Straßenbaustoffe PDF - Vorlesung - WS 24/25

BACHELOR - PM KONSTRUKTIVER VERKEHRSWEGEBAU 1 KONSTRUKTIVER STRAßENBAU STRAßENBAUSTOFFE Vorlesung – WS 24/25 Institut für Materialwissenschaft Universität Duisburg-Essen Fakultät für Ingenieurwissenschaften Dr.-Ing....

BACHELOR - PM KONSTRUKTIVER VERKEHRSWEGEBAU 1 KONSTRUKTIVER STRAßENBAU STRAßENBAUSTOFFE Vorlesung – WS 24/25 Institut für Materialwissenschaft Universität Duisburg-Essen Fakultät für Ingenieurwissenschaften Dr.-Ing. Tommy Mielke Abteilung Bauwissenschaften Prof. Dr. rer. Nat. habil. Doru C. Lupascu Universitätsstraße 15 45141 Essen www.uni-due.de/materials  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau VORLESUNG 1 STRAßENBAUSTOFFE VORLESUNG 2 ERDBAU / FROSTSCHUTZ VORLESUNG 3 OBERBAU VORLESUNG 4 RStO 2012 VORLESUNG 5 ENTWÄSSERUNG VON STRAßEN VORLESUNG 6 HBS 2015  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau -1- STRAßENBAUSTOFFE - 1.1 - GESTEINSKÖRNUNGEN - 1.2 - BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL - 1.3 - ASPHALT - 1.4 - ZEMENT  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.1 - GESTEINSKÖRNUNGEN Allgemeines Begriffe und Definitionen Aufbereitung Anforderungen an Eigenschaften von Gesteinskörnungen Sieblinien von Gesteinskörnungen  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Richtlinie TL Gestein-StB à Die TL Gestein „Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau“ gelten für die Lieferung von Gesteinskörnungen für Asphalt, Beton, hydraulisch gebundene und ungebundene Baustoffgemische, Pflasterdecken und Pflasterbeläge, Dünne Schichten im Kalteinbau, Oberflächenbehandlungen zur Herstellung von Oberbauschichten für den Straßen und Wegebau sowie für andere Verkehrsflächen. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 5  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Richtlinie TL Gestein-StB à Umsetzungsdokument: DIN EN 12620 „Gesteinskörnungen für Beton“ DIN EN 13043 „Gesteinskörnungen für Asphalte und Oberflächenbehandlungen für Straße, Flugplätze und anderer Verkehrsflächen“ DIN EN 13242 „Gesteinskörnungen für ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische im Ingenieur- und Straßenbau“ Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 6  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.1 - GESTEINSKÖRNUNGEN Allgemeines Begriffe und Definitionen Aufbereitung Anforderungen an Eigenschaften von Gesteinskörnungen Sieblinien von Gesteinskörnungen  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Begriffe und Definitionen - Gesteinskörnung à Gesteinskörnung körniges Material für die Verwendung im Bauwesen können natürlich, industriell hergestellt oder recycelt werden à Natürliche Gesteinskörnung aus mineralischen Vorkommen ausschließlich mechanische Aufbereitung à Industriell hergestellte Gesteinskörnung mineralischen Ursprungs industriell unter Einfluss thermischer oder sonstiger Prozesse entstanden Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 8  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Begriffe und Definitionen - Gesteinskörnung à Korngrößenverteilung Korngrößenzusammensetzung, ausgedrückt durch die Siebdurchgänge in M.-% durch eine festgelegte Anzahl an Sieben. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 9  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Begriffe und Definitionen - Gesteinskörnung à Korngruppe/Lieferkörnung Bezeichnung einer Gesteinskörnung mittels unterer (d) und oberer (D) Siebgröße Bsp. d/D = 0/16 oder 8/32 0/2 2/5 5/8 8/11 à Unterkorn Anteil an Gesteinskörnung der durch das kleinste Sieb hindurchfällt à Überkorn Anteil an Gesteinskörnung der auf dem größten Sieb liegen bleibt Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 10  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Begriffe und Definitionen - Gesteinskörnung à Feine Gesteinskörnung (fGk) für Asphalt ist D kleiner 2 mm à Grobe Gesteinskörnung (gGk) für Asphalt ist d mindestens 2 mm und D höchstens 45 mm à Feinanteil (Füller) Kornklasse einer Gesteinskörnung, die durch das 0,063 mm Sieb hindurchgeht Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 11  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Begriffe und Definitionen - Füller à Füller Überwiegender Teil der Gesteinskörnung geht durch das 0,063mm Sieb hindurch Wird den Baustoffen zum Erreichen bestimmter Eigenschaften zugegeben à Fremdfüller Füller mineralischen Ursprungs, wird gesondert hergestellt à Eigenfüller Füller mineralischen Ursprungs, stammt aus der groben und feinen Gesteinskörnungen Der bei der Asphaltproduktion abgezogene Teil des Eigenfüllers wird als Rückgewinnungsfüller bezeichnet Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 12  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.1 - GESTEINSKÖRNUNGEN Allgemeines Begriffe und Definitionen Aufbereitung Anforderungen an Eigenschaften von Gesteinskörnungen Sieblinien von Gesteinskörnungen  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Aufbereitung im Steinbruch à Gesteinskörnungen werden in Steinbrüchen abgebaut. lösen der Naturgesteine www.wp.de Vorsortierung der Naturgesteine zerkleinern durch Brechen Klassifizierung des gebrochenen Materials nach Korngrößen www.baernreuther-deuerlein.de Lagerung im Zwischendepot Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 14  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Aufbereitung im Steinbruch www.mobile-betonkonzepte.eu www.biv.bayern www.mkw-stormarn.de Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 15  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Aufbereitung in der Kiesgrube à Ein weiterer Gewinnungsort von Gesteinskörnungen sind Kiesgruben. à Lockergesteine werden über oder unter www.cemex.de dem Grundwasserspiegel gefördert und gesiebt. www.albin-schmitt.de www.huber-bau.de Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 16  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Aufbereitung in der Kiesgrube https://www.biv.bayern/media/rohstoffe/erklaervideo-geologie.mp4 https://www.biv.bayern/media/rohstoffe/gewinnung-und-einsatz.mp4 www.sand-meyer.de Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 17  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Aufbereitung in der Kiesgrube à Bei Kies und Sand aus Kiesgruben wird eine zweigeteilte Aufbereitung vorgenommen. Die Aufbereitung der ungebrochenen Gesteinskörnungen (Für Beton keine Anforderungen an die Bruchflächigkeit gestellt) Die Aufbereitung mit Brechvorgang (Gesteinskörnungen die im Asphalt verwendet werden, müssen in Abhängigkeit von Bauklasse/Schicht aus gebrochenen Korn bestehen) Größe gerundete Oberfläche gebrochene Oberfläche > 63 mm Steine Bruchsteine 32... 63 mm Geröll Schotter 2... 32 mm Kies Splitt 0,063... 2 mm Sand Brechsand < 0,063 mm Füller Gesteinsmehl / Füller Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 18  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Bezeichnungen von Gesteinskörnungen à Gesteinskörnungen, die in Steinbrüchen gewonnen werden: Schotter Splitt Brechsand Gesteinsmehl à Gesteinskörnungen, die in Kiesgruben gewonnen werden: Geröll Kies Sand Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 19  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.1 - GESTEINSKÖRNUNGEN Allgemeines Begriffe und Definitionen Aufbereitung Anforderungen an Eigenschaften von Gesteinskörnungen Sieblinien von Gesteinskörnungen  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Allgemeine Anmerkungen à Anforderungen an die Gesteinskörnungen die in Asphalt Verwendung finden sind festgeschrieben in den „Technischen Lieferbedingungen für Asphaltmischgut für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen“ (TL Asphalt-StB) „Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen“ (ZTV Asphalt-StB) à Die Regelwerke beziehen sich auf die in der TL Gestein-StB geregelten Gesteinskörnungen. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 21  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Allgemeine Anmerkungen à Gesteinskörnungen, die für den Einsatz im Straßenoberbau vorgesehen sind, sind so zu gewinnen, aufzubereiten und zu lagern, das sie gleichbleibende Eigenschaften erhalten und den Anforderungen der TL Gestein-StB entsprechen. à Prüfbare Anforderungen an Eigenschaften von Gesteinskörnungen für Asphaltmischgut stehen in den TL Gestein-StB. à Die entsprechenden Prüfverfahren stehen in den jeweiligen DIN EN oder den TP Gestein-StB. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 22  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Anwendungsbereiche für Asphalt gemäß TL Gestein-StB Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 23  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Anwendungsbereiche für Asphalt gemäß TL Gestein-StB Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 24  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Witterungsbeständigkeit à Die Eigenschaft Witterungsbeständigkeit gliedert sich in die Merkmale Widerstand gegen Frostbeanspruchung und Raumbeständigkeit und ist eine unabdingbare Anforderung an die Gesteinskörnung. à Geprüft wird bei der Bestimmung des Widerstandes gegen Verwitterung: Wasseraufnahme - Eine hohe Wasseraufnahme deutet auf einen möglichen Zerfall bei Frost hin. - Frost-Tau-Wechsel Versuch Frost-Tausalz-Beständigkeit Raumbeständigkeit - Volumenvergrößerung bei bestimmten Witterungsverhältnissen oder Zerfallserscheinungen Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 25  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Festigkeit – Widerstand gegen Zertrümmerung à Der Wiederstand gegen Zertrümmerung ist von Bedeutung, um eine Aussage über die Widerstandsfähigkeit von Gesteinskörnungen gegenüber mechanischen Beanspruchungen zu erhalten. Einbau Verdichtung Verkehrsbeanspruchung Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 26  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Widerstand gegen Polieren à Gesteinskörner, die durch Verkehr direkt beansprucht werden, können durch den Kontakt mit dem Reifen poliert werden. Gesteinskörnungen für Deckschichten Gesteinskörnungen für Abstreusplitt Gesteinskörnungen für Oberflächenbehandlungen Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 27  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Widerstand gegen Abrieb und Verschleiß à Die Prüfung des Widerstandes gegen Oberflächenabrieb, gegen Verschleiß sowie gegen Abrieb durch Spikereifen ist zwar in der Europäischen Norm vorgesehen, im Deutschland werden jedoch dafür keine Anforderungen gestellt. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 28  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Helligkeit à Aufgrund architektonischer Erfordernisse können Gesteine einer bestimmten Farbe oder Oberflächenbeschaffenheit erforderlich sein. à Aus technischen und wirtschaftlichen Erwägungen heraus besteht vor allen im Tunnelstrecken oder im innerstädtischen Bereich die Forderung nach hellen Gesteinskörnungen. Es lassen sich erhebliche Kosten bei Be- bzw. Ausleuchtung einsparen. Tragen zur Verkehrssicherheit bei. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 29  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Kornform à Die Form der Einzelkörner soll möglichst gedrungen sein. à Körner mit ungünstiger Kornform (plattige oder stängelige Körner) verringern die Verdichtungswilligkeit sowie die Schlagfestigkeit und Stabilität. à Das Verhältnis Länge zu Dicke sollte den Wert 3:1 nicht überschreiten. Abweichende Kornformen sollten aussortiert werden. à Für stark belastet Strecken oder Sonderbeläge sollte die Kornform eher 1:1 betragen. l/b < 3, l/d < 3 l/d > 3, b/d > 3 l/d > 3, l/b > 3 l l l d d d b b b gedrungene- oder kubische- plattige- stängelige Kornform Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 30  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Kornform www.holcimpartner.ch Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 31  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau GESTEINSKÖRNUNGEN Anteil an gebrochenen Körnern à Gebrochene Gesteinskörnungen haben einen höheren inneren Reibungswiederstand als rundkörnige Gesteinskörnungen. à Unterschieden wird bei Körnern > 2 mm in Vollständig gebrochene Körner (mehr als 90% gebrochene Oberfläche) Teilweise gebrochene Körner (mehr als 50% gebrochene Oberfläche) Gerundete Körner (weniger als 50% gebrochene Oberfläche) Vollständig gerundeter Körner (mehr als 90% gerundete Oberfläche) vollständig  gebrochenes  -­ teilweise, >50% gebrochenes - gerundetes, www.stockfood.at www.stockfood.at Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 52  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Viskosität von Bitumen à Die Viskosität nimmt bei Bitumen mit zunehmender Temperatur ab. à Die Konsistenz von Bitumen ist temperaturabhängig Bei hohen Temperaturen ist Bitumen flüssig, bei absinkenden Temperaturen zähflüssig und bei tiefen Temperaturen wird Bitumen fest und glasartig spröde. à Die Viskositätsänderung von Bitumen verläuft in Abhängigkeit von der Temperatur stufenlos und ist in der Regel umkehrbar und wiederholbar. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 53  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Verformungseigenschaften / Verformungsverhalten von Bitumen à Bitumen stellt sich bei hohen Temperaturen als flüssig dar, geht dann stufenlos in einen plastischen Zustand über und weist bei tiefen Temperaturen elastische Eigenschaften auf. à Die Übergangstemperaturen werden Erweichungspunkt und Brechpunkt genannt. à Die Temperaturen bilden keine scharfe Grenze, da sich das Verformungsverhalten von Bitumen allmählich ändert. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 54  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Verformungsverhalten bei Temperaturen unterhalb des Brechpunktes à Bitumen verhält sich praktisch ausschließlich elastisch. à Kein Einfluss aus der Belastungszeit. à Verformungen sind gering und gehen nach Entlastung unverzögert und fast vollständig zurück. Brechpunkt Erweichungspunkt Temperatur „niedrig“ „hoch“ Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 55  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Rheologie à Rein elastisches Verhalten Spannung à Verformung ohne Verzögerung Zeit t Verformung Zeit t Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 56  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Verformungsverhalten bei Temperaturen unterhalb des Brechpunktes à Bei weiterer Abkühlung wird das Material glasartig spröde. Das Bitumen bricht bereits bei sehr kleinen Verformungen oder Spannungen. Brechpunkt Erweichungspunkt Temperatur „niedrig“ „hoch“ Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 57  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Verformungsverhalten bei Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes à Oberhalb des Erweichungspunktes verhält sich das Bitumen immer stärker wie eine Flüssigkeit mit geringer werdender Viskosität. à Die viskoelastischen Erscheinungen verschwinden, eine Rückverformung oder Rückstellkräfte treten nicht mehr auf. à Das flüssige Bindemittel kann Oberflächen benetzen. à Bei weiterer Temperaturerhöhung verändert sich das Bitumen chemisch und physikalisch, es „verbrennt“ und klebt nicht mehr Brechpunkt Erweichungspunkt Temperatur „niedrig“ „hoch“ Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 58  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Rheologie à Rein viskoses Verhalten Spannung à Verformung mit zeitlicher Verzögerung Zeit t Verformung Zeit t Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 59  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Verformungsverhalten bei Temperaturen zwischen Brechpunkt und Erweichungspunkt à Im Gebrauchstemperaturbereich nehmen die Verformungen bei gleicher Belastung zu. à Neben elastischen Verformungen treten zusätzlich viskose Verformungen auf, die mit der Belastungszeit zunehmen. à Je höher die Temperatur, desto höher ist der viskose Verformungs- anteil und die Verformungen insgesamt. Brechpunkt Erweichungspunkt Temperatur „niedrig“ „hoch“ Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 60  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Verformungsverhalten bei Temperaturen zwischen Brechpunkt und Erweichungspunkt à Man spricht von einem „viskoelastischen“ Stoffverhalten und wegen der Temperaturabhängigkeit von „Thermoviskoelastizität“. à Der viskoelastische Verformungsanteil geht bei Entlastung zeitverzögert zurück. à Der viskoplastische Verformungs- anteil bleibt bestehen. Brechpunkt Erweichungspunkt Temperatur „niedrig“ „hoch“ Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 61  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau EIGENSCHAFTEN DES BITUMENS Rheologie à Viskoses und elastisches Verhalten Spannung à Verformungen mit Verzögerung, Vollständiger Rückgang der Verformung Zeit t Verformung Zeit t Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 62  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau EIGENSCHAFTEN DES BITUMENS Rheologie à Viskoses und elastisches Verhalten Spannung à Verformungen der Feder ohne Verzögerung, Verformung des Dämpfers mit Verzögerung Zeit t Verformung Zeit t Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 63  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau EIGENSCHAFTEN DES BITUMENS Rheologie Spannung 1 Zeit t 2 Verformung 3 2 1 2 3 3 1 Zeit t Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 64  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau EIGENSCHAFTEN DES BITUMENS Rheologisches Bitumenmodell Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 65  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.2 - BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Allgemeines Viskosität und Verformungsverhalten Bindemittelarten und Bitumenemulsionen Bitumenprüfungen  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Straßenbaubitumen à Wird durch Destillation als Rückstand in der Raffinerie gewonnen. à Je nach Art des Rohöls und Dauer der Destillation erhält man Bitumen mit unterschiedlichen Härtegraden. à Wird verwendet zur Herstellung von Walz- und Gussasphalt zur Tränkung von Bitumenpappen und -papieren als Grundstoff für Bitumenemulsionen und -lösungen Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 67  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Straßenbaubitumen gemäß TL Bitumen-StB à Die Straßenbaubitumen werden in Sorten nach der Nadelpenetration bei 25°C eingeteilt und bezeichnet. à Die beiden Zahlen geben die Spannweite der Penetration an. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 68  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Polymermodifizierte Bitumen PmB à Entsteht durch Zusatz natürlicher oder synthetischer Polymere zu Destillationsbitumen mit teilweise chemischer Vernetzung. à Die Polymerzusätze verändern das viskoelastische Verhalten von Bitumen. à Sie besitzen optimierte Produkteigenschaften verbesserte Standfestigkeit bei Wärme (Erhöhung des Erweichungspunktes) erhöhte Haftung an Gesteinskörnung größere Plastizitätsspanne (Erhöhung des Penetrationsindexes) geringere Sprödigkeit bei tiefen Temperaturen bessere elastische Rückformung Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 69  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Polymermodifizierte Bitumen PmB gemäß TL Bitumen-StB Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 70  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.2 - BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL Allgemeines Viskosität und Verformungsverhalten Bindemittelarten und Bitumenemulsionen Bitumenprüfungen  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL à Zur technischen Einteilung und Beurteilung der verschiedenen Bitumenarten und - sorten werden verschiedene grundlegende Prüfmethoden herangezogen, die in erster Linie die Konsistenz der Bitumen in unterschiedlichen Temperaturbereichen bestimmen. à Die Prüfverfahren zur Ermittlung und Überprüfung der Bitumeneigenschaften sind in Normen beschrieben. à Im folgenden werden beschrieben: Nadelpenetration EP Ring und Kugel Brechpunkt nach Fraaß Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 72  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Nadelpenetration gemäß DIN EN 1426 à Die Nadelpenetration dient zur Bestimmung der Härte von Bitumen. à Die Nadelpenetration das Verhalten von Bitumen bei mittleren Gebrauchstemperaturen. à Es wird ermittelt, wie weit eine genormte Nadel (100 g) bei genau 25°C innerhalb von 5 Sekunden in das Bitumen eindringt. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 73  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Nadelpenetration gemäß DIN EN 1426 à Das Ergebnis ist in 1/10 mm anzugeben. à Die Bezeichnung von Straßenbaubitumen erfolgt durch die Angabe der Spannweite der Nadelpenetration: Bitumen 70/100 hat eine Penetration zwischen 70 und 100 1/10 mm. à Entscheidend ist die genaue Einhaltung der Prüftemperatur von genau 25°C. à Es wird der Mittelwert aus drei Einzelwerten als Ergebnis gebildet. à Es sind die maximalen Abweichungen der Einzelwerte zu beachten. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 74  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Nadelpenetration gemäß DIN EN 1426 www.eurobitume.eu à Das Ergebnis wird aus 3 Werten gemittelt: 52,6 1/10mm 50,8 1/10mm = 51,6 1/10mm à 51 1/10mm 51,3 1/10mm Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 75  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Erweichungspunkt Ring und Kugel (RuK) gemäß DIN EN 1427 à Bei der Ermittlung dieses Wertes wird eine Stahlkugel auf eine im Ring angebrachte Bitumenschicht gelegt. Im Laufe des Versuches wird das Bindemittel gleichmäßig um 5 K pro Minute erwärmt. à Ermittelt wird die Temperatur, bei der eine in einem Messingring befindliche Bitumenschicht bei gleichmäßiger Erwärmung unter dem Gewicht einer Stahlkugel eine bestimmte Verformung (25,4 mm) erfährt. à Der Erweichungspunkt Ring und Kugel dient der Prüfung des Verhaltens von Bitumen bei erhöhten Gebrauchstemperaturen. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 76  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Ring und Kugel (RuK) gemäß DIN EN 1427 Thermometeter Halterung Wasserbad mit gleichmäßiger Erwärmung, 5 K/min Stahlkugel zu Versuchsbeginn Ring mit Probe hermometeter Versuchsbeginn Bodenplatte Halterung Versuchsende Wasserbad mit gleichmäßiger Erwärmung, 5 K/min Stahlkugel zu Versuchsbeginn g mit Probe Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 77  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Ring und Kugel (RuK) gemäß DIN EN 1427 à Der Mittelwert wird aus den beiden Einzelwerten gebildet. Bis 80°C ist der Wert auf 0,2 genau anzugeben. Ab 80°C ist der Wert auf 0,5 genau anzugeben. 59,2°C und 58,7°C = 58,95°C à 59,0°C Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 78  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Brechpunkt nach Fraaß gemäß DIN EN 12593 à Der Brechpunkt nach Fraaß kennzeichnet das Verhalten des Bitumens bei niedrigen Gebrauchstemperaturen. à Er beschreibt den Übergang des Bindemittels vom zähplastischen in den spröden Zustand und gibt die Temperatur in °C an, bei der eine auf einem Stahlblech aufgebrachte dünne Bitumenschicht bei gleichmäßiger Abkühlung bricht oder Risse bekommt, wenn sie unter festgelegten Bedingungen gebogen wird. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 79  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau BITUMENPRÜFUNGEN Brechpunkt nach Fraaß gemäß DIN EN 12593 Thermometer Kühlmittel mit gleichmäßiger Abkühlung 1 K/min Versuchsbeginn Durchbiegung Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 80  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau -1- STRAßENBAUSTOFFE - 1.1 - GESTEINSKÖRNUNGEN - 1.2 - BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL - 1.3 - ASPHALT - 1.4 - ZEMENT  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.3 - ASPHALT Allgemeines Asphalteigenschaften Prüfverfahren für Asphalt  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT à Asphalt bezeichnet eine natürliche oder technisch hergestellte Mischung aus dem Bindemittel Bitumen und Gesteinskörnungen, die im Straßenbau für Fahrbahnbefestigungen verwendet wird. à Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen sind Asphaltbefestigungen in verschiedenartige Schichten unterteilt. Asphalttragschicht Asphaltbinderschicht Asphaltdeckschicht à Alle Schichten müssen zu einem kompakten Baukörper verbunden sein. www.asphalt.de Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 83  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT à Der Baustoff Asphalt wird landläufig fälschlicherweise mit der Substanz Teer gleichgesetzt. Anders als bei Asphalt, dessen Bindemittel „Bitumen“ aus Erdöl gewonnen wird, findet das Bindemittel „Teer“ seinen Ursprung in der Steinkohle (Steinkohlenteer). à Teer gilt als stark gesundheitsgefährdend und seine Verwendung ist in der Bundesrepublik Deutschland im Straßenbau seit 1984 verboten. à Wiederverwertung Bei der Wiederverwertung muss teerhaltiges Material gesondert entsorgt werden. Ausgebaute Asphalte können ohne Bedenken wiederverwertet werden. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 84  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Anforderungen an die Asphaltschichten à Asphaltstraßen enthalten Schichtpakete, die bis zu 34 cm dick sein können. à Die zu ihrem Aufbau erforderlichen verschiedenen Asphaltsorten werden vom Bauingenieur aus den Gesteinskörnungen und dem Bitumen entsprechend den jeweiligen Beanspruchungen optimal zusammengesetzt. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 85  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Asphalte müssen folgende Eigenschaften besitzen à Standfestigkeit Unter Belastung darf sich die Form nicht verändern. Es dürfen keine Spurrinnen, Wellen oder Unebenheiten entstehen. à Risssicherheit Spannungen müssen durch Relaxation abgebaut werden können. à Ermüdungsbeständigkeit Lastwechsel müssen ohne Ermüdungsrisse überstanden werden. à Einbaufähigkeit Asphalt muss transportiert und verteilt werden können, ohne das er sich Entmischt. Der Aufwand der Verdichtung soll gering bleiben. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 86  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT An der Oberfläche müssen Asphalte folgende weitere Eigenschaften besitzen à Dichtigkeit Wasser darf nicht durch die Deckschicht eindringen. à Dauerhaftigkeit kein Abrieb, Ausmagerung und Substanzverlust Witterungsbeständig à Verkehrssicherheit Griffigkeit, Helligkeit, Lichtstreuvermögen geringer Verkehrslärm Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 87  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Technisch hergestellter Asphalt à Der Großteil des eingebauten Asphalts wird in Asphaltmischanlagen hergestellt. à Asphaltmischgut für den Heißeinbau wird in Trocken- und Mischanlagen hergestellt, die sich in den technischen Einrichtungen weitgehend unterscheiden können. Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 88  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Asphaltzusammensetzung à Asphalt besteht aus Gesteinskörnungen Bitumen und Luft à Es wird unterschieden in Walzasphalt Gussasphalt Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 89  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Asphaltsorten und Verwendungszweck à Walzasphalt Asphaltbeton - AC à Deckschicht, Binderschicht, Tragschicht Splittmastixasphalt - SMA à Deckschicht offenporiger Asphalt - PA à Deckschicht à Gussasphalt - MA à Deckschicht muss nicht zur Verdichtung gewalzt werden wird auf Fahrbahnen gewalzt, z.B. zum Andrücken von aufgestreutem Splitt Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 90  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.3 - ASPHALT Allgemeines Asphalteigenschaften Prüfverfahren für Asphalt  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Verformungsverhalten à Das Verformungsverhalten von Asphalt ist von folgenden Faktoren abhängig dem Bitumengehalt der Bitumenhärte der Temperatur der Belastungsdauer der Korngrößenverteilung der Gesteinskörnung... Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 92  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Modellasphalt nach Huertgen Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 93  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Relaxationsfähigkeit von Asphalt à „Die durch aufgezwungene Dehnungen entstehenden Spannungen werden durch inneres Fließen abgebaut“ à Wird dem Asphalt eine Dehnung aufgezwungen (z.B. durch behinderte Längenänderung infolge Temperatur), baut sich im Asphalt eine Spannung auf. Sommer Winter Ist die Spannung kleiner als die Festigkeit des warm kalt ε ε Asphaltes und wird die Dehnung konstant gehalten, relaxiert der Asphalt (abhängig von der vorherrschenden Temperatur und Bitumenhärte) Ist die Spannung größer als die Festigkeit des t1 t t1 t t0 t0 Asphaltes, entstehen Risse. s s t t t0 t1 t0 t1 Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 94  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau - 1.3 - ASPHALT Allgemeines Asphalteigenschaften Prüfverfahren für Asphalt  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Probekörper à Für die verschiedenen Asphaltprüfungen werden unterschiedliche Arten von Asphalt- Probekörpern verwendet: Marshall-Probekörper gemäß TP Asphalt-StB Teil 30 Asphalt-Probeplatten gemäß TP Asphalt-StB Teil 33 Asphalt-Probewürfel gemäß TP Asphalt-StB Teil 20 in Verbindung mit der Bestimmung der Eindringtiefe an Gussasphalt Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 96  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ASPHALT Prüfverfahren à Um das Gebrauchsverhalten von Asphalt beurteilen zu können, werden unterschiedliche Prüfungen durchgeführt. Spurbildungstest (DIN EN 12697-22) Spaltzugprüfung Eindringversuch (DIN EN 12697-20) Schichtenverbund Marshall-Prüfung (DIN EN 12697-34) Statischer Kriechversuch, Druck-Schwell-Versuch Triaxialversuch (DIN EN 12697-25)... Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 97  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau -1- STRAßENBAUSTOFFE - 1.1 - GESTEINSKÖRNUNGEN - 1.2 - BITUMENHALTIGE BINDEMITTEL - 1.3 - ASPHALT - 1.4 - ZEMENT  Institut für Materialwissenschaft – Straßenbau ZEMENT Allgemeines à Verwendet wird Zement im Straßenbau für die Herstellung von Beton für Betondecken und Betonpflastersteinen, hydraulisch gebundenen Tragschichten und hydraulischen Verfestigungen, dünnen Asphaltdeckschichten im Kalteinbau (Einsatz als Abbinderegulator). à Behandlung der Baustoffe „Zement“ und „Beton“ à Modul Werkstoffe II Dr.-Ing. Tommy Mielke Folie 99  BACHELOR - PM KONSTRUKTIVER VERKEHRSWEGEBAU 1 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Vorlesung Dr.-Ing. Tommy Mielke Quellen: Karcher, K.; Jansen, D.; Straube, E.; Krass, K. (2016): Straßenbau Und Straßenerhaltung - Ein Handbuch für Studium und Praxis. 10. Auflage, Erich Schmidt Verlag, Berlin Velske, S.; Mentlein, H.; Eymann, P. (2013): Strassenbau Strassenbautechnik. 7. Auflage, Werner Verlag, Köln Hutschenreuther, J.; Wörner, T. (2017): Asphalt Im Straßenbau. 3. Auflage, Kirschbaum Verlag, Bonn TL Gestein, TL Bitumen, TL Asphalt, TP Asphalt, ZTV Asphalt