Eine ewige Verbindung? - Zum Schichtverbund im Asphaltstraßenbau

Der Verbund im Asphaltstraßenbau spielt eine nicht zu unterschätzende Rolle. Betrachtet man den gesamten Asphaltaufbau, dann wird in vielen Fällen davon ausgegangen, dass sich dieser Aufbau als einziger monolithischer Körper verhält. In der Realität erkennt man jedoch, dass durch den lagenweisen Einbau Grenzflächen entstehen, die die Einwirkungen auf das Straßenbauwerk auf gleiche Weise ab- und weiterleiten sollen, wie dies innerhalb einer Schicht gewährleistet ist.

Bild 1Inhomogene oder ungenügende Verbundeigenschaften bewirken also eine Verringerung des Gesamtwiderstandes und führen folglich zu größeren Verformungen und Rissbildung, die schlussendlich eine Verkürzung der Lebensdauer bedeuten. Daher ist es wichtig die Verbundeigenschaften einerseits bei der Dimensionierung zu berücksichtigen, diese andererseits aber auch während des Bauprozesses durch Laborversuche zu überprüfen.

Welche Einwirkungen gibt es?

Bild 2Betrachtet man die tatsächlichen Einwirkungen auf den Straßenaufbau, kann man diese in horizontale und vertikale Kräfte unterteilen. Vertikale Einwirkungen treten aufgrund der Achslasten des fließenden Verkehrs auf. Unterscheidet man das Verhalten in theoretischen Betrachtungen von „vollem Verbund“ gegenüber „ohne Verbund“ (Abbildung 2), kann man erkennen, dass bei nicht ausreichenden Verbundeigenschaften, sich jede Schicht als Einzellage verhält und somit die Gesamtverformungen steigen. Dabei kann es auch zu Abhebeerscheinungen der Deckschicht in den Zonen der maximalen Zugbeanspruchungen kommen. Horizontale Kräfte andererseits treten vor allem bei Brems- und Beschleunigungsvorgängen auf. Dabei würde wiederum der theoretische Fall „ohne Verbund“ zum Abgleiten der Schichten führen, da die horizontalen Belastungen nicht an darunter liegende Schichten übertragen werden können (Abbildung 3).

Bild 3Ausreichende Verbundeigenschaften bewirken auch hier ein Zusammenwirken der Schichten zu einem maximal möglichen Widerstand gegen Einwirkungen.

Welche Verbundmittel und Bauweisen gibt es?

Physikalisch betrachtet stehen 2 Arten von Verbundmechanismen zur Verfügung, um die Lastübertragung zwischen 2 Schichten zu gewährleisten (Abbildung 4). Einerseits kann man dies durch den Einsatz eines „Klebstoffes“ (z.B. Vorspritzen mit Bitumenemulsion bei Einbau „Heiß auf Kalt“) erreichen, andererseits kann aber eine geometrische Textur zu einer verzahnenden Wirkung führen.

Bild 4Diese erstreckt sich in größeren Dimensionen vom Eindrücken einzelner Gesteinskomponenten der oberen Lage in die untere beim Einbau eines Kompaktasphaltes („Heiß auf Warm“), bis hin zu kleineren Dimensionen bei Bearbeitungen der Betonoberfläche beim Überbauen mit Asphalt („Blacktopping“).

Einfluss von ungenügendem Schichtverbund auf die Dimensionierung?

In der RVS 03.08.63 [1] für die Oberbaudimensionierung sind verschiedene Aufbauten mit unterschiedlichen Dicken der einzelnen Schichten abhängig von der Verkehrsbelastung vorgegeben. Die vorgegebene Gesamtdicke aller Asphaltschichten ist aber nur dann gültig, wenn die Mindestanforderungen an den Schichtenverbund der bituminösen Schichten erfüllt sind. Um die Auswirkung des ungenügenden Schichtenverbunds auf die Dimensionierung zu veranschaulichen, wurde die technische Lebensdauer eines Autobahn-Aufbaus der LK25, Bautype AS1 (25 cm Asphalt) bei verschiedenen Verbundzuständen untersucht (siehe Abbildung 5).

Bild 5Bei einem möglichen Verbund beträgt die relative technische Lebensdauer 100%. Im Fall „kein Verbund“ sinkt die Lebensdauer auf bis zu ca. 10% ab. Das Diagramm macht deutlich: je schlechter der Verbund, desto kürzer wird die Lebensdauer.

Welche Prüfmethoden und Anforderungen gibt es?

Im Entwurf der EN 12697 – 48 zum Schichtenverbund sind 5 verschiedene Prüfmethoden beschrieben [2]:

  • Scherhaftfestigkeitsprüfung
  • Haftzugfestigkeitsprüfung
  • Prüfung der Haftfestigkeit unter Drehmoment
  • Scherhaftfestigkeit unter Druckbelastung
  • Zyklische Scherhaftfestigkeitsprüfung unter Druckbelastung


Scherhaftfestigkeitsprüfung

Die Scherhaftfestigkeitsprüfung oder der so genannte Scherversuch nach Leutner dient zur Beurteilung des Widerstandes gegen horizontale Scherspannungen in der Zwischenschicht zweier Fahrbahnbefestigungsschichten. An zylindrischen Probekörpern mit einem Durchmesser von 100mm wird eine Scherkraft mit konstanter Geschwindigkeit (50mm/s) bei 20°C aufgebracht. Das Ergebnis ist die maximale Scherspannung.

Haftzugfestigkeitsprüfung

Die Haftzugfestigkeitsprüfung dient zur Beurteilung der Haftzugfestigkeit zwischen zwei Fahrbahnbefestigungsschichten. An zylindrischen Probekörpern mit einem Durchmesser von 100mm wird mithilfe einer Zugvorrichtung senkrecht zur Grenzschichtebene eine Zugkraft bei konstanten Temperatur (0°C) und Geschwindigkeit (200N/s) aufgebracht. Das Ergebnis ist die auf die Zugfläche bezogene Höchstkraft (Haftzugfestigkeit).

Prüfung der Haftfestigkeit unter Drehmoment

Die Prüfung der Haftfestigkeit unter Drehmoment ist eine alternative zur Scherhaftfestigkeitsprüfung und kann im Gegenteil zur Scherhaftfestigkeitsprüfung sowohl im Labor als auch vor Ort eingesetzt werden. Mittels einer Prüfvorrichtung wird auf die obere Schicht eine horizontale Drehkraft mit konstanter Geschwindigkeit aufgebracht. Die Prüfung wird bis zum Erreichen des maximalen Drehmoments durchgeführt.

Scherhaftfestigkeitsprüfung unter Druckbelastung

Die Scherhaftfestigkeitsprüfung unter Druckbelastung ist eine realitätsnahe Variante der Scherhaftfestigkeitsprüfung und dient zur Beurteilung des Scherverhaltens von Zwischenschichten, die durch vertikale und horizontale Verkehrslasten beansprucht werden. Ein zylindrischer Probekörper wird durch direkte Scherbelastung beansprucht, während eine senkrecht auf die Grenzfläche wirkende Axiallast auf den Probekörper aufgebracht wird. Ermittelt wird die max. Scherspannung an der Grenzfläche zwischen den Schichten. Bei der Scherhaftfestigkeitsprüfung ohne Druckbelastung werden hauptsächlich die Eigenschaften der Verklebung untersucht. Im Fall mit Druckbelastung kommen auch die Verzahnung und die Reibung als wichtige Einflussgrößen zum Einsatz.

Zyklische Scherhaftfestigkeitsprüfung unter Druckbelastung

Die Zyklische Scherhaftfestigkeitsprüfung unter Druckbelastung dient zur Beurteilung der Verbundeigenschaften von Zwischenschichten bei unterschiedlichen Temperaturen, Belastungsfrequenzen und Normalspannungsniveaus. Mithilfe einer geeigneten Prüfvorrichtung werden zylindrischen Probekörper (DN 100) durch zyklische, direkte Scherbelastung beansprucht, währen eine senkrecht auf die Grenzfläche wirkende Axiallast auf den Probekörper aufgebracht wird.

Neue Erkenntnisse vom Forschungsprojekt zum Schichtenverbund Asphalt-Beton?

Motivation

Die Instandsetzung von Betondecken durch Überbauung wird zunehmend an Bedeutung gewinnen, da die Altersstruktur der Decken Instandsetzungsmaßnahmen in vermehrtem Ausmaß notwendig machen werden. Durch Überbauung kann die Lebensdauer um 5 bis 10 Jahre verlängert werden. Allerdings ist dafür ein dauerhafter Verbund zwischen Betondecke und Asphaltdeckschicht Voraussetzung.

Im Rahmen der Instandsetzung der Autobahn A1 Böheimkirchen - St. Pölten Süd, RFB Salzburg wurde im Abschnitt Böheimkirchen (km 46,980 bis km, 53,290) die gesamte Fahrbahn (Pannenstreifen bis 3. Fahrstreifen) mit einer neuen Asphaltdeckschicht überbaut. Die bestehende Betondecke auf dem zweiten und dritten Fahrstreifen wurde für die Überbauung entsprechend vorbereitet, um ausreichenden Verbund zwischen Betondecke und neuer Asphaltdeckschicht sicherzustellen. Inhalt des Forschungsprojekts sind Untersuchungen zur Überbauung der Betondecke durch eine bituminös gebundene Schicht. Dabei werden die Verbundeigenschaften am Interface zwischen Bestandsbeton und Asphaltüberbauung an Bohrkerne aus dieser Untersuchungsstrecke analysiert [3].

Fragestellungen

Aus den oben genannten Randbedingungen ergeben sich folgende Fragestellungen, die im Rahmen des Projekts abzuhandeln sind:

  • Untersuchung verschiedener Methoden zur Oberflächenbehandlung der Betondecke vor der Überbauung
  • Einfluss der Überbauung mit dichtem bzw. hohlraumreichem SMA S2 bzw. S3 Konzept auf die kurz- und langfristige Verbundwirkung
  • Maßgebliche Beanspruchung am Interface durch Brems- bzw. Antriebskräfte und Beurteilung von statischen Prüfverfahren zur Ansprache des dauerhaften Schichtverbundes
  • Ausarbeitung von Empfehlungen für ergänzende technische Anforderungen an den Schichtverbund bei der Überbauung von Betondecken mit Asphalt


Bild 6Die vorhandenen Betonoberflächen wurden mit drei verschiedenen Methoden vorbehandelt (Abbildung 6):

  • Höchstdruckwasserstrahlen 2500 bar (HöDW)
  • Kugelstrahlen (K)
  • Kombination aus Hochdruckwasserstrahlen und Kugelstraßen (K+HDW)

 

Die Varianten sollen mit einem dichteren SMA 11 S2, sowie einem hohlraumreichen SMA 11 S3 überbaut werden, um auch den Einfluss des Mischgutkonzepts auf die Dauerhaftigkeit des Verbunds untersuchen zu können.

Daraus ergeben sich folgende sechs Testfelder:

  • Kugelstrahlen überbaut mit SMA S2 (K)
  • Höchstdruckwasserstrahlen 2500 bar überbaut mit SMA S2 (HöDW)
  • Kugelstrahlen und Hochdruckwasserstrahlen überbaut mit SMA S2 (K+HDW)
  • Kugelstrahlen überbaut mit SMA S3 (K)
  • Höchstdruckwasserstrahlen 2500 bar überbaut mit SMA S3 (HöDW)
  • Kugelstrahlen und Hochdruckwasserstrahlen überbaut mit SMA S3 (K+HDW)


Aus alle sechs Testfelder wurden Bohrkerne vor Verkehrsfreigabe und 1 Jahr nach Verkehrsfreigabe entnommen, die dann mittels der Prüfungen für Haft- und Schubverbund untersucht und ihre Haft und Scherhaftfestigkeiten ermittelt wurden [4, 5]

Haftzugfestigkeit

Bild 7

In Abbildung 7 sind die Mittelwerte aller Vorbehandlungen vor und 1 Jahr nach Verkehrsfreigabe zu sehen. Der laut RVS 08.16.06 geforderte Wert für die Haftzugfestigkeit von Deckschichten von 1,5 N/mm² wird bei den Prüfkörpern aller Vorbehandlungsarten und beider Asphaltsorten erfüllt. In den Diagrammen für den Haftverbund lassen sich jedoch Unterschiede zwischen den Überbauungsarten feststellen. Links ist die Überbauungsart SMA 11 S2 und rechts SMA11 S3 zu sehen. Sowohl vor Verkehrsfreigabe als auch 1 Jahr nach Verkehrsfreigabe führt die Überbauung mit dem dichteren Mischgut zu höheren Haftzugfestigkeiten.

Scherhaftfestigkeit

Bild 8

In Abbildung 8 sind die Ergebnisse von der Scherfestigkeitsprüfung  zusammengefasst. Hier ist der gleiche Trend wie bei den Haftzugfestigkeiten zu sehen. Die Asphaltsorte SMA 11 S2 führt im Fall 1 Jahr nach Verkehrsfreigabe zu höheren Scherfestigkeiten als bei SMA 11 S3. Die rote Linie zeigt den Grenzwert laut RVS 08.16.06. Hier liegen alle Varianten außer SMA 11 S2, Überbauung K+HDW (1 Jahr nach Verkehrsfreigabe) unter dem Grenzwert von 1,2 N/mm².

Numerische Untersuchungen

Um die am Verbund zwischen Asphalt und Beton herrschenden Spannungen zu berechnen, wurden zwei Finite-Elemente-Modelle erstellt (siehe Abbildung 9). Das erste Modell bildet die statische Schubfestigkeitsprüfung im Labor nach und gibt über den Verbundzustand aufgrund Scherbelastung Auskunft. Modell 2 simuliert einen tatsächlichen Straßenaufbau bestehend aus SMA-Schicht, Betondecke, bituminöser Schicht, ungebundener Schicht und Untergrund. Modell 2 dient der Untersuchung von maßgeblichen Belastungen durch Gewichts- und Bremskräfte in der Straße. Als Ergebnis werden die maximalen Spannungen in der Verbundzone ermittelt. Die Simulationen wurden mit Inputdaten aus allen durchgeführten Schubfestigkeitsprüfungen durchgeführt. Der Mittelwert der auftretenden maximalen Schubspannungen am Interface zwischen Asphalt und Beton aller ausgewerteten Probekörper beträgt 0,7 N/mm2. Unter Berücksichtigung eines Sicherheitsbeiwerts aufgrund der geringen Stichprobengröße empfehlen wir einen Grenzwert für die Schubfestigkeit von 0,9 N/mm2. Die Ergebnisse aus diesem Projekt wurden in der neuen RVS 08.16.01 [6] implementiert (siehe Tabelle 1).

Bild 9


 Bild 10
Zusammenfassung

Die Straßenkonstruktion hat einen lagenweisen Aufbau. Durch diesen Aufbau entstehen Grenzflächen, die die Einwirkungen auf das Straßenbauwerk auf gleiche Weise ab- und weiterleiten sollen, wie dies innerhalb einem monolithischen Körper stattfinden.  Inhomogene oder ungenügende Verbundeigenschaften bewirken also eine Verringerung des Gesamtwiderstandes und führen folglich zu größeren Verformungen und Rissbildung, die schlussendlich eine Verkürzung der Lebensdauer bedeuten. Daher ist es wichtig die Verbundeigenschaften einerseits bei der Dimensionierung zu berücksichtigen, diese andererseits aber auch während des Bauprozesses durch Laborversuche zu überprüfen.

Im Entwurf der EN 12697 – 48 zum Schichtenverbund sind 5 verschiedene Prüfmethoden beschrieben, mit denen die Verbundeigenschaften untersucht werden können [2]:

  • Scherhaftfestigkeitsprüfung
  • Haftzugfestigkeitsprüfung
  • Prüfung der Haftfestigkeit unter Drehmoment
  • Scherhaftfestigkeit unter Druckbelastung
  • Zyklische Scherhaftfestigkeitsprüfung unter Druckbelastung


Die verschiedenen Prüfverfahren simulieren unterschiedliche Belastungsbedingungen. Die Scherhaft-  und Haftzugfestigkeitsprüfung sind die Standardprüfmethoden zur Untersuchung des Schichtenverbunds, die im Rahmen des Forschungsprojekts zum Schichtenverbund Asphalt – Beton verwendet wurden. Das Ziel dieses Forschungsprojekt war die Wissenschaftliche Betreuung der Versuchsstrecke die während der Instandsetzung der Autobahn A1 Böheimkirchen - St. Pölten Süd, RFB Salzburg errichtet wurde. Im Abschnitt Böheimkirchen (km 51,500 bis km, 52,700) wurden sechs verschiedene Testfelder vorbereitet. Es wurden drei Vorbehandlungsmethoden der Betondecke (Höchstdruckwasserstrahlen, Kugelstrahlen und die Kombination von Kugelstrahlen und Hochdruckwasserstrahlen) und zwei Überbauungsarten verwendet. Vor Verkehrsfreigabe und 1 Jahr nach Verkehrsfreigabe wurden Bohrkerne entnommen, die dann mittels der Prüfungen für Schub und Haftverbund untersucht wurden [4, 5]. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sowohl bei den Haftzugfestigkeiten als auch bei den Scherfestigkeiten die Mischgutart SMA 11 S2 zu höheren Werten als SMA 11 S3 führt. Alle Haftzugfestigkeiten liegen über dem Grenzwert von 1,5 N/mm² [7]. Alle Scherfestigkeiten außer SMA 11 S2, Überbauung K+HDW (1 Jahr nach Verkehrsfreigabe) liegen unter dem Grenzwert von 1,2 N/mm² [7].

Auf Basis der durchgeführten Materialprüfungen und Simulationen kann unter Berücksichtigung eines Sicherheitsbeiwertes ein Grenzwert für die Schubfestigkeit gemäß ÖNORM B 3639-1 von 0,9 N/mm2 empfohlen werden. Die Anwendung eines solchen Beiwertes ist notwendig, um die Ergebnisse aufgrund geringer Stichprobengröße ausreichend abzusichern. Bei entsprechenden weiteren Untersuchungen und Simulationen könnte dieser Beiwert in Zukunft verringert und die Anforderung dadurch weiter präzisiert werden. Übernahmefähig mit Qualitätsabzug sind gemäß dieser Empfehlung Abschnitte mit einer Schubfestigkeit zwischen 0,9 N/mm² und 0,6 N/mm². Nicht abnahmefähig sind Abschnitte mit einer Schubfestigkeit unter 0,6 N/mm². In Bezug auf die Anforderungen an den Haftverbund gemäß ÖNORM B 3639-2 werden auf Basis der Ergebnisse dieses Projekts keine Änderungen empfohlen.

Literatur
1.    FSV, RVS 03.08.63: Oberbaubemessung. 2016, Österreichische Forschungsgesellschaft Straße-Schiene-Verkehr: Wien, Österreich.
2.    ÖNORM EN 12697-48 - Asphalt - Prüfverfahren für Heißasphalt - Teil 48: Schichtenverbund. Österreichisches Normungsinstitut, 2013.
3.    B. Hofko, L.E., M. Dimitrov, K. Bayraktarova, Schlussbericht "Verbund Asphaltdecke auf Betondecke" Wissenschaftliche Betreuung der Versuchsstrecke. 2017.
4.    ÖNORM, ÖNORM B3639-1 Schubverbund von Asphaltschichten. 1997.
5.    ÖNORM, ÖNORM B3639-2 Haftverbund von Asphaltschichten. 1997.
6.    FSV, RVS 08.16.01: Anforderungen an Asphaltschichten (in Entwurf). 2018, Österreichische Forschungsgesellschaft Straße-Schiene-Verkehr: Wien.
7.    FSV, RVS 08.16.06 - Anforderungen an Asphaltschichten - Gebrauchsverhaltensorientierter Ansatz. 2013.

Dipl.-Ing. Kristina Bayraktarova
Institut für Verkehrswissenschaften
Forschungsbereich für Straßenwesen
Technische Universität Wien
1040 Wien, Gußhausstraße 28/230-3
kristina.bayraktarova@tuwien.ac.at
www.ivws.tuwien.ac.at

Dipl.-Ing. Mariyan Dimitrov
Institut für Verkehrswissenschaften
Forschungsbereich Straßenwesen
Technische Universität Wien
1040 Wien, Gußhausstraße 28/230-3
mariyan.dimitrov@tuwien.ac.at
www.ivws.tuwien.ac.at

Dipl.-Ing. Dr. techn. Lukas Eberhardsteiner
Institut für Verkehrswissenschaften
Forschungsbereich für Straßenwesen
Technische Universität Wien
1040 Wien, Gußhausstraße 28/230-3
lukas.eberhardsteiner@tuwien.ac.at
www.ivws.tuwien.ac.at

Dipl.-Ing. Daniel Steiner
Institut für Verkehrswissenschaften
Forschungsbereich für Straßenwesen
Technische Universität Wien
1040 Wien, Gußhausstraße 28/230-3
daniel.steiner@tuwien.ac.at
www.ivws.tuwien.ac.at