Einfluss des Hohlraumgehalts auf das Tieftemperaturverhalten von Asphalt inklusive Prüfgeräteoptimierung

Abstract

Aufgrund des steigenden Verkehrsaufkommens und die daraus resultierende vermehrte Verkehrsbelastung wird das hochrangige Straßennetz im mitteleuropäischen Raum erheblich belastet. Vor allem in den Wintermonaten muss der Asphalt nicht nur der mechanischen Beanspruchung durch den Verkehr, sondern auch einer thermischen Beanspruchung, die durch tiefe Temperaturen entsteht, standhalten. Diese Tieftemperaturen bewirken eine Veränderung der Bitumeneigenschaften, infolge wird dieses spröder und steifer. Zusätzlich zu dieser Verschlechterung altert Bitumen durch natürliche und anthropogene Einflüsse. Die Bitumeneigenschaften verschlechtern sich daher im Tieftemperaturbereich. Die Untersuchungen in dieser Arbeit sind Teil eines großen Forschungsprojektes mit dem Namen D-A-CH FFG Optimal. Ziel dieser Diplomarbeit ist es Asphaltmischgüter mit unterschiedlichem Hohlraumgehalt bei tiefen Temperaturen zu untersuchen, um Aussagen über die Zugfestigkeitsreserve treffen zu können. Mittels TSRST-Prüfungen (Abkühlprüfung) und UTST-Prüfungen (einaxiale Kältezugprüfung) werden die Probekörper geprüft. Die aus diesen Prüfungen gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass die Zugfestigkeitsreserve durch die Erhöhung des Hohlraumgehalts deutlich abnimmt und eindeutige Zusammenhänge zwischen Hohlraumgehalt und Spannungssituation bei tiefen Temperaturen vorhanden sind. In weiterer Folge des oben genannten Forschungsprojekts wird diese Parameterstudie dazu verwendet, um die Ergebnisse von gealterten Probekörpern hinsichtlich des Tieftemperaturverhaltens miteinander vergleichen zu können. Ziel ist es, Aussagen über die Auswirkung der Alterung auf die rheologischen Eigenschaften des Bitumens bzw. Asphaltmischguts treffen zu können, um in weiterer Folge den Mechanismus der Alterung in die rechnerische Dimensionierung zu implementieren. Im Zuge dieser Parameterstudie wurde mit zwei Prüfgeräten gearbeitet (Baujahr 2003 und 2013) und herausgefunden, dass unterschiedliche Ergebnisse bei den Bruchtemperaturen trotz Probekörper aus gleicher Asphaltplatte auftreten. Hier galt es herauszufinden, woher diese Ergebnisunterschiede kommen und wie die Maschinen angeglichen werden können. Als primärer Einflussfaktor wurde die unterschiedliche Luftgeschwindigkeit innerhalb der Kammer verifiziert. Durch unterschiedliche Umbauten in der Prüfkammer konnte die Differenz der Ergebnisse deutlich verbessert werden.

Due to increased traffic and consequently, high traffic loading, the high level road network in the Central and Western Europea is becoming increasingly overloaded. Particularly during winter the asphalt pavements do not only have to withstand traffic-related mechanical stresses but also thermal stresses (cryogenic stresses) caused by low temperatures. These low temperatures cause a change in bitumen properties so that it becomes more brittle and stiffer. In addition to this phenomenon, bitumen ages due to natural and anthropogenic influences. Thus, the bitumen properties deteriorate further in the low-temperature range. The investigations in the present thesis are part of a research project called D-A-CH FFG Optimal. The goal of this thesis is to investigate bituminous mixtures with different void contents at low temperatures in order analyze the impact of air void content on the tensile strength reserve. The specimens were investigated by means of TSRST tests (= Tensile Stress Restrained Specimen Test) and UTST tests (= Uniaxial Tensile Strength Test). The information resulting from such tests show that the tensile strength reserve decreases due to an increase in void content. Furthermore, it can be observed that there is a strong correlation between void content and the stress situation at low temperatures. This parameter study will serve as a means of comparing the results of aged specimens with regard to their low-temperature behavior in the further course of the research project. The aim is to make an informed statement about the impact of ageing on the asphalt mix properties at low temperatures. Consequently, the mechanism of ageing will be implemented in the pavement design guidelines. As this parameter study evolved, two types of equipment (built in 2003 and 2013) were used. Although the specimens were made of the same asphalt plates, different results regarding the cracking temperature were found. The aim was thus to find the cause for these differences in temperature and to figure out how to align the machines. The different air velocity within the temperature chamber was identified as the decisive factor. By means of various modifications of the test chamber, it was possible to significantly minimize the differences between the results from old and new test device.