DE102013004650A1

DE102013004650A1 - Feldprüfgerät und Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt

Info

Publication number: DE102013004650A1
Application number: DE102013004650.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2013-03-16
Publication date: 2014-01-30
Also published as: US9228927B2; US20140026635A1; DE202012007351U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldprüfgerät und ein Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt. Ein erfindungsgemäßes Feldprüfgerät umfasst eine Belastungsvorrichtung (1) mit einem Fallgewicht (8) zur Generierung eines Kraftstoßes und einen Belastungsstempel (2) zur Einleitung des Kraftstoßes in den Asphalt. Der Belastungsstempel (2) wird in einem Führungselement (3) geführt, wobei der Belastungsstempel (2) so geführt wird, dass seine Stempelfläche (14) auf der zu prüfenden Asphaltfläche (24) eben aufliegt. Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels (2) wird mit einem Beschleunigungssensor (12) und die Bewegung des Belastungsstempels (2) mit einem Wegsensor (19) erfasst. Bei Einwirkung eines mit der Belastungsvorrichtung (1) generierten Kraftstoßes, dringt der Belastungsstempel (2) in den zu prüfenden Asphalt ein, wobei dieses Eindringen eine dynamische und eine statische Eindringtiefe (sdyn, sst) aufweist. Der Belastungsstempel (2) wird solange mit Kraftstößen beaufschlagt, wobei bei jedem Kraftstoß der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels (2) und die Bewegung des Belastungsstempels (2) erfasst und zwischengespeichert werden, bis die statische Eindringtiefe (sst) kleiner oder gleich einer vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe (sstmin) ist. Danach wird aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels (2) infolge dieses letzten Kraftstoßes durch zweimalige Integration und Maximalwertbildung die Gesamteindringtiefe (sGes) ermittelt. Durch Subtraktion der statischen Eindringtiefe (sst) von der Gesamteindringtiefe (sGes) erhält man die dynamische Eindringtiefe (sdyn). Anhand der dynamischen Eindringtiefe (sdan) kann dann der dynamische Elastizitätsmodul (Ed) des Asphaltes berechnet werden. Ist die Stempelfläche (14) eine Kreisfläche kann die Berechnung nach der Gleichung Ed = 2·(1 – μ2)·F/Π·r·sdyn erfolgen. Dabei sind Ed – der dynamische Elastizitätsmodul, F – die Kraft des Kraftstoßes, r – der Radius der Stempelfläche, sdyn – die dynamische Eindringtiefe und μ – die Poissonzahl für Asphalt = 0,25.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldprüfgerät sowie ein Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt in als Fahrbahnbelag gegossenem oder eingebautem Asphalt.
Üblicherweise erfolgt die Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt in als Fahrbahnbelag gegossenem oder eingebautem Asphalt nach dem Spaltzug-Schwellversuch. Dazu wird aus der zu untersuchenden Asphaltschicht ein zylindrischer Probekörper entnommen, in den über zwei auf der Mantelfläche des zylindrischen Probekörpers diametral gegenüberliegend angeordneten Lasteintragsschienen eine sinusförmige Druck-Schwellbelastung eingebracht wird (vgl. Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphalten mit dem Spaltzug-Schwellversuch als Eingangsgröße in die Dimensionierung, AL Sp-Asphalt 09, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Ausgabe 2009, S. 10–16). Die im Probekörper entstehende Zugspannung bewirkt maßgebend eine Materialermüdung und schließlich den Bruch des Probekörpers. Die Belastung des Probekörpers erfolgt in Form einer kraftgeregelten, harmonischen Sinusschwellbelastung ohne Lastpausen in verschiedenen Belastungsstufen und Belastungsfrequenzen, wobei die Belastung solange fortgesetzt und gesteigert wird, bis Makrorisse im Probekörper auftreten. Erfasst werden die Prüfkraft und die quer zur Wirkrichtung der Prüfkraft auftretende Verformung des Probekörpers. Aus diesen Größen wird der dynamische Elastizitätsmodul errechnet. Steigt der dynamische Elastizitätsmodul bei wiederholter Belastung des Probekörpers an, so ist die Kurve des dynamischen Elastizitätsmodules in Abhängigkeit von der Anzahl der Belastungen ein Maß der Steifigkeit des Asphaltes, nimmt die Kurve des dynamischen Elastizitätsmodules in Abhängigkeit von der Anzahl der Belastungen ab, ist dies ein Maß für das Ermüdungsverhalten des Asphalts. Der Spaltzug-Schwellversuch ist aufwendig und nur im Labor durchführbar, so dass Versuchsergebnisse erst nach einer erheblichen Zeit nach der Probennahme zur Verfügung stehen und aufgrund der Probennahme mit bleibenden Schäden in der zu untersuchenden Asphaltfläche verbunden ist. Er ist daher nicht als Feldversuch geeignet.
In der DE 10 2008 035 565 A1 wird erwähnt, dass die Tragfähigkeit von Asphalt in nicht ausgehärtetem Zustand mittels eines Fallgewichtsgerätes gemäß technischer Prüfvorschrift TP BF-StB Teil B 8.3 bestimmt werden kann. Dabei wird insbesondere der dynamische Elastizitätsmodul, in der DE 10 2008 035 565 A1 als dynamischer Verformungsmodul bezeichnet, des Prüfplanums bestimmt. Ein Fallgewichtsprüfgerät gemäß der vorgenannten Prüfvorschrift umfasst eine Lastplatte mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Masse von 15 kg und eine aus Fallgewicht, Führungsstange, Federelement und Ausklinkvorrichtung bestehende Belastungsvorrichtung. Die Masse des Fallgewichtes beträgt 10 kg, die Gesamtmasse der Führungsstange 5 kg. Das Fallgewicht wirkt auf die Lastplatte mit einer Kraft von 7,07 kN ein. An die Lastplatte ist ein Beschleunigungssensor angekoppelt, mittels dessen die Bewegung der auf das Prüfplanum aufgelegten Lastplatte infolge des Kraftstoßes des Fallgewichtes erfasst wird. Aus der Bewegung der Lastplatte, d. h. aus der infolge des Kraftstoßes erfolgten Bewegung des Prüfplanums, wird durch Berechnung der dynamische Elastizitätsmodul des Prüfplanums ermittelt. Der so ermittelte dynamische Elastizitätsmodul ist aber kein spezifischer Kennwert des Asphaltes in der Asphaltschicht, sondern ein Kennwert, der das dynamische Verhalten des Gesamtsystemes des Schichtaufbaues unter dem Prüfplanum, d. h. des verdichteten Bodens, der auf den verdichteten Boden aufgebauten Tragschichten und der abschließenden Asphaltschicht beschreibt. Der dynamische Elastizitätsmodul als Materialkennwert des Asphaltes in der Asphaltschicht kann mit diesem Fallgewichtsgerät nicht bestimmt werden.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik verfolgt die Erfindung den Zweck, ein Feldprüfgerät und Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt bereitzustellen, welches schnell, d. h. ohne den durch Probennahme und Laboruntersuchung verursachten Zeitversatz, Prüfergebnisse liefert. Darüber hinaus soll die Handhabung des Feldprüfgerätes und die Anwendung des Verfahrens keine oder nur unerhebliche bleibende Schäden in der zu prüfenden Asphaltfläche verursachen.
Diesen Zweck der Erfindung erfüllt ein Feldprüfgerät, das die Merkmale des 1. Patentanspruches aufweist sowie ein Verfahren, das die Merkmale des 6. Patentanspruches umfasst. In den Patentansprüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Weiterbildungen des Feldprüfgerätes beschrieben. Die Patentansprüche 7 und 8 beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules unter Verwendung eines vorteilhaften Feldprüfgerätes gemäß den Patentansprüchen 4 und 5.
Ein erfindungsgemäßes Feldprüfgerät zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt umfasst eine aus einer Führungsstange mit einer daran angebrachten Ausklinkvorrichtung, einem Fallgewicht, einem Federelement und einer Aufsetzkappe bestehende Belastungsvorrichtung und einen Belastungsstempel mit einem im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Stempelschaft, an dessen einer Stirnseite eine Stempelfläche und an dessen anderer Stirnseite ein Stempelkopf ausgebildet sind. Die Stempelfläche ist dabei quer zur Längsachse des Stempelschaftes ausgerichtet. Die Elemente der Belastungsvorrichtung sind derart ausgebildet und angeordnet, dass ein Ende der Führungsstange durch die Aufsetzkappe abgeschlossen wird und im Bereich des gegenüberligenden Endes der Führungsstange die Ausklinkvorrichtung an der Führungsstange angeordnet ist. An der in Richtung der Führungsstange weisenden Seite der Aufsetzkappe befindet sich das Federelement. Das Fallgewicht weist eine bevorzugt mittige Durchgangsbohrung auf, durch welche die Führungsstange hindurchgreift. Es ist so angeordnet, dass es zwischen der Ausklinkvorrichtung und dem Federelement frei beweglich entlang der Führungsstange gleiten kann. Das Feldprüfgerät umfasst weiterhin ein Führungselement mit einer auf eine Asphaltfläche auflegbaren Auflagefläche und einer in dieser Auflagefläche endenden Durchgangsöffnung. Die Durchgangsöffnung und der Stempelschaft des Belastungsstempels sind zueinander korrespondierend so ausgebildet und angeordnet, dass der Stempelschaft durch die Durchgangsöffnung längsbeweglich hindurchgreift, wobei seine Stempelfläche in Richtung der Auflagefläche weist. Der Belastungsstempel ist innerhalb der Durchgangsöffnung im Führungselement soweit längsbeweglich, dass die Stempelfläche über die Auflagefläche hinausragen kann. Der Stempelkopf des Belastungsstempels weist eine Aufsetzplatte auf, an die die Aufsetzkappe der Belastungsvorrichtung kraftschlüssig ankoppelbar ist, derart, dass ein Kraftstoß von der Aufsetzkappe auf den Belastungsstempel übertragbar ist, und zwar in Längsrichtung des Stempelschaftes. Am Belastungsstempel ist ein Beschleunigungssensor fest angeordnet, mit dem der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels erfasst werden kann. Am Führungselement ist ein Wegsensor so angeordnet, dass die Längsbewegung des Belastungsstempels in der Durchgangsbohrung des Führungselementes erfasst werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Feldprüfgerätes ist an einem Ende des Führungselementes eine Auflageplatte mit einer Auflagefläche angeordnet, wobei die Auflagefläche der Auflageplatte ein Ende des Führungselementes bildet und senkrecht zur Längsachse des Führungselementes steht. Die Auflageplatte ermöglicht eine weitgehend gegen Verrutschen auf der zu prüfenden Asphaltfläche sichere Positionierung des Führungselementes und dementsprechend der Stempelfläche des Belastungsstempels auf der Asphaltfläche.
Ebenfalls bevorzugt sind das Führungselement als Führungsrohr und der Belastungsstempel als Kreiszylinder mit einer kreisrunden Stempelfläche ausgebildet.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der vorbeschriebenen Ausführungsform der Erfindung weist die kreisrunde Stempelfläche des Belastungsstempels einen Durchmesser von 10 mm bis 60 mm, bevorzugt von 30 mm, auf. Das Fallgewicht besitzt eine Masse von 8 kg bis 20 kg, bevorzugt 10 kg. Die Fallhöhe des Fallgewichtes ist durch Positionierung der Ausklinkvorrichtung an der Führungsstange so bemessen, dass das Fallgewicht auf den Belastungsstempel mit einer Kraft von 5 kN bis 15 kN, bevorzugt 6,28 kN, einwirkt.
Weiterhin bevorzugt können der Beschleunigungssensor und der Wegsensor mit einem Funkmodul zur drahtlosen Übertragung der erfassten Verläufe und Werte zu einer elektronischen Speicher- und Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die Übertragung der erfassten Verläufe und Werte zur Speicher- und Auswerteeinrichtung erfolgt bevorzugt mittels Funkübertragung. Das Funkmodul des Wegsensors ist zweckmäßig am Führungselement, das Funkmodul des Beschleunigungssensors am Belastungsstempel angebracht.
Zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt wird dieser zunächst auf eine Temperatur zwischen 40°C bis 60°C eingestellt. Die Auflagefläche des Führungselementes wird auf die zu prüfende Asphaltfläche aufgelegt und positioniert. Der Belastungsstempel wird in die Durchgangsöffnung des Führungselementes eingesetzt, derart, dass die Stempelfläche des Belastungsstempels eben auf der Asphaltfläche aufliegt und der Belastungsstempel lotrecht zur Asphaltfläche im Führungselement bewegbar ist. Die Belastungsvorrichtung wird mit dem Belastungsstempel in Wirkverbindung gebracht, d. h. sie wird an den Belastungsstempel angekoppelt, indem die Aufsetzkappe der Belastungsvorrichtung auf die Aufsetzplatte des Belastungsstempels aufgesetzt wird, so dass ein mittels der Belastungsvorrichtung erzeugter Kraftstoß in Längsrichtung des Stempelschaftes wirkend auf den Belastungsstempel übertragen wird. Das Fallgewicht wird entgegen der Wirkung der Schwerkraft entlang der Führungsstange in eine angehobene Stellung gebracht und mittels der Ausklinkvorrichtung arretiert. Die Führungsstange wird etwa lotrecht ausgerichtet. Das Federelement befindet sich am in Wirkrichtung der Schwerkraft unteren Ende der Führungsstange, d. h. in der Nähe der Koppelstelle zwischen der Belastungsvorrichtung und dem Belastungsstempel und liegt auf der Aufsetzkappe auf. Das Fallgewicht wird ausgeklinkt und bewegt sich durch die Wirkung der Schwerkraft in einer beschleunigten Bewegung entlang der Führungsstange in Richtung besagter Koppelstelle zwischen der Belastungsvorrichtung und dem Belastungsstempel. Es trifft am unteren Ende der Führungsstange auf das Federelement auf. Beim Auftreffen auf das Federelement wird ein Kraftstoß generiert, der auf den Belastungsstempel, und zwar in Längsrichtung des Stempelschaftes wirkend, übertragen wird. Der Kraftstoß wird über die Stempelfläche des Belastungsstempels in den Asphalt eingeleitet. Der Belastungsstempel dringt mit einer elastischen und ggf. mit einer bleibenden Verformung des Asphaltes in diesen ein. Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels wird mit dem Beschleunigungssensor erfasst und zwischengespeichert. Die Bewegung des Belastungsstempels wird mit dem Wegsensor erfasst und ebenfalls zwischengespeichert. Aus der Bewegung des Belastungsstempels wird die statische Eindringtiefe des Stempelschaftes des Belastungsstempels in den zu prüfenden Asphalt ermittelt und mit einer vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe verglichen. Ist die ermittelte statische Eindringtiefe größer als die vorbestimmte minimale statische Eindringtiefe, wird an gleicher Position der Asphaltfläche, wie vorstehend beschrieben, mittels der Belastungsvorrichtung ein weiterer Kraftstoß erzeugt. Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung und die Bewegung des Belastungsstempels werden erfasst und zwischengespeichert und aus der Bewegung des Belastungsstempels die statische Eindringtiefe des Stempelschaftes in den zu prüfenden Asphalt infolge dieses wiederholten Kraftstoßes ermittelt und mit der vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe verglichen. An der gleichen Position werden solange weitere Kraftstöße erzeugt und in den zu prüfenden Asphalt eingeleitet, bis die ermittelte statische Eindringtiefe des Stempelschaftes in den zu prüfenden Asphalt infolge des jeweils wiederholten, letzten Kraftstoßes kleiner oder gleich der vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe ist. Aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels infolge dieses Kraftstoßes, der eine statische Eindringtiefe kleiner oder gleich der vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe bewirkt hat, wird durch zweimalige Integration und anschließende Maximalwertbildung eine Gesamteindringtiefe des Stempelschaftes des Belastungsstempels infolge dieses letzten Kraftstoßes in den zu prüfenden Asphalt errechnet. Von dieser Gesamteindringtiefe wird dann die aus der Bewegung des Stempelschaftes ermittelte statische Eindringtiefe abgezogen. Die verbleibende Eindringtiefe ist die dynamische Eindringtiefe des Stempelschaftes infolge dieses letzten Kraftstoßes, der eine statische Eindringtiefe kleiner oder gleich der vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe bewirkt hat. Anhand dieser dynamischen Eindringtiefe wird der dynamische Elastizitätsmodul berechnet.
Bei der bevorzugten Ausbildung des Feldprüfgerätes mit einem Belastungsstempel mit einer kreisrunden Stempelfläche wird der dynamische Elastizitätsmodul nach der Gleichung E_d = 2·(1 – μ²)·F/Π·r·s_dyn mit

E_d: = dynamischer Elastizitätsmodul
μ: = Poissonzahl für Asphalt = 0,25
F: = Kraftstoß
r: = Radius der Stempelfläche

Bei der ebenfalls bevorzugten und zweckmäßigen Ausbildung des Feldprüfgerätes mit einer kreisrunden Stempelfläche des Belastungsstempels mit einem Durchmesser zwischen 10 mm und 60 mm, bevorzugt von 30 mm, einer Masse des Fallgewichtes zwischen 8 kg und 20 kg, bevorzugt 10 kg, und einer Positionierung des Fallgewichtes in einer Fallhöhe, die beim Auftreffen des Fallgewichtes auf das Federelement einen auf den Belastungsstempel zu übertragenden Kraftstoß zwischen 5 kN und 15 kN, bevorzugt 6,28 kN, bewirkt, hat die vorbestimmte minimale statische Eindringtiefe einen Wert ≤ 0,15 mm, bevorzugt ≤ 0,1 mm.
Die Erfindung soll im nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörenden Zeichnungen zeigen in
1: den prinzipiellen Aufbau eines Feldprüfgerätes, in
2: ein auf eine Asphaltfläche aufgesetztes und positioniertes und für einen Prüfvorgang vorbereitetes Feldprüfgerät, in
3a: eine Kurve des erfassten zeitlichen Verlaufes der Beschleunigung des Belastungsstempels und in
3b: eine Kurve des durch zweimalige Integration aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung ermittelten zeitlichen Verlaufes der Eindringtiefe des Belastungsstempels in den zu prüfenden Asphalt.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines aus einer Belastungsvorrichtung 1, einem Belastungsstempel 2 und einem Führungselement 3 bestehenden Feldprüfgerätes zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules E_d von Asphalt, wobei die vorgenannten Baugruppen 1 bis 3 jeweils separat dargestellt sind. Die Belastungsvorrichtung 1 umfasst eine Führungsstange 4 mit einer Ausklinkvorrichtung 5, eine Aufsetzkappe 6 mit einem darauf aufliegenden Federelement 7 und ein Fallgewicht 8. Die Aufsetzkappe 6 besitzt eine konkav ausgebildete Kugelkalotte zum Aufsetzen sowie zur Ankopplung der Belastungsvorrichtung 1 an den Belastungsstempel 2. Das Federelement 7 besteht aus vorgespannten Tellerfedern. Der Belastungsstempel 2 umfasst einen Stempelschaft 9 und einen Stempelkopf 10. Am Stempelkopf 10 ist eine Aufsetzplatte 11 mit einer Kugelkalotte ausgebildet. Die an der Aufsetzplatte 11 angeordnete Kugelkalotte ist konvex und in Form und Abmessungen korrespondierend zu der in der Aufsetzkappe 6 ausgebildeten Kugelkalotte ausgebildet. Im Stempelkopf 10 sind ein Beschleunigungssensor 12 und ein Funkmodul 13 angeordnet. Die dem Stempelkopf 10 abgewandte Stirnseite des Stempelschaftes 9 bildet eine Stempelfläche 14. Der Belastungsstempel 2 ist grundsätzlich zylindrisch ausgebildet. Die Stempelfläche 14 ist eine kreisrunde Fläche. Das Führungselement 3 umfasst eine zylindrische Führungshülse 15 mit einer längsaxialen Durchgangsbohrung 16 zur Führung des Stempelschaftes 9 und eine Auflageplatte 17 mit einer Auflagefläche 18, wobei sich besagte Durchgangsbohrung 16 durch die Auflageplatte 17 fortsetzt und eine Öffnung in der Auflagefläche 18 bildet. An dem der Auflageplatte 17 abgewandten Ende der Führungshülse 15 sind ein Wegsensor 19 und ein Funkmodul 20 angeordnet.
2 zeigt ein vorbereitetes Feldprüfgerät zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules E_d von Asphalt, der als Asphaltschicht 21 auf eine Tragschicht 22 aufgebracht ist. Unterhalb der Tragschicht 22 befindet sich verdichteter Boden 23.
Die Auflageplatte 17 liegt mit ihrer Auflagefläche 18 eben auf der zu prüfenden Asphaltfläche 24, d. h. der Oberfläche der Asphaltschicht 21, auf. Der Stempelschaft 9 des Belastungsstempels 2 ist in die Durchgangsbohrung 16 der Führungshülse 15 soweit eingeführt, dass seine Stempelfläche 14 ebenfalls eben auf der zu prüfenden Asphaltfläche 24 aufliegt. Der Belastungsstempel 2 ist in längsaxialer Richtung innerhalb der Führungshülse 15 frei beweglich. Die Belastungsvorrichtung 1 ist mit ihrer Aufsetzkappe 6 auf die Aufsetzplatte 11 des Belastungsstempels 2 aufgesetzt, und zwar derart, dass die beiden korrespondierenden Kugelkalotten der Aufsetzkappe 6 und der Aufsetzplatte 11 formschlüssig ineinandergreifen. Die Führungsstange 4 ist etwa lotrecht ausgerichtet. Das Fallgewicht 8 befindet sich in einer angehobenen Position und wird in dieser Position durch die Ausklinkvorrichtung 5 gehalten. Die genaue Position wurde in Vorversuchen ermittelt und so festgelegt, dass das Fallgewicht 8 nach dem Ausklinken infolge der Wirkung der Schwerkraft F_s im freien Fall so beschleunigt wird, dass es beim Aufschlagen auf das Federelement 7 einen Kraftstoß der Belastungsvorrichtung 1 auf den Belastungsstempel 2 mit einer Kraft von 6,28 kN bewirkt.
Der Prüfvorgang erfolgt, indem die Ausklinkvorrichtung 5 betätigt und das Fallgewicht 8 ausgeklinkt, d. h. freigegeben wird. Das Fallgewicht 8 fällt infolge der Wirkung der Schwerkraft F_s geführt von der Führungsstange 4 im Wesentlichen lotrecht nach unten und schlägt mit durch die Masse des Fallgewichtes 8 und seine Fallhöhe vorbestimmter Energie auf das Federelement 7 auf. Der erzeugte Kraftstoß wird über das Federelement 7 auf die Aufsetzkappe 6 und von dieser über das formschlüssige Ineinandergreifen der korrespondierenden Kugelkalotten des Aufsetzelementes 6 und der Aufsetzplatte 11 auf den Belastungsstempel 2 und wird von diesem über die Stempelfläche 14 in den zu prüfenden Asphalt eingetragen. Der Stempelschaft 9 des Belastungsstempels 2 dringt infolge dieses Kraftstoßes mit einer elastischen und ggf. einer bleibenden Verformung des Asphaltes in diesen ein. Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels 2 wird mit dem Beschleunigungssensor 12 erfasst und mit dem Funkmodul 13 zu einer nicht dargestellten elektronischen Auswerteeinrichtung übertragen und hier zwischengespeichert. Die Bewegung des Belastungsstempels 2 wird mit dem Wegsensor 19 erfasst und mit dem Funkmodul 20 ebenfalls zu der elektronischen Auswerteeinrichtung übertragen und zwischengespeichert. Aus der Bewegung des Belastungsstempels 2 wird die statische Eindringtiefe s_st des Stempelschaftes 9 des Belastungsstempels 2 in den zu prüfenden Asphalt ermittelt, wobei unter der statischen Eindringtiefe s_st die Eindringtiefe des Stempelschaftes 9 in den zu prüfenden Asphalt verstanden wird, in der der Stempelschaft 9 nach dem Abklingen des Kraftstoßes verbleibt. Die statische Eindringtiefe s_st beschreibt also die durch den Kraftstoß mittels des Stempelschaftes 9 bewirkte bleibende Verformung der Asphaltschicht 21. Die ermittelte statische Eindringtiefe s_st wird mit einer vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe s_stmin verglichen. Ist sie größer als diese vorbestimmte minimale statische Eindringtiefe s_stmin, wird ohne Positionsveränderung der Auflageplatte 18 auf der Asphaltfläche 24 ein weiterer Kraftstoß generiert und an gleicher Stelle in den zu prüfenden Asphalt eingeleitet. Dazu wird das Fallgewicht 8 entgegen der Wirkung der Schwerkraft F_s entlang der Führungsstange 4 bewegt und mittels der Ausklinkvorrichtung 5 positioniert. Die Führungsstange 4 wird etwa lotrecht ausgerichtet und die Ausklinkvorrichtung 5 betätigt. Ein Kraftstoß wird wie bereits beschrieben generiert und über den Stempelschaft 9 des Belastungsstempels 2 in den zu prüfenden Asphalt eingetragen. Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels 2 infolge dieses Kraftstoßes wird erfasst, zur elektronischen Auswerteeinrichtung übertragen und zwischengespeichert. Die Bewegung des Belastungsstempels 2 wird ebenfalls erfasst und zur elektronischen Auswerteeinrichtung übertragen. Die statische Eindringtiefe s_st des Stempelschaftes 9 infolge dieses Kraftstoßes wird ermittelt und mit der vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe s_stmin verglichen. Es werden solange mittels der Belastungsvorrichtung 1 wie beschrieben weitere Kraftstöße generiert und über den Stempelschaft 9 des Belastungsstempel 2 in den zu prüfenden Asphalt eingeleitet und der zeitliche Verlauf der Beschleunigung und der Bewegung des Belastungsstempels 2 erfasst und zwischengespeichert und aus der Bewegung des Belastungsstempels 2 die statische Eindringtiefe s_st des Stempelschaftes 9 ermittelt, bis die ermittelte statische Eindringtiefe s_st des Stempelschaftes 9 kleiner als die vorbestimmte minimale statische Eindringtiefe s_stmin ist. Danach wird aus dem zwischengespeicherten zeitlichen Verlauf der Beschleunigung infolge des letzten Kraftstoßes, der eine statische Eindringtiefe s_st kleiner oder gleich der vorbestimmte minimalen statischen Eindringtiefe s_stmin bewirkt hat, durch zweimalige Integration der zeitliche Verlauf der Eindringtiefe s des Stempelschaftes 9 des Belastungsstempels 2 in den zu prüfenden Asphalt ermittelt und durch Maximalwertbildung die Gesamteindringtiefe s_Ges bestimmt.
3a zeigt eine Kurve des erfassten zeitlichen Verlaufes der Beschleunigung des Belastungsstempels (2), wobei die Stempelfläche (12) des Belastungsstempels (2) kreisrund mit einem Durchmesser von 30 mm ausgebildet ist, mittels der Belastungsvorrichtung (1) ein auf den Belastungsstempel (2) einwirkender Kraftstoß von 6,28 kN erzeugt wird und die Temperatur der Asphaltschicht (21) ca. 50°C beträgt. 3b zeigt eine Kurve des durch zweimalige Integration aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels 2 ermittelten zeitlichen Verlaufes der Eindringtiefe s des Stempelschaftes 9 des Belastungsstempels 2 in den zu prüfenden Asphalt. Der Maximalwert dieser Kurve ist die Gesamteindringtiefe s_Ges. Sie beträgt in dem in den 3a und 3b gezeigten konkreten Fall s_Ges = 0,35 mm. Die ermittelte statische Eindringtiefe s_st beträgt s_st = 0,9 mm, wobei die vorbestimmte minimale statische Eindringtiefe s_stmin = 0,1 mm ist. Die dynamische Eindringtiefe s_dyn wird nach der Gleichung s_dyn = s_ges – s_st berechnet. Sie berechnet sich zu s_dyn = 0,26 mm. Mit den Größen Kraftstoß F = 6,28 kN, Radius r der Stempelfläche r = 15 mm und der Poissonzahl für Asphalt μ = 0,25 kann schließlich der dynamische Elastizitätsmodul E_d nach der Gleichung E_d = 2·(1 – μ²)·F/Π·r·s_dyn berechnet werden. Der so berechnete Wert für den dynamische Elastizitätsmodul E_d beträgt 950 MN/m².
Mit dem beschriebenen Feldprüfgerät kann nach dem beschriebenen Verfahren auf einfache Weise und unmittelbar vor Ort der dynamische Elastizitätsmodul E_d von Asphalt, der als Asphaltschicht 21 auf eine Tragschicht 22 aufgebracht ist, bestimmt werden. Dies ist beispielsweise beim Neubau von Fahrbahnen zur Bestimmung der beim Einbau der Asphaltschicht 21 erreichten Verdichtung des Asphaltes von Bedeutung.
Bezugszeichenliste

1: Belastungsvorrichtung
2: Belastungsstempel
3: Führungselement
4: Führungsstange
5: Ausklinkvorrichtung
6: Aufsetzkappe
7: Federelement
8: Fallgewicht
9: Stempelschaft
10: Stempelkopf
11: Aufsetzplatte
12: Beschleunigungssensor
13: Funkmodul
14: Stempelfläche
15: Führungshülse
16: Durchgangsbohrung
17: Auflageplatte
18: Auflagefläche
19: Wegsensor
20: Funkmodul
21: Asphaltschicht
22: Tragschicht
23: verdichteter Boden
24: Asphaltfläche
E_d: dynamischer Elastizitäzsmodul
F_s: Schwerkraft
s: Eindringtiefe
s_dyn: dynamische Eindringtiefe
s_ges: Gesamteindringtiefe
s_st: statische Eindringtiefe
s_stmin: minimale statische Eindringtiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008035565 A1 [0003, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphalten mit dem Spaltzug-Schwellversuch als Eingangsgröße in die Dimensionierung, AL Sp-Asphalt 09, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Ausgabe 2009, S. 10–16 [0002]

Claims

Feldprüfgerät zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt, umfassend eine aus einer Führungsstange (4) mit einer daran angebrachten Ausklinkvorrichtung (5), einem Fallgewicht (8), einem Federelement (7) und einer Aufsetzkappe (6) bestehenden Belastungsvorrichtung (1) und einen eine Stempelfläche (14) aufweisenden Belastungsstempel (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungsstempel (2) einen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Stempelschaft (9) aufweist, an dessen einer Stirnseite die Stempelfläche (14) und an dessen anderer Stirnseite ein Stempelkopf (10) ausgebildet ist, dass der Stempelschaft (9) in einem Führungselement (3) in Längsrichtung des Stempelschaftes (9) beweglich angeordnet ist, dass das Führungselement (3) eine auf die Asphaltfläche (24) auflegbare Auflagefläche (18) mit einer Durchgangsöffnung (16) aufweist, wobei der Stempelschaft (9) durch diese Durchgangsöffnung (16) hindurchgreift, derart, dass die Stempelfläche (14) auf der Asphaltfläche (24) aufliegt, dass der Stempelkopf (10) eine Aufsetzplatte (11) zur kraftschlüssigen Ankopplung der Belastungsvorrichtung (1) aufweist und dass am Belastungsstempel (2) ein Beschleunigungssensor (12) zur Erfassung des zeitlichen Verlaufes der Beschleunigung des Belastungsstempels (2) und am Führungselement (3) ein Wegsensor (19) zur Erfassung der Bewegung des Belastungsstempels (2) angeordnet ist.
Feldprüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des Führungselementes (3) eine Auflageplatte (17) angeordnet ist, deren Auflagefläche (18) senkrecht zur Längsachse des Führungselementes (3) steht.
Feldprüfgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (3) eine kreiszylindrische Führungshülse (15) und der Belastungsstempel (2) einen kreiszylindrischen Stempelschaft (9) mit einer kreisrunden Stempelfläche (14) aufweist und der Stempelschaft (9) in die Führungshülse (15) in längsaxialer Richtung frei beweglich einführbar ist.
Feldprüfgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfläche (14) des Belastungsstempels (2) einen Durchmesser von 10 mm bis 60 mm, bevorzugt von 30 mm, aufweist, dass das Fallgewicht (8) eine Masse von 8 kg bis 20 kg, bevorzugt von 10 kg, besitzt und die von der Länge der Führungsstange (4) und der Position der Ausklinkvorrichtung (5) an der Führungsstange (4) bestimmte Fallhöhe des Fallgewichtes (8) so bemessen ist, dass das Fallgewicht (8) mit einer Kraft von 5 kN bis 15 kN, bevorzugt von 6,28 kN, auf den Belastungsstempel (2) einwirkt.
Feldprüfgerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (19) und der Beschleunigungssensor (12) mit einem Funkmodul (13, 20) zur Übertragung der Messwerte an eine elektronische Auswerteeinrichtung verbunden sind.
Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodules von Asphalt unter Verwendung eines Feldprüfgerätes nach Anspruch 1 bis 5, umfassend mindestens die Verfahrensschritte: a) Auflegen der Auflagefläche (18) des Führungselementes (3) auf die zu prüfende Asphaltfläche (24) und Einsetzen des Stempelschaftes (9) des Belastungsstempels (2) in das Führungselement (3), derart, dass die Stempelfläche (14) auf der zu prüfenden Asphaltfläche (24) aufliegt, b) kraftschlüssige Ankopplung der Belastungsvorrichtung (1) an den Belastungsstempel (2) durch Aufsetzen der Aufsetzkappe (6) auf die Aufsetzplatte (11), c) Positionierung des Fallgewichtes (8) durch Anheben entgegen der Wirkung der Schwerkraft (F_s) und arretieren in der angehobenen Stellung mittels der Ausklinkvorrichtung (5) und Ausrichten der Führungsstange (4) in eine etwa lotrechte Stellung und d) Erzeugung eines Kraftstoßes durch Ausklinken des Fallgewichtes (8), dadurch gekennzeichnet, dass e) der zeitliche Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels (2) mit dem Beschleunigungssensor (12) und die Bewegung des Belastungsstempels (2) mittels des Wegsensors (19) erfasst und zwischengespeichert werden, f) in einem dem Verfahrensschritte a) vorgelagerten Verfahrensschritt der zu prüfende Asphalt auf eine Temperatur zwischen 40°C und 60°C eingestellt wird, g) die Verfahrensschritte c) bis e) zyklisch sich wiederholend durchlaufen werden, wobei bei jedem Zyklus aus der Bewegung des Belastungsstempels (2) die statische Eindringtiefe (s_st) des Stempelschaftes (9) des Belastungsstempels (2) in den zu prüfenden Asphalt infolge des jeweiligen Kraftstoßes ermittelt wird und bei Erreichen oder Unterschreiten einer vorbestimmten minimalen statischen Eindringtiefe (s_stmin) infolge eines Kraftstoßes das zyklische wiederholte Durchlaufen der Verfahrensschritte c) bis e) beendet wird, aus dem erfassten und zwischengespeicherten zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Belastungsstempels (2) infolge dieses Kraftstoßes durch zweimalige Integration und anschließende Maximalwertbildung eine Gesamteindringtiefe (s_ges) des Stempelschaftes (9) des Belastungsstempels (2) in den zu prüfenden Asphalt bestimmt wird, aus der ermittelten Gesamteindringtiefe (s_ges) und der statische Eindringtiefe (s_st) für diesen Kraftstoß eine dynamische Eindringtiefe (s_dyn) nach der Gleichung s_dyn = s_ges – s_st berechnet wird und h) aus der dynamischen Eindringtiefe (s_dyn) der dynamische Elastizitätsmodul (E_d) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 unter Verwendung eines Feldprüfgerätes nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Elastizitätsmodul (E_d) nach der Gleichung E_d = 2·(1 – μ²)·F/Π·r·s_dyn mit μ = Poissonzahl für Asphalt = 0,25 F = Kraftstoß r = Radius der Stempelfläche bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 unter Verwendung eines Feldprüfgerätes nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte minimale statische Eindringtiefe (s_stmin) infolge eines Kraftstoßes, bei der das zyklische wiederholte Durchlaufen der Verfahrensschritte c) bis e) beendet wird, ≤ 0,15 mm, bevorzugt ≤ 0,1 mm, ist.