Anwendbarkeit von bildanalytischen Verfahren zur Beschreibung des Verdichtungseinflusses auf das Hohlraumgefüge von Asphaltmischungen

Einer der zentralen Prozesse beim Einbau von Walzasphalt für Verkehrsflächenbefestigungen ist die Verdichtung des noch heißen Asphaltmischguts. Dieser ist erforderlich, um die zunächst locker gelagerte und mit Bitumen und Füller, der sogenannten Mastix, umhüllte Gesteinskörnung zusammenzudrücken und somit den Hohlraumgehalt in der fertigen Schicht zu verringern und die Körner so umzulagern, dass eine verformungsbeständige und dauerhafte Schicht entsteht. Obwohl Konsens darüber besteht, dass die Größe und Verteilung der Hohlräume in einer Asphaltschicht einen Einfluss auf das Gebrauchsverhalten und die Dauerhaftigkeit haben, sind Untersuchungen zur Abhängigkeit dieser Parameter vom Asphaltmischgut und der eingebrachten Verdichtungsenergie bisher nur wenig erfolgt. Eine Möglichkeit der Nutzung von bildgebenden Verfahren ist die Analyse an Asphaltanschliffen, bei der in zufällig gewählten Schnittebenen von Asphaltprobekörpern die Hohlräume mit einem kontrastreichen Epoxidharz verfüllt und im Anschluss bildanalytisch ausgewertet werden. Der große Vorteil der Methode ist, dass neben einem Gesamthohlraumgehalt der Probe auch Parameter der einzelnen Hohlraumobjekte und Verteilungen der Hohlräume innerhalb des Probekörpers ermittelt werden können. Im Rahmen der hier vorliegenden Dissertation wird diese Methode nun auf eine neue Fragestellung angewendet, nämlich die Betrachtung der Entwicklung von Hohlraumgrößen und Tiefenverteilungen im Zusammenhang mit der Asphaltmischgutvariante und der eingebrachten Verdichtungsenergie. Zu diesem Zweck erfolgte die Herstellung von Probeplatten im Walzsektor-Verdichtungsgerät. Bei der Herstellung der Proben wurde der Anteil der kraftgeregelten Verdichtung so variiert, dass sich insgesamt drei Verdichtungsniveaus einstellten, bei denen das höchste bei einem Verdichtungsgrad von etwa 100 % oder darüber lag. Darunter wurden zwei weitere Verdichtungsniveaus hergestellt, die jeweils deutlich zu unterscheiden waren. Je Asphaltmischgut und Verdichtungsgrad wurden aus den Probeplatten acht Anschliffe hergestellt und ausgewertet. Die Entwicklung der Hohlraumgrößen wurde einerseits als absolute Größe statistisch ausgewertet und zudem der Anteil verschiedener Hohlraumgrößenklassen am Gesamthohlraumgehalt bestimmt. Weiterhin erfolgte die Auswertung von Tiefenverteilungen innerhalb der Anschliffe, um mögliche Verlagerungen der Hohlräume während der Verdichtung sichtbar zu machen. Die Untersuchungen haben ergeben, dass die Methode der Anschliffanalysen auch für diese Fragestellung vollumfänglich anwendbar ist und die gewählte Darstellungsform geeignet ist, um die zum Teil komplexen Zusammenhänge anschaulich darzustellen und zu bewerten. Bei der Auswertung der Untersuchungsergebnisse wurde ersichtlich, dass sowohl die grundsätzliche Verteilung der Hohlraumgrößen in die einzelnen Klassen als auch die Entwicklung der Hohlraumgrößenverteilung während der Verdichtung maßgeblich von der Kornzusammensetzung des Asphaltmischguts abhängig und für jede Asphaltmischgutart typisch ist. Durch die Betrachtung der Tiefenverteilungen konnte deutlich gemacht werden, dass diese deutlich von einer ideal homogenen Verteilung abweichen und diese Abweichungen im Verlauf des Verdichtungsprozesses variieren.

One of the key processes in laying hot mix asphalt for pavement surfaces is compacting the asphalt mix while it is still hot. This is necessary in order to compress the initially loosely packed aggregate coated with bitumen and filler, known as mastic, thereby reducing the void content in the finished layer and rearranging the grains to create a deformation-resistant and durable layer. Although there is consensus that the size and distribution of voids in an asphalt layer have an influence on its performance and durability, little research has been done to date on the dependence of these parameters on the asphalt mix and the compaction energy applied. One possible use of imaging techniques is the analysis of asphalt plane sections, in which the voids in randomly selected sections of asphalt test specimens are filled with a high-contrast epoxy resin and then evaluated using image analysis. The great advantage of this method is that, in addition to the total air void content of the sample, parameters of the individual air void objects and distributions of the air voids within the test specimen can also be determined. In this dissertation, this method is now being applied to a new question, namely the examination of the development of void sizes and depth distributions in connection with the type of asphalt mix and the compaction energy applied. For this purpose, test plates were produced in a roller compactor. During the production of the samples, the proportion of force-controlled compaction was varied so that a total of three compaction levels were achieved, the highest of which was at a compaction degree of approximately 100% or above. Below this, two further compaction levels were produced, each of which was clearly distinguishable. Eight plane sections were produced from the test plates for each asphalt mix and degree of compaction and evaluated. The development of the void sizes was statistically evaluated as an absolute value and the proportion of different void size classes in the total void content was also determined. Furthermore, depth distributions within the plane sections were evaluated in order to reveal possible displacements of the voids during compaction. The investigations have shown that the method of plane section analysis is also fully applicable to this issue and that the chosen form of presentation is suitable for clearly illustrating and evaluating the sometimes complex relationships. The evaluation of the test results showed that both the general distribution of void sizes into individual classes and the development of the void size distribution during compaction depend significantly on the grain composition of the asphalt mix and are typical for each type of mixture. By looking at the depth distributions, it was possible to show that these deviate significantly from an ideally homogeneous distribution and that these deviations vary during the compaction process.