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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Heilen eines beschädigten Asphalts, ein Verfahren zum Einbringen eines Befestigungsmittels und auf ein induktiv aufheizbares Befestigungsmittel und insbesondere auf eine Selbstheilung von Asphalt mittels einer Erwärmung durch Induktion an Schrauben.
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Hintergrund
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Befestigungen von Metalldübeln zur Verankerung in Beton oder Mauerwerk werden seit einigen Jahren intensiv untersucht und erfüllen bereits hohe Sicherheitsanforderungen. Andererseits erfüllen Befestigungen in Asphalt häufig nicht die gegenwärtigen Sicherheitsstandards.
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So kann es bei Stoßbelastungen an Befestigungen in Asphalt, wie sie beispielsweise durch einen Anprall von Fahrzeugen verursacht werden, zu Untergrundschädigungen kommen. Häufig führen diese Schädigungen jedoch nicht zu einem Versagen der entsprechenden Befestigung. Dennoch mindern diese Schädigungen – auch wenn sie mit bloßem Auge oft nicht sichtbar sind – die Tragfähigkeit der Befestigung, so dass die Funktionsfähigkeit eingeschränkt ist. Für eine zu gewährleistende Funktion sind daher nach einem Anprall auf Schutzeinrichtungen häufig neue Befestigungen zu montieren.
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Ein Grund für die Schwierigkeiten bei Befestigungen in Asphalt liegt in den Eigenschaften dieses Werkstoffes. So weist Asphalt aufgrund seines Bestandteiles Bitumen und der Gesteinskörnung Besonderheiten auf. Bitumen zeigt beispielsweise ein viskoelastisches Verhalten im Lastfall. Dies bedeutet, dass Verformungen temperaturabhängig bei konstanter Last über die Zeit zunehmen. Zur besseren Einschätzung dieses komplexen nichtlinearen Verhaltens von Befestigungen in Asphalt wurden bereits die wichtigsten Einflussfaktoren untersucht. So können stoßartige Belastungen, beispielsweise in Folge eines Fahrzeuganpralls, auch ohne Versagen eine Schädigung im Bereich der Befestigung bewirken. Versuche an einer Asphaltoberfläche haben ergeben, dass nach einer stoßartigen Belastung eine Verringerung einer aufnehmbaren Last von ca. 5 kN–10 kN im Vergleich zu einem unbelasteten Zustand vorliegt. Der Grad der Verringerung ist dabei ebenfalls abhängig von der Belastungsrichtung. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Schädigungen im Untergrund vorliegen, die es zu verhindern bzw. zu reparieren gilt.
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Ein weiteres Problem bei Befestigungen in Asphalt sind Mikrorissbildungen im Verankerungsgrund entlang des Bohrloches im Zuge der Montage.
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Aus diesen Gründen wird zur Befestigung auf einem Asphaltuntergrund oftmals ein Betonfundament als Verankerungsgrund erstellt. Dies hat jedoch zur Folge, dass zusätzlicher Arbeits- und Kostenaufwand erforderlich ist, der vermieden werden soll.
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Daher besteht ein Bedarf nach Möglichkeiten, entstandene Rissbildungen im Verankerungsgrund wieder zu schließen.
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Zusammenfassung
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein Verfahren zum Heilen eines beschädigten Asphalts nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Einbringen eines Befestigungsmittel nach Anspruch 6 und ein induktiv aufheizbares Befestigungsmittel für Asphalt nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Heilen eines beschädigten Asphalts in einer Region, in der sich ein Befestigungsmittel befindet. Das Verfahren umfasst ein induktives Aufheizen des Befestigungsmittels, wobei zumindest eine Oberflächenregion des Befestigungsmittels, die mit dem Asphalt in Kontakt ist, zumindest bis auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt wird. Die vorbestimmte Temperatur ist beispielsweise derart gewählt, dass eine Selbstheilung des Asphaltes ausgelöst wird. Sie kann aber auch höher gewählt werden. Beispielsweise beträgt die vorbestimmte Temperatur: 50°C oder 85°C oder 100°C. Ausführungsbeispiele nutzen somit insbesondere die ungünstigen Eigenschaften von Asphalt in einem positiven Sinn.
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Bei Ausführungsbeispielen wird das induktive Aufheizen mittels eines Induktionsgerätes ausgeführt, welches schwebend über eine Asphaltoberfläche mit eingebrachtem Befestigungsmittel gehalten wird. Das benutzte Induktionsgerät ist beispielsweise ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches eine induktive Aufheizung des Befestigungsmittels oder zumindest eines Abschnittes davon bewirkt. Das Induktionsgerät kann dabei ein wechselndes Magnetfeld oder auch ein konstantes Magnetfeld erzeugen und die Stärke/Frequenz des Magnetfeldes kann an das Befestigungsmittel (z.B. an seine Geometrie) angepasst sein, um eine Optimierung der erzeugten Hitze zu erreichen. So kann beispielsweise gezielt ein Außenbereich (der in Kontakt zum Asphalt steht) des Befestigungsmittels erhitzt werden.
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Optional kann der Schritt des induktiven Aufheizens für eine vorbestimmte Mindestzeitdauer ausgeführt werden, so dass der Asphalt in einer angrenzenden Region sich bis zu einer vorbestimmten Tiefe auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt. Die vorbestimmte Tiefe ist beispielsweise durch die typische Risslänge in dem Asphalt gegeben, die von dem Befestigungsmittel selbst aber auch von der Beanspruchung (z.B. beim Aufprall) abhängen kann. Beispielsweise kann die vorbestimmte Tiefe einen Wert von zumindest 1 cm oder zumindest 5 cm aufweisen oder aber auch in einem Bereich zwischen einem Durchmesser des Befestigungsmittels und einem 5-fachen Durchmesser liegen kann oder darüber.
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Optional umfasst das Verfahren weiter ein Aufsetzen eines Zusatzelements auf das Befestigungsmittel, wobei das Zusatzelement ausgebildet ist, um sich bei Anwesenheit des Induktionsfeldes stärker aufzuheizen als das Befestigungsmittel. Das Zusatzelement weist beispielsweise ein Material auf, welches ein durch das Induktionsgerät erzeugte Magnetfeld effektiv in Wärme umwandelt. Die thermische Kopplung zwischen dem Zusatzelement und dem Befestigungselement kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Zusatzelement mit dem Befestigungselement verbunden wird, so dass sich ein thermischer Kontakt zwischen dem Zusatzelement und dem Befestigungselement ergibt. Für die Verbindung kann eine Ausnehmung mit einem optionalen Innengewinde in dem Befestigungsmittel für eine Schraubenverbindung (mit vorteilhafter guten Wärmleitfähigkeit) genutzt werden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Einbringen einer Asphaltschraube in Asphalt. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden eines Loches in dem Asphalt, ein Einbringen von Injektionsmörtel in das Loch und ein Einsetzen der Asphaltschraube in das Loch mit dem Injektionsmörtel. Der Injektionsmörtel umfasst einen Materialbestandsteil, der sich induktiv bei Anwesenheit eines Induktionsfeldes aufheizt, um einen Selbstheilungsprozess im angrenzenden Asphalt zu unterstützen. Beispielsweise können Metallspäne als Materialbestandteil genutzt werden, die sich untereinander verbinden können und sich bei Anwesenheit des Induktionsfeldes aufheizen. Auf diese Weise wird der umgebende Injektionsmörtel aufgeheizt, der wiederum den Asphalt aufwärmt und dort einen Selbstheilungsprozess auslöst.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein induktiv aufheizbares Befestigungsmittel für Asphalt. Das Befestigungsmittel umfasst einen Grundkörper, der sich bei einer Verwendung des Befestigungsmittels zumindest teilweise in den Asphalt hinein erstreckt, und eine Oberflächenstruktur, die zumindest teilweise auf dem Grundkörper ausgebildet ist und einen Halt dem Befestigungsmittel in dem Asphalt bei einer Belastung gewährleistet. Die Oberflächenstruktur ist ausgebildet, um Wärme über die Oberflächenstruktur an den Asphalt abzugeben, um einen Selbstheilungsprozess in dem Asphalt in Gang zu setzen.
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Die Verwendung des Befestigungsmittels umfasst insbesondere ein Einbringen des Befestigungsmittels in eine Asphaltschicht, um so eine Befestigung von weiteren Elementen an dem Befestigungsmittel zu ermöglichen. Dazu kann der Grundkörper ein Innengewinde aufweisen, das bei der Verwendung des Befestigungsmittels freiliegt, so dass ein Befestigen eines Zusatzelements an dem Befestigungsmittel ermöglicht wird. Das Zusatzelement kann jedes Element sein, welches sich induktiv aufheizen lässt, wobei die durch die Induktion erzeugte Wärme an das Befestigungsmittel weitergegeben wird. Das Befestigungsmittel kann insbesondere eine Asphaltschraube aufweisen, wobei der Begriff „Schraube“ breit ausgelegt werden soll und insbesondere alle stabförmigen Objekte umfassen soll, die Mittel aufweisen, um ein Herausziehen der Schraube zu verhindern.
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Optional umfasst das Befestigungsmittel zumindest eine Region mit einem ferromagnetischen Material, wobei die Region dem Induktionsfeld aussetzbar ist. Diese Region sollte nicht durch ein anderes Material (z.B. diamagnetischen Material) abgeschirmt werden und kann insbesondere jene Region sein, die nach dem Einsetzen der beispielhaften Asphaltschraube in den Asphalt freiliegend bleibt (z.B. vertikal nach oben gerichtet ist) und so dem Injektionsfeld direkt aussetzbar ist.
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Beispielsweise ist es von Vorteil, wenn das Innengewinde in dem Befestigungsmittel das Magnetfeld ins Innere des Befestigungsmittels weiterleitet, so dass dort Wärme durch das Induktionsfeld erzeugt wird. Wenn beispielsweise ein Zusatzelement genutzt wird, kann dieses das Magnetfeld über das Innengewinde ins Innere des Befestigungsmittels führen und so die Effizienz der Wärmeerzeugung verbessern. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn alle offenliegenden Oberflächen nach dem Einsetzen der beispielhaften Asphaltschraube kein diamagnetisches Material (wie beispielsweise Kupfer, Zink, etc.) aufweisen, so dass ein Eindringen des Magnetfeldes in die Asphaltschraube erleichtert wird.
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Um die Wärmeeinleitung weiter zu verbessern, kann eine Gewindetiefe der beispielhaften Asphaltschraube angepasst sein und mehr als 2 mm oder 5 mm betragen, um eine Wärmeeinleitung in den Asphalt zu verbessern.
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Optional umfasst das Befestigungsmittel ein induktives Element, insbesondere eine Spulenstruktur (kann beispielsweise kurzgeschlossen sein), welches in dem Grundkörper angeordnet ist und eine gezielte Erwärmung eines Bereiches des Befestigungsmittels bewirkt, um in diesem Bereich den Asphalt bei Beschädigung gezielt zu heilen.
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Optional umfasst das Befestigungsmittel eine Oberflächenschicht, die zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: eine Zinklegierung, eine Silberlegierung, insbesondere AgCu5, CuAg5, oder Messing, insbesondere CuZn10. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Oberflächenschicht nach dem Einsetzen des Befestigungsmittels in Kontakt mit dem Asphalt steht und nicht in Richtung zu dem Induktionsfeld zeigt. Dadurch wird die Wärmeeinleitung verbessert, während das Induktionsfeld immer noch in das Befestigungsmittel gelangen kann.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
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1 zeigt ein Befestigungsmittel für Asphalt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 veranschaulicht den induktionsinduzierten Selbstheilungsprozess gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt ein Befestigungsmittel in Asphalt und eine Selbstheilung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Befestigungsmittel 100 für Asphalt, wobei das Befestigungsmittel 100 beispielhaft eine Asphaltschraube darstellt, die induktiv aufheizbar ist. Die induktiv aufheizbare Asphaltschraube umfasst einen Grundkörper 110, der sich beim Befestigen zumindest teilweise in den Asphalt erstreckt. Außerdem ist auf dem Grundkörper 110 eine Gewindestruktur 112 ausgebildet, die dem Halt der Asphaltschraube 100 nach dem Einsetzen in dem Asphalt dient. Die Asphaltschraube 100 umfasst Oberflächenstruktur 112, 120, die einerseits der Asphaltschraube 100 Halt in dem Asphalt bei einer Belastung bietet. Andererseits kann die Oberflächenstruktur 112, 120 ebenfalls eine Oberflächenschicht 120 aufweisen, die beispielsweise ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit aufweist, um eine Übertragung der Wärme in das Asphaltmaterial zu verbessern und dadurch den Selbstheilungsprozess zu unterstützen.
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Der Grundkörper 110 kann beispielsweise ein ferromagnetisches Material aufweisen, wobei optional das ferromagnetische Material zumindest in einem Oberflächenbereich, der vertikal nach außen zeigt (außerhalb des Asphalts), vorhanden ist. Vorteilhafterweise ist das ferromagnetische Material in direktem Kontakt mit der beispielhaften Oberflächenschicht 120, um die in dem ferromagnetischen Material erzeugte Wärme effizient ans Asphalt weiterzugeben.
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Auf diese Weise wird es möglich, dass mittels Induktion das Befestigungsmittel und der Asphalt um das Befestigungsmittel herum erwärmt wird und der Selbstheilungsprozess ausgelöst wird. Risse können dadurch geschlossen werden und die Funktionalität des Befestigungsmittels kann wiederhergestellt werden.
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Außerdem kann die beispielshafte Asphaltschraube eine Ausnehmung 114 mit einem optionalen Innengewinde zur Befestigung weiterer Elemente aufweisen. Optional können außerdem in der Ausnehmung 114 Strukturen (z.B. ein Innenvierkant oder ein Innensechskant) vorhanden sein, mit deren Hilfe die beispielhafte Asphaltschraube gedreht werden kann.
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2 veranschaulicht den Selbstheilungsprozess. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Asphaltschraube 100 bündig mit einer Oberfläche des Asphaltes 50 abgeschlossen. Die Asphaltschraube 100 kann beispielsweise zur Befestigung eines Elementes dienen, welches in der 2 nicht gezeigt ist. Die 2 zeigt weiter, dass sich eine Vielzahl von Rissen 160 in der Nähe der Asphaltschraube 100 ausgebildet haben. Diese Risse 160 werden durch den induzierten Selbstheilungsprozess geschlossen, wobei ein Induktionsgerät 300 benutzt wird, welches ein Magnetfeld M erzeugt, das auf die Asphaltschraube 100 wirkt. Das Magnetfeld M induziert einen elektrischen Strom in der Asphaltschraube 100, der zu einer Aufheizung der Asphaltschraube 100 führt.
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Im Zuge der Erwärmung durch die Induktion wird der Asphalt 50 beispielsweise auf eine Temperatur von zumindest 85°C erwärmt, bei der der Selbstheilungsprozess startet. Die Mindesttemperatur kann in Abhängigkeit der Gegebenheiten auch anders gewählt sein, zum Beispiel zumindest 50°C oder zumindest 100°C betragen. Die Erwärmung des Asphaltes 50 auf die Mindesttemperatur Tc führt dazu, dass das Bitumen im Asphalt 50 weich wird und die entstandenen Risse sich schließen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird ein auf die Einflussfaktoren abgestimmter Injektionsmörtel genutzt, der die Lastableitung und den Selbstheilungsprozess unterstützt. Der Injektionsmörtel wird beim Einbringen des Befestigungsmittels 100 in den Asphalt 50 zunächst in die dafür auszubildende Öffnung hineingebracht. Anschließend wird das Befestigungsmittel 100 in den Injektionsmörtel eingesetzt. Um den Selbstheilungsprozess zu unterstützen, können beispielsweise Stahlfasern dem Injektionsmörtel beigemischt werden, die sich durch die Induktion aufheizen und so den Selbstheilungsprozess bewirken oder unterstützen. Im Gegensatz hierzu brauchen aber keine weiteren Zusätze in das Asphaltmaterial eingebracht werden.
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3 zeigt die beispielhafte Asphaltschraube 100, die in einer Asphaltschicht 50 eingesetzt wurde (der Injektionsmörtel ist nicht gezeigt). Die Asphaltschraube 100 umfasst eine Ausnehmung 114 mit einem Innengewinde zur Befestigung von weiteren Elementen an dem Asphalt 50. Beispielsweise kann eine Befestigungsplatte 200 durch eine Schraubenverbindung 250 unter Nutzung des Innengewindes an der Asphaltoberfläche gehalten werden. Optional ist es ebenfalls möglich, dass ein Zusatzelement 400 in das Innengewinde der Ausnehmung 114 eingeschraubt wird.
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Das Zusatzelement 400 kann beispielsweise ausgebildet sein, um sich durch das Induktionsfeld M von dem Induktionsgerät 300 aufzuheizen. Durch das Einschrauben des Zusatzelementes 400 in das Innengewinde der Asphaltschraube 100 wird die erzeugte Wärme in dem Zusatzelement 400 an die Asphaltschraube 100 weitergeleitet. Es ist ebenfalls möglich, dass das Zusatzelement 400 und die Schraubenverbindung 250 ein Material aufweisen (z.B. ein ferromagnetisches Material), dass das Induktionsfeld M in die Asphaltschraube 100 hinein weiterleitet, um dadurch ebenfalls in der Asphaltschraube 100 eine induktive Aufheizung zu erreichen.
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Außerdem ist in der 3 ein Temperaturprofil gezeigt, welches sich in der Asphaltschicht 50 nach dem Aufheizen der Asphaltschraube 100 einstellt. Beispielsweise heizen Ausführungsbeispiele die Asphaltschraube 100 solange thermisch auf, bis sich in einer Region 55, die sich bis zu einem Abstand d von der Asphaltschraube 100 erstreckt, eine Mindesttemperatur Tc herausstellt. Die Mindesttiefe d ist dabei beispielsweise eine typische Länge für Risse 160, die sich bei der Montage oder bei einem Anprall häufig als Mikrorisse herausbilden. Beispielsweise kann die Tiefe d in einem Bereich zwischen 1 und 10 cm liegen, oder aber Werte aufweisen von 1 cm, 3 cm, 5 cm oder dem Durchmesser der Asphaltschraube entsprechen.
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Um dies zu erreichen, kann das Induktionsgerät 300 beispielsweise in einem vorbestimmten Abstand und für eine vorbestimmte Zeitdauer oberhalb der Asphaltschraube 100 gehalten werden. Außerdem kann die Stärke und Frequenz des Induktionsfelder M entsprechend eingestellt werden, um den Selbstheilungseffekt in der gesamten Region 55 zu erreichen. Optional kann das Induktionsfeld M ebenfalls an das Befestigungsmittel 100 angepasst werden. Um eine effiziente Erhitzung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die erzeugten Wirbelströme möglichst in der beispielhaften Asphaltschraube 100 ausreichend Platz finden bzw. an einer gewünschten Stelle wirken (z.B. nahe der Oberfläche).
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Auch die Geometrie der Befestigungsmittels 100 und dessen Anbauteil 200 können entsprechend gewählt werden. Beispielsweise erzielt eine höhere Fläche des Gewindes 112 höhere Bruchlasten und ein modifiziertes Anbauteil 200 verbessert die Lastableitung in Folge eines Anpralles von Fahrzeugen.
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Vorteile von Ausführungsbeispielen können wie folgt zusammengefasste werden. Die Nutzungsdauer von Befestigungen in Asphalt 50 wird deutlich vergrößert, was nicht nur zu ökonomischen Vorteilen führt, sondern ebenfalls neue Anwendungsgebiete eröffnet. Durch die Nutzung des Selbstheilungspotentials von Asphalt 50 brauchen Befestigungen in Asphalt 50 nicht erneut montiert zu werden. Somit sind mehrfach nutzbare Befestigung erreichbar. Durch die fortwährende Reparatur der Mikrorisse wird das Lastaufnahmevermögen der Asphaltfläche nicht herabgesetzt. Außerdem brauchen keine Änderungen an der Asphaltmischung vorgenommen werden. Insbesondere ist es zum Ausheilen des Asphalts nicht erforderlich, Metallspäne oder Stahlfaser oder anderen Zusätze in den Asphalt einzubringen, um eine induktive Aufheizung und somit die Ausheilung zu ermöglichen. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird ein Asphaltschrauben oder ein beliebiges Befestigungsmittel als Aufheizmittel genutzt, um die Selbstheilung auszulösen. Somit sind Ausführungsbeispiele für jede Asphaltmischung anwendbar, d.h. der Asphalt braucht nicht ersetzt zu werden.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 50
- Asphalt
- 55
- angrenzende Region mit Rissen
- 100
- induktiv aufheizbares Befestigungsmittel
- 110
- Grundkörper
- 112
- Gewinde
- 114
- Ausnehmung
- 120
- Oberflächenschicht
- 160
- Risse
- 200
- Befestigungsplatte
- 250
- Schraubenverbindung
- 300
- Induktionsgerät
- 400
- Zusatzelement
- d
- Abstand vom Befestigungsmittel
- Tc
- vorbestimmte Mindesttemperatur
