Vermeidung von Schäden an Asphaltdeckschichten

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1 Qualität im Asphaltstraßenbau Vermeidung von Schäden an Asphaltdeckschichten Seminarveranstaltung des bup Potsdam 14. März 2012 Dipl.-Geol. Bernd Dudenhöfer ASPHALTA Prüf- und Forschungslaboratorium GmbH Berlin 2 Qualität definiert sich über die dauerhafte Sicherstellung der Gebrauchseigenschaften im Nutzungszeitraum Aktuelle Diskussion zur Dauerhaftigkeit von Asphaltbefestigungen! Welche Schäden durch vorzeitiges Versagen sind derzeit typisch? 1

2 3 (Aktuelle) Hierarchie der Schadensmerkmale Alterung, Ausmagerungen 4 Alter 4 Jahre: Starke Alterung, Kornausbrüche, Risse DSH-V e.v. Dipl.-Geol. Bernd Dudenhöfer 4 2

3 5 Alter 6 Jahre: Starke Alterung, Kornausbrüche, Risse 6 Verdichtungsmangel? Alter 6 Jahre: Starke Alterung, Kornausbrüche, Risse 3

4 7 (Aktuelle) Hierarchie der Schadensmerkmale Alterung, Ausmagerungen Netzrisse und Wilde Risse 8 Netzrisse, Wilde Risse 4

5 9 (Aktuelle) Hierarchie der Schadensmerkmale Alterung, Ausmagerungen Netzrisse und Wilde Risse Aufgehende Nähte 10 Durchschlagende Naht der Binderschicht 5

6 11 Durchschlagende Naht der Binderschicht DSH-V e.v. Dipl.-Geol. Bernd Dudenhöfer (Aktuelle) Hierarchie der Schadensmerkmale Alterung, Ausmagerungen Netzrisse und Wilde Risse Aufgehende Nähte Verformungen 6

7 13 Verformung Verformungen in den Radspuren 14 (Aktuelle) Hierarchie der Schadensmerkmale Alterung, Schäden Ausmagerungen durch falsche Netzrisse Einschätzung und Wilde der Risse Eigenschaften der Unterlage z.b. Aufgehende Reflexionsrisse Nähteoder Tragfähigkeitsschäden Verformungen 7

8 Zustandsbild 3 Jahre nach der Erhaltungsmaßnahme 15 Welche Ursachen lassen sich für das Qualitätsproblem ausmachen? 16 8

9 17 Situation im Asphaltstraßenbau heute Preiskampf gerade bei Großprojekten Mengenschlacht => maximale Tagesleistungen => aufwendige und riskante Disposition Stauvermeidung => Nachteinbau, Wochenendeinbau nimmt zu => zusätzliche Belastungen für die Mitarbeiter Steigende Bitumenpreise => Kostendruck nimmt zu => Ständige Suche nach preisgünstigeren Alternativprodukten Qualität scheint abzunehmen => Flucht in Spezialzusätze mit immer neuen Eigenschaften/Eigenarten in Performace und Handling Sind das optimale Voraussetzungen für ein gutes Produkt Asphalt? 18 Welche Ursachen sind für vorzeitiges Versagen verantwortlich zu machen? Baustoff? Was hat sich in den letzten 20 Jahren verändert? Konzeptionelle Zusammensetzung und Eigenschaften? 9

10 19 Änderungen in der konzeptionellen Zusammensetzung und in den Eigenschaften Seit Mitte der 90er Jahre stehen die Eigenschaften Verformungsbeständigkeit ndigkeit und Griffigkeit an erster Stelle Splittreiche Zusammensetzung (SMA statt Asphaltbeton) Ausschließliche Verwendung von Brechsand Bindemittel höherer Viskosität Additive 20 ZTV Asphalt-StB 07 / Tabelle 2 (Zweckmäßige Bindemittelart und Bindemittelsorte in Abhängigkeit von der zu erwartenden Beanspruchung) Bauklasse/ Flächenart SV und I 25/ /30-50/70 30/45 30/45 30/45 25/55-55 (10/40-65) 50/70 (PmB 45) (20/30) PmB 45 II (10/40-65) 25/ /70 40/ (30/45) (50/70) 20/30 III 25/ / /45 (25/55-55) - 50/70 50/70 50/70 50/70 IV V VI Rad- und Gehwege Asphaltbinder Asphalttragschicht 70/100 (50/70) 70/100 - Einsatz nicht vorgesehen () nur in Ausnahmefällen Asphalttragdeckschicht 50/70 - Asphaltbeton 70/100 Splittmastixasphalt 50/70 70/100 70/100 Offenporige Asphaltdeckschicht 50/70 70/100 - Gussasphalt 30/45-10

11 21 Optimierung des Mischgutes hinsichtlich Verformungsbeständigkeit Auswirkungen auf die Mischguteigenschaften Erhöhung des Verdichtungswiderstandes Verkürzte Verarbeitungszeiten Witterungsempfindlichkeit erhöht 22 Verdichtungsmangel! 11

12 23 Änderungen in den Eigenschaften der Baustoffe Ist eine Veränderung der Bitumenqualität erkennbar? Möglicherweise haben sich die Eigenschaften von Bitumen im letzten Jahrzehnt verändert. Die Bitumenqualität ist in der Regel aber nicht zu beanstanden, da die Anforderungen der TL Bitumen erfüllt werden. Haben sich die Eigenschaften der Gesteine verändert? Gesteinskörnungen für Asphalt sind natürliche Rohstoffe, deren Eigenschaften sich nur in geologischen Zeiträumen ändern. Neue Lagerstätten sind in den letzten 20 Jahren praktisch nicht mehr erschlossen worden. 24 Der Eindruck bleibt: Nach subjektiven Maßstäben hat der Asphaltstraßenbau offensichtlich ein Qualitätsproblem! Erkennen und Beseitigen der Ursachen! 12

13 25 Phasen des Entstehens einer Asphaltstraße 1. Planung und Ausschreibung 2. Angebot und Vergabe 3. Ausführung 3a. Auswahl und Herstellung des Asphaltmischgutes 3b. Einbau des Asphaltmischgutes 26 Planung Ermittlung und sorgfältige Beachtung der Beanspruchungen aus Verkehr Bemessungsrelevante Beanspruchung Besondere Beanspruchungen 13

14 27 Landesstraße, Bauklasse III Normale Beanspruchungen 28 Landesstraße, Bauklasse III Besondere Beanspruchungen 14

15 29 Normale Beanspruchungen Besondere Beanspruchungen 30 Kommunale Straße, Bauklasse III Besondere Beanspruchungen 15

16 31 Wohnstraße, Bauklasse V Leichte Beanspruchungen 32 Abdrücke Kann passieren, aber damit lässt es sich leben. 16

17 33 Besonders hohe Beanspruchungen (gilt für jede Bauklasse) 34 Industriesammelstraße Besonders hohe Beanspruchungen 17

18 35 Besondere Beanspruchungen vibrationsarme Verdichtung 36 Besondere Beanspruchungen auf Brücken - Schwingungen 18

19 37 Planung Sorgfältige Beurteilung der Gesamtkonstruktion im Sinne der ZTV BEA-StB Objektbezogene Mischgutkonzeption Bei Festlegung der Eigenschaften des Asphaltmischgutes ist den Anforderungen durch Verkehrsbeanspruchung, Klima etc. bereits bei der Auswahl der Mischgutsorte, insbesondere aber bei der Zusammensetzung des Mischgutes ein höherer Stellenwert beizumessen. 19

20 39 Unterlagen (Baubeschreibung) besorgen Erstprüfung auf die Erfordernisse des Objektes anpassen - Eignungsnachweis - 40 Beachtung der Eigenschaften der Ausgangsstoffe beim Erstellen der Erstprüfung Bitumen Gesteine Einflüsse aus der Wechselwirkung zwischen den Ausgangsstoffen 20

21 41 Auswahl der Gesteinskörnungen Grobe Gesteinskörnungen - Splitt Feine Gesteinskörnungen - Sand Füller 42 Auswahl der groben Gesteinskörnungen 2,65 Mg/m³ 2,73 Mg/m³ 2,78 Mg/m³ 2,84 Mg/m³ 2,72 Mg/m³ 2,74 Mg/m³ 2,70 Mg/m³ 3,45 Mg/m³ 21

22 43 Feine Gesteinskörnung und Mörtel Sieblinie feine Gesteinskörnung Füllerarme Brechsande haben durch die Windsichtung auch geringe Feinsandanteile. Diese Hohlräume müssen durch Füller oder Bitumen gefüllt werden. 44 Feine Gesteinskörnung und Mörtel Wasserempfindlichkeit des Füllers Schüttelabriebversuch Anforderungswerte? 22

23 45 Quellungen nach Wasserlagerung Wasserempfindlichkeit von feinen Gesteinskörnungen Schüttel-Abriebverfahren nach TP Gestein-StB Teil

24 47 Unterschiedlicher Masseverlust beim Schüttelabrieb 48 Auswahl der feinen Gesteinskörnung Sieblinie Anteil und Eigenschaften der Feinanteile Sandäquivalentverfahren Methylenblautest Sande kritisch auswählen! 24

25 49 Eigen- und Fremdfüller - Rigden Hohlraumgehalt -Versteifende Eigenschaften Hand aufs Herz, wer schaut sich diese Kennwerte an wenn eine Rezeptur entworfen oder verändert wird? 50 Füllereigenschaften Eigenfüller 1 Rohdichte: 2,66 Mg/m³ Hohlraumgehalt nach Rigden: 34 Vol.-% Versteifende Eigenschaften (Erweichungspunkterhöhung) : 21,3 C Eigenfüller 2 Rohdichte: 2,82 Mg/m³ Hohlraumgehalt nach Rigden: 44 Vol.-% Versteifende Eigenschaften (Erweichungspunkterhöhung) : 26,3 C Fremdfüller Rohdichte: 2,74 Mg/m³ Hohlraumgehalt nach Rigden: 36,0 Vol.-% Versteifende Eigenschaften (Erweichungspunkterhöhung) : 16,5 C 25

26 51 Auswahl des Bitumens Bitumen und Gestein sind Partner, ihre Eigenschaften sollten zueinander passen! Haftverhalten des Bitumens zum Gestein 52 26

27 53 Affinität eines vulkanischen Gesteins zu verschiedenen Bitumen Umhüllungsgrad 0% 20% 40% 60% 80% 100% P mb A 15% 1. GmB 40% 2. GmB 25% P mb + H aftmittel 10% 6h 24h Verminderung des Ümhüllungsgrades [%] 54 Affinität eines elastomermodifizierten Bitumens (mit haftverbesserndem Zusatz) zu verschiedenen Gesteinen Umhüllungsgrad 0% 20% 40% 60% 80% 100% Quarzit 0% Lysit/ Labrado rit 35% A ndesit R hyo lith D iabas Grauwacke I Grauwacke II 15% 10% 10% 10% 20% 6h 24h Verminderung des Ümhüllungsgrades [%] 27

28 55 Welche Möglichkeiten bestehen, hinsichtlich der Mischguteigenschaften Qualitätsdefiziten vorzubeugen? Sorgfältige Durchführung der Erstprüfung! Berücksichtigung der Gesteinseigenschaften hinsichtlich Bindemittelbedarf. Porosität, Wasseraufnahme, versteifende Eigenschaften von Füllern 56 Welche Möglichkeiten bestehen, hinsichtlich der Mischguteigenschaften Qualitätsdefiziten vorzubeugen? Sorgfältige Durchführung der Erstprüfung! Volumetrische Bindemittelbemessung mit Hilfsgrößen wie: Bindemittelvolumen Hohlraumausfüllungsgrad und Füller-Bitumen-Verhältnis 28

29 57 Mischgutherstellung und Einbau 58 Konzeption des Mischgutes Entmischung ist nicht nur ein Einbauproblem! Mörtelarme Mischungen oder Mischgut mit Ausfallkörnung fördern die Entmischungsneigung Gesteine mit unterschiedlichen Dichten neigen zur gravimetrischen Entmischung 29

30 59 h 60 30

31 61 62 Maßgebende Faktoren für eine Walzasphaltschicht mit hoher Dauerhaftigkeit Hohlraumgehalt Hohlraumgehalt Hohlraumgehalt 31

32 63 Untersuchungen an Asphaltschichten aus der Berliner Stadtautobahn Binderschicht EP [ C] 65,2 78,8 Einzelwerte 73,8 75, i.m. 75 Einbau 1996 BM-Gehalt [M.-%] Fülleranteil [M.-%] > 2mm [M.-%] Hohlraumgehalt [Vol.-%] 4,5 10,6 68,7 8,9 4,2 8,9 72,5 11,9 4,2 8,7 74,7 7,8 4,4 9,0 72 9,6 4,2 9,6 73 8,8 3,6 9,4 78,5 12,0 4,2 9,4 73,2 9,8 Asphalttragschicht EP [ C] BM-Gehalt [M.-%] Fülleranteil [M.-%] > 2mm [M.-%] Hohlraumgehalt [Vol.-%] 56,2 3,8 5,8 60 4,2 65,6 3,8 6,9 64,3 8,2 46,6 4,2 6 57,7 3,3 44,8 4,1 7 57,1 5,9 49,8 4,1 7 60,9 6,1 55 4,3 5,3 59,8 4,9 53 4,0 6,3 60 5, Feststellung! Das Bindemittel im Asphaltbinder ist in 10 Jahren von einem PmB 45 A mit EP ca. 63 C gealtert auf einen EP von i.m. 75 C (max. 83 C) - Veränderung = 1,2 C/a. Hohlraumgehalt i.m. 9,8 Vol.-% Füller-Bitumen-Verhältnis im Maximum 2,3 (Mittel 2,2) Das Bindemittel in der Asphalttragschicht ist in 38 Jahren von einem B 80 mit EP ca. 44 C gealtert auf einen EP von i.m. 53 C (max. 65 C) - Veränderung = 0,23 C/a. Hohlraumgehalt i.m. 5,4 Vol.-% Füller-Bitumen-Verhältnis im Maximum 1,8 (Mittel 1,6) 32

33 65 Schlussfolgerungen für die Dauerhaftigkeit Bei hohlraumarm zusammengesetzten Asphalten steigt der EP RuK durch Alterung um weniger als 0,5 C pro Jahr an. Bei hohlraumreichen Asphalten beträgt der Anstieg bis zu 2 C pro Jahr und ggf. mehr. Bezogen auf die Bitumensorte bedeutet: 1 Viskositätsstufe tsstufe höher h her = > 8 Jahre Nutzungsdauer! Für die Wahl der Bitumensorte gilt: So weich wie möglich m so hart wie nötign Unnötig harte Bindemittel bedeuten eine vorgealterte Asphaltschicht 66 Additive Viskositätsverändernde Zusätze machen den Asphalteinbau kinderleicht!!! Viskositätssenkende Additive können dabei helfen ein schwer verdichtbares Asphaltmischgut mit geringerem Hohlraumgehalt herzustellen. Viskositätsverändernde Zusätze verlängern das Einbauzeitfenster, was vor allem in der kalten Jahreszeit von Vorteil ist. Es ist aber auch zu beachten, dass die Asphaltverdichtung bei Verwendung dieser Zusätze bei ca Grad Celsius absolut abgeschlossen sein muss. Dieser kritische Temperaturbereich kann vor allem in Nahtbereichen sehr schnell erreicht werden. Ein Verdichtungsvorgang zuviel und der behandelte Bereich ist in seiner Substanz zerstört. Die Folge: Nur % Verdichtungsgrad. Auch die Anwendung von Additiven setzt Ingenieurverstand und gute Kommunikation voraus, um erforderliche Randbedingungen einzuhalten. 33

34

35 69 Dauerhafte Nahtausbildung ist möglich 70 Günstig: Einbau heiß an heiß 35

36 71 Vorläufiges Fazit Probleme erkannt! Welche Veränderungen sind schon auf den Weg gebracht? 72 Max. Hohlraumgehalt bei Deckschichten abgesenkt Mindestsplittgehalte abgesenkt (SMA) Quantitative Anforderungen an den Schichtenverbund 36

37 73 Wie haben sich die Veränderungen des Regelwerkes ausgewirkt? Hohlraumgehalte bei SMA wesentlich niedriger Zahl der unzulässigen Abweichungen hat abgenommen. Praktisch keine Mängel im Schichtenverbund mehr feststellbar! 74 Welche weitere Möglichkeiten bestehen, hinsichtlich der Anforderungen beim Einbau den Qualitätsdefiziten vorzubeugen? Bei der heutigen Verdichtungstechnologie ist es problemlos möglich, bei Walzasphaltschichten die Anforderungen an den Verdichtungsgrad auf 100 % (- 2 % Toleranz) anzuheben. Im Bereich zwischen 96 % und 100 % Verdichtungsgrad führt eine Zunahme des Verdichtungsgrades um 1 % zu einer Erhöhung des Verformungswiderstandes von 15 %! [Huschek 1998] 37

38 75 Verdichtungskontrolle 1 Verdichtungsmängel/Hohlraumgehaltsüberschreitung 76 Verdichtungsmangel? 38

39 1 Verdichtungsmängel/Hohlraumgehaltsüberschreitung 77 Verdichtungsmangel? 78 Asphaltmischgut in den Zeiten der rechnerischen Dimensionierung Die RDO Asphalt präferiert sehr deutlich besonders steife Asphaltkonzepte. Hohe Steifigkeiten werden mit daraus resultierend großen Nutzungsdauern belohnt. Hohlraumreich und bindemittelarm kommt dabei leider zu gut weg, da über die Laborverdichtung beinahe jedes Konzept auf die erforderlichen Vol.-% Verdichtungsgrad gebracht werden kann. Zur Not wird mit praxisfernen Marshallverdichtungstemperaturen nachgeholfen. Durch die exakte Herstellung und die neuen Regelungen, dass nur noch ein Bindemittelgehalt zu dokumentieren ist, ist es für Dritte kaum noch möglich, diese Theoriemischgüter schnell zu entlarven. Die Ansätze der RDO sind in Bezug zur Dimensionierung in Ordnung, die Dauerhaftigkeit unter dem Gesichtspunkt der Alterung wird jedoch nicht ausreichend berücksichtigt. 39

40 79 Hohe Porosität durch Einbau bei ungünstiger Witterung DSH-V e.v. Dipl.-Geol. Bernd Dudenhöfer 80 40

41 81 Viel Erfolg für die Umsetzung und vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Bernd Dudenhöfer ASPHALTA Prüf- und Forschungslaboratorium GmbH Halenseestraße/Innenraum AVUS Nordkurve Berlin +49 (30)