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Veränderungen in den mechanischen Asphalteigenschaften bei verschiedenen spannungsgeregelten Ermüdungsprüfungen

Change of the mechanical properties of asphalt observed in different stress controlled fatigue tests.

M. Sc. I. Isailović; Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. M. P. Wistuba, Braunschweig

Es ist gängige Praxis, die lastbedingte Beanspruchung einer Asphaltstraße im Labor mithilfe von zyklischen Ermüdungsprüfungen an Asphaltproben zu simulieren und daraus den Ermüdungswiderstand der Asphaltschicht zu prognostizieren. Als Ermüdungswiderstand wird der Widerstand gegen einen langsam voranschreitenden Schädigungsprozess durch Risse bezeichnet, der infolge wiederholter Belastung zu verringerter Steifigkeit und Festigkeit führt. In der Ermüdungsprüfung wird eine hohe Zahl von Belastungswiederholungen aufgebracht und die daraus resultierende Änderung der mechanischen Eigenschaften festgestellt. In diesem Beitrag wird diese Änderung mithilfe des Konzepts der dissipierten Energie analysiert. Dazu werden folgende spannungsgeregelte Ermüdungsprüfungen berücksichtigt: Spaltzug-Schwellversuch, Zug-Schwellversuch und Zug-Druckwechselversuch. Die jeweiligen Prüfbedingungen werden so gewählt, dass in den unterschiedlichen Ermüdungsprüfungen näherungsweise gleiche Lastwechselzahlen bis zum Eintritt der Materialermüdung erreicht werden und so alle drei Versuchstypen bezüglich der Veränderung der mechanischen Eigenschaften verglichen werden können. Anhand der Untersuchungsergebnisse wird festgestellt, dass die unterschiedlichen Ermüdungsprüfungen zu unterschiedlichen Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften führen. Die dissipierte Energie während des Zug-Schwellversuchs und des Spaltzug-Schwellversuchs nehmen nur geringfügig zu, d. h., der Ermüdungseintrag ist gering, während gleichzeitig starke visko-elasto-plastische Dehnungen akkumuliert werden. Das Versagen der Probe wird durch eine Zugverformung dominiert. Im Gegensatz dazu ist beim Zug-Druckwechselversuch nur eine geringe Zunahme der visko-elasto-plastischen Dehnungen, aber eine deutliche Zunahme der dissipierten Energie zu beobachten. Im Zug-Druckwechselversuch dominiert Ermüdungsversagen.

Usually load-induced damage of asphalt pavements is studied by means of cyclic laboratory fatigue tests, and by extrapolating the laboratory results to predict fatigue resistance of the asphalt pavement layer. Fatigue resistance is understood as the capability to withstand infinitesimal micro-crack propagation that steadily reduces material stiffness and strength. During fatigue testing a high number of load-cycles is applied, and the increasing change in mechanical properties is measured. In this paper, this change is analyzed using the dissipated energy concept. Thereby, the following fatigue test procedures are distinguished: indirect tensile test, uniaxial tension test and uniaxial tension-compression test. Test conditions are defined such that in all three test procedures a similar number of loading repetitions at failure is observed, enabling to comparatively evaluate the three tests with regard to the change in dissipated energy. As a result it is found, that the change in mechanical properties is significantly different in the test procedures investigated. During the uniaxial tension test and the indirect tensile test the change in dissipated energy is only marginal, and fatigue damage is low, while at the same time visco-elastic-plastic strain accumulates and dominates failure. Contrary, during tension-compression test low permanent deformation is observed only, while failure is caused by the high variation of dissipated energy which can be attributed to a distinct change in the material’s mechanical properties and by fatigue failure.

Die Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Beurteilung des Widerstandes von Asphaltdeckschichten gegen Schubbeanspruchungen an der Oberfläche mit der Oberflächen- Verschleiß-Prüfmaschine (OVPM)

Akad. Dir. Dr.-Ing. S. Böhm,  Dipl.-Ing. N. Schwebel, M. Sc. T. Blumenfeld, Darmstadt
Dr.-Ing. V. Root, Eppertshausen

Development of a New Test Method to Estimate the Resistance Against Shear Loads on Asphalt Surfaces with the Darmstadt Scuffing Device (DSD)

Bei Offenporigen Asphalten und Wasserdurchlässigen Asphalten können auch bei Einhaltung der Anforderungen
des Technischen Regelwerks und dem sachgemäßem Einbau vermehrt frühzeitige Substanzverluste und Kornausbrüche
durch Schubbeanspruchungen auftreten. Trotz des weitläufig bekannten Problems gibt es derzeit kein
anerkanntes Prüfverfahren, das den Widerstand von Asphaltdeckschichten gegen Schubbelastung an der Oberfläche
unter Laborbedingungen praxisnah abbilden kann. Deshalb wurde am Fachgebiet Straßenwesen der Technischen
Universität Darmstadt im Rahmen einer Dissertation eine neue Prüfmaschine (OVPM) entwickelt und
erprobt, die diese Beanspruchungen im Labor nachbildet. Im Zuge eines Verbundprojektes wurde der Prototyp der
OVPM modifiziert und weiterentwickelt. Mittels eines Ringversuchs mit sechs OVPM wurde schließlich die Präzision
unter Vergleichs- und Wiederholbedingungen des Prüfverfahrens ermittelt. Mittlerweile ist die OVPM als
eine von vier Maschinen in die prEN 12697-50 ”Bituminous mixtures — Test methods for hot mix asphalt — Part
50: Resistance to Scuffing“ genommen worden. Derzeit sollen im Rahmen eines internationalen Forschungsprojektes
diese verschiedenen Prüfmaschinen miteinander verglichen werden, sodass die technische Spezifizierung
in einen einheitlichen harmonisierten Test-Standard überführt werden kann.

Porous Asphalts often suffer under an early loss of aggregate particles due to shear loads despite considering the technical requirements and a proper asphalt paving. Even though this issue is well-known among experts, there is still no established test method to simulate the resistance against shear loads in laboratory practically. Therefore, a new testing machine (OVPM, in english: Darmstadt-scuffing-Device (DSD)) was developed at the faculty “Road and Pavement Engineering“ at Technische Universität Darmstadt within the context of a dissertation, which is able to simulate such kind of shear loads under laboratory conditions. During a research project the OVPM’s prototype got modified and evolved. Due to its precision regarding repeatabilty and reproducibility the OVPM’s test method is one of four scuffing machines that have been written up as a draft technical specification by Comité Européen de Normalisation (CEN) as prCEN/TS 12697-50, Resistance to Scuffing. Currently, in the context of the European research project “Development of the Ravelling Test (DRaT)“ comparative tests with these four scuffing machines are undertaken to determine the test machine which assesses the resistance to ravelling of asphalt mixtures in the best way.

Viennese Aging Procedure (VAPro) – Effiziente und realitätsnahe Laboralterung von Asphaltprobekörpern zur Simulation der Langzeitalterung

Viennese Aging Procedure (VAPro) – An alternative laboratory aging procedure for hot mix asphalt specimen to assess long-term ageing behaviour

Dipl.-Ing. D. Steiner, Ass. Prof. Dipl.-Ing. Dr. B. Hofko, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. R. Blab, A-Wien

Alterungsvorgänge im Bitumen führen zu erhöhter Steifigkeit und Sprödheit und somit zu schnellerem Versagen
der bitumengebundenen Aufbauten. Daher hat das Alterungsverhalten des Bitumens einen entscheidenden Einfluss
sowohl auf die Dauerhaftigkeit als auch auf die Rezyklierbarkeit von Straßenbelägen. Dieser Beitrag präsentiert
eine Studie über das Potential einer Verwendung von hochoxidierendem Gas, um die oxidative Langzeitalterung
von Asphaltmischgut im Labor zu simulieren. Basierend auf den Ergebnissen wird ein Alterungsverfahren
(Viennese Aging Procedure – VAPro) für verdichtete Probekörper entwickelt, um schon beim Mix-Design nicht
nur hinsichtlich der kurzzeitigen Leistungsfähigkeit zu optimieren, sondern auch Effekte der langfristigen oxidativen
Alterung während der Nutzungsdauer zu berücksichtigen. VAPro basiert auf einer einfachen Druckzelle, in
der ein Probekörper mit ozon- und stickoxidangereicherter Druckluft durchströmt wird. Mittels mechanischer
Prüfungen am Asphalt (IT-CY), wie auch am rückgewonnenen Bitumen (DSR) werden die Veränderungen der
Eigenschaften aufgrund von VAPro gezeigt. Erste Ergebnisse zeigen, dass Asphaltmischungen durch Anwendung
von VAPro bei moderaten Temperaturen (+ 60 °C) innerhalb von 4 Tagen und bei einer Durchströmung von 1 l min
ein Langzeitalterungsniveau vergleichbar mit PAV erreichen.

Ageing of bitumen leads to increased stiffness and brittleness. Thus, the ageing behaviour of bitumen has a crucial impact on durability of pavements. To assess ageing of bitumen, RTFOT and PAV are standardized methods for short-term and long-term ageing in the lab. For lab-ageing of hot mix asphalt (HMA), various methods have been developed in the last decades. This paper presents an optimized lab-ageing procedure (Viennese Ageing Procedure – VAPro) for compacted HMA specimens to assess mix performance of long-term lab-aged specimens. Thus, it is possible to optimize mix design not only for short-term performance but to take into account effects of oxidative aging during its in-service life. VAPro is based on a triaxial cell with forced flow of a gaseous oxidant agent through the specimen. The oxidant agent is enriched in ozone and nitric oxides to increase the rate of oxidation. It is shown by stiffness tests of unaged and lab-aged specimens, as well as by DSR tests of recovered binder from aged specimens that asphalt mixes can be long-term aged at moderate temperatures (+ 60° C) and within 4 days and a flow rate of 1 l/min by applying VAPro. Thus, VAPro can simulate long-term ageing at conditions that are representative of conditions that occur in the field within an efficient amount of time.

 

 

Griffigkeitsprognose von Autobahnen – das „Wiener Modell“

Prediction of skid resistance of motorways – the ”Viennese Model”

DI Dr. H. Kugler, Ass. Prof. Dipl.-Ing. Dr. B. Hofko, DI R. Spielhofer, Proj.-Ass. DI G. Chankov, A-Wien

Im Rahmen des Projekts PROGRIP ist es erstmals gelungen, einen Zusammenhang zwischen Griffigkeitsverlust durch realen Verkehr und Poliersimulation im Labor herzustellen. Dafür wurden an 14 Strecken des österreichischen Autobahnnetzes (SMA 11 und WB 8) Bohrkerne aus der Rollspur des rechten Fahrstreifens sowie vergleichend aus wenig befahrenen Bereichen (Pannenstreifen oder Mitte des Fahrstreifens) derselben Deckschicht entnommen. Grundsätzliches Ziel dabei war es, die (im Idealfall) unbefahrenen Bohrkerne solange mit einem eigens optimierten Verfahren im Labor zu polieren, bis diese das aktuelle Griffigkeitsniveau der korrespondierenden Bohrkerne aus der Rollspur aufwiesen. Auf diese Weise konnten die erforderlichen Laborbeanspruchungen, ermittelt durch die Prüfanlage nach Wehner/Schulze (PWS), den bekannten realen Verkehrsbelastungen gegenübergestellt werden. Voraussetzung dafür war die Schaffung eines künstlichen und wiederholbar herzustellenden Startniveaus für die anschließende Poliersimulation. Dies konnte durch definiertes Sandstrahlen mit Korund bis zu einer probenspezifischen Maximalgriffigkeit (μmax) erreicht werden. Weiters wurden die Straßengriffigkeiten der Bohrkerne sämtlicher Streckenabschnitte, die einen Griffigkeitsbereich von 0,52 ≤ μ ≤ 0,97 umfassten und mittels österreichischem Griffigkeitsmesssystem RoadSTAR gemessen wurden, mit den Laborgriffigkeiten (PWS) korreliert, woraus Laborgrenzwerte abgeleitet werden konnten. Das vorgestellte Griffigkeitsprognoseverfahren „Wiener Modell“ erlaubt es, für nahezu beliebige Zeiträume bereits im Planungsstadium Griffigkeitsprognosen an Labormischungen durchzuführen oder aber auch die Restnutzungsdauer bestehender Autobahnen hinsichtlich der Griffigkeit abzuschätzen.

An important outcome of the research project PROGRIP was that a correlation between evolution of skid resistance under traffic load in the field and polishing simulation in the lab could be determined in Austria for the first time. From 14 motorway sections (SMA 11 and EACS 8) cores had been taken from both the (polished) wheel path of the right lane and from the (nearly unpolished) hard shoulder (alternatively from the middle of the right lane) of the same surface next to it. The aim was to polish the cores from the hard shoulder according to a modified PROGRIP lab procedure carried out by PWS (polishing device according to Wehner/Schulze) until the skid resistance level of the wheel path had been reached. Proceeding this way, the required polishing passes were linked to the known cumulated traffic volume in order to be able to predict the evolution of skid resistance depending on traffic load. As a precondition an artificial and reproducible starting level of skid resistance for subsequent polishing had to be established. This could be achieved by defined sandblasting with corundum until a material-specific level of skid resistance could not be exceeded any further (maximum level of skid resistance, μmax). Furthermore, the skid resistances of all sections and cores respectively, covering 0,52 ≤ μ ≤ 0,97 and measured by the Austrian RoadSTAR, have been correlated with the laboratory skid resistances measured by PWS. Based on these data, specifications for the lab skid resistance could be derived. The introduced “Viennese model” enables predictions for almost any time period using either laboratory mixtures in the design period or estimating the remaining service life of existing surfaces regarding skid resistance by sampling cores.