Vergleichende Untersuchungen zur Ermüdungsbeständigkeit von Asphaltmastix am Dynamischen Scherrheometer (DSR)

Abstract

Der Widerstand der einzelnen Asphaltschichten gegen Materialermüdung ist für die Aufrechterhaltung der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit von Asphaltoberbauten von besonderer Bedeutung.Zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens werden dabei hauptsächlich Prüfverfahren mit Probekörpern aus Asphalt oder Bitumen angewendet, mit deren Hilfe ermüdungsrelevante Parameterquantitativ erfasst werden. Der wesentliche Einfluss des Füllers auf die Ermüdungseigenschaften der Asphaltschichten wird bei diesen Prüfverfahren jedoch nur unzureichend beschrieben. Eine mangelnde Qualität des Füllers als Bestandteil der Asphaltmastix (= Füller + Bitumen) oder seinermangelnden Kompatibilität zum verwendeten Bitumen kann eine verringerte Dauerhaftigkeit des Asphaltoberbaus zur Folge haben.Zur Ermittlung des Ermüdungsverhaltens von Asphaltmastix werden in der Forschung aktuellunterschiedliche Prüfmethoden angewendet, da keine Kriterien oder Richtlinien zu Ermüdungsprüfungen an Asphaltmastix existieren. Beispielsweise wurde an der TU Wien ein standardisierter Ermüdungsversuch im dynamischen Scherrheometer (DSR) mit einem hyperbolischen Probekörper entwickelt.In der gegenständlichen Arbeit werden zuerst einige Prüfverfahren erläutert, welche im europäischen bzw. nordamerikanischen Raum für die Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Bitumen oder Asphalt zur Anwendung kommen. Dabei werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Prüfverfahren betreffend der Versuchsdurchführung bzw. der Versuchsauswertung angeführt und deren potentielle Anwendbarkeit für Ermüdungsprüfungen an Asphaltmastix analysiert.Aus den angeführten Prüfverfahren wurden drei gängige Verfahrensarten ausgewählt (dehnungsgesteuerte Time-Sweep-Prüfung, spannungsgesteuerte Time-Sweep-Prüfung und Linear-Amplitude-Sweep-Prüfung) und an hyperbolischen sowie zylindrischen Probekörpern, welche ausjeweils drei unterschiedlichen Asphaltmastixsorten hergestellt wurden, angewandt.Die einzelnen Prüfergebnisse wurden in weiterer Folge unter Anwendung unterschiedlicher Ermüdungskriterien ausgewertet und in Abhängigkeit des verwendeten Prüfverfahrens und der verwendeten Asphaltmastixsorte mittels Regressionsanalysen in Wöhler-Kurven abgebildet, welche anschließend miteinander verglichen wurden.Dabei zeigte sich, dass die Auswertung spannungsgesteuerter Time-Sweep-Prüfungen und die Auswertung der Linear-Amplitude-Sweep-Prüfungen äquivalente Resultate zum Ermüdungsverhaltender untersuchten Asphaltmastixsorten liefern. Im Vergleich dazu lieferte die Auswertung der verschiebungsgesteuerten Time-Sweep-Prüfungen bei einer Mastixsorte ein abweichende Ergebnis in der Beschreibung des Ermüdungsverhaltens. Weiters zeigte sich bei allen drei angewendeten Prüfverfahren, dass zwar betreffend der Anfangswerte des Betrags des komplexen Schubmoduls |G*|betragsmäßig große Unterschiede zwischen den durchgeführten Prüfungen an hyperbolischen und zylindrischen Probekörpergeometrien auftraten, und folglich ein Materialversagen aufgrund Ermüdung bei hyperbolischen Probekörpern zu einem früheren Zeitpunkt eintritt als bei zylindrischen Probekörpern. Dennoch wurde beim Vergleich der abgebildeten Wöhlerkurven sowohl beihyperbolischen als zylindrischen Probekörpern ein äquivalentes Ermüdungsranking ermittelt. In Folgedessen konnte nachgewiesen werden, dass innerhalb der durchgeführten Testreihen die Verwendung von hyperbolischen und zylindrischen Probekörpern zu äquivalenten Ergebnissen hinsichtlich der Beschreibung des Ermüdungsverhaltens der drei untersuchten Asphaltmastixsorten führt.

The fatigue resistance of asphalt pavement layers is of particular importance for sustaining the loadbearingcapacity and serviceability of asphalt pavements. To describe the fatigue behavior, testmethods with test specimens made of asphalt mixture or bitumen are mainly used, which enable the characterization of fatigue related parameters. However, the main influence of the filler on the fatigue behavior of the asphalt layers is not adequately described in these test methods. A poor quality of thefiller as part of the asphalt mastic (= filler + bitumen) or its incompatibility with the used bitumen canresult in a reduced durability of the asphalt pavement and thus, reduced technical lifetimes.To determine the fatigue behavior of asphalt mastic, different test methods are currently used inresearch, as there are no standards for fatigue tests on asphalt mastic. Lately an efficient fatigue testin the dynamic shear rheometer with a hyperbolic test specimen was developed at TU Wien.In the thesis at hand, some test methods are presented which are used in Europe and North Americato assess the fatigue behavior of bitumen or asphalt. The advantages and disadvantages of the individual test procedures with regard to the test procedure and the test evaluation are listed and their potential applicability for fatigue tests on asphalt mastic is analysed.Afterwards, three common types of test procedures were selected (strain-controlled time-sweeptest, stress-controlled time-sweep test and linear amplitude sweep test) and applied to hyperbolicand cylindrical test specimens, each made from three different types of asphalt mastic.The individual test results were then evaluated using different fatigue criteria and, depending on thetest method used and the type of asphalt mastic used, were derived into Woehler curves by the useof regression analyses, which were then compared with one another.It was found that the evaluation of the stress-controlled time-sweep tests and the evaluation of the linear amplitude sweep tests provide comparable results of the fatigue behavior of the asphalt mastic samples. In comparison, the evaluation of the strain-controlled time-sweep tests for one type of mastic gave a different result in the characterization of the fatigue behavior. In addition, it was found with all three test methods used that there were large differences in initial complex modulus of shear |G*|between tests carried out on hyperbolic and cylindrical test specimens, and consequently material failure due to fatigue occurs earlier in the case of hyperbolic test specimens than in the case ofcylindrical specimens. Nevertheless, when comparing the derived Woehler curves, an equivalent fatigue ranking was determined for both hyperbolic and cylindrical test specimens. As a result, it was possible to demonstrate that the use of hyperbolic and cylindrical test specimens within the test series led to equivalent results with regard to the description of the fatigue behavior of the three types ofasphalt mastic under investigation.