DE3442171A1 - Verfahren zur verbesserung des einbauverhaltens von bituminoesem mischgut nach den technischen vorschriften und richtlinien fuer den bau bituminoeser fahrbahndecken - tv-bit 3/72 - - Google Patents

Description

PATENTANWALT PAUL MUNDERICH

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EUROPEAN PATENT ATTORNEY

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ROTHENBERGEN FRANKFURTER 8TRA88E BA

TELEFON O6O51/3703

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POSTSCHECK-KTO. FFM. 33« 726· 80S

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29/3/84

Patentanmeldung

Mitteldeutsche Hartstein-Industrie GmbH

Mainzer Landstr. 27-31
6000 Frankfurt 1

'Verfahren zur Verbesserung des Einbauverhaltens von bituminösem Mischgut nach den "technischen Vorschriften und Richtlinien für den Bau bituminöser Fahrbahndecken - TV-bit 3/72 -"

( Innere Priorität. P 33 42 669.4 vom 2Ü.11.19Ö3)

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Einbauverhaltens von standfestem, bituminösem Mischgut für den Straßenbau bau, wobei das Mischgut nach den "technischen Vorschriften, und Richtlinien für den Bau bituminöser Fahrbahndecken" ~ TV-bit 3/72 - zusammengesetzt und aufbereitet ist, und der hieraus bestimmte Fülleranteil durch einen Mischfülleranteil, bestehend aus Steinmehl und Kieselsäure ersetzt ist, wobei im weiteren auf das Verfahren nach der DK-I³S 29 19 444 verwiesen wird.

Die aus der heutigen Verkehrsbelastung resultierenden Kriterien, die sich speziell für stark frequentierte Straßen- oder Autobahnführungen einstellen, sind hinlänglich bekannt.

Die Qualität der Fahrbahndecke wird in der Rangfolge der Ansprüche in vordaren Positionen angesiedelt. Betrachtet man den Umfang allein des bundesdeutschen Straßennetzes, so wird schon aus ökonomischer Sicht die Haltbarkeit der Straßendecke betont. Beleuchtet man weiter die Ansprüche der Straßenbenutzer gezielt, so kristallisiert sich aus den ständig steigenden Raten des Schwerverkehrs und dem fortschreitenden Wachstum der Anzahl der Personenwagen die Forderung nach langlebigen, belastbaren Straßendecken heraus, wobei aus dem Oberbegriff "Qualität" die Haltbarkeit mit der Standfestigkeit in enge Beziehung gebracht werden kann.

Die Eigenschaften eines standfesten oder auch verformungsstabilen Straßenbelages -

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besonders, wenn es sich um Walzasphalt handelt lassen sich nach dem Stand der Technik nur durch Kompromisse erkaufen.

Standfeste Beläge erfordern einen hohen Verdichtungsaufwand, der sich im Regelfall ausschließlich aus den Eigenschaften des Haitetein-Korns, einem hohen Brechsandante^l, versteifendem Füller, härterem Bindemittel und geringerem Bindemittelgehalt bestimmen läßt.

Dem eingangs genannten Verfahren wurde die Aufgabe zugrundegelegt, die Aufbereitung von Asphaltbeton mit in der Decke verbliebenen Resthohlräumen bekannter Größenordnung, bei Erhaltung eines üblichen Füllervolumens, die Herstellung von fließ- bzw. quasi fließfähigen, besonders leicht verdichtbarem Asphaltbeton, insbesondere von Asphaltfeinbeton, zu ermöglichen. Kriterium dieses Verfahrens ist die Aufbereitung und die Verwendung eines Mischfüllers aus Kalk-, Basaltoder Schiefermehl mit einem Schüttgewicht zwischen 0,9 und 1,1 kg/dm³, mit einem Füller aus pulvrisierter amorpher Kieselsäure mit einem Schüttgewicht zwischen 0,1 und 0,2 kg/dm³ oder Kieselgur (70 bis 90% SiO₂) mit einem Schüttgewicht zwischen 0,15 und 0,3 kg/dm³ in einem vorbestimmten · Volumenverhältnis.

Die weitere Aufbereitung erfolgt nach TV-bit 3/72, wobei der übliche Volumunanteil dem eines Steinmehles mit einem Schüttgewicht von 1 kg/dm³ entspricht.

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Der Bindemittelanteil wird etwa entsprechend der vergrößerten Oberfläche erhöht.

Das so aufbereitete Asphaltbetongemisch weist aufgrund seines höheren Bindemittelanteiles einen wesentlich "geschmeidigeren" Charakter aus und ist hinsichtlich den Anforderungen seiner Verarbeitung dem Gußasphalt ähnlich.

Dieses Verfahren hat sich grundsätzlich im Sinne der damals gestellten Aufgabe als geeignet bestätigt. Der relativ breite Streubereich des SiO-- Anteiles zwischen 70 und 90% und der des Schüttgewichtes haben jedoch eine hinreichend exakte Einstellung des zu erwartenden Ergebnisses erschwert. Diese Sachlage führt zwangsläufig zu der Forderung einer Vereinheitlichung des Kieselsäureproduktes hinsichtlich seiner physikalischen und chemischen Definition. Da das Naturprodukt "Kieselgur" hierfür immer nur breite Bereiche bieten kann, ist es schon aus diesen Gründen auszuschließen und die weitere EntwickT auf synthetische amorphe Kieselsäure abzustellen.

In diesem Zusammenhang haben sich Verfahren, wie sie beispielsweise durch RÖMPP 7. Auflage, Band 1, Seite 66 und Band 3, Seite 17 69 genannt sind, angeboten.

Nach dem von der DEGUSSA entwickelten Verfahren wird Kieselsäure durch Hydrolyse von Siliciumtetrachlorid in eine Knallgasflamme aufbereitet.

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Das Kriterium dieses Produktes ist ein SiO~-Gehalt bis zu 99,8% und die Bildung kugelförmiger Teilchen, deren Oberfläche bis zu 400 m²/g beträgt.

Neben diesem pyrogenen Herstellungsverfahren sind auch Fällungsverfahren, fallweise mit nachgeordneter Sprühtrocknung, bekanntgeworden.

Die Produkte sind u.a. zur Viskositätssteuerung von Lacken, Klebstoffen, Kunststoffen usw. als Füllmittel in Kautschuk,-Salben, Zahnpasten usw. bekannt. Bereits geringe Beimengungen verbessern das Fließverhalten von Pudern, Düngemitteln usw.

Zurückkommend auf die eingangs erläuterten, aus der heutigen Verkehrsbelastung resultierenden qualitativen Kriterien - Haltbarkeit, Standfestigkeit, Verformungsstabilität usw. -die sich nach den heutigen Möglichkeiten in der Regel nicht in befriedigendem Maße gemeinsam erfüllen lassen, und bei Würdigung des einleitend beschriebenen Standes der Technik, sowie der skizzierten Verfahren zur synthetischen Aufbereitung amorpher, pulvriger Kieselsäure, ist es deshalb Aufgabe dieser Erfindung ein Verfahren nach der eingangs beschriebenen Art zu nennen, das die seitherigen Erfahrungen der Asphalttechnologie, wonach

- eine hohe Verdichtungswilligkeit einen geringen Verformungswiderstand,

- eine geringe Verdichtungswilligkeit einen hohen Verformungswiderstand und

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- ein hoher Verformungswiderstand ein für die Lebensdauer ungünstiges Biegezugverhalten

bedeuten sollen, insoweit umkehrt/ daß bei hoher Verdichtungswilligkeit, verbunden mit einer Reduzierung der Walzendurchgänge, ein hoher Verformungswiderstand - auch bei sommerlichen Temperaturen gegeben ist. ——

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß der Mischfüller aus Steinmehl mit einem mittleren Schüttgewicht von 1,0 kg/dm³ und aus synthetischer kieselsäure mit einem mittleren Schüttgewicht von 0,2 kg/dm³ quasi homogen bei stabiler Verteilung der beiden Komponenten aufbereitet und dieser und das bituminöse Bindemittel den bereits erhitzten Zuschlagstoffen zugeführt und mit diesen vermischt werden.

Die Verwendung dieses Mischfüllers führt nicht nur zu einer wesentlichen Vergrößerung der aktiven, d.h. durch Bindemittel benetzbaren Oberflächen des Füllers und damit zu einer vorübergehenden Erhöhung der Mörtelplastizität während des Einbaus, sondern darüberhinaus zu einer sich einstellenden Versteifung des zwischen den Zuschlagstoffen angeordneten Mörtelgerüstes.

Hinsichtlich der Auswahl und des Anteiles an Kieselsäure im Mischfüller hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß zur Herstellung eines Mischfüllers Steinmehlfüller mit einer Oberfläche von etwa 0,5 m²/g - gemessen nach BET surface area - und synthetischer Kieselsäurefüller in einem Anteil von 0,1 bis 2 Gew.%,bezogen auf das Gewicht des Mischgutes, und mit einer Oberfläche von etwa 250 m²/g

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- ebenfalls nach BET - zusammengeführt und vermischt werden.

In der Regel ist es zweckmäßig, daß das Volumen der beiden Füllerkomponenten so abgestimmt wird, daß das Verhältnis von maximal 1:1 nicht überschritten wird, wobei ein besonders vorteilhaftes Ergebnis dann gegeben ist, wenn 0,5 bis 0,6 Gew.% Kieselsäure, bezogen auf das Mischgutgewicht zugegeben wird.

Unabhängig von diesen Ausführungen und fallweise bestätigt durch die anschließend beschriebenen Ergebnisse von Untersuchungen kann es als sicher angenommen werden, daß weitere Parameter, insbesondere die u.a. in den Wechselbeziehungen zwischen den Füllerarten und Bindemittel zu sehen sind, wirksam werden, da allein die Vergrößerung der aktiven Oberflächen und die eventuelle Erhöhung des Bindemittelanteiles, wahrscheinlich nicht die durch die Versuche bestätigten Ergebnisse rechtfertigen können. So kann heute bereits als sicher erkannt werden, daß die Verwendung des Mischfüllers im Rahmen der Aufbereitung von Mischgut nach der TV-bit 3/72 die Verdichtungswilligkeit des Mischgutes wesentlich erhöht, so daß die Anzahl der nach dem Einbau erforderlichen Walzenübergänge stark reduziert werden kann, um die vorgeschriebene Raumdichte von mindestens 97% nach Marshall zu erreichen.

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Auch der Verformungswiderstand und damit verbunden die Standfestigkeit weisen durch die Verwendung des Mischfüllers erheblich höhere Werte, auch bei relativ hohen Außentemperaturen, auf.

Dieses Verhalten widerspricht deutlich den bisherigen Erfahrungen, nach denen leicht verdichtbare Massen einen geringeren Verformungswiderstand aufweisen. Ein negativer Einfluß auf den Spannungsabbau,- d.h. auf das Relaxationsverhalten, bei vergleichbaren Mörtelkonsistenzen ist nicht gegeben.

In Verbindung mit dem erhöhten Verformungswiderstand kann auch eine verbesserte Eigenschaft des Mischgutes bei Verwendung weicherer Bindemittel eingestellt werden.

Abschließend ist zu bemerken, daß die günstigen Eigenschaften des durch den beschriebenen Mischfüller modifizierten Asphaltmischgutes es gestatten, sonst notwendige aufwendigere Belagtypen alternativ zu ersetzen.

In diesem Zusammenhang kann insbesondere an den Ersatz von Straßengußasphalt durch eine TV-bit 3/72-Mischung gedacht werden.

Die Erfindung wird im weiteren durch die nachstehende Beschreibuny von Versuchen beispielsweise erläutert.

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1. Vorbemerkung

Die durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Praxis erzielten Vorteile werden durch Auszüge bzw. Auswertung eines von der Versuchsanstalt für Straßenwesen der Technischen Hochschule Darmstadt im Auftrag der Anmelderin erstellten Berichtes über "Untersuchungen über das Verdientungs-/ Verformungs- und Biegezugverhalten von Asphaltbeton mit konventionellen Füllern und Sondefüllern" bestätigt, wobei der Sonderfüller,Bestandteil des eingangs erwähnten Mischfüllers, eine synthetische Kieselsäure mit folgenden Kenndaten enthält:

Schüttgewicht = 0,2 kg/dm³

Durchschnittliche Korngröße = 0,08 mm

Oberfläche ca. 250 m²/g

SiO₂~Anteil = 93 %,

wobei nachstehend die synthetische Kieselsäure kurz als "Kieselsäure" bezeichnet wird.

Der Steinmehlanteil des Füllers ist entweder Kalksteinmehl oder Basaltmehl mit einem Schüttgewicht von 1 kg/dm³ und einer Oberfläche von etwa 0,5 m²/g.

Die Auswertung der Ergebnisse dieser wissenschaftlichen Untersuchungen ist noch nicht vollständig abgeschlossen. Die bereits jetzt gewonnenen Erkenntisse bestätigen jedoch die vollständige Lösung der eingangs genannten Aufgabenstellung.

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Unabhängig von den verwendeten Versuchsmaterialien können außer Basalt- oder Kalkmehl auch Füller aus anderen Hartgesteinen, wie Diabas, Gabbro usw. verwendet werden.

Versuchsmaterialien und Versuchsanordnung

2.1 Versuchsmaterialien

Untersucht wurde ein splittreicher Asphaltbeton 0/11 mm mit Straßenbaubitumen B 80. Die Korngrößenverteilung de] Mineralmischung ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Mine ralstoffkomponenten betrugen:

55,0 Gew.-% Basalt-Edelsplitt 36,0 Gew.-% Basalt-Edelbrechsand 9,0 Gew.-% Füller

Die Füllerart wurde variert und dabei

Kalksteinmehl und
Basaltmehl jeweils mit und ohne Kieselsäure

verwendet.

Der Gehalt an Kieselsäure betrug in beiden Füllermischungen 6,7 % bezogen auf den Fülleranteil.

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Der Bindemittelgehalt wurde so festgelegt, daß der mit Luft gefüllte Hohlraum im Probekörper nach Marshall ca. 3 Vol.-% betrug.

Der Hohlraumgehalt (H_R) der Füller nach Ridgen und die Kenndaten-der untersuchten Mischgutvarianten sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Bezeichnung	Füllerart	Hohl- raum- gchalt 11R Vol.-%	Binde nd, ttel- gehalt Gevi.-%	Hohl raum gehalt H, .. bit Vol.-%
A	Kalkstein mehl	36,6	5,8	3,1
B	Kalkstein mehl mit	51 ,8	6,4	3,3
	Kieselsäure
C	Basalt mehl	37,4	6,1	3,0
D	Basalt mehl mit Kieselsäure	52,4	6,4	3,2

Tabelle 1: Mischgutvarianten

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2.2 Versüchsanordnung

Die Untersuchungen des Verdichtungs- und Verformungsver haltens wurden mit dem Gyratorversuch und des Biegezugverhaltens mit dem Biegezug-Versuch durchgeführt.

Der Gyrator ist eine Art Knetverdichter, in dem Probekörp aus bituminösem Mischgut durch gleichzeitigen vertikalen Druck und kreiselnde Bewegung einer horizontalen Schubbee spruchung ausgesetzt werden. Er gibt die Möglichkeit, di Änderung der Lagerungsdichte des Minerales und der Hohlra Verhältnisse unter der Verdichtung durch Walzen und der Nachverdichtung unter Verkehr meßtechnisch zu erfassen ur fortlaufend zu registrieren. Der Verdichtungsmechanismus des Gyrators ist in Abbildung 2 graphisch dargestellt.

Das Mischgut wird mit einem Anfangshohlraumgehalt von 25 Vol.-% in die Form (8) eingebracht und mit einem vertikalen Stempeldruck von 0,7 N/mm² belastet. Während des Versuches dreht sich der Rollenträger (2) mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit von 20 Umdrehungen pro Minute und einem Vorgabewinkel von 1°. Die dadurch erzwungene Verformung bewirkt in dem Probekörper einen Wide stand. Die sich einstellende tatsächliche Neigung des Probekörpers ist stets größer als der Vorgabewinkel. Sie wird als Gyratorwinkeld. bezeichnet. Während des Versuches werden die Probekörperhöhe h, der Gyratorwinkel*. und die Rollenlagerkraft P mit Hilfe einer in Darmstadt entwickelten Analog-Digital-Umsetzung gemessen und für die rechnerische Auswertung auf Lochstreifen registriert.

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Aus der Kräfteverteilung des Gesamtsystems Gyrator, lassen sich folgende Kenngrößen berechnen:

τ Die Phasenverschiebung φ, die identisch ist mit dem bei dynamischen Beanspruchungen auftretenden Nachlaufwinkel.

- Die auf die Masseneinheit des Prüfgutes bezogene spezifische Verdichtungsarbeit A„.

- Die komplexe Schubspannung t mit dem elastischen Anteil und dem viskosen Anteil.

Das Verdichtungsverhalten der Mischgutvarianten wurde bei einer Prüftemperatur von 135° C untersucht. Die Mischungen wurden bis zu einem Verdichtungsgrad von 98 % der Raumdichte des Probekörpers nach Marshall verdichtet. Anschliessend wurden die Probekörper 24 Stunden bei einer Temperatur von 60° C im Wärmeschrank gelagert. Die Probekörper wurden bei 60° C im Gyrator nachverdichtet und somit das Verformungsverhalten geprüft.

Für die dynamischen Biegezug-Versuche wurden in Anlehnung an DIN 1164, Blatt 7 Probekörper mit den Abmessungen 4 cm χ 4 cm χ 16 cm hergestellt. Dabei wurde das bituminöse Mischgut mit einer Temperatur von 135° C in eine dreigeteilte Form zur Herstellung von drei Probekörpern eingefüllt und unter statischem Druck auf 98 % der Raumdichte des Probokörpers nnch Marshall verdichtet.

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Die ausgeformten Probekörper wurden in das Biegezuggerät eingebaut und bei einer Temperatur von 20° C einm einem kraftgeregelten und zum anderen einem weggeregelt dynamischen Biegezugversuch mit der hydraulischen Press RE 16 unterworfen.

Die Versuche wurden mit Sinusschwingungen bei 5 HZ durc geführt.

Für die kraftgeregelten dynamischen Biegezugversuche betrug die

Oberlast 0,7 kN und die
Unterlast 0,3 kN.

Die weggeregelten dynamischen Biegezugversuche wurden durchgeführt mit einer

oberen Verformung von 0,5 mm und einer
unteren Verformung von 0,1 mm.

Während der Versuche wurde die mittige Durchbiegung des Biegebalkens und die Kraft jeweils in Abhängigkeit von
der Belastungszeit mit dem Bryans XY Recorder 2600C A 2 aufgezeichnet.

Beispiele für die aufgezeichneten Kurven zeigen die Abbildungen 3 und 4. Dabei ist in Abbildung 4 eine Hüllkt aufgetragen, weil das Auflösungsvermögen des Schreibers zur Aufnahme der Kraftschwingung zu gering war. Die
Schwingung verläuft zwischen der Hüllkurve und der
Zeitachse.

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3. Darstellung und Diskussion der Untersuchungsergebnisse

Für die statistische Beschreibung der Abhängigkeit zwischen dem mit Luft gefüllten Hohlraum und der spezifischen Verdichtungsarbeit A wurde folgende Beziehung zum Ansatz gebracht:

bxt bit

b
e ν

mit H_bit

= 25 Vol.-i

b_v = Verdichtungsziffer

A_ = Spezifische Verdichtungsarbeit in 0,1 Nm/kg

Nach Logarithmierung läßt sich mit den auf Grund der Messungen erhaltenen Wertepaaren für A_, und H,., eine lineare Einfachregression durchführen und die Verdichtungsziffer errechnen. Die so erhaltenen Verdichtungsziffern sind in Tabelle 2 enthalten.

Füllerart	Anzahl der Wertepaare η	Korrelations koeffizient r	Verdichtungs ziffer ,
Kalksteinmehl	43	0,986	-0,0130
Kalksteinmehl mit Kieselsäure	17	0,982	-0,0198
Basaltmehl	20	0,988	-0,0196
Basaltmehl mit Kieselsäure	24	0,9802	-0,0168

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Die Mischungen mit Basaltfüller und die mit Kalksteinmehl und Kieselsäure erwiesen sich bei nahezu gleichen Verdichtungsziffern als vergleichsweise leicht verdichtbar.

Basaltmehl bewirkte eine schwere Verdichtbarkeit. Die Mischung mit Kalksteinmehl erforderte den größten Verdichtungsaufwand.

Der Nachlaufwinkel φ ist eine Einflußgröße der Verdichtbarkeit. Beträgt der Nachlaufwinkel 0°, so verhält sich das zu verdichtende Mischgut elastisch. Das Mischgut ve: hält sich wie eine viskose Flüssigkeit bei einem Nachlaufwinkel von 90°. Im Bereich 0° < φ * 90° entspricht das Verhalten des Mischgutes einem visko-elastischen We] stoff. Der viskose Anteil überwiegt im Bereich φ > 45°, im Bereich φ <■ 45° überwiegt der elastische Anteil.

Der Verdichtungsprozeß kann in Abhängigkeit von der aufgebrachten Verdichtungsarbeit in drei Phasen unterteilt werden. In der ersten Phase wird die Verdichtung der Hohlräume durch die Quasiviskosität des bituminösen Mörtels bestimmt. In der zweiten Phase beeinflußt neben dej Quasiviskosität des bituminösen Mörtels die innere Reibi des Korngerüstes den Verdichtungsverlauf. Am Übergang ve der ersten zur zweiten Phase besitzt der Nachlaufwinkel ein Minimum. Bei weiterer Verdichtung wird die Stützwirkung des Mineralgerüstes durch zunehmende Ausfüllung dej Hohlräume mit Mörtel sowie Kantenbruch und -abrieb abgebaut.

Durch die zunehmende Hohlraumausfüllung mit Mörtel wird der unmittelbare Kontakt der Stützkörner geringer. Die Schubspannungen bewirken zunehmend viskose Verschiebung^ innerhalb des Mörtels. Der Nachlaufwinkel wird größer aJ 45°. Der Verdichtungsprozeß tritt in die dritte Phase ei in der ein quasiviskoses Fließen stattfindet.

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Der oben qualitativ beschriebene Verlauf des Nachlaufwinkels in Abhängigkeit von der Verdichtungsarbeit kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

tan (90°-φ) = a * A_^b ' e^C *

mit φ = Nachlaufwinkel

A_G = Spezifische Verdichtungsarbei't in 0,1 Nm/kg

Nach einer Regressionsrechnung ergaben sich aufgrund der Meßwerte die in Tabelle 3 angegebenen Koeffizienten.

Füllerart	Anzahl der Wertepaare η	Korrelations koeffizient r 4	Koeffizienten	a	b	C
Kalksteinmehl Kalksteinmehi mit Kieselsäure Basaltmehl Basaltmehl mit Kieselsäure	15 9 7 8	0,982 0,962 1,0 0 r974	0,3283 0,2764 0,3483 0,3342	0,4135 0,4762 0,3833 0,3875	-0,0048 -0,0098 ί -0,0043! -o.oofiir .

Tabelle 3: Koeffizienten a,b und c bei variierter Füllerart

Der qualitative Kurvenverlauf der beschriebenen Abhängigkeiten ist in Abbildung 5 graphisch dargestellt. Die Kurve besitzt im Punkt A ein Maximum und im Punkt C einen Wendepunkt. Die Koordinaten dieser Punkte wurden errechnet und für die einzelnen Varianten gegenübergestellt. Die Abbildung 6 zeigt den prozentualen Vergleich der Verdichtungsarbeiten und der Nachlaufwinkel φ .

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Die bituminösen Mischungen mit Kalksteinmehl und Basaltmehl weisen gegenüber den Mischungen mit Kieselsäure im Punkt A geringere Nachlaufwinkel auf. Die innere Reibung des Korngerüstes beeinflußt bei den Mischungen ohne Kieselsäure stärker den Verdichtungsverlauf. Die Füllerart (Basaltmehl oder Kalksteinmehl) wirkt sich bei der Verdichtung dieser Mischungen nicht auf den Verdichtungsverlauf aus, was durch die annähen gleiche spezifische Verdichtungsarbeit dokumentiert wij Die spezifische Verdichtungsarbeit ist im Punkt A trots annähernd gleicher Nachlaufwinkel bei der Mischung mit Basaltmehl und Kieselsäure gegenüber der Mischung mit Kalksteinmehl und Kieselsäure größer. Der Zusatz von Kieselsäure zu dem Kalksteinmehl fördert die Verdichtur Die Mischungen ohne Kieselsäure sind verdichtungs u η williger als die Mischungen mit Kieselsäure. Die gleich Verhältnisse ergeben sich tendenziell für den Punkt C.

Verformungsverhalten

Bei einer zur Verdichtung noch ausreichend hohen Temperatur der bituminösen Masse wird bei der Verdichtung unter der Walze eine Art Grenzhohlraumgehalt erreicht, der infolge eines momentanen isotropen Druckes eine weitere Verdichtung nicht ermöglicht. Nach Abkühlung der eingebauten Schicht auf der Straße und der damit ve bundenen Kontraktion von komprimierter Luft und Bindemittel entspannt sich das System; es werden zusätzliche Hohlräume frei, die unter der Einwirkung des Verkehrs "nachverdichtet" werden können. Die Nachverdichtung ist im Winter wegen der hohen Viskosität des Materials so gut wie nicht möglich. Dazu ist vielmehr ein durch Sonnenstrahlung erzeugter bestimmter Wärmeinhalt der bituminösen Masse erforderlich.

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Dieser bewirkt jedoch nicht nur eine Verminderung der Viskosität, sondern gleichzeitig auch eine Vergrößerung des Mörtelvolumens.

Die Nachverdichtung auf der Straße unter Verkehr wurde an den Mischgutproben mit einem Verdichtungsgrad von 98% bei einer Temperatur von 60° C im Gyrator nachgeahmt. Die Änderung des mit Luft angefüllten Hohlraumes Η,.. über die aufgebrachte Verformungsenergie Ay wurde analog wie die Verdichtung in Abschnitt 3.1 mathematisch durch folgende Beziehung ausgedrückt.

^Hbit ~ ^Hbit

bw

"o,w

Der Index w wurde hier zur Kennzeichnung eines Widerstandes gegen Verformung eingeführt, während A₁,,.. die

GV

aufgebrachte Verformungsenergie bedeutet. In der Tabelle 4 sind die aufgrund der Meßergebnisse errechneten Koeffizienten enthalten.

Füllerart	Anzahl der Wertepaare η	Korrelations koeffizient r	Ausgangs hohlraum Hbit O,W	Verfor mungs zif f er
Kalksteinmehl Kalksteinmehl mit Kieselsäur Basaltmehl Basaltmehl mit Kieselsäure	22 : 23 24 22	0,972 0,959 0,975 0,968	4,373 4,094 3,733 4,211	-7,4323 -4,9400 -10,45 69 -6,6729

Tabelle 4; Verformungsziffern b bei variierter Füllerart

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Die Verformungsziffer b ist bei den Mischungen mit

Kieselsäurezusatz deutlich kleiner als bei den Mischungen ohne Kieselsäurezusatz. Die Mischungen mit Kalksteinmehl und Kieselsäure sowie Basaltmehl und Kieselsäure weisen somit einen größeren Verformungswiderstand als die Mischungen ohne Kieselsäure auf. "Den größten Verformungswiderstand weist die Mischung mit Kalksteinmehl und Kieselsäure-auf.

Eine weitere Möglichkeit zur Beurteilung des Verformungswiderstandes ergibt sich aus einer Analyse der Schubspannungen. Die im elastischen Anteil der Schubspannung· zum Ausdruck kommende Verformungsgröße zeigt denjenigen Teil der aufgebrachten Verformungsenergie an, der während der Beanspruchung elastische Reaktionen hervorruft. Die elastischen Reaktionen setzen der Verformung einen Widerstand entgegen; sie können daher als Verformungswiderstand angesehen werden. Der während des Verformungsvorganges elastische Schubspannungsanteil kann als Maß für den Verformungswiderstand herangezogen werden. Die Änderung des elastischen Schubspannungsanteiles T„ über die aufgebrachte Verformungs-

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energie A-,., wird ebenfalls mit einem Regressionsansatz

IaV

der Form

_{x E} = a . A_GV ^b . e^c · ^AGV beschrieben.

Nach einer Zwischenrechnung und den Gleichungen für den elastischen Schubspannungsanteil lassen sich für einen Nachlaufwinkel von 45°, also der Grenze, ab der dann nach oben das viskose Verhalten überwiegt, die elastische Schubspannung errechnen.

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In Abbildung 7 ist wiederum eine prozentuale Gegenüberstellung für die Füllervarianten vorgenommen worden. Der absolute höchste Wert ( ^ 100%) beträgt T-, = 0,367 N/mm² .

Den größten Verformungswiderstand, ausgedrückt durch -die Schubspannung 7 , besitzen demnach die bituminösen

tu

Mischungen mit der Füllerart Kalksteinmehl mit Kieselsäure sowie der Füllerart Basaltmehl mit Kieselsäure.

3.3. Dynamisches Biegezugverhalten

3^3 ^"[1

In einem auf zwei Stützen gelagerten und mittig durch eine Einzelkraft belasteten Balken treten folgende Verformungen und Biegezugspannungen an der Unterseite des Balkens im Angriffspunkt der Last auf:

- Biegezugspannung:	. P .	1	1 E	in	N/l
er - ϊ	b *	h2
°bz - 2
- Verformung	P * 13	*	in	mm
* · \ ■	b * h3

In diesen Gleichungen bedeuten:

P = Kraft in N

b = Breite des Balkens in mm

h = Höhe des Balkens in mm

1 = Abstand zwischen den Auflagern in mm K ·-- Iiliujl i /. 11 ."iUiiuoilu 1 i η N/mm''

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Die durch Verkehrslast bedingten Spannungen können ohne oder im Zusammenwirken mit temperaturbedingten Spannungen zur Rißbildung führen, wenn die Größe der örtlich vorhandenen Festigkeit des Baustoffes erreich wird. Die Geschwindigkeit, mit der erzwungene Spannur in einem visko-elastischen Baustoff abgebaut werden, wird durch die Relaxationszeit bestimmt. Kleine Rela> tionszeiten bewirken einen sehr schnellen Spannungsah bau, bei extrem großen Relaxationszeiten nähert sich das Verhalten der Substanz demjenigen eines rein elast sehen Stoffes. Bei der Relaxation verringert sich dei elastische Spannungsanteil zugunsten einer viskosen Fließverformung.

Der Probekörper wird bei dem weggeregelten dynamisch Biegezugversuch mit folgender Verformung beansprucht:

Durchbiegung in Balkenmitte:

^fo * ^fu + f - f . sin (« t -

mit oberer Verformung f = 0,5 mm

f_u = 0,1 mm ω = 2 * T> ' f = 31 ,42

■ f _r = 5 Hz

Diese Verformung verursacht in dem Probekörper eine Biegezugspannung. Der Spannungsverlauf über, der Zeit entspricht einer gedämpften harmonischen Sinusschwing

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ZS

Diese Schwingung pendelt zwischen der Zeitachse und der Hüllkurve (s. Abbildung 4). Die Hüllkurve bildet die Verbindungslinie zwischen den Maximalwerten der Amplituden. Sie kann mit folgender Gleichung mathematisch beschrieben werden:

ο: = σ bz ο

-D

in N/nun²

mit <3_Q = Spannungsordinate der Hüllkurve zum Zeitpunkt t = 0

D = Dämpfungskonstante

Die Rechnung ergab mit den gemessenen Werten die in Tabelle 6 enthaltenen Kennwerte.

Füllerart	Anzahl der Wertepaare	Korrelations koeffizient	Spannung	Dämpfungs konstante
	η	r	σο	D
Kalksteinmehl	11	0,939	0,261	0,0097
Kalksteinmehl mit Kieselsäure	11	0,963	0,405	0,0069
Basaltmehl	11	0,966	0,329	0,0104
Basaltmehl mit Kieselsäure	11	0,992	0,380	0,0091

Tabelle 6: Koeffizienten er und D für die Beziehung

-D

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29/3/84 -/2*- 344-2 f-71

In diese Gleichung wird die Zeit t in Sekunden eingesetzt. Der Kehrwert der Dämpfungskonstante wird als Relaxationszeit t_ bezeichnet. Eine prozentuale Gegenüberstellung der errechneten Relaxationswerte zeigt die Abbildung 9. Dabei betrug die größte Zeit absolut 144,9 see.

Die Relaxationszeit ist bei den Mischungen mit Kieselräurezusatz größer als bei den Mischungen ohne Kieselsäurezusatz. Dies bedeutet/ daß die erzwungene Spannung in den Mischungen mit Kieselsäurezusatz infolge viskoser Fließverformung langsamer als in den Mischungen ohn Kieselsäurezusatz abgebaut wird.

3_Λ3.3^ Lastwechselverhalten

Die über die Kontaktfläche zwischen Rad und Fahrbahn in den Straßenaufbau eingeleiteten Kräfte treten, abgesehen von parkenden Fahrzeugen, nicht statisch sondern dynamisch auf. Für die kraftgeregelten dynamischen Biegezugversuche wurden als Oberlast 0,7 kN und als Unterlast 0,3 kN gewählt.

Die Probekörper wurden mit folgender sinusförmigen Biegezugspannung in Balkenmitte belastet:

^öbz ⁼ °^{ob +} °^{un +} °^oh "°^un · ^{sin {ω} ' ^t~ 2 2 2

mit oberer Biegezugspannung σ , = 1,45 N/mm² unterer Biegezugspannung Cf = 0,62 N/mm²

Frequenz f = 5 Hz

Kreisfrequenz *** = 31,42

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Diese Beanspruchung verursacht in dem Probekörper eine Durchbiegung. Der Verlauf der Durchbiegung über der Zeit wurde beispielhaft bereits in Abbildung 3 dargestellt. Die Kurve besitzt einen Wendepunkt und ein Maximum. Dieser Verlauf kann mit folgender Funktion beschrieben werden:

t = a

mit t

f a,b,c

= Belastungszeit in see

= Durchbiegung in mm = Konstanten

Es ergaben sich mit den Meßwerten die in Tabelle 7 angegebenen Koeffizienten.

Füllerart	Anzahl der Wertepaare η	Korrelations koeffizient r	Koeffizienten	b	C
Kalksteinmehl* Kalksteinmehl mit Kieselsäure Basaltmehl Basaltmehl mit Kieselsäure	20 17 30 18	0,996 0,994 0,994 0,996	a	1 ,618 1 ,766 1 ,419 1,319	-0,307 -0,354 -0,186 -0,143
8,403 10,816 5,847 5,601

Tabelle 7: Koeffizienten a,b und c bei variierter Füllerart

Der Wendepunkt kann als Beginn der Bruchphase definiert werden. Die prozentuale Gegenüberstellung der Koordinaten dieses Punktes geht aus Abbildung 10 hervor. Dabei wurde die größte Durchbiegung für die vier Mischungen mit !,«!7 mm und Uiu l«'inqnl<? '/.oil mit 10,2 s«.;c ιι<μικ·ι;:;ι·μ.

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Die bituminösen Mischungen mit Kieselsäurezusatz können bis zum Beginn der Bruchphase länger belastet werden als die Mischungen ohne Kieselsäurezusatz. Außerdem ist die Durchbiegung zu diesem Zeitpunkt bei den Mischungen mit Kieselsäurezusatz größer.

3^4 Zusammenhänge —

Für das Verdichtungsverhalten, bei der Verdichtungstemperatur von 135° C ist der Nachlaufwinkel φ ein charakteristisches Merkmal. Aufgrund der Ergebnisse in Abschnitt 2.1 kann festgestellt werden, daß die bituminösen Mischungen mit Zusatz von Kieselsäure zum Kalksteinmehl oder zum Basaltmehl verdichtungswilliger waren als die bituminösen Mischungen mit den Füllern ohne Zusatz.

Der elastische Schubspannungsanteil T beim Nachlaufwinkel 45° ist ein Maß für den Verformungswiderstand der bituminösen Masse bei 60° C. Aufgrund der Ergebnisse in Abschnitt 2.2 kann festgestellt werden, daß der Zusatz von Kieselsäure sowohl beim Füller aus Kalksteinmehl als auch bei einem aus Basaltmehl einen größeren Verformungswiderstand im Asphaltbeton bewirkte als der Füller ohne Zusatz.

Der Zusatz von Kieselsäure in der Füllerfraktion förderte demnach die Verdichtbarkeit und erhöhte den Verformungswiderstand des untersuchten Asphaltbetons. Dieses Verhalten widerspricht den bisherigen Erfahrunger mit Asphaltbeton, nachdem leicht verdichtbare Massen einen geringeren Verformungswiderstand zeigen.

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ZS

Die Frage nach dem Zusammenhang zwischen Verdichtungs- und Biegezugverhalten muß unter Berücksichtiggung der mit Luft gefüllten Hohlräume H, .. der Probekörper für die dynamischen Biegezugversuche beantwortet werden. Dazu wurden die an den Probekörpern festgestellten, geringfügig unterschiedlichen -Hohlraumgehalte auf den bei 98% Verdichtungsgrad erreichten Hohlraumgehalt bezogen und in Prozentzahlen die zugehörigen Kenndaten der Verdichtung im Gyrator errechnet.

Ein Vergleich dieser Prozentzahlen mit den errechneten Relaxationszeiten weist etwa einen hyperbolischen Zusammenhang auf. Daraus läßt sich schließen, daß das Relaxationsverhalten der vier Mischungen annähernd gleich ist. Die gleiche Aussage kann für die Zeitspanne bis zum Beginn der Bruchphase getroffen werden. Inwieweit die Zugabe von Kieselsäure das Biegezugverhalten unter dynamischer Beanspruchung beeinflußt, wurde in Abschnitt 2.3 ausgeführt.

Die Relaxationszeit und die Zeitspanne bis zum Beginn der Bruchphase ist für die vier bituminösen Mischungen bei einem Verdichtungsgrad von 98% annähernd gleich, während der Verformungswiderstand der Mischungen mit Kieselsäure größer ist als der der Mischungen ohne Kieselsäurezusatz. Die "versteifende Wirkung" der Kieselsäure beeinflußt demnach das Biegezugverhalten von Asphaltbeton nicht negativ. Dieses Resultat widerspricht der allgemeinen Erfahrung, daß verformungsbeständige bituminöse Mischungen ein für die Lebensdauer ungünstiges Biegezugverhalten aufweisen.

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4^ Z usammenf as s ur}2_und_S chluß f olgerungen

Bei einem splittreichen Asphaltbeton 0/11 nun wurde der Füller variiert. Verwendet wurden Kalksteinmehl und Basaltmehl jeweils mit und ohne Zusatz einer synthetischen Kieselsäure. Untersucht wurden die Verdichtbarkeit bei 135° C, der Widerstand gegen Verformungen bei 60° C/ das Biegezugverhalten weg- und kraftgeregelter dynamischer Beanspruchung bei 20° C.

Der Zusatz der-synthetischen Kieselsäure zum Füller bewirkte trotz leichterer Verdichtbarkeit einen höheren Widerstand gegen Verformungen bei sommerlichen Temperaturen.

Die nach allgemeiner Erfahrung bei Asphaltbeton mit hohem Widerstand gegen Verformungen nachteilig veränderte Ermüdung trat nicht auf. Alle untersuchten Mischungen wiesen bei den Biegezugversuchen unter dynamischer Belastung bei 2 0° C und einem Verdichtungsgrad von 98% annähernd die gleiche Relaxationszeit und die Zeitspanne bis zum Beginn der Bruchphase auf.

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Claims (4)

29/3/84-»-■'"■'"' '"' ' Patentansprüche

1. Verfahren zur Verbesserung des Einbauverhaltens von standfestem/ bituminösem Mischgut für den Straßenbau, wobei das Mischgut nach den "technischen Vorschriften und Richtlinien für den Bau bituminöser Fahrbahndecken" - TV-bit 3/72 zusammengesetzt und aufbereitet ist, und der hieraus bestimmte Fülleranteil durch einen Mischfülleranteil, bestehend aus Steinmehl und Kieselsäure ersetzt ist,.. dadurch .gekennzeichnet,

•'U.h.-i'..-!^ : '■" ..r daß der Mischfüller' aus Steinmehl mit einem mittleren Schüttgewicht von 1,0 kg/dm³ und aus synthetischer Kieselsäure mit einem mittleren Schüttgewicht von 0,2 kg/dm³ quasi homogen bei stabiler Verteilung der beiden Komponenten aufbereitet und dieser und das bituminöse Bindemittel den bereits erhitzten Zuschlagstoffen zugeführt und mit diesen vermischt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Herstellung eines Mischfüllers Steinmehlfüller mit einer Oberfläche von etwa 0,5 m²/g - gemessen nach BET surface area - und synthetischer Kieselsäurefüller in einem Anteil von 0,1 bis 2 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des Mischgutes, und mit einer Oberfläche von etwa 250 m²/g - ebenfalls nach BET - zusammengeführt und vermischt werden.

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3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Volumen der beiden Füllerkomponenten des Mischfüllers so abgestimmt wird, daß das Verhältnis von maximal 1 : 1 nicht überschritten wird

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß 0,5 bis 0,6 Gew.% Kieselsäure, bezogen auf das Mischgutgewicht, zugegeben wird.

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