Reflexionsrisse in Belägen mit komplexen Produkten verhindern

Mehrkomponentenlösungen im Asphaltbau können das Auftreten von Reflexionsrissen vermeiden, wie sie manchmal bei Straßenbefestigungen in Mischbauweise, d.h. Belägen mit Betontragschichten und Asphaltüberbauungen, auftreten. Dieser Beitrag untersucht, wie diesen Rissbildungen begegnet wird und damit die Gebrauchseigenschaften von Asphaltbelägen verbessert werden.

Mehrkomponentenlösungen im Asphaltbau können das Auftreten von Reflexionsrissen vermeiden, wie sie manchmal bei Straßenbefestigungen in Mischbauweise, d.h. Belägen mit Betontragschichten und Asphaltüberbauungen, auftreten. Dieser Beitrag untersucht, wie diesen Rissbildungen begegnet wird und damit die Gebrauchseigenschaften von Asphaltbelägen verbessert werden.

Materialverhalten

Asphalt ist ein thermoplastisches, viskoelastisches Material; es ist immer in einem dynamischen Zustand. Dieser Zustand, der Asphalt grundsätzlich von zementgebundenem Beton unterscheidet, wird vom Bindemittel bestimmt (z.B. dessen Sorte und Mengenanteil). Dieser dynamische Zustand ist ursächlich für die Flexibilität. Beläge aus Asphalt werden gemeinhin auch als ‚flexibel’ bezeichnet.

Viele Faktoren, darunter Mischguttyp/Bemessung, Umweltbedingungen, Verkehrslasten, etc. beeinflussen den Grad der Flexibilität und die Zugspannungs-Grenzwerte des eingebauten flexiblen Belages.

Gut bemessene, eingebaute und gewartete flexible Beläge sind darauf ausgerichtet, auftretende Zugspannungen über ihre gesamte Nutzungsdauer aufzunehmen. Die selbstheilenden Eigenschaften im Zusammenhang mit den Bitumen-Bindemitteln erleichtern die Reparatur von eventuell auftretenden Mikro-Schäden. Heute können Asphaltbeläge als Dauerlösungen für Straßenbefestigungen konzipiert werden, deren Lebensdauer 40 Jahre weit übersteigt.

Beläge bestehen trotz der vielfältigen Vorteile nicht immer aus Asphalt. Zwar geht das Bauvolumen von starren Betonbefestigungen zurück, der Einsatz von Mischbauweisen ist allerdings noch weit verbreitet. Bestehende Betonfahrbahnen werden häufig durch eine Asphaltdeckschicht überbaut. Diese konstruktive Oberflächenmaßnahme wird oft zur Lärmminderung, zur Steigerung des Fahrkomforts oder zur Instandsetzung abgenutzter Beläge eingesetzt.

Beton ist ein starres Material mit einer relativ hohen Wärmeausdehnung. Das führt zu merklichen horizontalen Bewegungen, wenn sich die Betonplatten ausdehnen oder zusammenziehen. Fugenanschlüsse und/oder Vorspannungen sind zur Bewältigung entstehender Rissbildungen notwendig. Bei alternden Betonbelägen können ebenso vertikale Hebungen auftreten, als Folge von schadhaften Fugen oder geschwächten Unterbaukonstruktionen.

Unter extremen Bedingungen – zum Beispiel sehr großen Bewegungen – kann das Leistungsspektrum regulärer Straßenbaubitumen nicht mehr ausreichen, um die hohen Zugspannungen im Bitumenfilm oder an der Schnittstellen zwischen Gesteinskörnungen und Bindemittel aufzufangen.

In der Folge kann die Asphaltoberfläche reißen, ein Umstand der allgemein als Reflexionsrissbildung bezeichnet wird. Reflexionsrisse sind eine bedeutende Herausforderung. In den meisten Fällen ist der systematische Einsatz von Mischbauweisen erforderlich, um diesem Problem zu begegnen. Dazu zählen polymermodifizierte Bitumen (PMB), spannungsverteilende Membran- Zwischenschichten (SAMI), Spannung verteilende innere Schicht, kontrolliertes Vorbrechen der Betonplatten oder das Abfräsen und Versiegeln der Asphaltüberbauungen.

Asphaltbemessung mit PmB

Der Schlüssel zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Reflexionsrisse und dem Instandhaltungsvermögen des Belages liegt in der Verringerung der Zugspannungen, die sich in der Asphaltdeckschicht aufbauen. Es ist gut erforscht, dass die Polymermodifizierung das Leistungsvermögen von Bitumen grundsätzlich verändert. Das Ausmaß und der Grad der Modifizierung lassen sich dabei exakt auf die gewünschten Anforderungen an die Produkteigenschaften anpassen.

Polymermodifizierung reduziert die Temperaturempfindlichkeit und verbessert die elastischen Eigenschaften von Bitumen. Bestimmte Polymere können ebenso zu Verbesserung der Haftfähigkeit, des Zugwiderstands und der Bruchfestigkeit von Bitumen eingesetzt werden.
Das verbessert das Biegeverhalten durch das Heraufsetzen der Zugspannungs-Werte über das gesamte Leistungsspektrum eines Bitumens.

Die Rissbildung in Asphalten wurde als zweistufiger Ablauf charakterisiert: der Beginn der Rissbildung und deren nachfolgende Fortführung durch den Baustoffkörper. PmB können den Widerstand gegen Rissbildung in beiden Phasen spürbar erhöhen. Aufgrund ihrer
spannungsaufnehmenden Eigenschaften, wird die Entwicklung von Zugkräften deutlich verringert, was wiederum den Widerstand gegen das erste Auftreten von Rissen und deren mögliche Fortführung spürbar erhöht.

Tatsächlich widersteht das Material größeren Bewegungen, bevor erste Risse auftreten. Gemeinsam mit verbesserten Selbstheilungseigenschaften, nehmen PmB die höheren Zugspannungen auf und bieten bessere Widerstandswerte selbst unter extremen Bedingungen.

Neueste Forschungen

Die technologische Entwicklung bleibt nicht stehen. In Schweden werden derzeit Feldversuche mit einem experimentellen Asphaltmaterial auf Basis hoch polymerisierter Bitumen durchgeführt, um neue Bauweisen zur Vermeidung von Reflexionsrissen in Asphaltüberbauungen zu entwickeln. Das ‚Testbett’ ist ein 7,5 km langer Abschnitt der schwedischen Nationalstraße 690 bei Orebro, der aus einer alten Betonfahrbahn mit Asphaltüberbauung besteht. Das Straßenbauunternehmen Skanska testet in Zusammenarbeit mit Nynas fünf Reparaturverfahren. Alle Verfahren umfassen das Ausfräsen einzelner Querrisse durch die 40mm starke SMA-Schicht mit anschließender Verfüllung durch Neumaterial.

Jede Testabschnitt wurde mit einem der fünf möglichen Asphaltmaterialien befüllt. Zwei dieser fünf bestehen aus einem sehr starken, aber flexiblen SMA auf Basis eines experimentellen Premium-Bitumen mit sehr hohem Polymergehalt. Innerhalb Nynas Nordic firmiert dieses Bindemittel unter der Abkürzung XP (experimentelles Produkt).

Zusammenfassung

Asphalt kann hoch beständig gegenüber Reflexionsrissen ausgelegt werden. Mischbauweisen bleiben wohl der best geeignete Lösungsweg, je nach Voraussetzungen. Hochwertige PmB können erforderlich sein, um die schwierigsten Anforderungen zu erfüllen.