Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Stripping , lärmmindernde Deckschichten, Drainasphalt, (PA), Rauasphalt (MR), Überrollbeanspruchung, Labormaßstab, Wasserempfindlichkeit.
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Stripping, low noise surface courses, porous asphalt, gap graded AC (Rauasphalt), wheel tracking, moisture damage
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Forschungsprogramme
(Deutsch)
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Der zeitliche Ablauf des Forschungsprojektes wird insgesamt 30 Monate umfassen. Die folgenden Meilensteine wurden festgesetzt:
1. Meilenstein (12 Monate): Planung, Evaluation von Strecken und Entnahme von Prüfkörpern
2. Meilenstein (22 Monate): Modifikation der Prüfeinrichtung und Durchführung der Prüfungen
3. Meilenstein (26 Monate): Auswertung und Bericht an BK
4. Meilenstein (30 Monate): Berichterstattung, Berichtabschluß
Arbeitsplan:
Evaluation von ca. 10 bis 16 Strecken mit lärmmindernden Deckschichten, d.h. Drainasphalt- bzw. Rauasphaltdeckschichten und unterschiedlichen Bindemitteln (z.B. polymer-, gummimodifiziert). Wenn möglich sollen dabei auch Prüfkörper aus Strecken die bereits in anderen Forschungen untersucht wurden (z.B. Mechanische Eigenschaften von Drainasphalt“, Langzeitprojekte) mit einbezogen werden. Inwieweit spezielle Beläge und Belagsaufbauten wie Twin Layers, Rollpave oder auch blähtonhaltige Deckschichten berücksichtigt werden können wird geprüft.
· Entnahme von Bohrkernen oder Belagsausschnitten
· Modifikation der Prüfeinrichtung zur MMLS-Prüfung von Bohrkernen oder Belagsausschnitten unter Wasser.
· MMLS-Prüfung (40°C) unter Wasser und ohne Wasser (Vergleich)
· Evaluation und Durchführung einer geeigneten mechanischen Prüfung Auswertung und Berichterstellung
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Zur Klärung der Frage, inwieweit Stripping (Ablösung des Bindemittels vom Gestein) aufgrund von Wassereinfluß die Standfestigkeit von lärmmindernden Deckschichten (Drainasphalte und Rauasphalte) beeinflusst, werden Bohrkerne bzw, Belagsausschnitte mit Hilfe eines Modell-Verkehrslastsimulators im Maßstab 1:3 (Model Mobile Load Simulator MMLS3) untersucht.
Die aus 10 bis 16 unterschiedlichen Strecken in der Schweiz sowie u. U. im europäischen Ausland entnommenen offenporige Asphalte (polymermodifizierte, gummimodifizierte Bindemittel) und die Rauasphalte werden unter Wasser (kontrolliertes Niveau) mit einem Modell-Verkehrslastsimulator (ca. 50’000 Überrollungen und einer Geschwindigkeit von ca. 10 km/h) beansprucht und anschließend mit Hilfe einer mechanischen Prüfung auf ihre Standfestigkeit überprüft. Es handelt sich damit um eine gänzlich andere Belastung als bei den bekannten Prüfungen auf Wasserempfindlichkeit wie indirekter Zugversuch nach Wasserlagerung oder Hamburg Test mit kleinem Stahl- oder Hartgummirad. Der neuartige Ansatz dieser Forschung ist hinsichtlich Lasteinleitung und Beanspruchungsgeschwindigkeit realitätsbezogener. Er ist in der Literatur für Asphaltbeton beschrieben und erläutert [3, 4]. In [5] konnte außerdem gezeigt werden, dass der Modell-Verkehrssimulator im Labormaßstab Ergebnisse liefert, die mit denen des großen Verkehrslastsimulator MLS10 kompatibel sind.
Zu Vergleichszwecken sollen zusätzlich Bohrkerne oder Belagsausschnitte ohne Wassereinwirkung mit dem Modell-Verkehrslastsimulator beansprucht und entsprechend geprüft werden. Soweit mit den Projektzielen vereinbar und möglich, werden die im Forschungsprojekt 1999/280 „Mechanische Eigenschaften von Drainasphalt“ untersuchten Strecken mit offenporigen Asphalten und die dort ermittelten Ergebnisse im Projekt mit einbezogen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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To answer the question how stripping affects the durability and stability of asphalt pavements with high air void contents cores and slabs will be investigated using a 1:3 laboratory scaled vehicle simulator (Model Mobile Load Simulator MMLS3). The cores from different sites in Switzerland with porous asphalt pavements (polymer modified, rubber modified binders, twin layer systems) and with Rauasphalt pavements will be tested under water (controlled level) with the laboratory scaled vehicle simulator (ca. 50’000 load repetitions at a speed of 10 km/h). After that their stability will be determined by means of a mechanical test. This technique is fundamentally different from the well known water sensitivity tests such as indirect tensile test after water storage or the Hamburg wheel tracking test using small steel or rubber wheels. The approach of this research is regarding load application and stress simulation also more realistic. The method is evaluated for asphalt concrete pavements and described in the literature [3, 4]. For comparison cores will be tested without water and tested in a similar way. If possible, sites which were investigated in the research project 1999/280 „Mechanische Eigenschaften von Drainasphalt“ will be considered and tested.
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Projektbeschreibung
(Deutsch)
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Ausgangslage
Aufgrund ihrer lärmmindernden Eigenschaften gewinnen hohlraumreiche Deckschichten, wie Drainbeläge, aber auch Rauasphaltdeckschichten in der Schweiz immer mehr an Bedeutung. So kommen bereits seit Jahren insbesondere auf Autobahnen und stark belasteten Hauptverkehrsstraßen immer mehr offenporige Deckschichten zum Einsatz, während innerorts Rauasphaltdeckschichten dominieren. Sind die bezüglich Standfestigkeit und Lebensdauer gemachten Erfahrungen bei offenporigen Deckschichten (PA), durchaus ambivalent, gibt es im Hinblick auf Rauasphalte (MR) noch relativ wenig Erfahrungswerte.
Problemstellung
Es ist bekannt, daß intakte lärmmindernde Deckschichten (PA, MR) eine hohe Standfestigkeit besitzen. Allerdings besteht eine solche Standfähigkeit nur so lange das versteifende Korngerüst mitsamt der umgebenden Bindemittelhülle intakt und widerstandsfähig ist und kann durch Bindemittelablösung (stripping) als Folge von Wasser beeinträchtigt werden.
Wie die während der Nutzungsdauer aufgetretenen Schäden und Probleme (z.B. Drainasphaltbelag der Autobahn A1 zwischen Oftringen und Safenwil) verdeutlichen, hängt die Dauerhaftigkeit von lärmmindernden Deckschichten dabei nicht allein vom Belagskonzept ab, sondern wird wesentlich auch von den verwendeten Baustoffen (insbesondere auch den Bindemitteln) beeinflußt.
Vorgehen
Zur Klärung der Frage, inwieweit Stripping (Ablösung des Bindemittels vom Gestein) aufgrund von Wassereinfluß die Dauerhaftigkeit von lärmmindernden Deckschichten beeinflusst, werden Bohrkerne bzw. Belagsausschnitte mit Hilfe eines Modell-Verkehrslastsimulators im Maßstab 1:3 (Model Mobile Load Simulator MMLS3) untersucht. Die aus unterschiedlichen Strecken in der Schweiz sowie u. U. im europäischen Ausland entnommenen lärmmindernde Deckschichten (PA, MR), (polymermodifizierte, gummimodifizierte Bindemittel) sollen unter Wasser (kontrolliertes Niveau) mit dem Verkehrslastsimulator (ca. 50’000 Überrollungen und einer Geschwindigkeit von ca. 10 km/h) beansprucht und anschließend durch mechanische Prüfung auf ihre Dauerhaftigkeit überprüft werden. Zudem soll die Ablösung der Gesteine an der Oberfläche beurteilt und bewertet werden.
Erwartete Resultate
Die von Forschungsprojekt zu verwartenden Resultate sollen aufzuzeigen, wie sich unterschiedliche in der Schweiz bzw. im Ausland übliche lärmmindernde Belagstypen (offenporige Asphalte, Rauasphalte) hinsichtlich Stripping verhalten und wie die sich ihre Standfestigkeit durch den Einfluß von Wasser verändert. Dabei soll die Frage beantwortet werden, wieweit unterschiedliche Bindemittel, wie beispielsweise polymer- und/oder gummimodifizierte Bitumen, oder aber unterschiedliche Belagskonzepte dieses Verhalten beeinflussen.
Nutznießer Die Erarbeitung von Erkenntnissen über die Wirkung von Wasser auf die Dauerhaftigkeit und Standfestigkeit von offenporigen Belägen sowie die Herausarbeitung der Wechselwirkung dieses Einflusses und verschiedener Bindemittelarten hilft Bauherren und Planern die richtigen Materialien und somit die günstigste Belagskonzeption auszuwählen.
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Methoden
(Deutsch)
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Zur Klärung der Frage, inwieweit Stripping (Ablösung des Bindemittels vom Gestein) aufgrund von Wassereinfluß die Standfestigkeit von hohlraumreichen Deckschichten beeinflußt, werden Bohrkerne bzw. Belagsausschnitte mit Hilfe eines Modell-Verkehrslastsimulators im Maßstab 1:3 (Model Mobile Load Simulator MMLS3) untersucht.
Die aus ca. 10 bis 16 unterschiedlichen Strecken in der Schweiz sowie u. U. im europäischen Ausland entnommenen lärmmindernden Deckschichten (PA und MR) werden unter Wasser (kontrolliertes Niveau) bei einer Temperatur von 40°C mit dem Modell-Verkehrslastsimulator MMLS3 mit 50’000 Überrollungen und einer Geschwindigkeit von ca. 10 km/h beansprucht und anschließend mit Hilfe einer mechanischen Prüfung auf ihre Standfestigkeit überprüft. Zu Vergleichszwecken sollen zusätzlich Bohrkerne ohne Wassereinwirkung mit dem Modell-Verkehrslastsimulator beansprucht und dann auf die gleiche Weise geprüft werden.
Der Verkehrslastsimulator MMLS3 ist an der Empa vorhanden, jedoch muß eine Prüfeinrichtung gebaut werden, die das Testen von Bohrkernen oder Belagsausschnitten mit Wasser erlaubt.
Im Anschluß an die Beanspruchung mit dem Verkehrslastsimulator sollen die lärmmindernden Deckschichten durch mechanische Prüfung auf ihre Dauerhaftigkeit überprüft werden. Hier wurde in erster Näherung an einen in [3] beschriebenen 3-Punkt Biegeversuch gedacht, im Laufe des Forschungsprojektes sollen aber auch andere Ansätze untersucht werden. Zudem soll die Ablösung der Gesteine an der Oberfläche beurteilt und bewertet werden.
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Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
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Ein Modell-Verkehrslastsimulator MMLS ist an der Empa vorhanden. Für die Untersuchung ist eine Modifikation der Prüfeinrichtung für die Überrollungsbeanspruchung von Bohrkernen unter Wasser nötig.
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Allgemeiner Stand der Forschung
(Deutsch)
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Die Forschung im Bereich lärmmindernder Deckschichten konzentrierte sich bisher weitgehend auf die Untersuchung der akustischen Eigenschaften einerseits und auf die Ermittlung mechanischer Eigen-schaften andererseits. Dabei lag das Schwergewicht auf der Untersuchung von offenporigen Deckschichten (Drainasphalten), während das Verhalten von Rauasphalten bisher relativ wenig erforscht ist.
So wurden in einem praxisnahen Forschungsprojekt [1] dauerhafte lärmarme Beläge für den Innerortsbereich untersucht. Im Rahmen dieses Projekts wurden zwischen 2004 und 2005 zwölf offenporige Testbeläge mit unterschiedlichen Rezepturen auf Pilotstrecken in verschiedenen Innerortsgebieten eingebaut. An allen Testbelägen wurden physikalische und akustische Messungen durchgeführt und ausgewertet. Weiterhin ist bis im Jahr 2007 eine periodische Beurteilung der Beläge auf ihre akustischen Eigenschaften und die Publikation von Jahresberichten mit aktuellen Meßresultaten vorgesehen.
Eine weitere Forschungsarbeit von Empa und Lavoc [2] befaßt sich mit der Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Drainasphaltbelägen, wobei hier u.a. erste Normungsgrundlagen erarbeitet werden sollen. Auch wenn im Rahmen des Projektes u.a. Fragen der Wasserempfindlichkeit behandelt werden, ist der Fragenkomplex des Strippings hervorgerufenen nicht beinhaltet. Insbesondere ist der performance relevante Einfluß einer kombinierten mechanisch-hygrischen Belastung bei der Überrollung mit einem Reifen mit entsprechender dynamischer Knetwirkung nicht thematisiert. Erste Erkenntnisse zum Stripping eines Drainasphaltbelags konnten im Zusammenhang einer von der Empa an der Universität von Stellenbosch (Südafrika) durchgeführten Forschungsarbeit [3] gewonnen werden. Hier konnte einerseits bestätigt werden, daß die Standfestigkeit durch Wasser negativ beeinflußt werden kann und andererseits, daß die für die Untersuchung gewählte Prüfmethode mit Hilfe eines Modell-Verkehrslastsimulators (MMLS) geeignet ist, die Verhältnisse des realen Verkehrs zu simulieren und die Wirkung von Strippingeffekten aufzuzeigen.
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Projektziele
(Deutsch)
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Es ist bekannt, dass intakte lärmmindernde Deckschichten (PA, MR) eine gute Standfestigkeit besitzen. Allerdings besteht eine solche Standfestigkeit nur so lange das versteifende Korngerüst mitsamt der umgebenden Bindemittelhülle intakt und widerstandsfähig ist. Die Dauerhaftigkeit von lärmmindernden Deckschichten kann dabei durch Stripping beeinträchtigt werden.
Das Ziel des Forschungsprojektes ist es, den Einfluß des Strippings auf lärmarme Deckschichten unter realem Verkehr (praxisnah simuliert durch ein rollendes Rad) für verschiedene in der Schweiz oder im europäischen Ausland verwendete offenporige Asphalte (polymermodifizierte, gummimodifizierte Bindemittel) zu untersuchen und zu bewerten. Da wegen ihrer lärmmindernden Eigenschaften vermehrt auch Rauasphaltschichten (MR) eingesetzt werden, soll auch ihr Strippingverhalten im Rahmen des Projekts näher untersucht werden.
Das Projekt dient u. a. der Validierung der provisorischen Anforderung für die Wasserempfindlichkeit von offenporigen Asphalten (SN 640431-7NA) und von Rauasphalten (SN 640431-1A).
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Projektziele
(Englisch)
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It is a well known fact that durability of porous asphalt pavements is good as long as the stiffening aggregate structure and the binder film are intact. Durability and stability can be reduced by stripping of the binder due to water penetration. Since, by their nature, porous asphalt pavements are extremely exposed to water and at the same time have to withstand high dynamic forces, this point has to be investigated carefully.
The aim of the research project is to simulate the effects of water and real traffic (stripping) on the durability of porous asphalt pavements using a laboratory scaled vehicle simulator. Different porous asphalt types used in Switzerland or other European countries with different binder and structure types such as polymer and rubber modified binders or twin layer systems will be investigated. According to their ability of noise reduction gap graded AC (Rauasphalt) will also be investigated. The project will also contribute to the validation of the provisional requirements of the water sensitivity of porous asphalt pavements (SN 640431-7NA) and of gap graded AC (Rauasphalt) (SN 640431-1A).
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Das Forschungsprojekt kann in die Praxis insbesondere mit Hilfe von Normen und Empfehlungen umgesetzt werden. Die Erarbeitung von Erkenntnissen über die Wirkung von Wasser auf die Dauerhaftigkeit und Standfestigkeit von lärmmindernden Deckschichten sowie die Herausarbeitung der Wechselwirkung dieses Einflusses und verschiedener Bindemittelarten hilft Bauherren und Planern die richtigen Materialien und somit die günstigste Belagskonzeption auszuwählen. Die Erkenntnisse mit der MMLS im Labormaßstab können dabei als Grundlage für die Bewertung von lärmmindernden Deckschichten mit der MMLS in situ verwendet werden. Da das Projekt u. a. der Validierung der provisorischen Anforderung für die Wasserempfindlichkeit von offenporigen Asphalten (SN 640431-7NA) und von Rauasphalten (SN 640431-1A) dienen soll, können auch hier die gewonnenen Erkenntnisse direkt in die Normung einfließen.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Berichtsnummer
(Deutsch)
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1335
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Literatur
(Deutsch)
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[1] Angst, C., Beltzung, F., Bosshard, D., Clavien, C., Grolimund, H.-J., Pestalozzi, H.: Lärmarme Straßenbeläge innerorts. Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Straßen ASTRA und Bundesamt für Umwelt BUFA, Jahresbericht 2005
[2] Poulikakos, L.D., Pittet, M., Junod, A., Simond, E., Gubler, R., Partl M.N., Dumont, G., Mechanische Eigenschaften von Drainasphalt. Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Strassen. Bericht in Vorbereitung
[3] Raab, C., Partl, M.N., Jenkins, K., Hugo, F.: Determination of Rutting and Water Susceptibility of Selected Pavement Materials using MMLS3. 7th International Conference on the Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields, BCRA’05, Trondheim, 27.-29. June 2005
[4] Smit, A. de F., Walubita, L., Jenkins, K. and Hugo, F.: The Model Mobile Load Simulator as a tool for evaluating Asphalt Performance under Wet Trafficking. CD-Rom of Proceedings of the Ninth International Conference on Asphalt Pavements Copenhagen, Denmark, 2002
[5] Hugo, F.: Comparative Scaled MMLS3 Tests versus Full-Scale MLS10 Tests, TRB, Washington DC2007
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