Investigation of Interaction Mechanisms between Hot Mix Asphalt and Paver Screed

The durability of asphalt pavements under traffic loads is significantly influenced by the compaction quality during construction. Poor compaction can lead to early pavement failure through cracking, rutting, or grain breakouts. The initial compaction stage performed by the asphalt paver is particularly critical, as subsequent roller compaction cannot correct errors at this stage. However, the complex interaction between the paver screed and hot mix asphalt, coupled with external factors like the delivery temperature of the asphalt mix, makes it difficult to achieve optimal compaction settings. This study addresses the knowledge gaps surrounding the precompaction process by analyzing the interaction between the paver screed and hot mix asphalt. A multi-faceted approach was adopted to achieve this, consisting of a comprehensive laboratory program, field trials, and a full-scale paver simulation using discrete element methods. The laboratory program examined different asphalt mixtures to evaluate the influence of temperature and asphalt mix type on various pre-defined asphalt paving properties. Field trials focused on understanding the effects of tamper and vibratory unit speeds, on the paving outcomes. Lastly, the discrete element simulation provided insights into the flow behavior and material movements during paving. The laboratory findings show that asphalt mix temperature impacts flow behavior, pre-compaction resistance, and friction. The field trials revealed that tamper speed significantly affects layer thickness and compaction, while the vibratory unit showed only a minor influence on the paving outcomes. The simulation results identify two primary material flow directions in the auger tunnel, driven by auger movements, with key grain rearrangement occurring near the tamper. Furthermore, the analysis emphasizes the importance of the tamper movement in achieving optimal compaction and critical wear areas on machine components. Based on these insights, recommendations for machine and process optimization were provided to enhance paving practices.

Die Dauerhaftigkeit von Asphaltbefestigungen unter Verkehrsbelastung wird maßgeblich von der Verdichtungsqualität bei der Herstellung beeinflusst. Eine unzureichende Verdichtung kann zu einem frühzeitigen Versagen der Befestigung durch Risse, Spurrinnen oder Kornausbrüche führen. Die erste Verdichtungsphase durch den Asphaltfertiger ist besonders kritisch, da Einbaufehler auch durch die nachfolgende Walzverdichtung nicht korrigiert werden können. Die komplexe Wechselwirkung zwischen der Einbaubohle und dem heißen Asphaltmischgut in Verbindung mit externen Faktoren wie der Anlieferungstemperatur des Asphaltmischguts erschwert die optimale Einstellung der Bohlenverdichtungseinheiten. Diese Arbeit befasst sich mit den Wissenslücken rund um den Vorverdichtungsprozess, indem die Wechselwirkung zwischen Einbaubohle und Heißasphalt analysiert wird. Um dies zu erreichen, wurde ein vielseitiger Ansatz gewählt, der aus einem umfassenden Laborprogramm, Feldversuchen und einer Simulation der Fertigerbohle mit Hilfe der Diskreten Element Methode besteht. Im Rahmen des Laborprogramms wurden verschiedene Asphaltmischgüter untersucht, um den Einfluss der Temperatur und der Zusammensetzung der Asphaltmischgüter auf verschiedene vordefinierte Asphalteinbaueigenschaften zu bewerten. Die Feldversuche konzentrierten sich auf das Verständnis der Auswirkungen von Stampfer- und Vibrationsdrehzahlen auf die Einbauergebnisse. Zuletzt lieferte die Diskrete Elemente Simulation Erkenntnisse über das Fließverhalten und die Materialbewegungen während des Einbaus. Die Laborergebnisse zeigen, dass die Temperatur des Asphaltmischguts das Fließverhalten, den Vorverdichtungswiderstand und die externe Reibung beeinflusst. Die Feldversuche ergaben, dass die Stampfergeschwindigkeit einen signifikanten Einfluss auf die Schichtdicke und den Vorverdichtungsgrad hat, während die Vibrationseinheit nur einen geringen Einfluss auf die Einbauergebnisse hat. Die Simulationsergebnisse lassen zwei primäre Materialflussrichtungen im Schneckentunnel erkennen, wobei ein Großteil der relevanten Kornumlagerungsprozesse in der Nähe des Stampfers stattfinden. Darüber hinaus unterstreicht die Analyse die Bedeutung der Stampferbewegung für das Erreichen einer optimalen Vorverdichtung und die kritischen Verschleißbereiche der Maschinenkomponenten. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden Empfehlungen für die Maschinen- und Prozessoptimierung gegeben, um die Einbaupraktiken zu verbessern.