Weiterentwicklung der zerstörungsfreien Bewertung struktureller Substanz von Asphaltschichten mit dem Falling Weight Deflectometer

Aufgrund des bereits gut ausgebauten Straßennetzes und der gesellschaftspolitischen Aspekte des Umweltschutzes ist in Industrieländern wie Deutschland von einem hohen Anteil an Erhaltungs- und Sanierungsmaßnahmen an den straßenbezogenen Aufwendungen auszugehen. In diesem Zusammenhang ist die Bewertung der strukturellen Substanz von Asphaltschichten von großer Bedeutung. Infolge des hohen Aufwands zerstörender Methoden wie Bohrkern-entnahme ist es notwendig, eine schnelle und zerstörungsfreie Methode zu entwickeln, die mit geringem Aufwand Ergebnisse liefern kann.

Seit Anfang der 2000er Jahre erforscht das Institut für Straßenwesen (nun Institut für Verkehrswegebau) der Technischen Universität Darmstadt die zerstörungsfreie Bewertung der strukturellen Substanz und Tragfähigkeit von Asphaltstraßen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD). Als Ergebnis von zehn Jahren Forschung wurde 2009 im Rahmen der Habilitation von GRÄTZ an der Technischen Universität Darmstadt ein Verfahren entwickelt. Untersuchungen in der Praxis zeigten jedoch die Notwendigkeit für eine Weiterentwicklung des GRÄTZ-Verfahrens.

Ziel dieser Arbeit ist es, das GRÄTZ-Verfahren weiterzuentwickeln, um strukturelle Substanz von Asphaltschichten durch FWD-Messungen zu bewerten und daraus die Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer der Straße zerstörungsfrei zu ermitteln.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst die Entwicklung des Verfahrens von GRÄTZ [2009] analysiert. Anschließend wurden verschiedene Punkte des Verfahrens in Frage gestellt, welche potenzielle Schwachstellen aufzeigen können. Um diese Punkte zu klären, wurde anschließend das Tragverhalten von Asphaltstraßen systematisch mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht.

Den Schwerpunkt der Ergebnisse der FEM-Untersuchungen dieser Arbeit stellt die Aufklärung des Tragverhaltens von Straßen in Abhängigkeit vom Schichtenverbund der Asphaltschichten dar, was zur Einführung einer neuen Kennzahl für die strukturelle Substanz der Straße führte ‒ die so genannten wirksame Dicke der lastverteilenden Asphaltschichten (hwirksam). Damit konnte festgestellt werden, dass die Schwachstelle des GRÄTZ-Verfahrens in der Vernachlässigung des Schichtenverbunds von Asphaltschichten liegt und daher die Rückrechnung des Steifigkeitsmoduls des Asphalts |E|Asphalt nicht zielführend ist.

Die weiteren Ergebnisse der FEM-Untersuchungen dieser Arbeit, mit denen die Überlagerung der Platten- und Halbraumtragwirkung von Asphaltschichten im Lastangriffsbereich festgestellt wurde, zeigten auch, dass die in vielen Literaturstellen dargestellte rechnerische Ermittlung der Restnutzungsdauer der Straße, z.B. in [COST 333, 1999], in Bezug auf die Rissbildung an der Unterseite der Asphaltschichten nicht ausreicht.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde festgelegt, dass die FWD-Messungen zur Bewertung der wirksamen Dicken von Asphaltschichten hwirksam sowie deren Schichtenverbund herangezogen werden sollen. Die Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer der Straße werden mit den bewerteten hwirksam auf der Grundlage der Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen 12 [FGSV, 2012] bewertet.

Mit dieser Festlegung hat der Verfasser die „Darmstädter Methode“ zur Interpretation der FWD-Messungen neu entwickelt. Verifizierungen in der Praxis haben die Methode bestätigt. Durch die in dieser Arbeit empfohlenen Punkte kann die „Darmstädter Methode“ im Hinblick auf Funktionsbauverträge weiterentwickelt werden.

Due to the already well-developed road network and the socio-political aspects of environmental protection, a high proportion of maintenance and rehabilitation measures can be assumed in such industrialized countries as Germany. In this context, the evaluation of structural substance of asphalt layers is of great importance. Due to the high effort of such destructive methods like core sampling, it is necessary to develop a fast and non-destructive method, which can provide results with low effort.

Since the early 2000s, the Institute of Road Engineering, Darmstadt University of Technology has been researching the non-destructive evaluation of structural substance and bearing capacity of asphalt layers using the falling weight deflectometer (FWD). As a result of 10 years of research, a method was developed in 2009 as part of GRÄTZ's habilitation. However, the investigations in practice have shown that the GRÄTZ method needs to be further developed.

The aim of this work is to further develop the FWD investigation established by GRÄTZ [2009] for the proper assessment of the structural substance of asphalt layers and thus to determine the bearing capacity and remaining of the service life of asphalt layers non-destructively.

To achieve this goal, the GRÄTZ method was analyzed. Thereby, several points of the method were questioned, from which its weaknesses may arise. To clarify these points, the load behavior of the asphalt road was then systematically investigated using the finite element method (abaqus).

The main focus of the results of the FEM investigations was the clarification of the structural behavior of the asphalt layers depending on its bonding conditions, which led to the establishment of a new structural substance parameter of the road - the so-called effective thickness of asphalt layers hwirksam. On the basis of hwirksam, it could be ascertained that the problem of the GRÄTZ method stems from the neglecting the bonding of the asphalt layers and thus the back-calculation of the stiffness modulus of asphalt |E|asphalt from FWD measurement is not reasonable.

The other results of the FEM investigations, through which the superposition of the plate and half-space bearing effect of the asphalt layers in the load was clarified, also showed that the previously presented determination of the load carrying capacity and remaining useful life of the road in relation to the fatigue cracking of the asphalt layers, such as in [COST 333, 1999], is not sufficient.

Based on these new findings, it was determined that the FWD measurements should be used to back-calculate the effective thickness of asphalt layer hwirksam and to evaluate their layer bonding. Thus, the bearing capacity and remaining service life of the road are determined based on the empirical experience of the RStO 12 [German guideline for standardization of pavement structures of traffic areas].

As a result of this work, the author has developed the Darmstadt method for interpreting FWD measurements. Verifications in practice with coring have confirmed the evaluation of structural substance of asphalt by this method. By means of the points recommended in this work, the Darmstadt method can be further developed with regard to functional construction contracts.