled again, but this time many different test results and mix design parameters were used. The evaluation of the TSRST showed clear differences between the asphalt mixtures. Especially by using a harder bitumen or a major reduction of filler content a worse failure temperature was obtained. Improvements were achieved by increasing the amount of filler and by lowering the maximum aggregate size. The removal of hydrated lime has slightly negative effects on the failure temperature. Partially the mastics tests showed similar results, but also some contrasting results. A harder binder decreases the ability of relaxation. As a consequence, the low-temperature performance declines. Removing hydrated lime and reducing the filler amount positively influences relaxation. Analyses of all regressions could prove that simple linear correlations exist between the low-temperature performance of asphalt and mastic. However, these correlations are limited and only concern the stress curve of the TSRST. By including more material and mix design parameters, even stronger correlations were obtained in some cases. The failure temperature correlates especially with the ratio of bitumen:filler and with the complex shear modulus of the bitumen used. Further research and validation of all derived models could enable the prediction of the low-temperature performance with appropriate accuracy.