ServicenavigationHauptnavigationTrailKarteikarten


Forschungsstelle
ASTRA SBT
Projektnummer
VSS2006/515_OBF
Projekttitel
Forschungspaket Brückenabdichtungen: EP5: Mechanismen der Blasenbildung
Projekttitel Englisch
Mechanism of Blister Formation

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
Anzeigen
-
-
Anzeigen
Kurzbeschreibung
Anzeigen
-
-
Anzeigen
Projektbeschreibung
Anzeigen
-
-
-
Methoden
Anzeigen
-
-
-
Spezielle Geräte und Installationen
Anzeigen
-
-
-
Allgemeiner Stand der Forschung
Anzeigen
-
-
-
Projektziele
Anzeigen
-
-
Anzeigen
Forschungsplan
Anzeigen
-
-
-
Berichtsnummer
Anzeigen
-
-
Anzeigen
Literatur
Anzeigen
-
-
-

Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)

Abdichtungssysteme, Betonbrücken, bitumenhaltige Schichten, Blasen

Schlüsselwörter
(Englisch)

Waterproofing systems, concrete bridges, bituminous layers, blistering

Kurzbeschreibung
(Deutsch)

Das Aufbringen von heissem Gussasphalt auf Betonbrücken mit Polymerbitumen-Dichtungsbahnen kann den Verbund zwischen Betonuntergrund und Dichtungsbahnen durch Blasenbildung beeinträchtigen. Diese Verbundstörungen, die wegen der ausgleichenden Wirkung von Gussasphalt nicht von Anfang an sichtbar sind und daher „versteckt“ auftreten, bilden Schwachstellen, welche Wasser-Unterläufigkeiten begünstigen und auf diese Weise die Dauerhaftigkeit und Funktionstüchtigkeit des Systems längerfristig gefährden.

In dieser Arbeit wird anhand eines möglichst realistischen praxisrelevanten Modellsystems der Einfluss von vier Faktoren (1. Druck in der Blase zwecks Simulation des Einflusses der Feuchte des Untergrundes; 2. Anfangstemperatur von Gussasphalt; 3. Belagsdicke und 4. Art der Blasenkeime) auf das Blasenwachstum unter einer Polymerbitumen-Dichtungsbahn während und unmittelbar nach dem Aufbringen des heissen Gussasphalts experimentell und numerisch simuliert und ein geeigneter Simulationstest zur Beurteilung des Widerstandes von Brücken-Abdichtungssystemen gegen die Bildung von Blasen vorgeschlagen. Es werden Grundlagen zum vertiefen Verständnis des Phänomens der Blasenbildung bei dichten Belägen erarbeitet.
.

Kurzbeschreibung
(Englisch)

Applying hot mastic asphalt on concrete bridge decks with flexible polymer-bitumen waterproofing sheets may negatively affect the bond between concrete base and waterproofing sheet due to formation of blisters. These bonding imperfections are not initially visible thanks to the leveling effect of mastic asphalt. They present, however, weak areas promoting horizontal water penetration and therefore putting at risk durability and functionality of the system at a later stage of life time.

In this study a model system of practical relevance and as close to reality as possible is experimentally and numerically investigated with respect to the influence of four parameters (1. blister pressure simulating the influence of the humidity of the base; 2.initial temperature of the mastic asphalt; 3. pavement thickness; 4. kind of the blister seeds) on the growth of blisters under a flexible polymer-bitumen sheet for waterproofing during and immediately after the casting of hot mastic asphalt. From that investigation, a simulation test is proposed that is suitable for the assessment of the resistance of bridge deck waterproofing systems against blister formation. The project generates scientific basic know-how for advanced fundamental understanding of the blister formation with dense pavements.
Projektbeschreibung
(Deutsch)

Im Zusammenhang mit heissem Gussasphalt, wie er auf Betonbrücken verwendet wird, treten verschiedentlich Blasenbildungen auf, die phänomenologisch in verschiedene Kategorien eingeteilt werden können:

1) Kalte Blasen: Dies sind solche, die sich aus einer lokalen Verbundstörung, Hohlstelle oder anderen Blasenkeimen an einer Schichtgrenze bilden (typischerweise zwischen Untergrund und Abdichtungssystem), und die dann mit der Zeit durch thermische und hygrische Pumpeffekte wachsen können. Diese Blasen treten erst einige Zeit nach dem Einbau auf (z.B. nach einigen Monaten) und sind bezüglich Dauerhaftigkeit und Unterläufigkeit kritisch.

2) Heisse Blasen im Gussasphaltbelag: Dies sind solche, die im Gussasphalt beim Einbau durch Dampfbildung auftreten (ähnlich einen Siedeeffekt). Sie werden in der Praxis häufig schon auf der Baustelle aufgestochen und können zu vertikalem Wassereindringen führen. Da solche Blasen typischerweise oberhalb der Polymerbitumen-Dichtungsbahn auftreten, ist der Feuchteschutz (falls die Polymerbitumenbahn durch Überhitzen nicht geschädigt wurde) des Untergrundes nicht beeinträchtigt.

3) Heiss-kalte Blasen: Dies sind eigentlich kalte Blasen, die heiss initiiert wurden, sich also beim Gussasphalteinbau durch die Hitzeeinwirkung zwischen Dichtungsbahn und Betonuntergrund bei einer lokalen Verbundstörung, Hohlstelle oder anderen Blasenkeimen bilden (z.B. infolge ungenügendem flächigen Verschweissen von Dichtungsbahnen bzw. aufgestiegener Feuchte aus dem Betonuntergrund). Diese Blasen sind anfänglich nicht sichtbar, können aber Keimzellen für kalte Blasen bilden und sind daher bezüglich Dauerhaftigkeit und Unterläufigkeit kritisch.

Der Fokus des Projektes liegt auf den oben erwähnten „heiss-kalten“ Blasen (Typ Nummer 3), da dieser von der Forschungsstelle als am relevantesten erachtet wird. Relevant vor allem deshalb, weil sich das angestrebte Testverfahren bzw. Berechnungsmodell, in gewissem Masse auch auf den Blasentyp Nummer 1 übertragen lässt und der Fall der heissen Blasen (Typ Nummer 2) ein einbautechnisches Problem darstellt, welches nur schwer in einem Testverfahren untersucht werden kann (allenfalls wäre ein grossmassstäblicher Pressure Aging Vessel PAV Test zu entwickeln). Entscheidender ist aber, dass der Blasentyp Nummer 2 aufgrund heutiger Praxis von erfahrenen Unternehmungen offenbar relativ gut beherrscht wird.

In dieser Arbeit wird der Einfluss von vier Faktoren (1. Druck in der Blase zwecks Simulation des Einflusses der Feuchte des Untergrundes; 2. Anfangstemperatur von Gussasphalt; 3. Belagsdicke und 4. Art der Blasenkeime) auf das Blasenwachstum unter einer Polymerbitumen-Dichtungsbahn während und unmittelbar nach dem Aufbringen des heissen Gussasphalts experimentell und numerisch simuliert und ein geeigneter Simulationstest zu Bewertung des Widerstandes gegen Blasenbildung beim Aufbringen des heissen Gussasphaltes vorgeschlagen.

Dabei geht es nicht um einen Vergleich verschiedener Abdichtungssysteme, sondern um die Schaffung möglichst reproduzierbarer definierbarer Bedingungen, welche eine wiederholbare fundamentale Untersuchung und Modellierung massgebender Effekte erlauben. Weil es sich um die Entwicklung eines Testverfahrens und die Erarbeitung von Berechnungsmodellen handelt, muss die Untersuchung bestimmte in der Praxis vorkommende Parameter in vereinfachendem Sinne bewusst ausschliessen (Betonrauhigkeit, Betonsorte, Betonalter, Dichtungsbahntyp, etc). Diese Parameter können und müssen später, wenn ein entsprechendes Testverfahren vorliegt, in einem anderen Projekt systematisch untersucht und zusammen mit den Erkenntnissen aus der Modellierung und zusammen mit den Erkenntnissen aus dem Forschungspaket „Brückenabdichtungen“ zu Anforderungswerten kondensiert werden. Die Betonfeuchte im klassischen Sinne wird ebenfalls in dieser Untersuchung ausgeschlossen, weil sie experimentell relativ schwierig zu handhaben ist und sich daher nicht für ein reproduzierbares Testverfahren eignet [6]. Stattdessen wird als Parameter der besser reproduzierbare Blasendruck (der sich ja letztlich durch Feuchte aufbauen kann und mit dieser zusammenhängt) gewählt.

Zur Entwicklung des Testverfahrens wird eine Prüfeinrichtung aufgebaut, welche es erlaubt, zwei Arten von Blasenkeimen als mit Luft gefüllte Hohlräume an der Grenze zwischen der Betonunterlage und der Polymerbitumen-Dichtungsbahn zu simulieren (Bild 1):

1. Einzelblase, bestehend aus einem Hohlraum;

2. Blasenkolonie, bestehend beispielsweise aus sieben Hohlräumen, die im hexagonalen Muster angeordnet sind. Der Abstand der Blasenkeime wird so gewählt, dass er etwa in der Grössenordnung dem Durchmesser der Einzelblase entspricht. Der genaue Abstand wird aufgrund von Simulationsrechnungen definiert.

Die Blasenkolonie soll dazu dienen, zu evaluieren, inwieweit kleinere Drücke mit mehreren Angriffspunkten ähnlich grosse Blasen als im Einzelfall erzeugen können. Zu diesem Zweck müssen die Untersuchungen an Einzelblase und Blasenkolonie bei verschiedenen Druckstufen durchgeführt werden. Die Umgebungstemperatur wird mit 20°C konstant gehalten, um die thermo-viskoelastischen Eigenschaften unter vergleichbaren Bedingungen ermitteln und berücksichtigen zu können. Diese Vergleichbarkeit ist notwendig, um den Aufwand für die Modellierung (Bild 2) in sinnvollen Grenzen zu halten und möglichst klare Aussagen über die Wirkungsweise des zu entwickelnden Testverfahrens machen zu können. Diese Wirkungsweise ist komplex, da die aufgeklebte Dichtungsbahn unter der Blase dreidimensional in unterschiedlicher Weise namentlich auf Haftzug, Haftschub und Schälzug beansprucht wird (Bild 3). .

Im Zuge der Entwicklung des Testverfahrens wird ein numerisches Modell aufgrund der ausgewerteten experimentellen Ergebnisse verifiziert und es wird hinsichtlich der in der Praxis üblichen Materialkennwerte der Brückenabdichtungen und der Belagsmaterialen eine theoretische Parameterstudie durchgeführt. Dabei wird der Einfluss und die Wirkungsweise der Parameter Druck, Temperatur, Belagsstärke und Art der Blasenkeime auf den Mechanismus der Blasenbildung diskutiert

 

Methoden
(Deutsch)

Analog zu den oben angegebenen Arbeitsschritten, ist auch das nachstehend angegebene Vorgehen als provisorisch zu bezeichnen. Je nach Fortschritt und Erkenntnissen der Arbeiten ist damit zu rechnen, dass die Forschungsstelle in eigener fachlicher-wissenschaftlicher Verantwortung nach informativer Rücksprache und unter Wahrung der finanziellen Randbedingungen das Vorgehen zur optimalen Zielerreichung abändern muss.

Beispielsweise darf nicht verschwiegen werden, dass eines der Hauptprobleme des Projektes das reproduzierbare gleichmässige labormässige Aufbringen des heissen Gussasphaltes im Modellsystem sein wird. Erfahrungen hiezu wurden von der EMPA im Zusammenhang mit der Entwicklung der SIA 281/1 bzw. der EN 14693 gesammelt. Auf diese Erfahrungen ist bei der Entwicklung eines geeigneten verfeinerten Verfahrens abzustützen [8]. Sollte sich das Aufbringen jedoch nicht als zweckmässig erweisen, wird auf eine andere den Gussasphalt simulierenden Schicht auszuweichen sein, welche bezüglich Wärmetransfer, Gewicht, Reproduzierbarkeit als vorteilhafter erweist.

Experimentelles Vorgehen

Um den Simulationstests zur Beurteilung des Widerstandes gegen die Bildung von Blasen an einem Abdichtungs-Modellsystem entwickeln zu können, wird ein zweistufiges Vorgehen gewählt. Zunächst wird ein Testverfahren für Einzelblasen erarbeitet und anschliessend ein solches für eine Blasenkolonie aus sieben in hexagonalem Muster angeordneten Blasenkeimen (Hohlräumen) entwickelt (vgl Bild 1 und Bild 4). Als Blasenkeime dienen mit Luft gefüllte Hohlräume an der Grenze zwischen der Betonunterlage und der Polymerbitumen-Dichtungsbahn, die mit definiertem konstantem Druck beaufschlagt werden. Damit wird in definierter reproduzierbarer Weise der sich beispielsweise infolge Untergrundfeuchte aufbauende konstante Dampfdruck im Blasenhohlraum simuliert. Definierte Inputgrössen sind die Grundvoraussetzung, um die Zuverlässigkeit von Berechnungsmodellen sicherzustellen und damit das Grundverständnis von Zusammenhängen in wissenschaftlicher nachvollziehbarer Weise zu vertiefen.

siehe "Bild4.doc" unten

Bild 4 Schematische Versuchsanordnung zur Simulation der Blasenkeime und des Blasendrucks

Der Luftdruck in den Blasenkeimen wird in drei Stufen geändert und während eines Experiments konstant gehalten. Die Belagsdicken und Anfangstemperaturen des Gussasphaltes (oder einer anderen den Gussasphalt simulierenden Schicht) werden jeweils in zwei Stufen geändert. Es werden somit voraussichtlich insgesamt 48 Modellsystem-Prüfkörper (ca. 0.5m x 0.5m) getestet (2 Belagsdicken x 2 Anfangstemperaturen des Mischgutes x 3 Luftdrücke x 2 Arten der Blasenkeime x 2 Replica). Das Blasenwachstum während der Prüfungen wird quantitativ erfasst.

Messgrössen sind die Zeit, die Temperatur, die Blasengeometrie (Volumen, Höhe und Durchmesser). Inwieweit sich die Dehnungen im Blasenmaterial bzw. auf der Dichtungsbahnoberfläche im noch ungerissenen homogenen Zustand erfassen lassen (insbesondere während und kurz nach Aufbringen des heissen Gussasphaltes oder einer anderen den Gussasphalt simulierenden Schicht), ist abzuklären. Für die Messung der Temperatur bietet sich unter anderem die Thermographie an.

Für die Berechnung notwendig ist ausserdem eine möglichst genaue Erfassung der Materialeigenschaften der einzelnen Komponenten des Abdichtungssystems, namentlich des zeit- und temperaturabhängigen Moduls des Gussasphaltes und der Dichtungsbahnen sowie das zeit- und temperaturabhängige Adhäsionsverhalten in den einzelnen Kontaktflächen, insbesondere aber zwischen Dichtungsbahn und Betonuntergrund.

Modelle – numerische Methoden

Zur Modellierung des Blasenmechanismus stehen einerseits mechanisch analytische Ansätze zur Verfügung, die entweder zu geschlossenen Lösungen führen oder mit numerischen Verfahren einer Lösung zugeführt werden. Anderseits bieten sich numerische Verfahren an, z.B. Finite Element Codes, (wie das an der KTH und der Empa vorhandene Programm ABAQUS) oder mikromechanische Programme (wie der an der Empa ebenfalls verfügbare numerical Particle Flow Code PFC3D). Im Idealfall lassen sich hieraus einfache mathematische Beziehungen für die Praxis ableiten.

Basis der analytischen Verfahren bilden im vorliegenden Falle bruchmechanische Ansätze und Energiebetrachtungen. Diese Ansätze müssen einerseits der Mehrachsigkeit des Problems und anderseits den thermo-viskoelastischen Materialeigenschaften Rechnung tragen. Von Interesse ist dabei nicht das Bruchverhalten des Blasenmaterials sondern die Geschwindigkeit, mit welcher sich bei bestimmten Blasendrücken, Gussasphalttemperaturen, Schichtdicken und Arten der Blasenkeime (Einzelblasen, Blasenkolonie) eine Blase aufbaut, bzw. vergrössert.

Modellierungszielgrössen sind daher die Zeit, die Temperatur, die Blasengeometrie (Volumen, Höhe und Durchmesser) und wenn möglich die Dehnungen im Blasenmaterial bzw. in der Dichtungsbahn im noch ungerissenen homogenen Zustand.

Das Wahl der Berechnungsmodelle und deren Erweiterung ist Aufgabe des Projektes und wird nach Auswertung des vorhandenen State of the Art vorgenommen.

Realisierung im Rahmen einer Doktorarbeit

Da die Entwicklung eines Simulationstests zur Beurteilung des Widerstandes gegen die Bildung von Blasen an einem definierten Abdichtungs-Modellsystem durchgeführt werden soll, ist eine eingehende Modellierung der Mechanismen erforderlich. Mit solchen Modellen wird auch eine über die eigentliche experimentelle Simulation hinausgehende erweiterte Variation der Einflussgrössen im Sinne einer theoretischen Parameterstudie möglich und der notwendige Prüfaufwand reduziert. Zu diesem Zweck ist die Erarbeitung eines vertieften grundlegenden Verständnisses der Bildung „heiss-kalter“ Blasen sicherzustellen. Dies kann aus wissenschaftlicher Sicht in idealer Weise im Rahmen einer PhD Arbeit durchgeführt werden. Diese soll an der KTH Stockholm realisiert werden, wobei die Empa gewisse fachliche Unterstützung auf Basis einer bestehenden Vereinbarung Empa-KTH bieten kann. Verantwortung und Federführung liegen aber bei der KTH. Die Durchführung im Rahmen einer PhD Arbeit erfordert es, dass bereits während der Durchführung des Projektes wissenschaftliche Publikationen (z.B. State of the Art, Zwischenergebnisse) erstellt werden müssen, da zum Erreichen eines Doktorates an der KTH eine gewisse Anzahl referierte Publikationen vorgelegt werden muss.

Die PhD Arbeit an der KTH wird etwa zwei Jahre nach Abschluss dieses Projektes vollendet werden. Die Finanzierung dieser Doktorarbeit über die Dauer des Projektes hinaus ist nicht Gegenstand des vorliegenden Projektes. Die entsprechenden Mittel werden anderweitig beantragt.

Die Betreuung des an der KTH während der Projektphase über die Projektmittel zu finanzierenden Doktoranten erfolgt durch den Projektleiter, der beruflich als Abteilungsleiter der Empa, wissenschaftlich als Ass. Professor an der KTH wirkt. Die im Projekt beantragten finanziellen Mittel betreffen somit insbesondere die Finanzierung des Doktoranden an der KTH. Es ist vorgesehen, an der Empa gewisse experimentelle Arbeiten durchzuführen und den Betreuungsaufwand des PhD Studenten durch den Projektleiter über die Empa zu sponsern. Daher ist für die Projektleitung kein finanzieller Betrag vorgesehen. Voraussetzung für dieses Konzept ist aber, dass hiezu seitens der Empa die notwendigen Ressourcen bewilligt werden und ein geeigneter Kandidat für die Doktorarbeit gefunden werden kann.
Zugehörige Dokumente
Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)

 Ein Versuchsaufbau für die Druckerzeugung in den Blasenkeimen und für die Messung des Blasenvolumens wird an der Forschungsstelle entwickelt.

Sonstige Gerätschaften für die Laboruntersuchungen und für die numerische Simulation sind vorhanden
Allgemeiner Stand der Forschung
(Deutsch)

Das Vorhandensein von Verbundmängeln, Hohlstellen oder Blasenkeimen zwischen dem Betonuntergrund und der Polymerbitumen-Dichtungsbahn auf einer Brücke kann beim Aufbringen des heissen Gussasphalts zur Entstehung von Blasen unterhalb der Dichtungsbahn führen. Auch können Lösungsmitteleinschlüsse rasch Blasen einer beachtlichen Grösse erzeugen [9]. Obwohl sich die Blasen beim Abkühlen und unter späterer Verkehrseinwirkung wieder zurückbilden, bleiben doch oft Schwachstellen zurück, die die Gebrauchsdauer des Systems verkürzen. In der Praxis weden Blasen und Hohlstellen vor und nach dem Belagseinbau in allen Ausführungs- und Benutzerstadien festgestellt, namentlich auch beim maschinellen Einbau von grossen Flächen. Eine vor ca. 10 Jahren in der Schweiz von der Empa durchgeführte Umfrage bei Kantonen und anderen Bauherren mit 103 eingegangenen Antworten zeigt, dass Blasen von 23% der Befragten für die aufgetretenen Mängel verantwortlich gemacht werden und dass weitere 18% der befragten als Schadensursachen ungenügende Haftung und Feuchteeinwirkung angeben [11]. Auch wenn sich diese Einschätzung in den vergangenen Jahren verändert haben mag, zeigt diese Umfrage doch, dass die Problematik der Blasenbildung durchaus ernst genommen werden muss.

Der Mechanismus des Blasenwachstums beim Aufbringen von Gussasphalt ist nur unzureichend erforscht. Dementsprechend sind die Vorkehrungen gegen diese Art von Blasenbildung teilweise aus der Luft gegriffen. So gibt es bezüglich der minimalen Schichtdicke im internationalen Bereich Unterschiede in den Normen; ja selbst in der Schweiz herrschen divergierende Auffassungen. Bereits im März 2006 wurde daher von der Empa ein diesbezügliches Projekt AGB2005/024 vorgeschlagen. Dieses Projekt wurde aber mit Blick auf das vorliegende Forschungspaket sistiert.

Die Durchführung von Blasentests zur Prüfung der Adhäsion von Schichten ist in anderen Fachbereichen schon seit längerer Zeit üblich, namentlich in der Klebe- und Beschichtungstechnologie sowie im Bereich der Polymerkomposite und Mikroelektronik, z.B. [2, 5 , 16, 17, 20, 22, 23, 24, 26]. Das Prinzip dieser Blasentests besteht darin, Gas oder Flüssigkeit in die Kontaktfläche zwischen Film und Substrat zu injizieren. Für die theoretischen Betrachtungen werden u.a. thermisches Beulen [3, 20] und bruchmechanische Prinzipien [13, 19] herangezogen, wobei auch numerische Verfahren, namentlich Finite Element Modelle angewendet werden [2].

In den vergangenen zehn Jahren wurden verschiedene Anstrengungen und Forschungsarbeiten durchgeführt, um dem Phänomen der Blasenbildung bei bitumenhaltigen Baustoffanwendungen in speziellen Situationen auf die Spur zu kommen [14, 15, 18, 20, 25]. Jüngste Arbeiten wurden im Rahmen einer Doktorarbeit an der University Urbana-Champaign in Illinois durchgeführt [1, 4]. Dort wurde für Fugendichtungsmassen ein Blasentest entwickelt, der auch für das konkrete Projekt ein Ansatzpunkt sein könnte.

Auch an der Empa wurden zur Thematik verschiedenste Arbeiten durchgeführt [6..10]. Diese zeigen, dass die Durchführung von Blasensimulationstest zwar grundsätzlich möglich ist, dass diese allerdings relativ aufwändig und ohne geeignete Berechnungsverfahren und Modellierungen nicht verallgemeinert werden dürfen. Sie zeigen auch, dass geeignete Prüfverfahren praktisch vollständig fehlen und dass mit rein empirisch-performanceorientierter Vorgehensweise die Problematik nicht in zufriedenstellend uns sicher behandelt werden kann; insbesondere muss besondere Sorgfalt auf die Eingrenzung definierter Randbedingungen gelegt werden und eine gleichzeitige unkontrollierte Variation vieler teilweise undefinierte Parameter vermieden werden. Entsprechend macht es keinen Sinn für die Entwicklung eines Testverfahrens eine breite Palette von Praxisfällen zu untersuchen. Dies insbesondere auch deshalb, weil Berechnungsmethoden fehlen, um die Problematik in einer grundlagenbasierten anwendungsorientierten Weise behandeln und bewerten zu können.
Projektziele
(Deutsch)
  • Evaluation und Einstufung von: 

        - Prüfungen und Prüfverfahren zur Bewertung der Blasenbildung zwischen Betonuntergrund und Polymerbitumen-           Dichtungsbahn mit Gussasphaltbelag;

        - Modellen, Berechnungsansätzen und Berechnungsmethoden

  • Entwicklung eines Simulationstests zur Beurteilung des Widerstandes gegen die Bildung von Blasen, wie sie zwischen Betonuntergrund und Dichtungsbahn mit Gussasphaltbelag nach dem Aufbringen des heissen Gussasphalts auftreten können. Untersucht werden soll der Einfluss des Blasendrucks (zwecks Simulation des Einflusses der Feuchte des Untergrundes), der Anfangstemperatur des Gussasphaltes, der Belagsdicke sowie der Art der Blasenkeime (Einzelblase, Blasenkolonie).
  • Experimentelle und numerische Modellierung des Mechanismus der Blasenbildung als Basis für die Beurteilung verschiedener Systemaufbauten und für allfällige spätere Praxisuntersuchungen.
  • Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen als Basis zum besseren Verständnis des Phänomens der Blasenbildung bei dichten Belägen im Rahmen einer über dieses Projekt hinausgehenden Doktorarbeit an der KTH unter der Leitung des Projektleiters in seiner Eigenschaft als Associate Professor an der KTH. Dieser Punkt schliesst die Durchführung einer theoretischen Parameterstudie ein.
  • Berichterstattung auf Englisch
Projektziele
(Englisch)
  • Evaluation and ranking of

           - test methods and procedures for assessing the formation of Blisters between concrete base and flexible polymer-             bitumen sheets for waterproofing on mastic asphalt

         -   models, calculation approaches and methods

  • Development of a simulation test for the assessment of the resistance against building of blisters which can appear between the concrete base and the flexible polymer-bitumen sheets for waterproofing after the application of mastic asphalt. The following parameters will be taken into account: the blister pressure (simulating the influence the humidity of the base), the initial temperature of the mastic asphalt, the pavement course thickness, and the kind of the blister seeds (single blister, blister assembly).
  • Experimental and numerical modelling of the growth of blisters as a basis for the assessment of different bridge pavement constructions and for the possible future investigations.
  • Elaboration of scientific basics for better understanding of the blistering phenomena of dense pavements within the frame of a PhD thesis at KTH under the supervision of the project leader who has the position of associate Professor at KTH. This point includes a theoretical parameter study.
  • Reporting will be done in English
Forschungsplan
(Deutsch)

Arbeitsschritte

Die nachstehend angegebenen Arbeitsschritte sind provisorisch, da sie auf der Annahme beruhen, dass die sich Vorgehensweise (Aufbau und Untersuchung eines Modellsystems mit Gussasphalt, Simulation der Blasen mit der entsprechenden Versuchsanordnung sowie die numerische Modellierung) gemäss hier skizziertem Konzept realisieren lässt. Forschung betritt jedoch immer Neuland. Sollten im Verlauf des Projektes Änderungen des Konzeptes (z.B. anderes Modellsystem) nötig werden, muss die Forschungsstelle die Möglichkeit in Anspruch nehmen, in eigener fachlicher-wissenschaftlicher Verantwortung nach informativer Rücksprache Arbeitsschritte und Konzept zur optimalen Zielerreichung abzuändern. Aufgrund der heutigen Einschätzung ergeben sich folgende Arbeitsschritte:

1) Startup: Abgleich und Detailplanung mit den anderen EPs; Definition der Eckpunkte (Materialien) für ein zur Untersuchung möglichst realistisches praxisrelevantes jedoch zum Erreichen der Zielsetzung möglichst aussagekräftiges Modellsystem. Um die Grundvoraussetzungen für die Durchführung des Projektes zu schaffen, d.h. die Rekrutierung des Doktoranden zu ermöglichen und die noch erforderliche zusätzliche Unterstützung (namentlich die Ressourcen der Empa für den Betreuungsaufwand und die experimentellen Arbeiten des Doktoranden an der Empa) sicherzustellen, wird dieser Abgleich und der Start des Projektes nicht vor März 2009 beginnen können. Im Hinblick auf die Abwicklung des Forschungspaketes dürfte dies jedoch keinen Einfluss haben, zumal die Dauer des Projektes ohnehin nur auf zwei Jahre veranschlagt ist und nach Auffassung der Forschungsstelle weitgehend unabhängig von den anderen Projekten abgewickelt werden kann.

2) State of the Art Report; Infoaustausch: permanenter nationaler und internationaler Wissenstransfer (Know-how up-dating inkl. gezielte konzertierte Informationsverbreitung) sowie Auswertung des vorhandenen Wissens im Rahmen von State of the Art Papers in „reviewten“ internationalen Journals. Der Austausch auf diesem Wege ist wichtig und gerechtfertigt, da in diesem Projekt anwendungsorientierte Grundlagenarbeiten durchgeführt werden, die auch international von wissenschaftlichem Interesse sind. Dies gilt insbesondere deshalb, weil durch solche Publikationen die spätere internationale Akzeptanz von Testverfahren gefördert wird (Stichwort CEN). In diesem Sinne ist auch die Durchführung der Arbeiten in Querverbindung mit KTH, d.h. über die Landesgrenzen hinaus, sicher förderlich.

3) Evaluation von Berechnungsverfahren, Modellen und Berechnungsansätzen: Praktische vergleichende Durchführung verschiedener Berechnungen aufgrund des State of the Art Berichtes und Vorarbeiten zur Erweiterung bzw. Verbesserung der Berechnungsmodelle und –verfahren; Bestimmung der für die Modelle notwendigen thermo-viskoelastischen Materialeigenschaften.

4) Entwicklung eines Testverfahren für Einzelblasen: Konstruktion und Herstellung eines geeigneten Versuchsaufbaus (Modellsystem) in mechanischem und messtechnischem Sinne, inklusive Kalibrierung und Arbeiten betreffend reproduzierbarem und möglichst homogenem Aufbringen des Gussasphaltes oder einer anderen den Gussasphalt simulierenden Schicht (evtl. unter Einsatz von Thermografie); Optimierung des Herstellens des Modellsystems. Schritt 4 beruht auf der Annahme, dass das Modellsystem mit Gussasphalt realisiert werden kann.

5) Durchführen der Tests für Einzelblasen am Modellsystem: Variation von Blasendruck (zwecks Simulation des Einflusses der Feuchte des Untergrundes), Anfangstemperatur des Gussasphaltes, und Belagsdicke.

6) Modellvalidierung für Test mit Einzelblasen: Validierung des Modells anhand der Tests im Rahmen der Entwicklung unter Punkt 4) und 5) und Realisierung allfälliger Anpassungen.

7) Modellierung Blasenkolonie: Erweiterung des für Einzelblasen entwickelten Modells für Blasenkolonien und Parameterstudie betreffend jenem Blasenabstand, bei dem sich bei minimalem Druck etwa gleich grosse Blasen bilden wie bei einfachen Blasen.

8) Entwicklung eines Testverfahrens für Blasenkolonie: Konstruktion und Herstellung eines geeigneten Versuchsaufbaus in mechanischem und messtechnischem Sinne, inklusive Kalibrierung.

9) Durchführen der Tests für Blasenkolonie am Modellsystem: Variation von Blasendruck (zwecks Simulation des Einflusses der Feuchte des Untergrundes), Anfangstemperatur des Gussasphaltes, und Belagsdicke.

10) Modellvalidierung für Test mit Blasenkolonie: Validierung des Modells anhand der Tests im Rahmen der Entwicklung unter Punkt 7) und 8) und Realisierung allfälliger Anpassungen

11) Theoretische Parameterstudie und Validierung des Modells: Parameterstudie für einfache Blasen und Blasenkolonien einschliesslich theoretischer Variation massgebender Parameter zwecks erweiterter Diskussion der Einflussfaktoren.

12) Schlussbericht des EP5 in Englisch: Zusammenfassung und Diskussion aller Ergebnisse und Beantwortung der im Projekt behandelten Fragestellungen gemäss Zielsetzung, namentlich Formulierung eines Vorschlages für einen Simulationstests zur Beurteilung des Widerstandes gegen die Bildung von Blasen sowie Formulierung der wissenschaftlicher Grundlagen als Basis zum besseren Verständnis des Phänomens der Blasenbildung bei dichten Belägen

13) Schlussbericht des EP5 auf Deutsch: Verfassen einer deutschen Fassung des Schlussberichtes, durch Übersetzung (wenn möglich ungekürzt, jedenfalls aber mit den wesentlichen Berichtsteilen) im Rahmen des zusätzlich bewilligten Betrags

14) Drucken der deutschen Fassung des Berichtes, Projektabschluss

Zeitplan und Meilensteine (vorbehaltlich Koordination mit dem Forschungspaket)

Zeiplan siehe unten Tabelle1

Wie aus dem Zeitplan ersichtlich, gliedert sich das Projekt in folgende Meilensteine:

Meilenstein M1: State of the Art; Entwicklung der Versuchseinrichtung für Einzelblasen; Erstellung eines numerischen Modells; Modellvalidierung und Tests an verschiedenen Testkonfigurationen (Blasendruck, Anfangstemperatur des Gussasphaltes, Belagsdicke)

Meilenstein M2: Entwicklung der Versuchseinrichtung für Blasenkolonie; Erstellung eines numerischen Modells; Modellvalidierung und Tests an verschiedenen Testkonfigurationen (Blasendruck, Anfangstemperatur des Gussasphaltes, Belagsdicke), Beginn Parameterstudie

Meilenstein M3 Abschlussphase: Theoretische Parameterstudie und Berichterstattung.

Zugehörige Dokumente
Berichtsnummer
(Deutsch)
1503
Berichtsnummer
(Englisch)
1503
Literatur
(Deutsch)

1. Al-Qadi, I.L., Fini, E., Masson, J-F.: Prediction of Bonding Characteristics of Hot-Poured Bituminous Sealants to Aggregates, Proceedings of ISAP 2008 int. Symposium on Apshalt Pavements and Environment, August 18…20, Zürich, proceedings edited by M.N. Partl, ISBN 978-3-905594-51-5 pp727…738, (2008)

2. Xiang, D., Chen, M., Sun, F.: Finite Element Modeling and Blister Test to Investigate the Adhesive Strength of Diamond Thin Film, Key Engineering Materials Vols. 359-360 pp 85…89 (2008)

3. Croll, J.G.A: Thermal Buckling of Pavement Slabs. Proc of Inst of Civil Engineers. Transport, Vol 158, pp 115…126 (2005)

4. Fini, E., Al-Qadi, I. L. and Masson, J-F. A New Blister Test to Measure Bond Strength of Asphaltic Materials Association of Asphalt Paving Technology (AAPT) Journal, 77 pp275..302 (2007).

5. Hbaieb, K., Zhang, Y. W., A Parametric Study of a Pressurized Blister Test for an Elastic-Plastic Film-Rigid Substrate System, Materials Science and Engineering, A Vol. 390, pp. 385..392 (2005).

6. Hean, S., Partl, M. N.: Erfassung massgebender Einflussfaktoren bei Brückenabdichtungssystemen mit Bitumenbahnen. Laboruntersuchungen. Eidgenossisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Strassen. Bericht Nr. 597 (2006).

7. Partl, M. N., Uherkovich, I.: Schädigungsmechanismen bei Aufflämmen von Polymerbitumen- Dichtungsbahnen. Eidgenossisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Strassen (Empa No. 840049). Bericht Nr. 557 (2004).

8. Partl, M.N., Hean, S: Practical Aspects of Interaction between Mastic Asphalt and Waterproofing System in Bridge and Tunnel Construction. Performance of Bituminous and Hydraulic Materials in Pavements, edited by S.E. Zoorob et al, Balkema Publishers, ISBN 90 5809 375 1, pp57...63, (2002)

9. Partl, M. N., Gubler, R., Hean, S.: Belagsschäden infolge Blasenbildung auf einer neuen Hängebrücke in Hongkong. In "Nachhaltige Material- und Systemtechnik" (W. Muster und K. Schläpfer Herausgeber), EMPA Dübendorf, ISBN 3-905594-21-8, pp337-343, (2001)

10. Stimolo-Küng, M., Partl, M. N.: Erfassung massgebender Einflussfaktoren bei Brückenabdichtungen mit Polymerbitumen-Dichtungsbahnen. Stand der Technik. Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Strassen. Bericht Nr. 553 (2000).

11. Partl, M.N.: PBD- Brückenabdichtungssysteme in der Schweiz im Spiegel einer Praxisumfrage. SIA Dokumentation D0147, pp 19-26, (1999)

12. Hean, S., Partl, M.N. and Oba, K.: Baustoffe und Eigenschaften von Polymerbitumen-Dichtungsbahnen und Haftvermittlern. SIA Dokumentation D0147, pp 55-71, (1999)

13. Shirani, A., and Liechti, K. L., A Calibrated Fracture Process Zone Model for Thin Film Blistering, International Journal of Fracture, 93 pp 281..314,(1998).

14. Michalski, C.: Wachsende Blasen in Schichten aus Asphalt unter besonderer Berücksichtigung von Brückenbelägen, Teil 1: Entstehen wachsender Blasen. Strasse + Autobahn, vol.5 (1997).

15. Michalski, C.: Wachsende Blasen in Schichten aus Asphalt unter besonderer Berücksichtigung von Brückenbelägen, Teil 2: Wachsende Blasen in der Praxis. Strasse + Autobahn, vol.7 (1997).

16. Cotterell, B., Chen, Z.: The Blister Test—Transition From Plate to Membrane Behavior for an Elastic Material, International Journal of Fracture, Vol. 86, pp. 191…198 (1997)

17. William, J.G.: Energy Release Rate for the Peeling of Flexible Membrane and the Analysis of Blister Tests, International Journal of Fracture, Vol. 87, pp. 265…288 (1997).

18. Rogosch, N.: Zur Blasenbildung in thermoviskosen Stoffen unter Berücksichtigung rheologischer Materialkennwerte und geometrischer Randbedingungen. Dissertation, Mitteilungen aus dem Fachgebiet Konstruktiver Strassenbau im Institut für Verkehrswirtschaft, Strassenwesen und Städtebau der Universität Hannover (1994).

19. Wan, K. T., Yiu. W. M.: Fracture Mechanics of a New Blister Test with Stable Crack Growth, Acta Metallurgica et Materialia, Vol. 43, No. 11. pp. 4109…4115 (1995).

20. Hobbs, R.E.: Two-dimensional upheaval buckling of a heavy sheet. Thin Walled Structures, vol. 8 (1994).

21. Michalski, C.: Modellvorstellungen zur Deutung des Blasenwachstums im Gussasphalt und anderen thermoviskosen Stoffen für den Strassenbau. Eigenverlag des Fachgebietes Konstruktiver Strassenbau im Institut für Verkehrswirtschaft, Strassenwesen und Städtebau der Universität Hannover (1992).

22. Chu, Y. Z., Durning, C. J.: Application of the Blister Test to the Study of Polymer-Polymer Adhesion, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 45, pp. 1151…1164 (1992).

23. Jiang, K.R., and Penn, L. S., Use of the Blister Test to Study the Adhesion of Brittle Materials, Test Modification and Validation, Journal of Adhesion, 32, pp 203..216. (1990)

24. Gent, A. N., Lewandowski. L. H.: Blowoff Pressures for Adhering Layers, Journal of Applied Polymer Science,Vol. 33, pp. 1567…1577 (1987).

25. Gerlach, A.: Zu den Ursachen von Blasenbildungen in bituminösen Fahrbahnbefestigungen. Die Asphaltstrasse, vol.7 (1985).

Dannenberg, H., Measurement of Adhesion by a Blister Method, Journal of Applied Polymer Science, V (1961) pp125..134