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M. Spiegl:
"Tieftemperaturverhalten von bituminösen Baustoffen - Labortecnische Ansprache und numerische Simulation des Gebrauchsverhaltens";
in Buchreihe "Mitteilungen des Instituts für Straßenbau und Straßenerhaltung Technische Univeristät Wien (ISTU)", Buchreihen-Herausgeber: R. Blab, J. Eberhardsteiner; Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung, TU Wien, Wien, 2008, ISBN: 978-3-901912-19-1, 242 S.

Tieftemperaturverhalten von bituminösen Baustoffen - Labortechnische Ansprache und numerische Simulation des Gebrauchsverhaltens
Aufgrund des zunehmenden Schwerverkehrs auf dem österreichischen Straßennetz kommt es zu einer stärkeren Beanspruchung und somit Schädigung der Straßenauf-bauten. Aktuelle Studien gehen von mittleren Zuwächsen des heutigen Transportauf-kommens auf Österreichs Straßen von über 50 % bis zum Jahr 2015 aus [Amt der Tiroler Landesregierung, 2004, Herry et al., 2006]. Dieser immense Schwerver-kehrszuwachs lässt hinkünftig im Zusammenspiel mit extremen Klimabedingungen in zunehmendem Ausmaß drei Hauptschadensmechanismen auf Österreichs hochrangi-gem Straßennetz erwarten: Ermüdungsrisse, Tieftemperaturrisse und Spurrinnen.
Diese Arbeit behandelt das Tieftemperaturverhalten von flexiblen Straßenkonstruktio-nen, die mit Heißmischgut aus Asphalt hergestellt wurden. Es wird eine neue Metho-dik entwickelt, mit deren Hilfe die maßgeblichen Beanspruchungsmechanismen bei der Beurteilung des Widerstands von Asphaltmischgütern gegen Tieftemperaturreißen be-rücksichtigt werden. Diese Methodik umfasst Experimente an Asphalten und die nu-merische Modellierung von flexiblen Fahrbahnaufbauten.
Zunächst setzt sich die vorliegende Arbeit mit der Rissbildung in Asphaltdeckschichten bei tiefen Temperaturen auseinander. Als besonders kritische thermische Beanspru-chung der Straße wird dabei ein Abkühlprozess bei Temperaturen um den Gefrier-punkt und darunter identifiziert. Durch den verhinderten thermischen Schrumpf wer-den Zugspannungen (kryogene Spannungen) in der Asphaltbefestigung induziert, wel-che unter extremen Bedingungen so groß werden können, dass die lokal vorhandene Zugfestigkeit überschritten und Rissbildung initiiert wird.
Im Allgemeinen ist die Straße aber gleichzeitig zur Temperaturbeanspruchung der Schwerverkehrsbelastung ausgesetzt. Aufgrund der ansteigenden Steifigkeiten der gebundenen Schichten bei abnehmender Temperatur, nehmen auch die durch die Ver-kehrsbelastung induzierten mechanogenen Spannungen zu. In Überlagerung mit der thermischen Beanspruchung, ist somit die Gefahr des Erreichens eines kritischen Spannungszustandes noch früher gegeben, und die Gefahr der Rissbildung ist deutlich erhöht. Es ist anzumerken, dass das Maximum der kritischen Spannungen dabei nicht in der Radspur auftritt, sondern in einem Abstand von 30 cm bis 90 cm von der Last-einleitungsstelle [siehe Arand et al., 1995 und Lorenzl, 1996].
Das Verhalten von Asphalt im tiefen und mittleren Temperaturbereich wird im Rah-men der Arbeit anhand einer Vielzahl von statischen und dynamischen Laborprüfungen studiert. Dabei werden unterschiedliche Größenskalen des Baustoffs Asphalt ange-sprochen, von mikroskopischen Bindemittel- und Fülleruntersuchungen bis zu makroskopischen zyklisch dynamischen Prüfungen an Asphaltprobekörpern. Das Ver-suchsprogramm beinhaltet Bindemittel-, Mastix- und Asphaltprüfungen an Materialien bzw. Mischungen unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung, wobei vorzugs-weise Baustoffe untersucht werden, die für die Herstellung von Asphaltstraßen in Ös-terreich verstärkt zum Einsatz kommen.
Die Versuchsergebnisse verdeutlichen insbesondere folgende Zusammenhänge: Die Bindemittel- und Mastixuntersuchungen mit dem Bending Beam Rheometer und aus dem Direct Tension Test zeigen, dass die Kriechsteifigkeit und das Kriechnachgiebig-keit signifikant vom Bindemitteltyp abhängen. Weiters zeigt sich, dass die Füllermenge zwar die Kriechsteifigkeit nicht aber die Kriechnachgiebigkeit beeinflusst. Eine zuneh-mende Füllermenge bewirkt weiters ein Ansteigen der Zugfestigkeit und einen Wandel vom duktilen Bruch zum Sprödbruch.
Die statischen Abkühl- und Zugfestigkeitsprüfungen am Splittmastixasphalt ergeben, dass die wichtigsten Einflussparameter auf das Tieftemperaturverhalten der Bindemit-teltyp, der Hohlraumgehalt und das Bitumen-Füller Verhältnis sind und dass die Bin-demittelmenge eine eher untergeordnete Rolle spielt.
Die Ergebnisse aus diesen statischen Experimenten an Asphaltprobekörpern liefern die Versuchsbedingungen für einen erstmals in Österreich eingeführten zyklisch dynami-schen Tieftemperaturermüdungsversuch (Zugschwellversuch), mit dessen Hilfe gleich-zeitig die thermischen und die mechanogenen Beanspruchungen bei tiefen Temperatu-ren realitätsnahe simuliert werden können [siehe Spiegl et al., 2005b, Wistuba et al., 2006b, Wistuba und Spiegl, 2007]. Alternativ zur experimentellen Festlegung der Versuchsparameter für den Zugschwellversuch wird ein numerisches Modell eines fle-xiblen Straßenaufbaus entwickelt. Dieses Modell berücksichtigt möglichst realitätsnah die geometrischen Randbedingungen und die Schichteigenschaften der ungebundenen Schichten und des Untergrunds und integriert ein Modell zur Berücksichtigung des Temperaturübergangs und der Temperaturverteilung im Straßenkörper. Darüber hin-aus werden das Kriechverhalten der eingesetzten Asphaltmischgüter, die temperatur-abhängigen Steifigkeitseigenschaften der Schichten und die Wärmeausdehnungskoeffi-zienten der Materialien simuliert. Die Temperaturabhängigkeit der Eingangsparameter wird durch ein rheologisches Modell (Power Law Model) abgebildet [Lackner et al., 2005, Aigner et al, 2007b, Wistuba und Spiegl, 2007].
Der wesentlichste Vorteil des neu eingeführten Zugschwellversuchs ist die realitätsna-he Superposition von (Verkehrs-)Last und Temperatur. Allerdings erfordert die Inter-pretation der Versuchsergebnisse (insbesondere wenn während des Versuchs auch Lastpausen berücksichtigt werden) eine zur bisher in Österreich geübten Praxis der Versuchsauswertung veränderte Vorgangsweise. Die im Rahmen dieser Arbeit durch-geführten Versuchsauswertungen zeigten, dass es nicht ausreicht, für eine verglei-chende Materialuntersuchung allein die Anzahl der maximal ertragbaren Lastwechsel zu beurteilen, weil die Versuchsergebnisse maßgeblich vom verwendeten Bitumen und dem dynamischen Steifigkeitsmodul im Tieftemperaturbereich beeinflusst werden. Für die dynamische Steifigkeit und die Materialreaktion sind vor allem der viskose Anteil und der Phasenverschiebungswinkel von signifikanter Bedeutung. Dies zeigt sich vor al-lem für vergleichende Prüfungen an konventionellem und polymermodifiziertem As-phaltmischgut. Aufgrund des höheren Verlustmoduls ist beim modifizierten Asphalt die Dehnungsamplitude bei gleicher Belastung größer als beim nicht modifizierten. Es liegt daher nahe, eine energetische Betrachtungsweise zur Versuchsauswertung einzufüh-ren. Es wird die Gesamtenergie ausgewertet, die sozusagen während des Dauerver-suchs insgesamt in das geprüfte Material "gesteckt" wurde (vergleiche beispielsweise von Van Dijk et al. [1972, 1975 und 1977]). Ein größerer Energieoutput bedeutet ein besseres Ermüdungsverhalten. In der Arbeit wird daher erstmals für zyklisch dynami-sche Prüfungen die Rissanfälligkeit eines Mischguts über die Ermüdungsdehnung (An-fangsdehnung 100) und die Ermüdungsenergie (dissipierte Energie Wabg, Br) beurteilt. Wegen der Darstellung der Versuchsergebnisse in Form einer Energiebilanz, ist es nun möglich das Ermüdungsverhalten und die Rissbeständigkeit unabhängig von Tem-peratur und Belastungsgeschichte während des Versuchs zu beurteilen.

Low-temperature behavior of bituminous materials- assessment of performance behavior by means of laboratory testing and numerical simulation
Steady growth of volume of heave vehicle traffic provokes increase in loading and dam-age of the Austrian road network. Current traffic studies forecast an average growth of todays heavy goods vehicle transport on Austrian primary roads of more than 50 % until the year 2015 [Amt der Tiroler Landesregierung, 2004, Herry et al., 2006]. With respect to the important increase in heavy vehicle traffic and to the weathering conditions of Austria´s extreme climate, in the near future, advanced pavement engi-neering methods will focus on the three major mechanisms of pavement distress on high level Austrian roads, i.e. fatigue cracks, low-temperature cracks and rutting. .
This study treats the low-temperature behavior of flexible road constructions made of hot mix asphalt. A new procedure is developed, which allows to consider the relevant damage mechanisms needed for evaluation of the resistance of asphalt mixtures to low-temperature cracking. This methodology covers both experimental methods at as-phalt mixtures and the numeric modelling of flexible road constructions.
At the rather beginning, the study focuses on crack mechanisms in asphalt surface layers at low-temperatures. Critical temperature conditions are referred to a cooling process starting from temperatures around the freezing point or below. As thermal shrinkage relaxation is prevented tensile stresses (cryogenic stress) are induced into the asphalt layer, which can potentially exceed the local tensile strength and may initi-ate cracking.
However, at the same time the pavement is exposed to heavy traffic loading. Due to the increasing stiffness of the bound layers at decreasing temperature, these layers suffer from the increased stresses induced by traffic. Moreover, in superposition with thermal stresses, a critical tensile stress state is reached more easily, which will also increase the danger of cracking. It should be noted, that the maximum of the critical tensile stress does not occur in the wheel track but in a distance of 30 cm to 90 cm from the location of loading [see also Arand et al., 1995 and Lorenzl, 1996].
The behavior of asphalt mixtures in the low and intermediate temperature regime is studied in the context of this work on the basis of various static and dynamic labora-tory tests. Thereby, different observation scales for the asphalt material are ad-dressed, from microscopic asphalt binder and filler analysis to macroscopic cyclic dy-namic testing on asphalt mix specimens. The test program comprises various asphalt binders, mastic and asphalt mixtures considering materials and mixtures of different origin and composition. Main emphasis is put on materials that are preferably used for the production of asphalt roads in Austria.
As a result of the test program, the following most important conclusions can be drawn: The asphalt binder tests and mastic tests with the Bending Beam Rheometer and by use of the Direct Tension Test show that the creep stiffness and the creep compliance are depending significantly on the type of bitumen. Furthermore, it shows that the filler quantity affects the creep stiffness, but not the creep compliance. An in-creasing filler quantity causes a higher tensile strength and a change from ductile to brittle failure.
The results of the static tests on asphalt mix specimens of stone mastic asphalt, i.e. TSRST and UTST indicate that the most important parameters influencing low tem-perature performance are the type of asphalt binder, air void content and bitumen-filler ratio, thereby the bitumen quantity plays a minor role.
The results of these static experiments on asphalt specimens provide the test condi-tions for a low-temperature fatigue test (Cyclic Tensile Stress Test), which is per-formed in Austria for the first time. It allows to simulate realistically thermal and traf-fic related loading conditions at low-temperatures at the same time [see Spiegl et al., 2005b, Wistuba et al., 2006b, Wistuba and Spiegl, 2007]. Alternatively to the ex-perimental determination of the test conditions for the Cyclic Tensile Stress Test, a numeric model of a flexible pavement structure is developed. This model considers as close to reality as possible the geometrical boundary conditions and the layer charac-teristics of the unbound layers and the sub grade and integrates a model for the con-sideration of the temperature transition and the temperature distribution in the pave-ment. Moreover, the creep behavior of the assigned asphalt mixtures, the tempera-ture-dependent stiffness characteristics of the layers and the thermal dilatation coeffi-cient of the materials are important inputs. The temperature dependency of the input parameters is considered in the rheological model (Power Law Model) [Lackner et al., 2005, Aigner et al., 2007b, Wistuba and Spiegl, 2007].
An important advantage of the new introduced Cyclic Tensile Stress Test is the most realistic superposition of traffic load and temperature. However the interpretation of the test results (in particular if load pauses are considered during testing) requires a procedure of data interpretation that is different to the one practiced in Austria so far. The study showed that for a comparative material investigation it is not sufficient to determine only the number of yieldable load cycles, as the test results are consid-erably affected by the used bitumen and the dynamic stiffness modulus within the low-temperature range. Stiffness is significantly determined by two parameters, i.e. the viscose part of the stiffness modulus and the phase angle. This can be seen particu-larly for comparative testing of conventional and polymer modified asphalt mixtures. Due to the higher loss modulus the strain amplitude at a specific loading rate is larger for the modified mixture than for the conventional one. For this reason it is most ap-propriate to introduce an energetic type of approach for interpretation of test results. Total energy is determined, which was so to say "induced" into the specimen during the test (e.g., cp. Van Dijk et al. [1972, 1975 and 1977]). The higher the energy out-put, the better is the fatigue behavior. Thus, it is recommended within the frame of this study to assess in cyclic dynamic tests the susceptibility of an asphalt mixture to low-temperature cracking by use of the fatigue strain (initial strain amplitude 100) and the fatigue energy (dissipated energy Wabg, Br). Because test results are represented by test parameters that are based on an energy balance approach, it is now possible to assess the fatigue behavior and the crack resistance independently from the temperature conditions and the load history applied during the test.

Tieftemperaturverhlaten, numerische Simulation, Gebrauchsverhalten,