Asphaltbetonmischung

11.6.1.2 Verformung

Die Verformung der Fahrbahn ist das Ergebnis einer Instabilität der Asphaltmischung, einer Bewegung oder einer Schwäche der körnigen Unterlage oder des Untergrunds, und darüber hinaus können einige Arten der Verformung mit Rissen in der Fahrbahn einhergehen. Fahrbahnverformungen können viele Formen annehmen, aber Spurrinnen und Schieben sind die häufigsten.

Spurrinnen (die Bildung von kanalisierten Vertiefungen, Spurrinnen) treten in den Radspuren einer Fahrbahnoberfläche auf. Spurrinnen sind ein ernsthaftes Problem, da sie zu einer rauen Fahrbahnoberfläche beitragen und sich bei Regen oder Schnee mit Wasser füllen können, was dann dazu führen kann, dass Fahrzeuge auf der Straße in Aquaplaning geraten und die Kontrolle verlieren.

Spurrinnen (oft als permanente Verformung bezeichnet) sind eine häufige Form der Beeinträchtigung flexibler Fahrbahnbeläge und werden verursacht, wenn sich (beladene oder schwere) Lkw-Reifen über einen Asphaltbetonbelag bewegen und sich der Belag nur geringfügig durchbiegt. Diese Durchbiegungen reichen von weniger als einem Zehntel Millimeter bei kaltem Wetter – wenn der Belag und der Unterbau sehr steif sind – bis zu einem Millimeter oder mehr bei warmem Wetter – wenn die Oberfläche des Belags heiß und sehr weich ist. Wenn der Elastizitätsmodul des Mischguts ausreichend ist, neigt der Belag dazu, in seine ursprüngliche Position zurückzuspringen, nachdem der Lkw-Reifen eine bestimmte Stelle des Belags überfahren hat. Oftmals erholt sich die Oberfläche des Belags jedoch nicht vollständig, so dass eine sehr geringe (aber nicht unbedeutende) bleibende Verformung des Belags in der Fahrbahn zurückbleibt. Nachdem viele Radlasten über den Belag gefahren sind – die Anzahl der Radlasten hängt von der Qualität des Belags ab -, können die Spurrillen erheblich werden und zu stark gespaltenen Belägen mit einer Tiefe von 20 mm oder mehr führen. Spurrinnentiefen von 10 mm oder mehr werden in der Regel als übermäßig angesehen und stellen ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.

Die Spurrinnenbildung im Unterbau wird durch die Konsolidierung oder Verdrängung von Materialien aufgrund wiederholter Verkehrsbelastung verursacht. In schweren Fällen kann es zu Hebungen an der Außenseite der Spurrille kommen. Diese Versagensart tritt in der Basis oder dem Unterbau infolge übermäßiger Spannungen, eindringender Feuchtigkeit oder eines grundlegenden Konstruktionsfehlers auf. Dies kann sich als Vertiefung in der Fahrbahn oder als Hebung an den Seiten der Spurrille zeigen. Spurrinnen treten normalerweise auf, wenn ein Belag neu gebaut wird, und werden minimal, wenn das Asphaltbindemittel aushärtet und altert. Spurrillen werden auch durch Lkw verursacht, die schwere Lasten auf Reifen mit stark erhöhtem Luftdruck auf Straßenbelägen transportieren, die nicht für diese Art von Belastung ausgelegt sind. Diese Mischungen hatten einen zu hohen Asphaltanteil, einen zu hohen Feinkornanteil, runde und glatte Gesteinskörnungen und einen zu weichen Asphalt. Verbesserungen bei den Verfahren zur Mischgutauslegung, den Spezifikationen und Prüfungen der Gesteinskörnungen und den PG-Bindemitteln haben die Spurrinnenprobleme deutlich verringert.

Schließlich treten Spurrinnen häufiger im Sommer auf, wenn die hohen Temperaturen den Asphaltzement aufweichen. Bei Asphaltbelägen aus Kaltmischgut (CMA) kann mangelnde Belüftung oder Aushärtung der Emulsion zu einem weichen Mischgut führen, das Spurrillen bildet. Dies ist besonders dann ein Problem, wenn Kaltmischgut spät im Jahr eingebaut wird. Andere verwandte Formen der bleibenden Verformung sind Schieben und Waschbrettbildung.

Schieben (Riffeln, Waschbrettbildung) ist eine Form der plastischen Verformung, die zu Wellen auf der Oberfläche des Belags führt. Sie treten typischerweise bei starker horizontaler Beanspruchung auf, wo der Verkehr beginnt und anhält, an Gefällestrecken, wo Fahrzeuge bremsen, an Kreuzungen und in scharfen horizontalen Kurven. Riffelungen werden in der Regel durch zu viel Asphalt oder einen sehr weichen Asphalt im Mischgut verursacht.

Schieben tritt typischerweise an Kreuzungen auf, wenn Fahrzeuge anhalten und eine seitliche Kraft auf die Oberfläche des heißen Mischguts ausüben, so dass es sich übermäßig über die Fahrbahn verformt, anstatt innerhalb der Spurrillen. Waschbrettbildung ist ein ähnliches Phänomen, aber in diesem Fall nimmt die Verformung die Form einer Reihe von großen Wellen auf der Fahrbahnoberfläche an. Spurrinnen, Schieben und Waschbrettbildung können das Ergebnis einer dauerhaften Verformung in jedem Teil des Belags sein – im Unterbau, in der körnigen Tragschicht oder in einer der gebundenen Schichten. Übermäßige bleibende Verformungen in einer oder mehreren der gebundenen Schichten sind das Ergebnis einer Asphaltbetonmischung, der es bei hohen Temperaturen an Festigkeit und Steifigkeit mangelt. Verschiedene Probleme bei der Planung eines Mischguts, wie z. B. die Wahl eines zu weichen Asphaltbindemittels für die gegebenen klimatischen Bedingungen und das Verkehrsaufkommen, können dazu führen, dass es zu Spurrinnen und anderen Formen der bleibenden Verformung kommt.

Desintegration ist der Zerfall eines Belags, der mit dem Verlust der feinen Gesteinskörner von der Belagsoberfläche beginnt und zur Bildung von Schlaglöchern führt. Es handelt sich um eine fortschreitende Beeinträchtigung der unteren Schichten des Belags, die zu großen Brocken ungebundener Fragmente führt. Dieses Versagen kann eine Folge von Ermüdungsbelastungen sein, da sich riesige Schlaglöcher auf dem Belag bilden, wenn die Fragmente durch den Verkehr weggeschleudert werden. Die verschiedenen Arten der Zersetzung von Fahrbahnbelägen sind Aufrauen/Verwitterung, Delamination, Ablösen und Schlaglöcher.

Aufrauen (Verwitterung) ist der fortschreitende Verlust von Zuschlagstoffen aus der Fahrbahnoberfläche. Das Abplatzen ist eine der Komplikationen, die sich aus dem Ablösen ergeben. Sie kann als fortschreitender Verlust von Oberflächenmaterial durch Verwitterung oder Oberflächenabrieb beschrieben werden. Es beginnt damit, dass sich die feinen Gesteinskörner vom Asphaltzement lösen und kleine raue Stellen auf der Fahrbahnoberfläche hinterlassen, die immer größer werden, je mehr größere Gesteinskörner sich von der Fahrbahnoberfläche lösen. Im weiteren Verlauf lösen sich größere Gesteinskörner, da sie von den umgebenden Feinanteilen nicht mehr gehalten werden. Die Riffelbildung wird in den Radwegen durch den Verkehr beschleunigt. Die Verwitterung findet auf der gesamten Oberfläche des Belags statt, auch in den verkehrsfreien Bereichen. In der Regel sind sowohl Wasser als auch Verkehr erforderlich, um eine starke Riffelbildung zu verursachen. Riffelbildung wird durch hohe Luftporen im Heißmischasphalt aufgrund schlechter Verdichtung oder späten Einbaus verursacht. Außerdem kann ein mageres Asphaltmischgut (zu wenig Asphalt) oder eine Überhitzung des Asphalts in der Asphaltmischanlage (die zu einer Störung der Strukturierung des Bindemittels führt) ebenfalls zu Riffelungen führen. Riffelbildung tritt auch auf, wenn Reifen Gesteinskörner von der Oberfläche eines Heißasphaltbelags ablösen. Viele der gleichen Faktoren, die zu einer schlechten Ermüdungsbeständigkeit führen, tragen auch zur Riffelbildung bei, wie z. B. ein niedriger Asphaltbindergehalt und eine schlechte Verdichtung. Da die Oberfläche des Belags dem Wasser von Regen und Schnee ausgesetzt ist, kann eine schlechte Feuchtigkeitsbeständigkeit die Ablösung von Heißasphaltbelägen ebenfalls beschleunigen.

Ablösung ist der allmähliche Verlust der Haftung zwischen der Asphaltschicht und der Oberfläche der Zuschlagstoffe, was zu einem Verlust der Integrität des heißen Asphaltmischguts führt. Dadurch wird der Belag anfällig für verschiedene Formen des Versagens, da er seine strukturelle Steifigkeit verliert. Zu den Faktoren, die zum Ablösen beitragen, gehören: Wasser auf dem Belag bei hoher Verkehrsbelastung, hohe Temperaturen, die Beschaffenheit der Zuschlagstoffe und des Bindemittels sowie schlechte Verdichtung. Ablösungen können zu anderen Formen von Schäden wie Rissen und Spurrillen führen.

Wasser fließt nicht leicht durch Asphaltbeläge, die sorgfältig und effizient gebaut wurden, aber es fließt auch durch gut verdichtetes Material sehr langsam. Wasser kann sich seinen Weg zwischen die Zuschlagstoffoberflächen und das Asphaltbindemittel in einem Mischgut bahnen und die Verbindung zwischen diesen beiden Materialien schwächen oder sogar völlig zerstören (Ablösung). Feuchtigkeitsschäden können schnell auftreten, wenn Wasser unter einem Belag vorhanden ist, z. B. wenn Beläge auf schlecht entwässerten Flächen gebaut werden und nicht ordnungsgemäß konzipiert oder konstruiert sind, um Wasser aus der Belagsstruktur abzuleiten. Gelegentliche Wassereinwirkung kann in Asphaltmischungen Feuchtigkeitsschäden verursachen, die auf eine fehlerhafte Planung oder Konstruktion oder die Verwendung ungeeigneter Materialien zurückzuführen sind.

Die physikalisch-chemischen Prozesse, die Feuchtigkeitsschäden steuern, sind insofern komplex, als verschiedene Kombinationen von Asphaltbindemittel und Gesteinskörnung ein sehr unterschiedliches Maß an Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeitsschäden aufweisen. In der Tat ist es schwierig, die Feuchtigkeitsbeständigkeit einer bestimmten Kombination von Asphalt und Zuschlagstoffen vorherzusagen, obwohl Asphaltmischgut, das mit Zuschlagstoffen hergestellt wird, die einen hohen Anteil an Siliziumdioxid enthalten (wie Sandstein, Quarzit, Hornstein und einige Arten von Granit), tendenziell anfälliger für Feuchtigkeitsschäden ist. Eine ordnungsgemäße Bauweise, insbesondere eine gründliche Verdichtung, kann dazu beitragen, die Durchlässigkeit von Heißasphaltbelägen zu verringern und damit die Wahrscheinlichkeit von Feuchtigkeitsschäden deutlich zu reduzieren (oder sogar zu mildern). Um die Feuchtigkeitsbeständigkeit zu verbessern, können Asphaltmischungen Anti-Stripping-Additive zugesetzt werden – Kalkhydrat ist eines der gebräuchlichsten und wirksamsten dieser Additive.

Die Feuchtigkeitsbeständigkeit von Asphalt-Heißmischgut kann bewertet werden (oft als Lottman-Verfahren bezeichnet). Bei dieser Prüfung werden sechs zylindrische Asphaltmischgut-Proben im Labor verdichtet. Drei davon werden einer Konditionierung unterzogen – Vakuumsättigung, Gefrieren und Auftauen -, während die anderen drei nicht konditioniert werden. Beide Probensätze werden dann mit dem indirekten Zugversuch geprüft. Der prozentuale Anteil der Festigkeit, der nach der Konditionierung erhalten bleibt, wird als Zugfestigkeitsverhältnis bezeichnet und ist ein Hinweis auf die Feuchtigkeitsbeständigkeit der jeweiligen Mischung. Viele Straßenbauämter fordern für Asphaltmischungen ein Mindestzugfestigkeitsverhältnis von 70-80 %, aber es ist zu beachten, dass die Daten dieser Prüfmethode nicht immer zu 100 % zuverlässig sind und nur einen ungefähren Hinweis auf die Widerstandsfähigkeit des Mischguts gegen Feuchtigkeitseintritt und -schäden geben können.

Delamination ist der örtlich begrenzte Verlust der gesamten Dicke einer Deckschicht und wird durch die fehlende Verbindung zwischen der Deckschicht und dem ursprünglichen Belag verursacht. Auch hier ist Wasser die Ursache, insbesondere wenn der Wassereinbruch zwischen zwei Schichten des Belags auftritt. Die Delaminierung beschränkt sich jedoch in der Regel auf den Radwegbereich und wird erst mehrere Jahre nach der Deckschicht zu einem ernsthaften Problem, aber wenn sie einmal aufgetreten ist, lässt sich die Fahrbahn nur schwer reparieren. Die Reinigung der alten Oberfläche und das Auftragen einer Asphaltemulsion als Haftbrücke (eine dünne Asphaltschicht, die beim Bau oder der Erneuerung von Straßen und Autobahnen verwendet wird) helfen, das Problem zu lindern, und sind besonders hilfreich, wenn die Dicke der Deckschicht 50 mm oder weniger beträgt.

Schlaglöcher sind schalenförmige Löcher unterschiedlicher Größe in einem Straßenbelag, die durch örtliche Zersetzung unter Verkehr entstehen. Sie verursachen eine fehlerhafte Radausrichtung und können mit einem kleinen Riss beginnen, der Wasser eindringen lässt und den Straßenuntergrund schwächt, oder mit einem kleinen Bereich mit Ausbrüchen, der sich über die gesamte Tiefe erstreckt, oder mit einer ganzen Reihe von Schlaglöchern, die über Nacht in einem rissigen Bereich eines dünnen Straßenbelags entstehen können. Schlechte Böden, schlechte Entwässerung, eine zu dünne Asphaltoberfläche, schlechte Verdichtung und schlechte Instandhaltung der Fahrbahn können zur Bildung von Schlaglöchern führen.