1. ASPHALTBAUWEISE

Strassen und Eisenbahnwesen II. BMEEOUV-N40 Vorlesung 7.
1. ASPHALTBAUWEISE
1.1. ANFORDERUNGEN
Asphalt-tragsschichten haben sehr vielseitige Aufgaben. Im Rahmen der Bauausführung
sollen die Unterlage schnell und wirksam gegen Niederschläge abdichtet werden, um deren
Tragfähigkeit zu erhalten. Für den Einbau der folgenden Asphaltschichten müssen sie einen
zügigen Baubetrieb ermöglichen und insbesondere den hochwertigen Binder- und
Deckschichten eine gleichmäßige, standfeste und ebene Unterlage bieten. Später haben sie die
Aufgabe, als dauerhaft gebundene Schichten im festen Verbund mit der Decke die
Verkehrskräfte aufzunehmen und so zu verteilen, daß die ohne Schaden für die Straßen für die
Straßenkonstruktion auf die Unterlage übertragen werden.
Dafür muss die Mischgutzusammensetzung unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit und der
gegebenen Beanspruchungen eine dauerhafte Bindung sicherstellen.
Von der Seite der Verkehrsteilnehmer und der Umwelt müssen die Verkehrsflächen die
folgenden Anforderungen erfüllen:
• Im Sommer sollen die wegen der thermischen Beanspruchung und der
Verkehrsbelastung entstehende Spurrinnen so gering sein, dass sie die
Verkehrssicherheit nicht bedrohen,
• Der Widerstand wegen der thermischen Beanspruchungen in der Winterkälte soll so
groß sein, dass die Rissbildung vermeiden werden kann,
• Der Kontakt zwischen den Reifen und der Fahrbahnoberfläche soll groß genug sein,
damit eine entsprechende Kraftschluss auftreten kann,
• Der Fahrtkomfort soll gut genug sein, d.h. die Ebenheit in der Längsrichtung
beeinflusst die lotrechten Beschleunigungen und verursacht unangenehme Fahrt. Ein
anderes Problem ist die Lärmemission, die nicht nur den Fahrer, sondern auch die
Menschen stören, die neben den Verkehrsflächen wohnen.
Mit einer entsprechenden Gestaltung des Asphaltmischgutes können diese Eigenschaften
beeinflusst werden. Der Auswahl des Mischgutes ist natürlich eine Optimalisation, weil diese
Anforderungen oft einander widersprechen.
1.2. BAUSTOFFE DES ASPHALTES
• Mineralstoffe,
• Bituminöse Bindemittel,
• Zusatzstoffe (stabilisierende Zusätze).
1.2.1. Mineralstoffe
Die Mineralstoffe stellen den größten Teil einer Asphaltmischung dar. Sie haben die
auftretenden Druckkräfte aufzunehmen und in die unteren Schichten abzuleiten. Für die
Verkehrssicherheit ist es sehr wichtig, daß bei jeder Witterung und Fahrgeschwindigkeit ein
sicherer Kraftschluß zwischen Reifen und Fahrbahn zustande kommt. Die dazu notwendige
Feinrauheit der Fahrbahnoberfläche beruht auf der Kantenschärfe und Rauhigkeit der an der
Oberfläche befindlichen Splitte und Sande.
An die Mineralstoffe sind deshalb hohe Qualitätsanforderungen zustellen. Mineralstoffe für
den Straßenbau müssen den Anforderungen der gültigen Technischen Vorschriften
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entsprechen. Nachstehend werden einige der wichtigsten Anforderungen und Prüfungen
erläutert:
• Korngrößenverteilung
• Witterungsbeständigkeit
• Widerstandsfähigkeit gegen Schlagbeanspruchung
• Kornform
• Bruchflächigkeit
• Widerstandsfähigkeit gegen Polieren
• Reinheit der Lieferkörnungen
• Affinität zu Bitumen
• Widerstand gegen Hitzebeanspruchung in der Trockentrommel
1.2.1.1. Natürliche Mineralstoffe
Die Entstehung der natürlichen Gesteine folgt aus der Entstehung der Erde. Natürlicher
Mineralstoff ist ein Oberbegriff für magmatische, Sediment- und metamorphe Gesteine. Es
wird sowohl ungebrochene (Rundkorn) als auch gebrochene (Brechkorn) Mineralstoffe bei
der Herstellung von Asphalt verwendet. Die technischen Vorschriften unterscheiden die
folgenden Gruppen der Mineralstoffe:
Schotter
Splitt
Sand/Brechsand
Gesteinsmehl/Fühler
20 mm < d max
2 mm < d max < 20 mm
d max < 2 mm
d < 0,09 mm
1.2.1.2. Künstliche Mineralstoffe
Recyclingbaustoffe
Die sind Baustoffe, die aus gebrauchten Stoffen zurückgewonnen und so aufbereitet wurden,
daß sie die für den vorgesehenen Verwendungszweck geltenden Anforderungen erfüllen. Es
sind Materialien, die schon mindestens einmal als Baustoffe eingesetzt waren und zur
Erstellung einer neuen Bauleistung diene sollen. Recyclingbaustoffe sind Ausbau- und
Fräsasphalt, Aufbruchbeton.
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Industrielle Nebenprodukte
Bild II/7.1.: Recycling
Industrielle Nebenprodukte sind aus industriellen Prozessen anfallender Reststoffe. Es sind
die Hochofen-, Elektroofen- oder Hüttenschlacken, der Schmelzkammergranulat, die
Steinkohleflugasche und die Müllverbrennungsasche. Vor dem Einbau müssen die
chemischen und physikalischen Eigenschaften von diesen Materialien bestimmt werden, ob
die eigentlich für straßenbauliche Nutzung geeignet sind.
1.2.2. BituminösesBindemittel
Straßenbaubitumen
Bitumen ist ein viskoelastisches Material, dessen Viskosität von der jeweiligen Temperatur
abhängig ist: bei hohen Temperaturen ist Bitumen dünnflüssig und bei niedrigen
Temperaturen zähplastisch. Die stufenlos verlaufende Viskositätsänderung ist umkehrbar und
wiederholbar und stellt die Grundlage der Verarbeitung dar. Die großtechnische Herstellung
von Straßenbaubitumen in verschiedenen Sorten erfolgt in mehreren Stufen durch Steuerung
der Destillation über Temperatur und Vakuum.
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Quelle: Shell Bitumen
Bild II/7.2.: Herstellung von Straßenbaubitumen
Die wichtigsten Bitumenprüfungen sind die Folgenden:
• Nadelpenetration,
• Erweichungspunkt Ring und Kugel (EWP RuK),
• Brechpunkt nach Fraas.
Bitumenlösung
Bitumenlösung wird aus Straßenbaubitumen und Gasöl hergestellt. Nachdem das
Straßenbaubitumen erhitzt wird, wird es mit Gasöl gelöst. Die wichtigsten Merkmale sind:
• Die Viskosität,
• Der Wassergehalt,
• Die Haftung.
Bitumenemulsion
Während der Herstellung von Bitumenemulsion wird mittelhartes Bitumen in Anwesenheit
von Emulgatoren in Wasser mit Hilfe einer Kolloidmühle fein verteilt. Die wichtigsten
Merkmale sind:
• Der Bitumengehalt,
• Die Brechzeit.
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1.3. AUFBAU DES ASPHALTES
1.3.1. Verhältnisse im Asphalt
Die Asphalttechnologie wird an den Gewicht- und Volumenverhältnissen im Asphalt basiert.
Bild II/7.3.: Verhältnisse im Asphalt
Um die angestrebten Eigenschaften der Asphaltschichten sicherzustellen, enthält der ÚT 2-
3.301 Vorschrift je nach Mischgutart und – Sorte bestimmte Grenzwerte für den
Hohlraumgehalt des Mischguts am Marshall-Probekörper und Mindestwerte für den beim
Einbau zu erreichenden Verdichtungsgrad. Mit der Änderung des Hohlraumgehaltes der
fertigen Asphaltschicht ändern sich auch ihre Gebrauchseigenschaften:
• Widerstand gegen Nachverdichtung,
• Wasserundurchlässigkeit,
• Verschleißfestigkeit.
1.3.2. Charakteristische Merkmale des Asphaltes
Die Eigenschaften des Asphaltgemisches setzen sich aus den Folgenden zusammen:
• Mineralstoffgemisch (Größtkorn, Kornverteilung),
• Hohlraumgehalt des Kornhaufwerkes (klein, groß, sehr groß),
• Hohlraumgehalt des fertigen Asphaltes, nach der Verdichtung (hohlraumarm,
hohlraumreich),
• Art des Bindemittels,
• Einbau (heiß, warm, kalt).
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1.4. WALZASPHALT
Grundsätzlich sollte der Hohlraumgehalt in Deckschichten aus Walzasphalt von 6.0 Vol.-%
aus Gründen der Haltbarkeit nicht überschritten werden, aber aus Gründen der Standfestigkeit
sollte er einen Wert von 2.0 Vol.-% auch nach einer Nachverdichtung durch den Verkehr
nicht unterschreiten.
1.4.1. Asphaltbeton
Asphaltbeton gibt es in verschiedenen Körnungen mit jeweils unterschiedlichen
Splittgehalten, Bitumengehalten, Hohlraumgehalten und Einbaudicken. Die Wahl der
Mischgutsorte richtet sich in der Regel nach der jeweiligen Verkehrsbelastung oder der
gewünschten Oberflächentextur. Die Grenzsieblinien eines AB Mischgutes stellt die
Abbildung dar (Quelle: ÚT 2-3.301:2002).
Grenzsieblinien AB-12
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ÚT 2-3.301 0,09 0,2 0,63 2
5 8 12,5 16 20 25 35 45
Bild II/7.4.: Grenzsieblinien für AB Mischgut
1.4.2. Splittmastixasphalt
Splittmastixasphalt besteht aus einem sehr splittreichen Mineralstoffgemisch mit
Ausfallkörnung, Straßenbaubitumen und stabilisierenden Zusätzen, die in erster Linie als
Bindemittelträger wirken. Der sehr hohe Splittgehalt führt im verdichteten Zustand zu einem
in sich abgestützten, fest verspannten Splittgerüst, dessen Hohlräume durch einen
bitumenreichen, mastixähnlichen Mörtel weitgehend ausgefüllt werden. Deckschichten aus
Splittmastixasphalt haben sich seit mehr als 20 Jahren als sehr verschleißfest, standfest und
ermüdungsbeständig erwiesen. Die Grenzsieblinien eines SMA Mischgutes stellt die
Abbildung dar (Quelle: ÚT 2-3.301:2002).
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Grenzsieblinien ZMA 12
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ÚT 2-3.301 0,09 0,2 0,63 2
5 8 12,5 16 20 25 35 45
Bild II/7.5.: Die Grenzsieblinien eines SMA Mischgutes
1.4.3. Asphaltbinderschichten
Bei der Herstellung von Binderschichten werden besonders splittreiche Mineralstoffgemische
abgestufter Körnung mit Straßenbaubitumen als Bindemittel eingesetzt. Die Grenzsieblinien
einer Bindeschicht stellt die Abbildung dar (Quelle: ÚT 2-3.301:2002).
Grenzsieblinien K-12
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ÚT 2-3.301 0,09 0,2 0,63 2
5 8 12,5 16 20 25 35 45
Bild II/7.6.: Die Grenzsieblinien einer Bindeschicht
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1.5. GUSSASPHALT
Gußasphalt unterscheidet sich vom Walzasphalt durch seine Zusammensetzung, sein
Gebrauschsverhalten und eine ganz andere zur Anwendung kommende Einbautechnik. Er
wird aus Edelsplitt, Edelbrechsand oder Natursand, Füller und Bitumen so zusammengesetzt,
daß die Hohlräume des Mineralstoffgemischs vollständig mit Bitumen ausgefüllt sind und
darüber hinaus noch ein geringer Bitumenüberschuß besteht. Auf diese Weise entsteht eine im
heißen Zustand gießbare oder streichbare Masse, die absolut dicht ist und deshalb beim
Einbau keiner Verdichtung bedarf.
In jedem Fall sind Deckschichten aus Gußasphalt aufgrund ihrer Zusammensetzung seht
verschleißfest, in höchstem Maße witterungs- und alterungsbeständig und deshalb sehr
dauerhaft. Kleinflächige Umbaumaßnahmen sind nur mit Gußasphalt möglich, da er von
Hand ohne Qualitätsminderung eingebaut werden kann.
Da beim Einbau von Gußasphalt immer ein „Mörtelspiegel“ an der Oberfläche entsteht, sind
besondere Maßnamen zur Verbesserung der Anfangsgriffigkeit erforderlich.
Grenzsieblinien ÖA-12
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ÚT 2-3.301 0,09 0,2 0,63 2
5 8 12,5 16 20 25 35 45
Bild II/7.7.: Grenzsieblinien
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1.6. HERSTELLUNG, TRANSPORT, EINBAU
Asphaltmischgut für den Heißeinbau wird in Trocken- und Mischanlagen hergestellt, die sich
in den technischen Einrichtungen sehr weitgehend unterscheiden können. Die Mischleistung
liegt im allgemein zwischen 120 und 300 t/h. Die Arbeitsgänge sind jedoch fast immer die
gleichen:
• Vordosieren der Mineralstoffe,
• Trocknen und Erhitzen der Mineralstoffe,
• Sieben, Zwischenlagern und Dosieren der heißen Mineralstoffe,
• Zugeben des Gesteinsmehls,
• Zugeben des Bitumens,
• Mischen,
• Zwischenlagern des Mischguts im Silo.
Im Hinblick auf die gleichmäßige Schichtdicke und einwandfreie Verdichtung der
Asphaltschichten müssen deren Unterlagen hinsichtlich Ebenheit und Standfestigkeit
bestimmten Anforderungen genügen.
Voraussetzung für ein langfristig befriedigendes Trag- und Verformungsverhalten einer
Asphaltbefestigung ist, dass die einzelnen Asphaltschichten fest miteinander verbunden sind.
Dazu muss die jeweils untere Asphaltschicht an ihrer Oberfläche sauber sein, und muss die
Unterlage mit einem niedrigviskosen, dünnen bitumenhaltigen Bindemittel (z.B. Haftkleber)
angesprüht werden. Unterlagen von Gußasphalt und Asphaltmastixdeckschichten werden
nicht angesprüht, da sie über einen großen Bitumengehalt verfügen.
Um Bindemittelverhärtung und größere Wärmeverluste während des Transports zu
vermeiden, muss das Mischgut der Fahrtzeit entzogen und grundsätzlich abgedeckt
transportiert werden.
Eine ausreichend hohe Einbautemperatur ist eine wichtige Voraussetzung für die
einwandfreie Verdichtung und einen guten Schichtenverbund. Deshalb dürfen die
Mindesttemperaturen 150°C bei mit B50/70 hergestelltem Asphalt, 140°C bei mit B70/100
hergestelltem Asphalt nicht unterschreiten. Bei Lufttemperatur unter +5°C dürfen keine
Walzasphaltschichten, unter –5°C keine Gußasphaltschichten eingebaut werden (gemäß ÚT
2-3.301).
Für die Ebenheit und gleichmäßig gute Verdichtung ist es vorteilhaft, das Mischgut mit
gleichmäßiger Geschwindigkeit einzubauen und den Fertiger möglichst nicht zum Stillstand
kommen zu lassen. Deshalb sollten Mischleistung, Transportleistung und Einbauleistung
aufeinander abgestimmt werden. Das fertige Mischgut wird mit Kippern transportiert.
Aufgabe der Verdichtung ist es, eine so dichte Lagerung des eingebauten Asphaltmischgutes
zu erzielen, dass eine Nachverdichtung durch den Verkehr weitgehend ausgeschlossen werden
kann. Beim Verdichten von Deckschichten sollen außerdem ein niedriger Hohlraumgehalt
und eine günstige Oberflächentextur erreicht werden.
Die Verdichtung beginnt mit der Vorverdichtung durch die Einbaubohle des Fertigers, wobei
konventionelle Bohlen etwa 85-92 % der Raumdichte des Marshall-Probekörpers erreichen.
Für die Walzverdichtung können
• statische Glattradwalzen (Verdichtung durch Eigengewicht),
• Vibrationswalzen (Verdichtung durch Eigengewicht und Vibration),
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• Gummiradwalzen (Verdichtung durch Eigengewicht und Knetwirkung) eingesetzt
werden.
Bild II/7.8.: Verdichtung
Bild II/7.9.: Einbau einer Asphaltschicht
1.7. DÜNNE ASPHALTSCHICHTEN ZUR INSTANDSETZUNG
Instandsetzung bedeutet alle großflächigen Maßnahmen, die noch keine Erneuerung der
Straßenbefestigung (Ersatz oder Verstärkung) darstellen. Dazu gehören insbesondere alle
dünnen Asphaltschichten, die im wesentlichen Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise
Witterungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Griffigkeit und in geringem Umfang auch die
Ebenheit der Straßenbefestigung verbessern können.
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Die Tragfähigkeit kann mit dünnen Asphaltschichten praktisch nicht erhöht, sondern durch
Abdichten der Fahrbahnoberfläche gegen Niederschlagswasser nur erhalten werden. Deshalb
müssen die zur Instandsetzung mit dünnen Asphaltschichten vorgesehenen
Straßenbefestigungen ausreichend tragfähig, standfest und profilgerecht sein.
Die Anwendungsgebiete dünner Asphaltschichten liegen vor allem bei höhengebundenen
Straßen und folgenden Schadensbildern:
• Ausgemagerte, poröse Oberfläche mit geringer Rissbildung,
• Verminderte Griffigkeit durch poliertes Splittkorn,
• Erhöhte Lärmemission infolge zu grober Oberflächentextur,
• Geringe Unebenheiten.
Die fertigen, dünnen Asphaltschichten sollen
• Wasserdicht, eben und griffig,
• Widerstandsfähig gegen Verdrückungen, aber dennoch ausreichend flexibel,
• In jedem Fall aber dauerhaft mit ihrer Unterlage verbunden sein.
1.7.1. Oberflächenbehandlungen
Oberflächenbehandlungen werden durch Anspritzen der Unterlage mit Bitumen oder
bitumenhaltigem Bindemittel, Abstreuen mit Edelsplitt und Andrücken des Splittes mit einer
nachlaufenden Walze hergestellt. Als Bindemittel werden heute überwiegend
polymermodifizierte Bitumen oder kationische Emulsionen daraus eingesetzt. Zum Abstreuen
geeigneter Edelsplitt muss möglichst kubisch gebrochen, sehr kantenfest, schwer polierbar
und vor allem besonders sauber sein. Für die Bauausführung benötigt man genau und
gleichmäßig dosierende Rampenspritzgeräte, Splittstreugeräte mit verstellbarer Streubreite
sowie Gummiradwalzen, die den Splitt schonend andrücken, ohne ihn zu zerbrechen.
Geeignet sind auch kombinierte Einbauzüge.
Oberflächenbehandlungen können in verschiedenen Varianten ausgeführt werden:
• Die einfache Oberflächenbehandlung, die ein ordnungsgemäßes Einfahren nur in
geringen Umfang zulassen (z.B. Stadtstraßen, Gehwege).
Quelle: Shell Bitumen
Bild II/7.10
• Einfache Oberflächenbehandlung mit doppelter Absplittung. Diese Ausführungsart
eignet sich für Straßen mit stärkerem und auch schnellerem Verkehr.
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Quelle: Shell Bitumen
Bild II/7.11.:
1.7.2. Dünne Asphaltschichten im Heißeinbau
Im Heißeinbau können dünne Asphaltschichten aus Walzasphalt oder Gußasphalt hergestellt
werden. Wegen der geringen Schichtdicken (üblicherweise ≤ 20 mm) werden die
feinkörnigen Mischgutsorte eingesetzt:
• Asphaltbeton 0/5,
• Splittmastixasphalt 0/5,
• Gußasphalt 0/5.
In dünner Lage eingebautes Heißmischgut kühlt schnell aus und verlangt deshalb günstige
Witterungsverhältnisse und einen zügigen Walzeneinsatz sicht hinter dem fertiger. Geeignet
sind statisch wirkende Glattmantelwalzen und Gummiradwalzen (Vibrationswalzen können
Schäden verursachen).
1.8. LABORPRÜFUNGEN
Die ausreichende und sinnvolle Prüfung von Mineralstoffen und Asphalt ist eine wesentliche
Voraussetzung für eine lange Gebrauchsdauer und eine gute Befahrbarkeit der Straße.
Die Arten der Prüfungen sind die Folgenden:
• Eignungsprüfungen,
• Eigenüberwachungsprüfungen,
• Kontrollprüfungen.
Um mehrere Merkmale des Asphaltmischgutes oder der fertigen Asphaltschicht bestimmen zu
können werden jeweils Marshall-Probekörpers hergestellt. Die Herstellung folgt mit dem
Marshall-Verdichtungsgerät. Die Höhe des Probekörpers muss zwischen 60-65 mm liegen,
der Durchmesser ist 101,6 mm. Es wird mit 2x50 oder 2x75 Schlägen hergestellt.
Mittels des Marshall-Probekörpers können die folgenden Merkmale bestimmte werden:
• Raumdichte,
• Marshall Stabilität und Marshall Fließwert,
• Bestimmung des Wassergehaltes,
• Bestimmung von Hohlraumgehalt,
• Bestimmung von Wasseraufnahme.
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1.9. BEMESSUNG EINER NEUEN FAHRBAHNKONSTRUKTION
Die Schritte der Bemessung sind die Folgenden:
1. Bestimmung des Verkehrs zur Bemessung. Die Achsbelastung der verschiedenen
Fahrzeugtypen werden auf F=100 kN Belastung mit den verschiedenen Koeffizienten
umgerechnet. In der Zukunft wird diese Belastung auf F=115 kN erhöht, mit der
Einstimmung den europäischen Vorschriften.
F = 1,25∗365∗t
∗r
∗ s ∗(
e ∗ DTV ∗k
+ e ∗ DTV ∗k
+ e ∗ DTV ∗k
+ e ∗ DTV ∗k
)
100 A A A L L L LA LA LA S S S
wobei
1,25 Sicherheitsbeiwert
t geplante Lebensdauer
r Richtungskoeffizient (im allgemeinen r=0,5)
s Fahrstreifenkoeffizient
e Verkehrsentwicklungskoeffizient
DTV Durchschnittlicher Täglicher Verkehr
k Koeffizient zur Umrechnung auf F=100 kN
Index
A
L
LA
S
Autobus
LKV
LKV mit Anhänger
Sattelschlepper
Nach der Bestimmung des Bemessungsverkehrs kann die Belastungsklasse bestimmt werden:
Bezeichnung Klasse Anzahl der Lastwechsel (F100,10 6 )
A Sehr leicht Kleiner als 0,1
B Leicht 0,1…0,3
C Mittelmäßig 0,3…1,0
D Schwer 1,0…3,0
E Sehr schwer 3,0…10,0
K Besonders schwer 10,0…22,0
Tabelle II/7.1.: Bestimmung der Belastungsklasse
2. Bestimmung der Tragfähigkeit der Erdbauten
3. Bemessung der Schutzschicht
4. Wahl einer standardisierten Straßenkonstruktion aus dem Katalog
5. Bestimmung der Schichentaufbau innerhalb der Konstruktion
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