Asphalt und Bitumen: Eigenschaften, Typen und Straßenbau

1.1 Ursprung von Asphalt (Bitumen)

Bitumen bezeichnet schwarzbraune, halbfeste bis feste Rückstände oder Abfälle, die bei der Raffination von Erdöl gewonnen werden. Chemisch handelt es sich um ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen, das vollständig in Schwefelkohlenstoff (Bitumen) löslich ist.

Bitumenherstellung

Bitumen wird in einem Homogenisierungsprozess aufbereitet, wobei Verunreinigungen beseitigt werden. Dies führt zum Basismaterial für die verschiedenen Arten von Bitumen oder Asphalt.

Klassifizierung nach Ursprung

• Natürliches Bitumen: Entsteht, wenn natürliches Öl an die Oberfläche sickert und sich in Seen ansammelt. Ein Beispiel hierfür ist der Trinity Lake in Venezuela.
• Künstliches Bitumen: Stammt aus der Erdölraffination. Nicht alle Rohöle sind für die Herstellung von Bitumen geeignet. Es werden Asphalt-basierte Öle sowie gemischte und Paraffin-basierte Asphalte verwendet (wenn sie für Benzol geeignet sind).

Eigenschaften

Asphalt ist für den Straßenbau von großem Interesse, da er sehr wasserdicht ist, eine hohe Kohäsion und Klebkraft besitzt und in Verbindung mit Zuschlagstoffen gute Leistungen erbringt. Darüber hinaus widersteht er erheblichen, sofort angewendeten Belastungen, neigt jedoch dazu, unter der Einwirkung von Dauerlasten zu fließen.

1.2 Arten von Bitumen

Laut dem Handbuch für den Straßenbau werden Bitumen in folgende Hauptgruppen unterteilt:

• Asphaltzement (Heißbitumen), abgekürzt CA (Cement Asphalt): Bitumen in seinem ursprünglichen Zustand.
• Flüssigasphalt oder Verschnittbitumen (Cutting Asphalt): CA + Fluidisierungsmittel.
• Asphalt-Emulsionen: CA + Fluidisierungsmittel (Wasser) + Emulgator.

A. Asphaltzement (CA)

Die Klassifizierung erfolgt nach Penetrationsgraden (z. B. CA 40-50).

• CA 40-50: Fugenabdichtung
• CA 60-80: Fahrbahnbefestigungen
• CA 80-100: Fahrbahnbefestigungen
• CA 120-150: Oberflächentechnik

Die beiden Zahlen geben die maximale und minimale Penetration an. Manchmal wird CA auch anhand eines Viskositätstests charakterisiert, der noch nicht standardisiert ist.

Penetrationstest

Eine scheibenförmige Probe (Durchmesser 55 mm, Tiefe 35 mm oder 70 mm) wird in einem thermostatisierten Wasserbad bei 25 °C erhitzt. Die Probe wird in ein Penetrometer gelegt, das eine Standardnadel (100 g Gewicht) für 5 Sekunden auf die Oberfläche absenkt. Gemessen wird die erreichte Eindringtiefe (Penetration).

Zur Charakterisierung von CA werden auch andere Tests durchgeführt, wie z. B. Flammpunkt, Erweichungspunkt und Dehnbarkeit.

B. Verschnittbitumen (Cutting Asphalt)

Diese Art von Asphaltmischgut wird bei niedriger Temperatur mit Zuschlagstoffen verarbeitet. Sobald die Mischung hergestellt und eingebaut ist, verdunstet das Fluidisierungsmittel und hinterlässt das Bitumen, das die Zuschlagstoffe umhüllt und zusammenhält.

Verschnittbitumen wird wie folgt klassifiziert:

1. Schnell härtendes Verschnittbitumen (RC - Rapid Curing)

   Besteht aus CA + Fluidisierungsmittel (Benzin). Die zugehörige Zahl gibt den Grad der kinematischen Viskosität an, gemessen in Centistokes (cSt).

   

   

   RC-Typen (Viskositätstest in cSt und Rückstandsanteil):

   • RC-70: 70 bis 140 cSt (Rückstand ca. 55%)
   • RC-250: 250 bis 500 cSt (Rückstand ca. 65%)
   • RC-800: 800 bis 1.600 cSt (Rückstand ca. 75%)
   • RC-3000: 3.000 bis 6.000 cSt (Rückstand ca. 80%)

   Viskosität: Der Widerstand, den das Material dem Fließen entgegensetzt.

2. Mittel härtendes Verschnittbitumen (MC - Medium Curing)

   Besteht aus der Mischung von CA + Fluidisierungsmittel (Paraffin = Petroleum).

   MC-Typen (Viskositätstest in cSt und Rückstandsanteil):

   • MC-30: 30 bis 60 cSt (Rückstand ca. 50%)
   • MC-70: 70 bis 140 cSt (Rückstand ca. 55%)
   • MC-250: 250 bis 500 cSt (Rückstand ca. 65%)
   • MC-800: 800 bis 1.600 cSt (Rückstand ca. 75%)
   • MC-3000: 3.000 bis 6.000 cSt (Rückstand ca. 80%)
3. Langsam härtendes Verschnittbitumen (SC - Slow Curing)

   Derzeit ist diese Art von Asphalt ungebräuchlich.

   • SC 70 - SC 250

C. Asphalt-Emulsionen

Eine Emulsion besteht aus CA + Fluidisierungsmittel (Wasser) + Emulgator (Seife, alkalische Lösung).

Der Emulgator stabilisiert das Gemisch zu einer Suspension, die bei Raumtemperatur verarbeitet werden kann. Die Asphaltkügelchen sind nicht miteinander verbunden, da die Polarität des Emulgators ihnen eine Oberfläche verleiht, die eine Abstoßung bewirkt.

Wenn die Emulsion mit den Zuschlagstoffen in Kontakt kommt, die eine entgegengesetzte elektrische Ladung aufweisen, reagiert der Emulgator mit den Zuschlagstoffen. Dies führt zu einem elektrischen Ungleichgewicht, das die Emulsion bricht. Die Asphaltpartikel verbinden sich mit der Oberfläche der Zuschlagstoffe, während das Wasser abfließt und/oder aus der Mischung verdunstet.

Klassifizierung nach elektrischer Ladung

• Anionische Emulsionen (A)
• Kationische Emulsionen (C)

Klassifizierung nach Bruchgeschwindigkeit

Sie werden unterteilt in schnell, mittel und langsam brechend (Setting).

1. Kationische Emulsion (C): Wird für negativ geladene Zuschlagstoffe (z. B. Silizium) verwendet.
   • CRS (Rapid Setting)
   • CMS (Medium Setting)
   • CSS (Slow Setting)
2. Anionische Emulsion (A): Wird für positiv geladene Zuschlagstoffe (z. B. Kalkstein) verwendet.
   • ARS (Rapid Setting)
   • AMS (Medium Setting)
   • ASS (Slow Setting)

Hinweis: Die am häufigsten verwendeten kationischen Emulsionen sind CRS-1, CRS-1h, CSS-1 und CSS-1h. Das 'h' bedeutet, dass sie mit einem CA verwendet werden, dessen Penetration zwischen [40-90] liegt. Die Bedeutung von '1' und '2' muss gesucht werden.

Viskositätstest (Saybolt-Furol)

Für Emulsionen wird der Saybolt-Furol-Viskositätstest verwendet. Die Probe wird auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und in ein Standardrohr gegossen. Dieses Rohr hat einen Stopfen, der entfernt wird. Gemessen wird die Zeit in Sekunden, die benötigt wird, damit 60 ml Asphalt herausfließen. Dieses Zeitintervall ist die Saybolt-Furol-Viskosität. Die Temperatur für diesen Test beträgt 25 °C.

Damit die Emulsion diesem Test entspricht, muss der Wert zwischen [2-10] Sekunden liegen.

Asphaltmischgut-Design

Das Asphaltmischgut besteht aus einer der untersuchten Asphaltarten – am häufigsten CA (da es eine bessere Verbindung zwischen Mineralstoffen und Bitumen gewährleistet) – sowie einer Reihe von Zuschlagstoffen, die bestimmte Korngrößenanforderungen erfüllen müssen.

Der Füllstoff (Filler) ist ein inertes Mineralpulver, das das Sieb Nr. 200 passiert. Er dient dazu, den Bitumenverbrauch zu senken und die Steifigkeit der Mischung zu erhöhen.

Die Dicke des Asphaltfilms, der jeden Zuschlagstoff umhüllt, hat einen großen Einfluss auf die Stabilität und Haltbarkeit der Mischung. Im Laufe der Zeit beginnt die Kohäsion zwischen Asphalt und Zuschlagstoffen aufgrund der Oxidation durch Umwelteinflüsse nachzulassen. Je dicker der Asphaltfilm ist, desto langsamer erfolgt die Oxidation.

Zuschlagstoffe tragen ebenfalls stark zur Stabilität der Mischung bei, insbesondere kantige Zuschlagstoffe und das Vorhandensein von groben Materialien.

Die Dichtheit dieser Mischungen wird erreicht, indem die Anzahl der Hohlräume so weit wie möglich reduziert wird, wobei ein Maximalwert von 5 % angestrebt wird. Dies wird durch eine geschlossene Korngrößenverteilung und einen optimalen Bitumenanteil erreicht.

Es ist vorteilhaft, dass die Mischung einen gewissen Prozentsatz an Hohlräumen (ca. 3 %) aufweist, um die Konsolidierung der Mischung durch den Verkehr zu absorbieren.

Marshall-Designmethode

Diese Methode kann für kalte und heiße Mischungen verwendet werden, liefert jedoch die besten Ergebnisse für traditionelle Heißmischungen.

Es werden Proben mit unterschiedlichen CA-Prozentsätzen vorbereitet, die typischerweise zwischen 3 % und 6 % liegen, bei einer vorgegebenen Partikelgröße. In der Regel werden drei Arten von Proben und zwei Testanteile für jede einzelne vorbereitet.

Nachdem das Gemisch hergestellt und standardisiert verdichtet wurde, wird für jede Probe die Dichte und der Prozentsatz der Hohlräume bestimmt. Anschließend wird der Marshall-Test durchgeführt:

1. Die Probe wird in einem Wasserbad auf eine Temperatur von 60 °C gebracht.
2. Sie wird abgetropft und in eine Prüfkammer gelegt.
3. Die Probe wird mit einer konstanten Geschwindigkeit komprimiert (Marshall-Presse).
4. Die Belastung und die Verformung zum Zeitpunkt des Bruchs werden aufgezeichnet.

Die aufgezeichneten Parameter sind die Marshall-Stabilität und der Fließwert (Creep).

Die verschiedenen Datenpunkte werden aufgetragen und durch eine glatte Kurve verbunden. Die Grafiken sind:

• Stabilität vs. Asphaltprozentsatz
• Fließwert vs. Asphaltprozentsatz
• Dichte vs. Asphaltprozentsatz
• Anteil der Hohlräume (Mischung) vs. Asphaltprozentsatz
• Anteil der Hohlräume (Mineral) vs. Asphaltprozentsatz

Zur Bestimmung des optimalen Asphaltgehalts muss der Prozentsatz des Bitumens oder Asphalts basierend auf drei Kriterien ausgewählt werden:

• Maximale Stabilität (PB1)
• Maximale Dichte (PB2)
• Anteil der Hohlräume in der Mischung von 5 % (PB3)

Schließlich ist der optimale Anteil der Durchschnitt dieser drei Werte.

• Deckschicht (Rolling Portfolio): Pb_optimo ± 0,3 % (PB1, PB2, PB3)
• Binder- und Tragschicht: Pb_optimo ± 0,5 % (PB1, PB2, PB3)

Anforderungen an Asphaltmischgut

Die Anforderungen an Stabilität, Fließwert und Hohlraumgehalt variieren je nach Schicht:

Anmerkung: Der reale Fließwert wird wie folgt berechnet: Realer Wert = 8 * 0,25 mm = 2 mm (Dies scheint eine fehlerhafte oder unvollständige Formel zu sein, die möglicherweise auf eine spezifische Norm verweist).

Minimaler Hohlraumprozentsatz in Zuschlagstoffen (VAM)

Der minimale Hohlraumprozentsatz in den Zuschlagstoffen (VAM) variiert je nach Nennweite:

Normalerweise beträgt die Menge an Füllstoff in der Mischung für die Deckschicht das 1,3- bis 1,2-fache der Bitumenmenge und für die Zwischenschicht das 1,2- bis 1,1-fache der Bitumenmenge.

Zu den verwendeten Korngrößenverteilungen gehören: dichte, halboffene, grobe und feine.

Beispiel: Marshall-Dosierung

Es soll eine heiße Asphaltmischung mit einem CA zwischen [60-80] und einer dichten Korngrößenverteilung hergestellt werden. Ziel ist es, den optimalen Asphaltanteil für eine Deckschicht zu bestimmen.

Es folgen die Ergebnisse der Tests (Marshall-Dosierung):

Hinzufügen von Grafiken

Streng genommen liegen die Prozentsätze des Bitumens (PB1) außerhalb des zulässigen Toleranzbereichs der Mischung. Daher könnte diese Mischung nicht in einer Deckschicht verwendet werden, und der optimale Prozentsatz von 4,6 % müsste abgelehnt werden. Es sollte jedoch die Genauigkeit der Waage überprüft werden, was möglicherweise zu einem akzeptablen Ergebnis führen könnte.

Sollte dies nicht der Fall sein, muss sichergestellt werden, dass die Tests korrekt durchgeführt wurden, oder im schlimmsten Fall die verwendete Korngrößenklassifizierung auf eine halbdichte oder feinkörnige geändert werden.

Konstruktiver Prozess im Straßenbau

Der Bau der Unterschicht (Sub Base) und der Tragschicht (Base Layer) aus Granulat folgt einem ähnlichen Prozess wie die Erstellung des Planums (Sub Flush), der im Großen und Ganzen folgende Schritte umfasst:

• Reinigung der Oberfläche (Entfernen von Verunreinigungen)
• Transport und Entladung des granularen Materials durch Lkw von der Zuschlagstoffanlage oder dem Lagerplatz.
• Ausbreitung und Nivellierung des Granulats (durch Baggerlader und Grader)
• Verdichtung des Materials (Überprüfung und Korrektur der Dicke)
• Kontrolle durch Bestimmung der Dichte und des CBR-Wertes

A. Grundierung (Primer Coat)

Zuerst wird die Oberfläche der Tragschicht gereinigt und überschüssiger Staub durch Kehren oder Blasen entfernt, um eine bessere Haftung zwischen dieser Schicht und der Grundierung zu gewährleisten. Die Aufgabe der Grundierung besteht darin, lose Partikel der Basisschicht zu binden und die Haftung zwischen ihr und der mittleren Schicht zu verbessern. Sie wird in der Regel als Emulsion (Typ CSS-1) durch einen Tankwagen auf die Oberfläche aufgetragen, mit einer Rate von 1 bis 2 kg/m².

B. Bau des Asphalts

Bevor mit dem Einbau begonnen wird, muss das Mischgut hergestellt werden. Hierfür kann entweder eine Firma beauftragt oder eine kleine Anlage zur Produktion von Heißasphalt gemietet werden, die vor Ort installiert wird.

Jede Anlage verfügt über die notwendigen Komponenten sowie zwei Dosiertrichter, einen für Kies und Sand und einen nur für Füllstoff. Diese Materialien gelangen in eine Trommel, wo sie gemischt und erhitzt werden, um die Zuschlagstoffe zu trocknen. Anschließend werden der Füllstoff und ein Prozentsatz Bitumen hinzugefügt. Das gesamte Gemisch wird direkt in den Behälter und dann in einen Lkw-Trichter entleert.

Der Lkw-Trichter wird mit einem schaumigen Mittel behandelt, um das Anhaften des Asphalts zu verhindern, und anschließend mit einer Plane abgedeckt, um das Mischgut vor Verunreinigungen und schneller Abkühlung zu schützen.

Kontrolle des Asphalts

Proben werden am Herstellungsort (in der Anlage oder vor Ort) entnommen. Diese dienen dazu, 1 % des Asphalts auf seine physikalischen Eigenschaften und Homogenität zu kontrollieren.

Es sollten auch Stichproben von den Transport-Lkw genommen werden, wobei mindestens drei Portionen von jeder ausgewählten Charge zu entnehmen sind.

Bei jeder Probenahme müssen Datum, Uhrzeit, Sektor (PK) und der Lkw, der die Mischung transportiert hat, dokumentiert werden.

Eine weitere durchzuführende Kontrolle ist die Temperatur, die bei Ankunft auf der Baustelle zwischen mindestens 135 °C und maximal 160 °C liegen sollte. Von jedem Lkw wird eine Probe von einem Kilogramm entnommen.

Das Ausbreiten der Mischung erfolgt mit einer Asphaltiermaschine. Der Lkw entleert die Mischung in den Trichter der Maschine, wobei 5 % des Schwamms (Anhaftung) berücksichtigt werden.

Einbau des Mischguts

Die Mischung fließt in den Trichter der Asphaltiermaschine. Diese Maschine breitet das Material aus, gibt die geplante Dicke vor und führt eine Vorverdichtung durch. Die Umgebungstemperatur sollte im Schatten nicht unter 5 °C liegen (während des Einbaus), und es sollte kein Nebel oder starker Wind herrschen.

Verdichtung

Die Menge, das Gewicht und die Art der verwendeten Walze müssen angemessen sein, um die erforderliche Verdichtung zu erreichen, abhängig von der Dicke und der Verarbeitbarkeit der Mischung.

Die Verdichtung erfolgt nur, wenn die Mischungstemperatur zwischen 110 °C und 140 °C liegt.

Zur Verdichtung werden Reifenwalzen, Tandem-Stahlradwalzen und kleinere manuelle Geräte (unter einem Meter Dicke), Rechen, Schaufeln usw. verwendet.

Um das Anhaften von CA an der Walze zu verhindern, müssen die Oberflächen feucht gehalten werden.

Die Oberflächen dürfen keine Entmischung des Materials, Risse, Spurrinnen, Verformungen oder Exsudate aufweisen.

Neben der Dickenkontrolle wird in dieser Phase die Dichtemessung durchgeführt. Es wird eine Dichte von mindestens 97 % der Marshall-Dichte gefordert, was durch Proben entlang der Straße nachgewiesen wird.

Es werden auch Makrokontrollen der Oberflächenstruktur und des Reibwerts durchgeführt, die vor Ort mit dem Sandfleck-Test gemessen werden. Innerhalb von 4 Monaten nach Verkehrsfreigabe ist eine Makrotextur von mindestens 0,6 mm erforderlich.

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Längs- und Querfugen

Längsnähte entstehen zwischen zwei nebeneinander liegenden Einbaubahnen. Quernähte entstehen, wenn der Asphaltierungsprozess unterbrochen wird.

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Haftkleber (Tack Coat)

Asphalt-Haftkleber wird zwischen den Schichten verwendet, um eine bessere Haftung zwischen ihnen zu gewährleisten.

Wie beim Grundierungsprozess muss die Oberfläche sauber sein und die Umgebungsbedingungen müssen stimmen.

Das Material und das Design ähneln der Grundierung, jedoch mit einer geringeren Intensität. Im Falle von Emulsionen variiert die Aufbringungsmenge zwischen 0,4 und 1 kg/m². Bei Verschnittasphalt kann MC-30 für geschlossene und MC-70 für offen strukturierte Tragschichten verwendet werden. Die zu verwendende Menge variiert von 0,8 bis 1,5 kg/m² (gemäß Gleichung 3).

Die Absorptions- und Trocknungszeit variiert je nach Witterung:

• Heiße und trockene Umgebungen: 6–12 Stunden
• Kühle Umgebungen: 12–24 Stunden
• Kalte und nasse Umgebungen: 24–48 Stunden

Schäden an flexiblen Fahrbahnen

1. Rissbildung

• Längsrisse: Verlaufen ungefähr parallel zur Fahrbahnachse. Sie können durch eine instabile Böschung oder durch Erosion aufgrund schlechter Entwässerung verursacht werden.
• Randrisse: Entstehen durch Versagen der Seitenstützung, oft aufgrund schlechter Verdichtung des Unterbaus, kombiniert mit schlechter Entwässerung oder schwerem Verkehr nahe dem Fahrbahnrand.
• Risse zwischen den Fahrspuren: Auf einer einzigen Fahrbahn sind sie auf eine schlechte Ausführung der Längsbaufugen zurückzuführen.
• Querrisse: Treten aufgrund einer schlecht ausgeführten Arbeitsfuge auf oder wenn das Asphaltmischgut zu steif ist, was zu einer übermäßigen Kontraktion der Mischung führt.
• Ermüdungsrisse (Alligatorrisse): Wenn dieses Phänomen frühzeitig auftritt, kann es sechs Ursachen haben:
  • Höheres Verkehrsaufkommen als erwartet
  • Unzureichende Dicke der Deckschicht (CR)
  • Unzureichende Verdichtung
  • Unzureichende Asphaltqualität (Klima)
  • Versagen der Bodenbasis oder der Grundplatte der Schicht

2. Verformungen

1. Spurrinnenbildung: Verformungen entlang der Fahrspur, die durch die Bewegung von Fahrzeugen entstehen. Ursachen können sein:
   • Mischung mit geringer Stabilität (unzureichender Bitumenanteil)
   • Höheres Verkehrsaufkommen als erwartet
   • Probleme bei der Verdichtung der Mischung
   • Abrupte Umkehrungen der Walze oder schlechte Verdichtung
2. Wellenbildung: Auf der Fahrbahndecke wechseln sich Berge und Täler ab. Die Ursache kann ein Überschuss an Asphalt sein. Begünstigt wird dies an steilen Hängen und stark befahrenen Bereichen.
3. Schubverformung: Besteht aus der seitlichen Bewegung der Mischung, die sich meist in Bereichen geschlossener Kurven mit hohem Verkehr ansammelt. Sie wird auch durch einen Überschuss an Asphalt (geringe Stabilität) und übermäßigen Verkehr verursacht.
4. Bodensenkungen und Aufbrüche: Die Hauptursache ist die Bodenverfestigung oder das Quellen des Bodens.

3. Zerfall

1. Schlaglöcher (Potholes): Löcher unterschiedlicher Größe und unregelmäßiger Form, die in der Oberfläche gefunden werden. Ein Grund dafür ist ein unzureichender Asphaltgehalt oder mangelnde Haftung (Tack Coat).
2. Ablösung der Zuschlagstoffe (Raveling): Die Zuschlagstoffe lösen sich aus der Deckschicht (CR). Diese Trennung ist auf einen unzureichenden Asphaltgehalt, das Vorhandensein von Wasser in der Mischung oder verschmutzte Zuschlagstoffe zurückzuführen, die keine gute Bindung ermöglichen. Auch die Verunreinigung der Deckschicht mit einem Lösungsmittel kann eine Ursache sein.
3. Zerfall an den Rändern: Die Weiterentwicklung von Randrissen, die unter anderem darauf zurückzuführen sind, dass die Straßenbreite unzureichend ist und die Pflasterdicke unangemessen ist.