S 131: Einfluss viskositätsverändernder Zusätze auf den Zeitpunkt der Verkehrsfreigabe
M. Radenberg, M. Gehrke
95 S. (13,2 MB), 132 Abb., 59 Tab., ISBN 978-3-95606-447-0, 2019
Der Zeitraum zwischen Herstellung und Verkehrsfreigabe einer Asphaltdeckschicht beträgt nach ZTV Asphalt-StB 07 wenigstens 24 Stunden. Durch den stetig wachsenden Zeitdruck wird diese Zeitspanne – oftmals als Sonderbauweise beispielsweise unter Verwendung viskositätsverändernder Zusätze – immer häufiger unterschritten. Die so verkürzten Zeitspannen sind jedoch weitestgehend willkürlich. Daher wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes drei Verfahren zur Bestimmung des frühestmöglichen Zeitpunktes der Verkehrsfreigabe nach dem Asphalteinbau erprobt: der PVE-Tester, das modifizierte leichte Fallgewichtsgerät (mod. LFGG) und der Impulshammer.
Mit dem PVE-Tester wird die Asphaltoberflächen statisch be- und im Anschluss entlastet. Die irreversible Eindringtiefe am Ende der Entlastungsphase ist ebenso wie die irreversible Eindringtiefe, die nach fünf Belastungsstößen mit dem mod. LFGG als bleibende Deformation verbleibt, ein relativ präzises Maß für die Verformungsbeständigkeit des Asphalts. Mit beiden Geräten werden die Asphalte sehr ähnlich bewertet. Die mittels Impulshammer in situ gemessene mechanische Impedanz wies dagegen eine nicht ausreichende Präzision auf und ist mit der hier verwendeten Prüfanordnung für den vorgesehenen Zweck nicht geeignet.
Auswirkungen unterschiedlicher Asphaltkomponenten wie abweichende Kornzusammensetzungen oder der Einfluss viskositätsverändernder Bindemittelzusätze sind aufgrund der Präzisionen der Messgeräte nur als Tendenz aber nicht quantitativ festzustellen.
Mit dem PVE-Tester und dem mod. LFGG konnten erste Anhaltswerte für eine frühestmögliche Ver-kehrsfreigabe in situ bestimmt werden. Nach einer weitergehenden Konkretisierung und Absicherung dieser Anhaltswerte wäre nach den Erfahrungen aus diesem FE-Projekt zukünftig bei zahlreichen Baumaßnahmen eine Verkehrsfreigabe nach weniger als 24 Stunden möglich.
Aktualisiert: 2023-01-16
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S 130: Entwicklung einer Prüfsystematik für Porous Mastic Asphalt (PMA)
M. Radenberg, S. Holzwarth
66 S. (10,7 MB), 39 Abb., 70 Tab., ISBN 978-3-95606-443-2, 2019
Durch die 2005 im deutschen Bundes-Immissionsschutzgesetz [BImSchG] verpflichtend umgesetzte EU-Umgebungslärmrichtlinie kommt lärmmindernden Bauweisen eine zunehmende Bedeutung zu. Der PMA hat solche lärmmindernden Eigenschaften, die über die Beschaffenheit der Oberflächentextur entstehen. [BECKENBAUER, 2008]
Er gilt als selbstverdichtend und lässt durch seine überwiegend dichte Struktur neben seinen lärmtech-nischen Vorzügen auch eine längere Nutzungsdauer erwarten.
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die nachhaltige und wirtschaftliche Optimierung der Bauweise PMA anhand der prozesssicheren Ansprache seiner besonderen Materialeigenschaften.
Dieses Gesamtziel sollte durch die Entwicklung und/oder Anpassung einer Prüfsystematik erreicht werden, mit der eine zielsichere Mischgutoptimierung erzeugt wird.
Die temperaturabhängige Mörtelsteifigkeit wurde hierbei besonders betrachtet, um den Effekt der Mör-telsedimentation und somit die selbstverdichtende Wirkung beim Einbau hinreichend prozesssicher zu erreichen.
Durch gezielte Untersuchung der Mörtelkomponente konnte eine Kenngröße der Mörtelsteifigkeit ana-lysiert werden, welche Auskunft über die zu erwartende Sedimentation und die damit verbundene selbstverdichtende Wirkung gibt. Kenngröße hierfür ist die Ausflussmenge nach 20 Sekunden, die im Ausflussviskosimeter bei einer Prüftemperatur von 160 °C und 180 °C zu ermitteln ist.
Als bewertungsrelevante Probekörper erwiesen sich Bohrkerne aus Asphaltprobeplatten. Hierzu wurde ein Herstellungsablauf entwickelt, welcher es ermöglicht eine homogene Ausprägung der zwei Phasen des PMA über die gesamte Fläche des Probekörpers zu gewährleisten.
Als maßgebendes Prüfverfahren zur Beurteilung des Verformungswiderstandes wurde die dynamische Stempeleindringtiefe an Bohrkernen unter seitlicher Einspannung in einen Edelstahl-Zylinder und Prüfung auf der hohlraumreichen Seite herausgearbeitet
Aktualisiert: 2023-01-16
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Anforderungen an Bitumen werden in den TL Bitumen-StB 07 primär an relativ einfache, physikalische Kennwerte gestellt. Trotz der entscheidenden Einflüsse der chemischen Zusammensetzung auf das Bitumen, werden praktisch keine Anforderungen an die chemische Zusammensetzung gestellt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die Komplexität und die Vielfalt in der chemischen Zusammensetzung von Bitumen. Auf internationaler Ebene wurden in den letzten Jahren und Jahrzehnten große Anstrengungen unternommen, den chemischen bzw. kolloidalen Aufbau des Bitumens und dessen Einfluss auf die straßenbautechnischen Eigenschaften zu erfassen.
Aufgrund der Vielfalt unterschiedlichster Kohlenwasserstoffverbindungen, die zu einem Großteil mit Heteroatomen wie Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff oder Metallen ergänzt werden, ist eine exakte Ele-mentaranalyse sehr aufwändig und wenig aussagekräftig. Daher hat sich die chemisch-physikalische Beschreibung des Bitumens als Kolloidsystem als grundsätzlich anerkannt erwiesen. Eine Aufteilung in eine feste Phase, die Asphaltene, und eine fließfähige Phase, die Maltene, ist hierbei unstrittig. Jedoch gibt es deutlich voneinander abweichende Ansichten zum Aufbau, zum Verhalten und zu den Eigenschaften der Asphaltene und Harze. Diese Fragestellung kann möglicherweise durch eine verbesserte Analyse der Bitumenstruktur beispielsweise mittels Rasterkraftmikroskop (AFM) oder Röntgen / Neutron – Kleinwinkelstreuung (SAXS, SANS) gelöst werden.
Der Asphaltengehalt übt die offensichtlich deutlichsten Einflüsse auf die straßenbautechnischen Eigen-schaften aus. So nimmt der Verformungswiderstand mit zunehmendem Asphaltengehalt deutlich zu. Darüber hinaus beeinflussen die Heteroatome die Bitumeneigenschaften. Sowohl das Adhäsionsverhalten (durch den Einfluss auf die Polarität) als auch die Viskosität wird durch die Heteroatome beeinflusst. Da der genaue Einfluss der Heteroatome noch nicht geklärt ist, bietet neben der Rolle der Asphaltene und Harze auch der Einfluss der Heteroatome auf die straßenbautechnischen Eigenschaften weitere Forschungsansätze.
Aktualisiert: 2023-01-16
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BASt S 116: Weiterführende Untersuchungen zur Beurteilung des Adhäsionsverhaltens zwischen Bitumen und Gestein
M. Radenberg, N. Nytus, S. Boetcher, R. Diedel, M. Miehling
55 S. (4,5 MB), 68 Abb., 37 Tab., ISBN 978-3-95606-356-5, 2017
Die Dauerhaftigkeit der Straßen hängt maßgeblich vom Haftverhalten zwischen dem Bitumen und der Gesteinskörnung ab. Seit Jahrzehnten wird das Haftverhalten unterschiedlicher Gesteine und
Bitumen mit diversen Prüfverfahren untersucht.
Eine Quantifizierung der Einflussfaktoren konnte bisher nicht erreicht werden, jedoch hat das Gestein nach den Ergebnissen des AiF-Forschungsprojektes IGF 16639N einen größeren Einfluss auf
die Adhäsion als das Bitumen [RADENBERG et al., 2014].
Im Rahmen dieses Projektes soll die Komponente Gestein genauer untersucht werden und der Einfluss der verschiedenen Gesteinseigenschaften auf die Adhäsion quantifiziert werden. Ein Fokus
der Forschungsaufgabe ist dabei, zu untersuchen, ob der Parameter Zeta-Potential dazu dienen
kann, die Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gesteinsaggregaten zu beschreiben. Aus der
Literatur geht hervor, dass niedrige Potenzialdifferenzen zwischen Bitumen und Gestein auf eine gering wirksame adhäsive Bindung/elektrostatische Wechselwirkung hindeuten und z.B. bei gleichsinniger Ladung sogar zur gegenseitigen Abstoßung von Gesteinsoberfläche und
Bitumenmolekülen führen.
Die Untersuchungen von [LABIB, 1992] zeigen, dass Bitumenemulsionen negative Zeta-Potentiale aufweisen. Bei den Rolling-Bottle-Versuchen konnte ein signifikanter Einfluss der Gesteinseigenschaften insbesondere des Zeta-Potentials und des Ca-Anteils der löslichen Salze auf den Umhüllungsgrad festgestellt werden.
Der Schüttelabriebversuch hat sich mit den hier gewählten Randbedingungen als ungeeignet für die Quantifizierung möglicher Einflussfaktoren erwiesen. Ebenso konnten mit der Tropfenkonturanalyse weder Einflüsse aus den Gesteinseigenschaften noch aus den Bitumeneigenschaften als maßgeblich quantifiziert werden. Dennoch kann grundsätzlich eine Aussage über das Haftverhalten zwischen Bindemittel und Gestein getroffen werden. Weiterhin kann die Wirkung von Wasser auf das Haftverhalten messtechnisch erfasst werden.
Die Versuche zur Haftgrenztemperatur zeigen, dass der pH-Wert des Wassers einen Einfluss auf die Haftgrenztemperatur (HGT) ausübt. Mit abnehmenden pH-Wert sinkt bei dem Diabas und der Grauwacke das Zeta-Potential (Betrag). Je höher das Zeta-Potential (Betrag) ist, desto geringer ist die Haftgrenztemperatur.
Aktualisiert: 2023-01-16
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BASt S 125: Potenzial innovativer Messsysteme für den Erdbau – Literaturstudie
M. Radenberg, R .Manke, H. Steeb, R. Jänicke
40 S. (10 MB), 26 Abb., 4 Tab., ISBN 978-3-95606-400-5, 2018
Die Qualität und Gleichmäßigkeit der ungebundenen Schichten beeinflusst die Dauerhaftigkeit des ge-samten Oberbaus einer Straße deutlich. Eine mangelnde Tragfähigkeit dieser Schichten und die daraus entstehenden Verformungen aufgrund von zyklischer Beanspruchung führen allmählich zu Schäden an der Straßenoberfläche. Die Tragfähigkeit ungebundener Schichten wird bisher ausschließlich punktuell durch statische oder dynamische Plattendruckversuche ermittelt und kann somit nicht als maßgebend für die gesamte untersuchte Schicht angenommen werden.
Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, Ideen für ein innovatives Messsystem zur möglichst flächen-deckenden und zerstörungsfreien Erfassung der Gebrauchseigenschaften ungebundener Schichten im Straßenbau zu erarbeiten, um damit eine nachhaltige Steigerung der Nutzungsdauer einer Straßenbefes-tigung zu erreichen.
Eine interdisziplinäre Literaturreche, die Auswertung und die theoretische Übertragung auf den unge-bundenen Straßenbau führten zu zwei technisch sinnvollen Messmethoden, mit denen genaue Angaben über die tatsächliche Struktur und die relevanten Materialeigenschaften für die ungebundene Schicht erlangt und somit die ganzheitliche Qualität der ungebundenen Schicht beschrieben werden können.
Beide Prüfmethoden, „Harmonische Deflektometrie“ und „Reflexionsmessung“, sind vergleichsweise einfach durchzuführende dynamische Messverfahren, bei denen die Messungen an sich jedoch stationär aber zerstörungsfrei stattfinden. Durch wiederholte Messungen in definierten Abständen können die Gebrauchseigenschaften ansatzweise flächendeckend abgeleitet werden.
Um eine annährend flächendeckende Aussage zu bekommen, ließen sich beide Messmethoden theoretisch mit Georardarmessungen verknüpfen. Nach bisherigen Erfahrungen können moderne Georadarsysteme zur Überprüfung der Schichtdicken und bedingt zur Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der zu prüfenden Schicht (Dichte) angewendet werden.
Aktualisiert: 2023-01-16
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S 86: Einfluss des Asphaltgranulates auf die bemessungs- und ermüdungsrelevanten Materialeigenschaften einer zwangsgemischten, kaltgebundenen und bitumendominanten Tragschicht
M. Radenberg, M. Miljković, V. Schäfer
89 S., ISBN 978-3-95606-191-2, 2015
Dieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann unter http://bast.opus.hbz-nrw.de/ heruntergeladen werden.
Im derzeitigen Regelwerk der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen können mit Bitumenemulsion gebundene Tragschichten nur unzureichend auf Basis empirischer Erfahrungswerte bei der Dimensionierung eines Oberbaus berücksichtigt werden. Hierzu fehlen Erfahrungen über die Hohe der dimensionierungsrelevanten Materialkenndaten und deren beeinflussende Parameter.
Die Auswertung der begleitenden Untersuchungen einer großflächigen Baumaßnahme mit einer bitumendominanten Tragschicht in Kaltbauweise (BAB 30) belegt eine zwar gleichmäßige, aber wenig
tragfähige Materialqualität.
Mit dem Ziel der Optimierung der dimensionierungsrelevanten Kennwerte einer bitumendominanten
Tragschicht in Kaltbauweise wurden zunächst Art und Gehalt der Bitumenemulsion und des
Asphaltgranulates variiert. Zur Festlegung der Gemischzusammensetzungen wurden die volumetrischen
Kenndaten sowie die zeitliche Entwicklung der Steifigkeiten im Spaltzugversuch ermittelt.
Die ermittelten Steifigkeiten zeigen, dass statische Spaltzugfestigkeiten von 1,1 bis über 1,5 MPa nach
28 Tagen Probenlagerung erreicht werden können. Die zum Vergleich herangezogene statistische Auswertung
von baubegleitenden Untersuchungen der BAB 30 belegt einen deutlichen Unterschied. Hier lagen die mittleren Spaltzugfestigkeiten nach 28 Tagen nur bei 0,5 bis 0,7 MPa. Die Bruchdehnungen der in diesem Forschungsprojekt untersuchten Gemische von uber 2,5 ‰ dokumentieren zudem einen eindeutigen emulsions-dominaten Mischgutcharakter.
Auch die statischen E-Moduln sind mit bis zu 5.000 MPa als hoch für eine Bitumenemulsion gebundene Asphalttragschicht einzustufen. Mit den ausgewählten Gemischen wurden anschließend Probeplatten mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerat hergestellt. Hierzu wurden die Verdichtungsbedingungen leicht modifiziert. An den aus den Probeplatten herausgebohrten Bohrkernen wurden mittels dynamischem Spaltzug-Schwellversuch die Steifigkeiten bei Prüftemperaturen von -10 bis 20 °C, sowie bei den Prüffrequenzen von 0, 1, 1, 5 und 10 Hz bestimmt. Darüber hinaus wurde, ebenfalls im Spaltzug-Schwellversuch, das Ermüdungsverhalten bei 20 °C ermittelt.
Die Ergebnisse der dynamischen Spaltzug-Schwellversuche zeigen, dass die Steifigkeiten der mit Bitumenemulsion gebundenen Asphalttragschichten nicht das Niveau einer Heißasphalttragschicht erreichen. Fast uber den gesamten Temperatur- und Frequenzbereich sind deutlich niedrigere Steifigkeiten ermittelt worden. Tendenziell erreichen die Gemischvarianten mit dem weicheren Asphaltgranulat zumindest bei niedrigeren Prüftemperaturen und/oder niedrigeren Prüffrequenzen höhere Steifigkeiten im Vergleich zu den Gemischen mit dem härteren Bindemittel im Asphaltgranulat.
Die aus den Laborversuchen abgeleiteten Ermüdungskurven zeigen im Vergleich zum Referenzasphalt eine ähnliche Situation. Auch hier ist ein signifikant schlechteres Verhalten im Vergleich zum Niveau einer Heißasphalttragschicht erkennbar. Ebenso zeigt die Mehrzahl der Gemischvarianten mit dem weicheren Bindemittel im Asphaltgranulat im Vergleich zu den Varianten mit dem härteren Asphaltgranulat ein etwas besseres Ermüdungsverhalten.
Die Dimensionierungsberechnungen haben ergeben, dass die Einbindung einer Kaltasphalttragschicht in den hohen Belastungsklassen nur sehr bedingt möglich ist. Hier lassen sich lediglich unter Berücksichtigung einer konventionellen Asphalttragschicht als unterste Asphaltschicht brauchbare Lösungen errechnen. Bei Belastungsklassen Bk3,2 und niedriger konnten wirtschaftlich und bautechnisch sehr sinnvolle Lösungen dargestellt werden.
Hier bietet sich offensichtlich ein sehr interessantes Anwendungsgebiet für Kaltasphalttragschichten an. Allerdings haben nur wenige der untersuchten Gemischvarianten zu einer wirtschaftlichen Oberbaudicke
geführt. Die Varianten mit dem weicheren Asphaltgranulat (AG1), und hier besonders die Varianten mit hohem Asphaltgranulatanteil lieferten die wirtschaftlichsten Oberbaukonzepte.
Zukünftige Forschungsprojekte mit Kaltasphaltbauweisen sollten die mechanische Wirksamkeit des Emulsionswassers in zeitlicher Betrachtung berücksichtigen. Hierzu konnte gezeigt werden, dass auch weit über 28 Tage hinaus noch eine deutliche positive Veränderung der mechanischen Eigenschaften an mit Bitumenemulsion gebundener Asphalttragschichten zu erwarten ist.
Aktualisiert: 2023-01-16
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BASt 1091
Bestimmung des Alterungsverhaltens von Asphaltgemischen als Grundlage für die Dimensio-nierung und Prognose der Lebensdauer/ Schadensentstehung
F. Wellner, D. Ascher, M. Radenberg, R. çetinkaya
152 S., 158 z.T. farb. Abb., 109 Tab., ISBN 978-3-95606-015-1, 2013, EUR 21,00
Asphalte unterliegen beim Herstellungsprozess, beim Transport, beim Einbau und während der Nut-zungszeit einem irreversiblen Alterungsprozess. Insbesondere die Auswirkungen der Asphaltalterung auf das mechanische Verhalten von Asphaltstraßenbefestigungen kann nur unzureichend abgeschätzt werden.
Der wesentlichste Aspekt zur Erreichung des angestrebten Forschungsziels ist eine abgesicherte Aufstellung von Randbedingungen zur simulierten Alterung des Asphaltes im Labor. Dazu wurde an der Technischen Universität Dresden der WARMBOLDSCHE Alterungstisch verwendet, während an der Ruhr-Universität Bochum ein neues Alterungsverfahren entwickelt wurde.
Im ersten Schritt erfolgte die Entnahme von Bohrkernen aus insgesamt 7 Versuchsstrecken mit einer Liegezeit von 9 bis 35 Jahren. An der der Technischen Universität Dresden und der Ruhr-Universität Bochum wurden mit zwei verschiedenen Laboralterungsmethoden 7 Asphalttragschichtgemische künstlich gealtert.
An den Asphaltproben wurden Spaltzug-Schwell¬versuche zur Bestimmung der Ermüdungsfunktion und der Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktion durchgeführt. An den Bindemitteln wurden physikalische, rheologische und chemische Untersuchungen zur Beurteilung des Alterungszustandes durchgeführt.
Die Ergebnisse der Dimensionierungen und Prognosen mit dem Programm PaDesTo zeigen bei den Asphaltbefestigungen einen sehr deutlichen Einfluss der künstlichen Alterung der Asphalttragschicht-gemische auf die prognostizierte Nutzungsdauer. Während beim Bochumer Alterungsverfahren die erhöhten Steifigkeitsmoduln und die günstigeren Ermüdungsfunktionen längere prognostizierte Nut-zungsdauern zur Folge haben, ist bei der Alterung mit dem WARMBOLDschen Alterungstisch, dieser Effekt nicht so deutlich ausgeprägt. Die Dimensionierungsergebnisse zeigen klar, dass die Alterung einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss hat.
Aktualisiert: 2023-01-16
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Aktualisiert: 2022-03-22
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