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Abschätzung der herstellungsbedingten Qualität und Lebensdauer von Asphaltdeckschichten mit Hilfe der Risikoanalyse

Rosauer, Verena :
Abschätzung der herstellungsbedingten Qualität und Lebensdauer von Asphaltdeckschichten mit Hilfe der Risikoanalyse.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Abschätzung der herstellungsbedingten Qualität und Lebensdauer von Asphaltdeckschichten mit Hilfe der Risikoanalyse
Language: German
Abstract:

Die Lebensdauer einer Straßenbefestigung und ihr Verhalten während der Nutzungsphase hängen in hohem Maße ab einerseits von der Qualität der verwendeten Materialien und der Herstellung und andererseits von der Belastung der Straße durch Verkehr und von den Einwirkungen aus Umwelt und Klima während der Nutzungsphase. Sie ist im Sinne der technischen Lebensdauer definiert als die Dauer von der Herstellung der Asphaltschicht bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie dem bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht mehr genügt. Der bestimmungsgemäße Gebrauch lässt sich bei der Asphaltdeckschicht mit den geforderten Oberflächeneigenschaften beschreiben, die auch im Rahmen der Zustandserfassung und ‑bewertung (ZEB) ermittelt werden. Demnach entspricht das Ende der Lebensdauer dem Zeitpunkt, an dem die betrachtete oder die relevante Eigenschaft den Warn- oder spätestens den Schwellenwert nach ZEB überschreitet. Die Qualität der verwendeten Materialien und die Rahmenbedingungen bei dem gesamten Herstellungsprozess der Asphaltschicht variieren im Straßenbau, sodass auch innerhalb der hierfür definierten Grenzwerte die resultierenden Eigenschaften der Asphaltdeckschicht und demzufolge die Erfüllung der an sie gestellten Anforderungen schwanken. Die Verkehrsbelastung lässt sich über die Lebensdauer näherungsweise prognostizieren, ihre Varianz infolge des Verkehrs bzw. der Fahrzeuge selbst sowie deren Interaktion mit dem Fahrbahnzustand bleibt nach bisheriger Vorgehensweise in der Regel unberücksichtigt. Die Einwirkungen aus Umwelt und Klima lassen sich bei einer langfristigen Betrachtung wie bei der Bemessung nach RStO 01 aufgrund der Stetigkeit des Klimas näherungsweise adäquat beschreiben. Für eine kurz- bis mittelfristige Betrachtung, wie bei der Prognose der Lebensdauer der Asphaltdeckschicht, ist aber die Berücksichtigung der von dem langjährigen Mittel abweichende Ausprägung des Wetters und der Witterung mit ihren Wahrscheinlichkeiten erforderlich. Weiterhin setzen die Untersuchungen und entwickelten Ansätze der letzten Jahre für die Prognose der Zustands­entwicklung und der (Rest-)Lebensdauer den Bestand der betrachteten Fahrbahnbefestigung und eine bestimmte vergangene Nutzungsdauer voraus. Mit der Arbeit sollte daher ein Fundament für die Abschätzung der Lebensdauer von Asphalt­befestigungen geschaffen werden, bei der die relevanten Größen einschließlich ihrer Unsicherheiten einbezogen werden. Dazu wurden die unterschiedlichen Prozesse und ihre Interaktion im Rahmen der Herstellung der Asphaltdeckschicht und die dadurch bedingte Veränderung der aus der ZEB bekannten Zustandsgrößen während der Nutzung analysiert und systematisch in mehreren theoretischen Teilmodellen – von der Herstellung des Asphaltmischguts bis hin zum Ende der Lebensdauer der Asphaltschicht – abgebildet. Diese Teilmodelle bestehen aus Eingangsgrößen, die durch verschiedene, sich aus Zuständen und Aktionen zusammensetzende Zwischenschritte in Ergebnisgrößen überführt werden. Die Teilmodelle sind miteinander verbunden, indem Ergebnis­größen eines Teilmodells Eingangsgrößen eines nachfolgenden Teilmodells sind. Mit Blick auf die Anwendung der Methode der Risikoanalyse und im Speziellen des Darmstädter Risiko-Analyse-Tools (DRAT, [Bald 1991]) wurde das theoretische Teilmodell „Entwicklung der Spurrinnentiefe“ in ein quantitatives Modell überführt, in dem die Zustände und Zusammenhänge mathematisch definiert und formuliert sind. Um die Anwendungs­möglichkeit des Modells zu prüfen, wurde die Entwicklung der Spurrinnentiefe zweier Beispielstrecken – eine in konventioneller Bauweise und eine in Kompaktasphaltbauweise – prognostiziert. Die allgemeinen Funktionen und Konstanten des quantitativen Modells wurden auf Basis der zuvor dargestellten Zusammenhänge und von zum Teil ergänzend herangezogenen Forschungsergebnissen formuliert. Die spezifischen Eingangsgrößen der Beispielstrecken stammen vorwiegend aus den Messdaten der Kontrollprüfung. Da die Beispielstrecken in unterschiedlicher Bauweise hergestellt wurden, war es für den Vergleich und im Hinblick auf die Entstehung der Spurrinnen erforderlich, neben der Asphaltdeckschicht auch die Asphaltbinderschicht als quantitatives Modell abzubilden. Dementsprechend setzt sich dann die Spurrinnentiefe aus der Verformung infolge von Nachverdichtung und der Schubverformung beider Schichten sowie dem Fahrbahnabrieb der Asphaltdeckschicht zusammen. Zum Vergleich der mit dem quantitativen Modell berechneten Spurrinnentiefe wurde die auf den Beispielstrecken im Rahmen der ZEB (nach einer Liegedauer von rund fünf Jahren) gemessene Spurrinnentiefe verwendet und als Soll-Vorgabe angehalten. Die für eine Liegedauer von fünf Jahren mit dem quantitativen Modell berechnete Spurrinnentiefe ergibt durchschnittlich eine höhere Spurrinnentiefe: Die mittlere Spurrinnentiefe liegt bei der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise um 0,36 mm (etwa 14 % der mittleren Spurrinnentiefe von 2,56 mm) über der mittleren gemessenen Spurrinnentiefe und bei der Beispielstrecke in Kompaktasphaltbauweise um 0,51 mm (etwa 34 % der mittleren Spurrinnen­tiefe von 1,40 mm). Die Form der Wahrscheinlichkeits­verteilung der berechneten Spurrinnentiefe der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise kann anhand der Standardabweichung als vergleichbar angenommen werden. Für die Beispielstrecke in Kompaktasphaltbauweise gilt dies nicht; es ist jedoch nach optischer Beurteilung der Verteilungs­kurve zu erwarten, dass mit Annäherung des Mittelwerts der berechneten Spurrinnentiefe auch die Form der Wahrscheinlichkeitsverteilung übereinstimmt. Die Berechnungsergebnisse der Spurrinnentiefe zeigt, dass diese im überwiegenden Maße aus der Schubverformung stammt. Die gesamte, aus den verschiedenen Komponenten beider Schichten resultierende Spurrinnentiefe zeigt eine plausible Abhängigkeit, zum Beispiel von dem Verdichtungsgrad, sodass das quantitative Modell insgesamt als passend bewertet werden kann. So war auch bei der gezielten Variation der Größen Härte des Mörtels und Schichtenverbund festzustellen, dass die Berechnungsergebnisse vor dem Hintergrund von Forschungsergebnissen und Erfahrungen aus der Praxis stringent sind. Durch weitere, beispielhaft durchgeführte Anpassungen der Faktoren und Funktionen lässt sich das quantitative Modell optimieren (Ansatzpunkte zum weiteren Justieren und Verbessern des quantitativen Modells und der Prognoseergebnisse werden aufgezeigt). Der zeitliche Verlauf der Spurrinnenbildung ist bei der Prognose der Entwicklung der Spurrinnen­tiefe über eine Liegedauer von 20 Jahren bei beiden Beispielstrecken schlüssig. Wird das Ende der Lebensdauer als die durchschnittliche Spurrinnentiefe definiert, die im Rahmen der ZEB dem Warnwert (10 mm) entspricht und bei dem Überlegungen über mögliche Erhaltungsmaßnahmen anzustellen sind, wäre für die Beispielstrecke in konventioneller Bauweise eine Lebensdauer von etwa 15 bis 16 Jahren bzw. unter Berücksichtigung der Korrektur (um die Abweichung, die sich bei dem Vergleich der berechneten mit den im Rahmen der ZEB gemessenen Daten zeigte) 17 bis 18 Jahre zu erwarten. Dies korrespondiert mit den Angaben in der Literatur, wonach Asphaltdeckschichten aus Splittmastixasphalt eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren und durchschnittlich 20 Jahren haben. Für die Beispielstrecke in Kompaktasphaltbauweise wurde erwartungsgemäß eine höhere Lebensdauer berechnet: Eine Spurrinnentiefe von mindestens 10 mm wird nach 20 Jahren nur auf 30 % und bei Berücksichtigung der Korrektur nur auf etwa 2 % der Beispielstrecke zu erwarten sein. Ob das Maß dieser Erhöhung der Lebensdauer stimmig ist, kann derzeit nicht beurteilt werden, da die ersten Strecken, die in Kompaktasphaltbauweise hergestellt wurden, nun erst seit etwa zehn Jahren liegen. Vergleiche mit bekannten Spurrinnentiefen anderer Strecken in Kompaktasphaltbauweise zu verschiedenen früheren Zeitpunkten lassen aber darauf schließen, dass auch für die Kompaktasphaltbauweise das Modell die Praxis passend abbildet. Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich die Anwendung der Risikoanalyse und das erstellte quantitative Modell zur Beschreibung und Prognose der Entwicklung der Spurrinnentiefe eignen; bedeutsam ist dabei allerdings die exakte Ermittlung der Eingangsgrößen. Für die übrigen Teilmodelle, die im Rahmen der Arbeit entwickelt wurden, wird daher prinzipiell ebenfalls die Anwendbarkeit bei geeigneter quantitativer Formulierung erwartet. Als weitere (noch zu entwickelnde) Anwendungsmöglichkeiten werden z. B. der Einsatz des Modells bei der Betrachtung der Lebenszykluskosten oder bei der Überarbeitung des Systems der Vergütung mit Blick auf die Folgen der Qualität für die Lebensdauer aufgezeigt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The durability of a pavement and its behavior during its utilization phase depend exceedingly on quality of materials used and production. Furthermore applied traffic load and environmental effect during utilization phase diversify them. In terms of serviceable life durability is defined as the duration from production of asphalt pavement until such time as the layer does not meet the standard of normal use anymore. Normal use of a surface course can be described by surface characteristics that are detected in the context of condition survey. Thus the end of serviceable life corresponds to such time as the considered or relevant characteristic exceeds warn level or intervention level at the latest. The quality of used materials and the circumstances during the entire production process of the asphalt course vary with road construction, so that even if they range within the limits for deviation the resultant characteristics of the surface course and thus its performance will alter. The traffic load can be forecast by approximation, but its deviation because of the traffic and the vehicles themselves as well as their interaction with the pavement condition are generally unconsidered in the previous procedures. Describing the environmental effects like in road design according to RStO 01 is appropriate by long-term consideration due to continuity of climate. But if executing short- to medium-term consideration such as forecasting serviceable life of surface course, it is essential to take deviant occurrence of weather and its possibility into account. Furthermore, the investigations and approaches designed within the last years require the existence of the considered pavement and a certain past use for forecasting of the pavement's condition development and the (residual) serviceable life. This research should provide a basis for estimation of serviceable life of asphalt pavements by taking the relevant parameters into account including their uncertainty. For this the different processes and their interaction in the context of the production of asphalt pavement and the thereby predetermined change of the surface characteristics during use were analyzed and graphed systematically in several part models (from production of asphalt mixture to the end of serviceable life of surface course). These part models consist of input parameters, which are transformed to output parameters by intermediate steps that include status and activity. They are interconnected as the output parameters of any part model are input parameters of a following part model. With appliance of the method of risk analysis and particularly the “Darmstädter Risk Analysis Tool” (DRAT, [Bald 1991]) in mind the theoretical part model “development of rutting” was converted into a quantitative model. The statuses and activities are defined and formulated mathematically in the quantitative model. For testing its application, the development of rutting was forecast at two test sections, one was built conventionally and the other one was built with double layer asphalt. The general functions and factors for the quantitative model based upon correlations that were previously shown and in part additional research results. Specific input parameters of the test sections derive predominantly from measured data in the framework of control inspection. As the test sections are constructed differently, it was necessary for the comparison and the scheme of development of rutting to consider both surface course and binder course within quantitative model. According to this, rut depth consists of deformation owing to postcompaction as well as shear deformation of both layers plus the abrasion of the surface course. The rut depth that was measured on the test sections within condition survey (about five years after construction) was used for comparison with the rut depth being calculated by the quantitative model. Furthermore, the measured rut depth served as target. The calculated rut depth for a period of five years of use is higher in average: Looking at the conventionally built test section the mean rut depth exceed the average measured rut depth by 0,36 mm (about 14 % of the average calculated rut depth 2,56 mm) and for the test section with double layer asphalt by 0,51 mm (about 34 % of the average calculated rut depth 1,40 mm). Regarding the standard deviation the shape of the probability distribution of the calculated rut depth of the conventionally built test section can be assumed to be comparable to the measured one. This is not valid for the test section with double layer asphalt, but one can expect that with approximation of the mean value the shape will fit also. From the calculated results of the rut depth it is evident that the rut depth predominantly results from shear deformation of the layers. The entire rut depth composed of the miscellaneous components of both layers shows for instance plausible dependencies on rate of compaction, so that all in all the quantitative model can be evaluated to be appropriate. Furthermore the systematic variation of the parameters hardness of mortar and bond show, that the calculation are compatible to research results and practical knowledge. The quantitative model can be optimized by some exemplary presented adaption of factors and functions (further starting points are specified to adjust and to improve the quantitative model and its forecast). By forecasting the development of rut depth over a 20 year period of use, the progression of rutting in time is conclusive for both test sections. Defining the end of serviceable life as the average rut depth that equates to warn level (10 mm) within condition survey, and which requires careful consideration about possible maintenance work, for the conventionally built test section one can expect a serviceable life of 15 to 16 years and of 17 to 18 years in consideration of adjustment (of the difference between the measured rut depth and the calculated one for the five year period of use). These values correspond to literature saying that stone mastic asphalt possesses serviceable life of at least 15 years and on average 20 years. As expected the serviceable life of the test section with double layer asphalt is longer: After a 20 year period of use the 10 mm rut depth is estimated for 30 % of the test section and for only 2 % taking adjustment into account. Currently it cannot be assessed whether the extension of serviceable life is appropriate, as the first sections with double layer asphalt were laid approximately ten years ago. But comparisons with other sections with double layer asphalt at earlier times suggest, that the model fit to practice also for double layer asphalt. To sum up, appliance of risk analysis and the constructed quantitative model are qualified for describing and forecasting the development of rut depth. But in doing so, it is momentously to detect and to measure the input parameters accurately. For the other theoretical models, which have also been developed within this research, applicability in principle is expected in case of appropriate quantitative modeling. Further possible appliances (which have to be developed) could be in consideration of life cycle costs or in revising the scheme of payment and deduction regarding serviceable life as a consequence of quality.English
Uncontrolled Keywords: Asphalt Lebensdauer Nutzungsdauer Risikoanalyse DRAT Kompaktasphalt Spurrinne
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Asphalt Lebensdauer Nutzungsdauer Risikoanalyse DRAT Kompaktasphalt SpurrinneGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie > Institut für Verkehr
Date Deposited: 22 Dec 2010 14:05
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23518
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Bald, Prof. Dr.- J. Stefan and Radenberg, Prof. Dr.- Martin
Refereed: 27 September 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2351
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