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Kurzfassung
Die maßgeblichen Eigenschaften des Bindemittels Bitumen für den Einsatz im Asphaltstraßenbau werden durch die Kohäsion, die Adhäsion und die Alterung charakterisiert. Die Kohäsion beschreibt die inneren Bindungskräfte des Werkstoffes und die Adhäsion die Haftung an den Gesteinskörnungen. Die Alterung des Bitumens bezeichnet die Veränderung der chemischen, physikalischen und rheologischen Eigenschaften des Bindemittels im Laufe der Nutzungsdauer. Dieser irreversible Prozess beginnt bereits während der Herstellung und führt letztendlich zu einer Veränderung der Materialeigenschaften des Baustoffes „Asphalt“.
Der Alterungsprozess von Asphalt wird durch eine Vielzahl an Einflussfaktoren bestimmt und kann bei ungünstigen Randbedingungen zu frühzeitigen Schäden führen. Daher ist die Kenntnis der maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Alterung und die Quantifizierung, als Voraussetzung für dauerhafte Asphaltbefestigungen, von besonderem Interesse.
In zahlreichen Forschungsarbeiten wurden bereits ausgewählte Einflussfaktoren an unterschiedlichen Asphalten untersucht. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die Bindemittelmittelfilmdicke, der Hohlraumgehalt sowie die Bindemittel- und Gesteinsart einen entscheidenden Einfluss auf das Alterungsverhalten besitzen. Eine gezielte Untersuchung zur Quantifizierung der Einflussfaktoren durch die Variation der Mischgutzusammensetzung und Alterungsrandbedingungen wurde bisher nicht durchgeführt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde an ausgewählten Gesteins- und Bindemittelsorten die Mischgutzusammensetzung variiert um die Einflussfaktoren zu quantifizieren. Dazu wurden ein offenporiger (PA 11) sowie ein dichter Asphalt (AC 11) mit zwei Straßenbaubindemitteln (20/30 und 70/100) in Kombination mit drei verschiedenen Gesteinsarten mit einem Asphaltalterungsverfahren zeitraffend unter Laborbedingungen gealtert. Zudem wurde im Rahmen der Untersuchungen ein neues Verfahren zur Messung der „durchschnittlichen Mastixfilmdicke“ entwickelt.
Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass eine geringe Veränderung in der Mischgutzusammensetzung zu unterschiedlich ablaufenden Alterungsprozessen führt. Bei porösen Gesteinskörnungen konnte eine beschleunigte und beim Einsatz von Calciumhydroxid-Füller eine langsamer ablaufende Asphaltalterung quantifiziert werden. Der Einfluss der Anfangssteifigkeit des eingesetzten Bindemittels sowie der Einfluss von Bindemittelmenge, Bindemittelfilmdicke, Mastixfilmdicke und Hohlraumgehalt konnten ebenfalls mit mathematischen Ansätzen beschrieben werden. Zusätzlich wurden Schätzfunktionen zur Prognose des Alterungsverhaltens aufgestellt, die eine Basis für weitere Forschungsaktivitäten bieten.
Abstract
The relevant properties of bituminous binders for the usage in asphalt are cohesion, adhesion and ageing. The cohesion describes the inner bonding forces and the adhesion the binding strength of the material with the aggregates. Ageing characterizes the changing of chemical-, physical- and rheological properties of the binder which is caused of the external influence factors by using in the asphalt. This irreversible ageing process starts already by the production and leads finally to a change of the material properties of the construction material “asphalt”.
The ageing process of asphalt is affected by a multiplicity of influence factors and can effect an early damaging of the pavement by rapid ageing. Therefore the knowledge of the relevant influence factors is for a durable dimensioning of asphalt pavements a matter of particular interest.
Many research studies in the past already analyzed selected influence factors on different asphalt mixtures. Thereby the influence of binder film thickness, voids in the asphalt as soon as the sort of binder and aggregates were determined. A selective analysis of multitude influence factors with identical binder and aggregate sorts by variation of the mixture composition and ageing conditions was not conducted by now.
Within this dissertation selected aggregate and binder sorts were used to get mixture variations for quantifying the influence factors. For that purpose porous asphalt (PA 11) and asphalt concrete (AC 11) mixtures in combination with three sorts of aggregates (Diabase, Quartz Porphyry and hydrated Limestone Filler) and two binders (20/30 and 70/100) were chosen for the ageing under laboratory conditions with a new kind of asphalt ageing method. Also a new method for determination of the mastic film thickness of asphalt mixtures was developed.
One of the findings of the analysis was that even minor changes in mixture different ageing procedures. An accelerated ageing process with porous aggregates was shown while the usage of hydrated limestone filler affected a delay of the ageing process. Also the influence of the initial stiffness of the binder sort as well as the influence of binder film thickness, binder ratio, mastic film thickness and air void ratio on the ageing was quantified. Additionally estimating functions for the prognosis of the ageing behavior were given.
Kurzfassung
Die maßgeblichen Eigenschaften des Bindemittels Bitumen für den Einsatz im Asphaltstraßenbau werden durch die Kohäsion, die Adhäsion und die Alterung charakterisiert. Die Kohäsion beschreibt die inneren Bindungskräfte des Werkstoffes und die Adhäsion die Haftung an den Gesteinskörnungen. Die Alterung des Bitumens bezeichnet die Veränderung der chemischen, physikalischen und rheologischen Eigenschaften des Bindemittels im Laufe der Nutzungsdauer. Dieser irreversible Prozess beginnt bereits während der Herstellung und führt letztendlich zu einer Veränderung der Materialeigenschaften des Baustoffes „Asphalt“.
Der Alterungsprozess von Asphalt wird durch eine Vielzahl an Einflussfaktoren bestimmt und kann bei ungünstigen Randbedingungen zu frühzeitigen Schäden führen. Daher ist die Kenntnis der maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Alterung und die Quantifizierung, als Voraussetzung für dauerhafte Asphaltbefestigungen, von besonderem Interesse.
In zahlreichen Forschungsarbeiten wurden bereits ausgewählte Einflussfaktoren an unterschiedlichen Asphalten untersucht. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die Bindemittelmittelfilmdicke, der Hohlraumgehalt sowie die Bindemittel- und Gesteinsart einen entscheidenden Einfluss auf das Alterungsverhalten besitzen. Eine gezielte Untersuchung zur Quantifizierung der Einflussfaktoren durch die Variation der Mischgutzusammensetzung und Alterungsrandbedingungen wurde bisher nicht durchgeführt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde an ausgewählten Gesteins- und Bindemittelsorten die Mischgutzusammensetzung variiert um die Einflussfaktoren zu quantifizieren. Dazu wurden ein offenporiger (PA 11) sowie ein dichter Asphalt (AC 11) mit zwei Straßenbaubindemitteln (20/30 und 70/100) in Kombination mit drei verschiedenen Gesteinsarten mit einem Asphaltalterungsverfahren zeitraffend unter Laborbedingungen gealtert. Zudem wurde im Rahmen der Untersuchungen ein neues Verfahren zur Messung der „durchschnittlichen Mastixfilmdicke“ entwickelt.
Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass eine geringe Veränderung in der Mischgutzusammensetzung zu unterschiedlich ablaufenden Alterungsprozessen führt. Bei porösen Gesteinskörnungen konnte eine beschleunigte und beim Einsatz von Calciumhydroxid-Füller eine langsamer ablaufende Asphaltalterung quantifiziert werden. Der Einfluss der Anfangssteifigkeit des eingesetzten Bindemittels sowie der Einfluss von Bindemittelmenge, Bindemittelfilmdicke, Mastixfilmdicke und Hohlraumgehalt konnten ebenfalls mit mathematischen Ansätzen beschrieben werden. Zusätzlich wurden Schätzfunktionen zur Prognose des Alterungsverhaltens aufgestellt, die eine Basis für weitere Forschungsaktivitäten bieten.
Abstract
The relevant properties of bituminous binders for the usage in asphalt are cohesion, adhesion and ageing. The cohesion describes the inner bonding forces and the adhesion the binding strength of the material with the aggregates. Ageing characterizes the changing of chemical-, physical- and rheological properties of the binder which is caused of the external influence factors by using in the asphalt. This irreversible ageing process starts already by the production and leads finally to a change of the material properties of the construction material “asphalt”.
The ageing process of asphalt is affected by a multiplicity of influence factors and can effect an early damaging of the pavement by rapid ageing. Therefore the knowledge of the relevant influence factors is for a durable dimensioning of asphalt pavements a matter of particular interest.
Many research studies in the past already analyzed selected influence factors on different asphalt mixtures. Thereby the influence of binder film thickness, voids in the asphalt as soon as the sort of binder and aggregates were determined. A selective analysis of multitude influence factors with identical binder and aggregate sorts by variation of the mixture composition and ageing conditions was not conducted by now.
Within this dissertation selected aggregate and binder sorts were used to get mixture variations for quantifying the influence factors. For that purpose porous asphalt (PA 11) and asphalt concrete (AC 11) mixtures in combination with three sorts of aggregates (Diabase, Quartz Porphyry and hydrated Limestone Filler) and two binders (20/30 and 70/100) were chosen for the ageing under laboratory conditions with a new kind of asphalt ageing method. Also a new method for determination of the mastic film thickness of asphalt mixtures was developed.
One of the findings of the analysis was that even minor changes in mixture different ageing procedures. An accelerated ageing process with porous aggregates was shown while the usage of hydrated limestone filler affected a delay of the ageing process. Also the influence of the initial stiffness of the binder sort as well as the influence of binder film thickness, binder ratio, mastic film thickness and air void ratio on the ageing was quantified. Additionally estimating functions for the prognosis of the ageing behavior were given.
