Air Voids (Va) sind die kleinen Lufteinschlüsse zwischen den Gesteinskörnungen in verdichtetem Heißasphalt, ausgedrückt als Prozentsatz des gesamten Mischungsvolumens. Der Soll-Luftporengehalt (in der Regel 4 %) ist entscheidend für die Dauerhaftigkeit der Fahrbahn — zu niedrige Werte führen zu Spurrinnenbildung und Bluten, zu hohe Werte zu Absanden und Oxidation. Behandelt Spezifikation, Messung, Schicht- vs. Soll-Luftporen sowie deren Zusammenhang mit Fahrbahnschäden.
Air voids (Va) — auch als voids in the total mix (VTM) , prozentuale Luftporen oder einfach void content bezeichnet — sind die kleinen Lufttaschen, die zwischen den umhüllten Gesteinskörnungen in einer verdichteten hot-mix asphalt (HMA)-Einbaumischung vorhanden sind. Sie werden als Prozentsatz des gesamten Raumvolumens der verdichteten Mischung angegeben und stellen einen der drei volumetrischen Grundbestandteile von Asphaltbeton dar: Gesteinskörnung, Bindemittel und Luft. Die technische Standarddefinition gemäß AASHTO und ASTM lautet: “Das gesamte Volumen der kleinen Lufttaschen zwischen den umhüllten Gesteinskörnungen in einer verdichteten Einbaumischung, ausgedrückt als Prozentsatz des Raumvolumens der verdichteten Einbaumischung.”
Luftporen sind kein zufälliges Nebenprodukt der Verdichtung — sie sind ein bewusst gestalteter volumetrischer Parameter, der das Gleichgewicht zwischen zwei konkurrierenden Leistungsanforderungen steuert: Standfestigkeit (Widerstand gegen bleibende Verformung) und Dauerhaftigkeit (Widerstand gegen Alterung, Feuchteschäden und Rissbildung). Die volumetrische Analyse von HMA behandelt die Mischung als dreiphasiges Material. Das Gesamtvolumen eines verdichteten Probekörpers (Vt) ist die Summe aus dem Luftvolumen (Va), dem Bindemittelvolumen (Vb) und dem Gesteinsvolumen (Vagg). Der Luftporengehalt ist der einzige volumetrische Parameter, der unabhängig gesteuert werden kann — durch Verdichtungsarbeit während des Einbaus und durch Nachverdichtung unter Verkehrslast.
Die Bedeutung der Luftporen liegt in ihrem Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit der Fahrbahndecke über die gesamte Nutzungsdauer. In einer neu gebauten HMA-Fahrbahndecke liegen die Luftporen direkt nach der Verdichtung typischerweise zwischen 6 % und 8 %. In den ersten 2 bis 5 Nutzungsjahren verdichtet die Verkehrsbelastung die Fahrbahndecke weiter und reduziert die Luftporen auf das Zielniveau von 4 %. Dieser anfänglich höhere Porengehalt ist beabsichtigt — er schafft eine Verdichtungszugabe für die weitere Nachverdichtung unter Verkehr, ohne dass die Fahrbahndecke instabil wird. Sobald sich die Luftporen zwischen 3 % und 5 % stabilisieren, erreicht die Fahrbahndecke ihr optimales Gleichgewicht aus Standfestigkeit und Dauerhaftigkeit. Fallen die Luftporen unter 3 %, wird die Mischung überverdichtet und neigt zur Instabilität. Steigen die Luftporen über 8 %, wird die Fahrbahndecke übermäßig durchlässig und anfällig für Umweltschäden.
Roberts et al. (1996) stellen im Referenztext Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design, and Construction der National Asphalt Pavement Association fest: “Luftporen sind der wichtigste Parameter, der die Leistungsfähigkeit von HMA-Fahrbahndecken beeinflusst. Der Luftporengehalt in einer Mischung ist äußerst wichtig und steht in engem Zusammenhang mit Standfestigkeit und Dauerhaftigkeit.” Das MS-2-Handbuch des Asphalt Institute (Mix Design Methods for Asphalt Concrete) widmet ein ganzes Kapitel der Berechnung und Interpretation von Luftporen sowie deren Beziehung zu VMA und VFA.
Die volumetrische Gleichung zur Bestimmung der Luftporen lautet:
Va = 100 × (Gmm − Gmb) / Gmm
Dabei gilt:
Diese Gleichung drückt die Luftporen als prozentuale Differenz zwischen der Dichte der hohlraumfreien Mischung (Gmm) und der tatsächlichen Dichte der verdichteten Mischung (Gmb) aus. Ein Gmm von 2,500 und ein Gmb von 2,400 ergeben Luftporen von 4,0 %, berechnet als 100 × (2,500 − 2,400) / 2,500 = 4,0 %. Die Genauigkeit der Luftporenbestimmung hängt unmittelbar von der Präzision beider Specific-Gravity-Messungen ab. Ein Fehler von 0,01 bei Gmm führt zu einer Veränderung der berechneten Luftporen um etwa 0,4 %. Diese Empfindlichkeit stellt strenge Anforderungen an die Laborprüfverfahren, einschließlich Temperaturkontrolle (25 °C ± 0,5 °C), Entlüftung des Rice-Prüfkörpers und ordnungsgemäßer Trocknung der Bulk-Specific-Gravity-Prüfkörper.
Der design air void content ist der angestrebte Luftporengehalt, der während der laborgestützten Mischungsoptimierung festgelegt wird und bei dem die Mischung über ihre Nutzungsdauer hinweg eine optimale Leistung erbringen soll. Für die überwiegende Mehrheit der dichtgestuften HMA-Mischungen weltweit beträgt der design air void content 4,0 %. Dieser Wert ist nicht willkürlich gewählt — er stellt den Konsens jahrzehntelanger Forschung dar, die Luftporen aus dem Labor mit der Leistungsfähigkeit in der Praxis korreliert.
Die Superpave-Mischgutherstellungsmethode, die im Rahmen des Strategic Highway Research Program (SHRP) entwickelt und von AASHTO standardisiert wurde, schreibt einen design air void content von exakt 4,0 % bei der festgelegten Anzahl von Gyrationen (Ndesign) vor. Superpave gibt keinen Bereich vor — das Ziel ist ein einzelner Wert von 4,0 %. Der Verdichtungsaufwand bei Superpave ist an das zu erwartende 20-Jahres-Verkehrsaufkommen gekoppelt, wobei Ndesign von 50 Gyrationen (geringes Verkehrsaufkommen, <0,3 Millionen ESALs) bis zu 125 Gyrationen (hohes Verkehrsaufkommen, ≥30 Millionen ESALs) reicht. Bei jedem Verkehrsniveau muss die Mischung bei Ndesign 4,0 % Luftporen erreichen.
Der Superpave-Gyratorverdichter definiert drei kritische Gyrationszahlen:
Das Superpave-System verknüpft die design air voids direkt mit den Abstufungskontrollpunkten, den VMA-Anforderungen und dem Staub-Bindemittel-Verhältnis. Für eine Mischung mit einer nominalen maximalen Korngröße (NMAS) von 12,5 mm, ausgelegt für 3 bis 30 Millionen ESALs, beträgt der minimale VMA 14,0 %. Bei 4,0 % Luftporen verbleiben 10,0 % Raumvolumen für das wirksame Bindemittel — der verfügbare Raum für den Bindemittelfilm, der die Gesteinskörnungen umhüllt. Ist der VMA zu niedrig, steht nicht genügend Raum zur Verfügung, um sowohl die 4,0 % Luftporen als auch eine ausreichende Bindemittelfilmdicke unterzubringen, was zu einer trockenen, spröden und wenig dauerhaften Mischung führt.
Die Marshall-Mischgutherstellungsmethode, die noch immer häufig bei Flugplatzbefestigungen und in vielen internationalen Vorschriften verwendet wird, gibt design air voids im Bereich von 3 % bis 5 % vor, wobei 4,0 % das Ziel für die meisten Verkehrsniveaus ist. Die Marshall-Methode verwendet einen Fallhammer-Verdichter (50 oder 75 Schläge pro Seite) und misst neben den volumetrischen Eigenschaften auch Standfestigkeit (Stabilität) und Fließwert. Die FAA schreibt für Flugplatz-HMA-Mischungen nach der Marshall-Methode mit 75 Schlägen einen design air void content von 4,0 % vor, entsprechend dem hohen Verkehrsaufkommen und den schweren Flugzeuglasten auf Flugplatzbefestigungen.
Die Marshall-Methode hat historisch 4 % design air voids als Standard verwendet. Das MS-2-Handbuch des Asphalt Institute stellt das Marshall-Entwurfsverfahren mit 4 % Luftporen als Grundlage für die Auswahl des optimalen Bindemittelgehalts dar. Der optimale Bindemittelgehalt wird ermittelt, indem Luftporen, Standfestigkeit, Fließwert, VMA und Dichte gegen den Asphaltgehalt aufgetragen und der Asphaltgehalt gewählt wird, der bei Erfüllung aller übrigen Kriterien 4 % Luftporen ergibt.
Die Wahl von 4 % design air voids beruht auf der grundlegenden Erkenntnis, dass dieser Gehalt das optimale Gleichgewicht herstellt zwischen:
Das ICAO Aerodrome Design Manual Part 3 (Doc 9157, dritte Ausgabe, 2022) gibt design air voids im Bereich von 3 % bis 5 % für Flugplatzasphaltmischungen vor, mit einem minimalen VMA von 17 % und einem minimalen Asphaltgehalt von 5,5 % für Deckschichten. Dieser Bereich stimmt mit den FAA-Spezifikationen in AC 150/5370-10H für Position P-401 HMA-Fahrbahndecken überein.
| Mix Design Method | Design Air Voids | Verdichtung | Verkehrsanwendung |
|---|---|---|---|
| Superpave (AASHTO M 323) | 4,0 % (exakt) | Gyrator (Ndesign Gyrationen) | Straßen – alle Verkehrsniveaus |
| Marshall (Asphalt Institute MS-2) | 3 %–5 % (Ziel 4 %) | Fallhammer (50/75 Schläge) | Straßen und Flugplätze |
| FAA P-401 (Marshall) | 4,0 % (Bereich 3 %–5 %) | 75-Schlag-Marshall | Flugplatzbefestigungen |
| FAA P-401 (Superpave) | 4,0 % bei Ndesign | Gyrator (Ndesign Gyrationen) | Flugplatzbefestigungen |
| ICAO Doc 9157 | 3 %–5 % | Gemäß Vorgabe des Staates | Flugplatzbefestigungen |
Die genaue Bestimmung von Air Voids ist sowohl für die Überprüfung der Mischungszusammensetzung als auch für die Qualitätskontrolle während der Bauausführung unerlässlich. Der Messprozess umfasst die Bestimmung von zwei grundlegenden spezifischen Gewichten: der theoretical maximum specific gravity (Gmm) der losen Mischung und der bulk specific gravity (Gmb) der verdichteten Mischung. Der Air Void-Gehalt wird dann aus der Differenz zwischen diesen beiden Werten berechnet.
Die theoretical maximum specific gravity (Gmm), auch als Rice specific gravity bezeichnet — nach James Rice, der den Test entwickelte —, repräsentiert die Dichte der Mischung unter Ausschluss aller Air Voids. Sie wird durch Prüfung der losen (unverdichteten) HMA-Mischung gemäß ASTM D2041 oder AASHTO T 209 bestimmt.
Das Verfahren umfasst das Einbringen einer Probe loser HMA (typischerweise 1500 bis 2000 Gramm) in ein Vakuumpyknometer, das Anlegen eines Teilvakuums (Restdruck von 30 mm Hg oder weniger) für 15 Minuten unter Bewegung der Probe, um eingeschlossene Luft zu entfernen, anschließendes Befüllen des Behälters mit Wasser und Bestimmung der Masse. Die Gmm wird berechnet als:
Gmm = Masse der trockenen Mischung / (Masse der trockenen Mischung − Masse der Probe in Wasser)
Der Gmm-Test ist sehr empfindlich gegenüber Verfahrensdetails. Unvollständige Entlüftung führt zu fälschlich niedrigen Gmm-Werten, was wiederum fälschlich niedrige berechnete Air Voids ergibt (da der Nenner in der Air Void-Gleichung kleiner ist). Zu aggressive Vakuumanwendung kann Partikelzerstörung verursachen, die Abstufung verändern und fälschlich hohe Gmm-Werte erzeugen. Der Test erfordert strenge Temperaturkontrolle bei 25°C ± 0,5°C. Mehrere Wiederholungen (typischerweise 2 Tests pro Probe) mit einer Präzision von 0,011 (laborintern, Einzelbediener) sind vorgeschrieben.
Die Genauigkeit von Gmm beeinflusst direkt alle volumetrischen Berechnungen. Ein Fehler von 0,01 in Gmm verändert die berechneten Air Voids um etwa 0,4%. Dies bedeutet, dass eine Mischung mit tatsächlichen Air Voids von 4,0% allein aufgrund von Gmm-Messfehlern irgendwo zwischen 3,6% und 4,4% ausgewiesen werden könnte. Diese Empfindlichkeit unterstreicht die Bedeutung einer rigorosen labortechnischen Qualitätskontrolle für die Gmm-Prüfung.
Die bulk specific gravity (Gmb) von verdichteter HMA wird entweder an labortechnisch verdichteten Probekörpern (für die Mischungsbemessung) oder an Bohrkernen aus dem Feld (für die Qualitätskontrolle) bestimmt. Die Standardprüfverfahren sind ASTM D2726 / AASHTO T 166 für Laborprobekörper und ASTM D3203 / AASHTO T 269 für Feldkerne.
Bei labortechnisch verdichteten Probekörpern (Superpave-Gyratorpillen oder Marshall-Briketts) wird der Probekörper an der Luft gewogen (Trockenmasse), dann für 3 bis 5 Minuten bei 25°C in Wasser getaucht und unter Wasser gewogen (untergetauchte Masse), und schließlich auf eine gesättigte oberflächentrockene (SSD) Bedingung abgetupft und an der Luft gewogen (SSD-Masse). Die Gmb wird berechnet als:
Gmb = Trockenmasse / (SSD-Masse − Untergetauchte Masse)
Bei Feldkernen ist das Verfahren ähnlich, berücksichtigt jedoch die Geometrie des Kerns und die Möglichkeit der Wasseraufnahme in offene Oberflächenhohlräume. Kerne mit hohen Air Voids (>8%) können während der SSD-Messung erhebliche Wassermengen aufnehmen, was eine Vakuumversiegelungsmethode (Paraffinbeschichtung oder CoreLok) erfordert, um das Eindringen von Wasser in den Probekörper zu verhindern.
Die bulk specific gravity von Feldkernen wird beeinflusst durch: die durch Verdichtung erreichte Dichte vor Ort, die Einbaudicke im Verhältnis zur nominal maximum aggregate size (NMAS), die Temperatur der Mischung während der Verdichtung, das Walzmuster und die Walzübergänge sowie das Vorhandensein von Entmischung oder Temperaturunterschieden in der Schicht.
Da die Entnahme von Bohrkernen zeitaufwändig, teuer und zerstörend ist, wird die Felddichte routinemäßig mit tragbaren Dichtemessgeräten gemessen. Das am weitesten verbreitete Instrument ist das nuclear density gauge (NDG) , standardisiert gemäß ASTM D2950 (Standard Test Method for Density of Bituminous Concrete In-Place by Nuclear Methods).
Das nuclear density gauge arbeitet nach zwei Prinzipien. Der direct transmission mode verwendet eine radioaktive Cäsium-137 (Cs-137)-Quelle, die durch ein Loch in der Fahrbahndecke in die darunterliegende Schicht ragt. Die von der Quelle emittierte Gammastrahlung interagiert mit dem Fahrbahnmaterial und wird von Geiger-Müller-Zählrohren im Gerätekörper detektiert. Die Dichte wird aus der Abschwächung der Gammastrahlung zwischen Quelle und Detektoren berechnet — dichtere Materialien schwächen mehr Strahlung ab, was zu einer niedrigeren Zählrate führt. Der backscatter mode hält die Quelle im Gerätekörper und misst Strahlung, die von der Fahrbahnoberfläche zurückgestreut wird. Der backscatter mode ist weniger genau, erfordert jedoch kein Loch in der Fahrbahn.
Alle nuclear density gauges enthalten zudem eine Americium-241/Beryllium (Am-241/Be)-Quelle zur Feuchtemessung mittels Neutronenthermalisierung. Während die Feuchtemessung hauptsächlich für die Bodenverdichtung verwendet wird, kann der Feuchtewert auf HMA auf Restfeuchte in der Mischung oder unter der Fahrbahn eingeschlossene Feuchtigkeit hinweisen.
Die Genauigkeit der Messwerte nuklearer Messgeräte hängt entscheidend von der Kalibrierung mittels Bohrkernen aus derselben Mischung und derselben Fahrbahn ab. Nukleare Messgeräte messen die Gesamtdichte der Fahrbahn, einschließlich Gestein, Bindemittel und Luft. Das Gerät misst nicht direkt Air Voids — es misst vielmehr die Nassdichte, die dann unter Verwendung des gemessenen oder angenommenen Feuchtegehalts in Trockendichte umgerechnet wird, und der prozentuale Air Void-Gehalt wird unter Verwendung der bekannten Gmm der Mischung berechnet:
Va = 100 × (1 − Trockendichte / (Gmm × γw))
Wobei γw das Raumgewicht des Wassers ist (1000 kg/m³ oder 62,4 lb/ft³).
Ein nuclear density gauge, das nicht ordnungsgemäß mit Kerndaten für die zu prüfende spezifische Mischung korreliert wurde, kann Fehler von 1% bis 3% bei der Air Void-Bestimmung erzeugen. Die FHWA und FAA verlangen für jedes Projekt eine Korrelation zwischen Messwerten nuklearer Messgeräte und Bohrkern-Dichten. Die Korrelation umfasst die Entnahme von mindestens 5 bis 10 Kernen an Stellen, an denen Messungen mit dem nuclear density gauge durchgeführt wurden, die Bestimmung der laborinternen Gmb jedes Kerns und die Entwicklung einer linearen Regressionsbeziehung zwischen Gerätedichte und Kerndichte.
Non-nuclear density gauges, auch electrical density gauges oder PQI gauges (Pavement Quality Indicator) genannt, arbeiten nach dem Prinzip, dass die Dielektrizitätskonstante von HMA mit der Dichte variiert. Mit zunehmender Fahrbahndichte nimmt das Luftvolumen (das eine Dielektrizitätskonstante von etwa 1,0 hat) im Verhältnis zum Volumen von Gestein und Bindemittel (die Dielektrizitätskonstanten von 5 bis 7 bzw. 2,5 bis 3,0 haben) ab. Das Gerät sendet ein niederfrequentes elektromagnetisches Feld in die Fahrbahn und misst die Impedanz, die mit der Dielektrizitätspermittivität und folglich der Dichte zusammenhängt.
Die Hauptvorteile nicht-nuklearer Messgeräte sind: keine radioaktiven Materialien (wodurch behördliche, schulungs-, transport- und haftungsbezogene Probleme nuklearer Messgeräte entfallen); sofortige Messwerte (2 bis 5 Sekunden gegenüber 1 bis 4 Minuten bei nuklearen Messgeräten); und geringere Variabilität in manchen Anwendungen. Der Hauptnachteil ist, dass sie empfindlicher auf Feuchtegehalt in der Fahrbahn reagieren (Wasser hat eine Dielektrizitätskonstante von etwa 80, was das Dichtesignal der HMA überlagert) sowie auf Oberflächentextur-Schwankungen. Nicht-nukleare Messgeräte müssen auf jede spezifische Mischung kalibriert werden und sind nicht allgemein für die Abnahmeprüfung akzeptiert. Die AASHTO hat noch kein Standardprüfverfahren für nicht-nukleare Messgeräte verabschiedet, das ASTM D2950 für nukleare Geräte entspricht.
Trotz der Bequemlichkeit tragbarer Messgeräte bleibt die labortechnische Prüfung entnommener Bohrkerne die Referenzmethode — der Standard, gegen den alle anderen Methoden kalibriert werden. Die Kernprüfung gemäß ASTM D3203 / AASHTO T 269 umfasst:
Die Kernprüfung liefert die genaueste Bestimmung der Air Voids vor Ort, da sie die bulk specific gravity des tatsächlichen Fahrbahnmaterials direkt misst. Die Präzision der Kernprüfung (laborinterne Standardabweichung von etwa 0,3% Air Voids) ist der Präzision nuklearer Messgeräte (0,5% bis 1,0% Air Voids) und nicht-nuklearer Messgeräte (0,7% bis 1,5% Air Voids) überlegen.
Die Einschränkung der Kernprüfung besteht darin, dass sie zerstörend, langsam (Kerne müssen entnommen, transportiert, getrocknet und geprüft werden, was 24 bis 48 Stunden für Ergebnisse erfordert) und räumlich begrenzt ist (typischerweise 1 bis 4 Kerne pro Charge von 500 bis 1000 Tonnen HMA). Kernentnahmestellen müssen nach der Entnahme zudem verfüllt werden.
Obwohl der prozentuale Air Void-Gehalt die grundlegende Kenngröße ist, werden Feldverdichtungsmessungen üblicherweise als Dichte in Bezug auf einen Referenzwert angegeben. Drei Darstellungsmethoden werden verwendet:
Das Verhältnis zwischen den Dichte-Darstellungsmethoden kann verwirrend sein. Eine Spezifikation von “96% der Labordichte” ist nicht gleichbedeutend mit “96% der TMD” — die Labordichte beträgt typischerweise 96% der TMD (entsprechend 4% Air Voids bei der Bemessung), so dass 96% der Labordichte 0,96 × 0,96 = 0,922 oder 92,2% der TMD entsprechen würden, was 7,8% Air Voids entspricht. Diese Diskrepanz war eine Quelle von Spezifikationsverwirrung und Variabilität zwischen verschiedenen Behörden.
In-place air voids sind der tatsächliche Air Void-Gehalt der verdichteten Fahrbahn unmittelbar nach dem Einbau, im Gegensatz zu den im Labor festgelegten Bemessungs-Air Voids. Die Beziehung zwischen Air Voids vor Ort und Bemessungs-Air Voids wird durch die Verdichtung gesteuert — den Prozess der mechanischen Verringerung des Luftvolumens in der HMA durch Druckausübung mittels Walzen.
Die Verdichtung verringert das Luftvolumen in der HMA, indem Gesteinskörnungspartikel in eine dichtere Konfiguration umgelagert werden und das Asphaltbindemittel gezwungen wird, die Zwischenkornräume zu füllen. Der Verdichtungsprozess umfasst drei Walzentypen in Folge:
Der Zielwert für Air Voids vor Ort bei neu hergestellter HMA liegt typischerweise bei 6% bis 8% (92% bis 94% der TMD). Dies ist bewusst höher als die 4% Bemessungs-Air Voids, weil die Verkehrsbelastung in den ersten 2 bis 5 Jahren die Fahrbahn um weitere 2% bis 4% Air Voids weiterverdichtet. Wenn die Air Voids vor Ort unmittelbar nach dem Einbau 4% betrügen, würde die Verkehrsverdichtung die Hohlräume schnell unter 3% reduzieren, was Instabilität verursachen würde.
Jede Vertragsbehörde gibt Mindestverdichtungsanforderungen vor. Basierend auf einer Erhebung der Verfahren der staatlichen DOTs durch Tran et al. (2016) spezifiziert die Mehrheit der Bundesstaaten eine Verdichtung von mindestens 92% bis 93% der TMD, was maximalen Air Voids vor Ort von 7% bis 8% entspricht. Die FAA schreibt eine Dichte vor Ort von 96% der Labordichte für Flughafen-HMA-Fahrbahnen (P-401) vor, was etwa 92% bis 93% der TMD und Air Voids vor Ort von 7% bis 8% entspricht.
Die europäische Norm (EN 13108-1) gibt für Asphaltbeton-Deck-/Binderschichten Air Voids vor Ort von 3% bis 6% Volumenprozent für Straßen mit schwerem Verkehr vor, wobei die Abnahmeprüfung an in festgelegten Abständen entnommenen Bohrkernen durchgeführt wird. Die europäische Praxis zielt im Allgemeinen auf niedrigere Air Voids vor Ort ab als die nordamerikanische Praxis, was unterschiedliche Bindemittelsorten, Gesteinskörnungseigenschaften und Verkehrsbelastungsmuster widerspiegelt.
Der während der Bauausführung erreichte Air Void-Gehalt vor Ort wird beeinflusst durch:
Nach dem Einbau verändern sich die Air Voids vor Ort im Laufe der Zeit durch zwei Mechanismen:
Der langfristige Gleichgewichts-Air Void-Gehalt für eine ordnungsgemäß bemessene und hergestellte Fahrbahn sollte sich zwischen 3% und 5% stabilisieren. Wenn die Air Voids nach 5 Jahren Nutzung über 8% bleiben, wurde die Fahrbahn während des Einbaus unterverdichtet und wird eine beschleunigte Schädigung erfahren. Wenn die Air Voids innerhalb von 5 Jahren unter 2% fallen, wurde die Mischung überverdichtet oder der Bemessungs-Bindemittelgehalt war zu hoch.
Wenn die in-situ Air Voids unter 3% fallen, wird die Mischung überverdichtet und gerät in einen instabilen Zustand, der drei primäre Schadensmechanismen hervorruft.
Bleeding (auch Flushing oder Fettstellen genannt) ist die Migration von Asphaltbindemittel an die Fahrbahnoberfläche, die eine glänzende, reflektierende und klebrige Oberfläche erzeugt. Der Mechanismus ist einfach: Wenn der Air-Void-Gehalt zu niedrig ist, ist im Gemisch nicht genügend Raum vorhanden, um die thermische Ausdehnung des Asphaltbindemittels bei heißem Wetter aufzunehmen. An einem heißen Tag dehnt sich das Bindemittel um etwa 0,05% bis 0,10% pro °C Temperaturanstieg aus. Wenn die Fahrbahntemperatur 60°C erreicht (im Sommer üblich), dehnt sich das Bindemittel um 2% bis 4% des Volumens aus. Bei nur noch 2% bis 3% Air Voids hat das expandierende Bindemittel keinen anderen Weg als an die Fahrbahnoberfläche.
Der Bleeding-Schaden entwickelt sich wie folgt: anfängliches Aufsteigen des Bindemittels an der Oberfläche am ersten heißen Tag nach dem Einbau; fortschreitende Ansammlung von Bindemittel auf der Oberfläche mit jedem weiteren heißen Tag; die Oberfläche wird dunkel, glänzend und klebrig; Gesteinskörnungen werden in den Bindemittelfilm eingebettet, wodurch die Makrotextur und der Gleitwiderstand verringert werden; in schweren Fällen bildet das Bindemittel einen durchgehenden Film, der bei Nässe eine Aquaplaning-Gefahr darstellt. Das Distress Identification Manual des Ohio Department of Transportation identifiziert einen niedrigen Air-Void-Gehalt als direkte Ursache für Bleeding: “Bleeding wird durch einen übermäßigen Anteil an bituminösem Bindemittel in der Mischung und/oder einen niedrigen Air-Void-Gehalt verursacht.”
Das Airport Pavement Distress Identification Manual der FAA klassifiziert Bleeding als Oberflächenschaden in flexiblen Fahrbahndecken. Bleeding in Radspuren wird anhand des prozentualen Anteils der betroffenen Fläche und der Dicke des Bindemittelfilms bewertet. Bleeding tritt am häufigsten auf bei: Mischungen mit übermäßig hohem Bindemittelgehalt; Mischungen, die auf weniger als 3% Air Voids verdichtet wurden; Radspuren, wo der Verkehr die Fahrbahn weiter verdichtet hat; und Mischungen mit groben Gesteinskörnungsabstufungen, die eine unzureichende VMA aufweisen.
Rutting ist eine bleibende Verformung in den Radspuren der Fahrbahn. Niedrige Air Voids tragen auf zwei Wegen zum Rutting bei:
Vertikales Konsolidierungsrutting tritt auf, wenn die Fahrbahn unter Verkehr weiter verdichtet wird. Wenn die Mischung mit 4% Air Voids beginnt und die Verkehrsverdichtung die Hohlräume auf 2% reduziert, äußert sich die 2%ige Volumenreduzierung als vertikale Vertiefung in der Radspur. Jede 1%ige Verringerung der Air Voids entspricht etwa 1 mm vertikaler Oberflächenabsenkung pro 100 mm HMA-Dicke.
Lateralverschiebungsrutting (Scherrutting) tritt auf, wenn die Mischung instabil ist und das Gesteinskörnungsgerüst den durch die Verkehrsbelastung einwirkenden Scherspannungen nicht widerstehen kann. Niedrige Air Voids deuten darauf hin, dass die Gesteinskörnungen im Bindemittel „schweben", anstatt in direktem Kontakt miteinander zu stehen (Stein-auf-Stein-Kontakt). Das Bindemittel wirkt eher als Schmiermittel denn als Bindemittel und ermöglicht es den Gesteinskörnungen, unter Last aneinander vorbeizurutschen. Die Lateralverschiebung erzeugt Aufwölbungen an den Rändern der Spurrille, was das entscheidende Unterscheidungsmerkmal von Scherrutting gegenüber Konsolidierungsrutting ist.
Scherocman (1984) folgerte, dass “das Ausmaß des Ruttings, das in einer Asphaltfahrbahn auftritt, umgekehrt proportional zum Air-Void-Gehalt ist.” Die Studie Risk Management of Low Air Void Asphalt Concrete Mixtures (ROSAP, 2007) dokumentierte, dass “niedrige in-situ Air Voids in der Vergangenheit mit Schadensarten wie Flushing/Bleeding und Rutting/Shoving in Verbindung gebracht wurden.”
Weitere Probleme im Zusammenhang mit niedrigen Air Voids sind:
Niedrige in-situ Air Voids können folgende Ursachen haben: übermäßiger Asphaltbindemittelgehalt (mehr Bindemittel, als die Air Voids und VMA aufnehmen können); unzureichende VMA in der Mischungszusammensetzung (die Gesteinskörnungsabstufung ist zu dicht und lässt unzureichenden Zwischenkornraum); Überverdichtung während des Einbaus (zu viele Walzübergänge oder zu hohes Walzgewicht); Einbau an einem heißen Tag mit dünnen Schichten, die langsam abkühlen und eine verlängerte Verdichtung ermöglichen; Überverdichtung durch schwere Verkehrslasten (zu schwach dimensionierter Fahrbahnaufbau oder übergewichtige Fahrzeuge); Bindemittelmigration (im Betrieb kann das Bindemittel in die Air Voids migrieren und den Hohlraumgehalt ohne zusätzliche Verdichtung verringern); und fehlende Qualitätskontrolle während der Produktion (schwankender Bindemittelgehalt, Temperaturschwankungen).
Wenn die in-situ Air Voids 8% überschreiten, gerät die Fahrbahn in einen Zustand der Unterverdichtung, der eine grundlegend andere Reihe von Schadensmechanismen hervorruft, die alle mit der Durchlässigkeit der Mischung für Wasser und Luft zusammenhängen.
Raveling ist das fortschreitende Herauslösen von Gesteinskörnungen aus der Fahrbahnoberfläche, beginnend mit den feineren Partikeln und fortschreitend zu den gröberen Partikeln, je weiter der Schaden fortschreitet. Der Mechanismus ist: Sauerstoff dringt durch die miteinander verbundenen Air Voids in den Bindemittelfilm ein, der jede Gesteinskörnung umgibt; das Bindemittel oxidiert, wird spröde und verliert die Haftung an der Gesteinsoberfläche; unter Verkehrsbelastung bricht das oxidierte Bindemittel an der Grenzfläche zwischen Bindemittel und Gesteinskörnung; die Gesteinskörnung wird gelockert und durch den Verkehr herausgelöst; der Verlust von Gesteinskörnungen erzeugt Oberflächenrauheit, die weiteres Raveling beschleunigt.
Kandhal und Koehler (1984) führten eine umfassende Studie über den Zusammenhang zwischen Air Voids und Raveling durch. Sie stellten fest, dass Raveling oberhalb von etwa 8% Air Voids zu einem erheblichen Problem und oberhalb von etwa 15% Air Voids zu einem schwerwiegenden Problem wird. Der Schwellenwert von 8% entspricht dem Air-Void-Niveau, bei dem die Hohlräume miteinander verbunden werden – wodurch durchgehende Wege durch die Fahrbahn entstehen, durch die Luft und Wasser ungehindert strömen können.
Die Schwere des Ravelings wird klassifiziert als: Geringe Schwere — nur Verlust von Feinanteilen, Oberfläche erscheint leicht rau; Mittlere Schwere — Verlust von feinen und einigen groben Gesteinskörnungen, Oberflächentextur ist deutlich offen; Hohe Schwere — Verlust von groben Gesteinskörnungen, Oberfläche ist löchrig und rau, loses Gestein auf der Fahrbahn. In extremen Fällen kann Raveling durch die gesamte Schichtdicke fortschreiten und eine strukturell geschwächte Fahrbahn erzeugen, die eine vollflächige Ausbesserung oder Überdeckung erfordert.
Die Oxidationsalterung des Asphaltbindemittels wird durch hohe Air Voids exponentiell beschleunigt. Der Mechanismus ist: Sauerstoff in der Luft diffundiert durch den Bindemittelfilm und reagiert mit den chemischen Bestandteilen des Bindemittels (insbesondere den Aromaten und Saturaten); die Oxidationsreaktion erzeugt Carbonyl- und Sulfoxid-Funktionsgruppen, die das Molekulargewicht und die Steifigkeit des Bindemittels erhöhen; das versteifte Bindemittel verliert seine Fähigkeit, thermische Spannungen abzubauen, wird spröde und neigt zur Rissbildung; die Versteifung wird als Anstieg der Viskosität des Bindemittels oder als Verschiebung der Performance Grade (PG) gemessen.
Die Oxidationsrate hängt von der Sauerstoffkonzentration an der Bindemitteloberfläche ab, die wiederum vom Air-Void-Gehalt und dem Grad der Hohlraumverbindung abhängt. Eine Fahrbahn mit 10% Air Voids oxidiert etwa 4-mal schneller als eine Fahrbahn mit 4% Air Voids. Das Asphalt Institute stellt fest: “Air Voids zwischen 7% und 3% bieten eine akzeptable Balance zwischen Stabilität und Dauerhaftigkeit. Bei 8% oder mehr ermöglichen miteinander verbundene Hohlräume das Eindringen von Luft und Feuchtigkeit in die Fahrbahn, was die Dauerhaftigkeit verringert.”
Der Oxidationsgradient über die Fahrbahndicke ist signifikant. Die oberen 10 bis 20 mm der Deckschicht sind höheren Sauerstoffkonzentrationen und höheren Temperaturen ausgesetzt, was zur stärksten Alterung führt. In dieser Zone entwickelt sich eine „Kruste" aus gealtertem, sprödem Bindemittel, das unter thermischer Kontraktion und Verkehrsbelastung reißt. Das gealterte Bindemittel an der Oberfläche hat eine 5- bis 10-mal höhere Viskosität als das Bindemittel in der Mitte der Schicht.
Moisture Damage — auch Stripping genannt — ist der Verlust der Bindung zwischen Asphaltbindemittel und Gesteinsoberfläche aufgrund der Anwesenheit von Wasser. Hohe Air Voids begünstigen Moisture Damage auf zwei Wegen: Wasser dringt durch miteinander verbundene Hohlräume ein und sammelt sich an der Grenzfläche zwischen Bindemittel und Gesteinskörnung; Wasserdruck durch Verkehrsbelastung (Porenwasserdruck) trennt das Bindemittel mechanisch von der Gesteinskörnung.
Der kritische Air-Void-Schwellenwert für Moisture Damage liegt bei 8%. Unter 8% sind die Hohlräume in dichtgestuften HMA in der Regel nicht miteinander verbunden — Wasser kann nicht frei durch die Fahrbahn fließen. Über 8% werden die Hohlräume miteinander verbunden, wodurch durchgehende Wege für die Wasserbewegung entstehen. Cooley et al. (2002) zeigten, dass die Durchlässigkeit exponentiell ansteigt, sobald die Air Voids 8% überschreiten.
Der Mechanismus des Moisture Damage ist: Wasser dringt bis zur Grenzfläche zwischen Bindemittel und Gesteinskörnung vor; das Wasser verdrängt das Bindemittel von der Gesteinsoberfläche, da Wasser eine höhere Oberflächenspannung und eine stärkere polare Anziehung zu vielen Gesteinsarten (insbesondere silikatischen Gesteinen wie Quarz und Granit) aufweist; die gestrippte Gesteinskörnung verliert ihre Bindung an die Fahrbahn; die Mischung verliert an Festigkeit; und die Fahrbahn versagt systematisch von unten nach oben und von außen nach innen.
Der Tensile Strength Ratio (TSR)-Test (AASHTO T 283) ist die Standardmethode zur Bewertung der Feuchteempfindlichkeit. Der TSR vergleicht die indirekte Zugfestigkeit von konditionierten Proben (vakuumgesättigt auf 70% bis 80% Sättigung, Gefrier-Tau-Zyklus) mit nicht konditionierten Proben. Ein TSR von 0,80 (80%) ist der minimal akzeptable Wert für die meisten Spezifikationen.
Hohe Air Voids verringern die strukturelle Tragfähigkeit der Fahrbahn. Kennedy et al. (1984) kamen zu dem Schluss, dass Zugfestigkeit, statischer Elastizitätsmodul, resilienter Modul und Stabilität bei hohem Air-Void-Gehalt alle reduziert sind. Die Verringerung des Moduls führt dazu, dass die Fahrbahn unter Last stärker durchbiegt, was die Zugdehnung an der Unterseite der HMA-Schicht und die Druckdehnung an der Oberfläche des Untergrunds erhöht – beides beschleunigt das strukturelle Versagen.
Finn et al. (1973) kamen in der NCHRP-Studie Project 9-4 zu dem Schluss, dass “die Ermüdungseigenschaften um 30 bis 40 Prozent pro einprozentigem Anstieg des Air-Void-Gehalts reduziert werden können.” Pell und Taylor (1969) sowie Epps und Monismith (1969) bestätigten diesen Zusammenhang unabhängig voneinander durch Laborermüdungsprüfungen. Scherocman (1984) zeigte, dass eine Reduzierung der Air Voids von 8% auf 3% die Ermüdungslebensdauer der Fahrbahn mehr als verdoppeln kann.
Die praktische Bedeutung ist, dass eine Fahrbahn, die mit 8% in-situ Air Voids gebaut wurde (statt der Zielvorgabe von 6% bis 7%), etwa 30% bis 40% weniger Ermüdungslebensdauer aufweist. Wenn die geplante Nutzungsdauer 20 Jahre beträgt, kann die Fahrbahn bereits nach 12 bis 14 Jahren aufgrund von Ermüdungsrissen versagen – ein Verlust von 6 bis 8 Jahren Nutzungsdauer, der direkt auf unzureichende Verdichtung zurückzuführen ist.
Hohe in-situ Air Voids resultieren aus: unzureichender Verdichtung während des Einbaus (zu wenige Walzübergänge, niedrige Mischtemperatur, schnelle Abkühlung, geringe Schichtdicke im Verhältnis zum NMAS); niedrigem Asphaltbindemittelgehalt (unzureichendes Bindemittel, um die VMA zu füllen); hoher VMA (die Gesteinskörnungsabstufung erzeugt übermäßigen Zwischenkornraum); Gesteinsabsorption (poröse Gesteinskörnungen absorbieren Bindemittel und reduzieren den effektiven Bindemittelgehalt); Mischungssegregation (grobe und feine Gesteinskörnungen trennen sich während des Einbaus und erzeugen Bereiche mit hohen Hohlräumen); und Temperatursegregation (der Einbauteppich kühlt ungleichmäßig ab, wobei kältere Bereiche eine geringere Dichte erreichen).
Flugplatzasphaltbefestigungen unterliegen strengeren Luftporenspezifikationen als Straßenbefestigungen, aufgrund der höheren Lasten, höheren Reifendrücke und der kritischen Sicherheitsanforderungen des Flugbetriebs.
Die Federal Aviation Administration (FAA) legt den HMA-Befestigungsbau durch Item P-401 (Hot Mix Asphalt Pavement) in AC 150/5370-10H (Standard Specifications for Construction of Airports) fest. Die Luftporenanforderungen sind:
Die FAA legt die Abnahmeprüfung auf Basis der Percent Within Limits (PWL) -Methode fest. Für die Dichteabnahme wird typischerweise ein PWL von 90 % spezifiziert – das bedeutet, dass mindestens 90 % der Prüfergebnisse innerhalb der Spezifikationsgrenzen liegen müssen. Die Dichteprüfergebnisse werden aus Kernstrahlungsmessungen gewonnen, die mit Bohrkerndaten korreliert werden, bei einer Mindestfrequenz von einer Prüfung pro 500 Längsmeter pro Fahrspur.
Die FAA P-401-Spezifikation umfasst auch Anforderungen an: Ebenheit (maximal 6 mm Abweichung unter einer 3-Meter-Latte); Bindemittelgehaltstoleranz (±0,4 % vom JMF); Zuschlagstoffabstufungstoleranz; und Temperaturkontrolle. Der Luftporengehalt wird durch die Entnahme von Bohrkernen aus der fertigen Befestigung überprüft, mit einer Frequenz von 1 Bohrkern pro 750 Tonnen eingebautem HMA, mindestens jedoch 3 Bohrkernen pro Los.
Item P-403 (Plant Mix Pavement) ist eine alternative Spezifikation für Asphaltbefestigungen auf Flugplätzen, die typischerweise auf kleineren Flugplätzen oder für nicht-kritische Befestigungen verwendet wird. Die Luftporenanforderungen ähneln denen der P-401: Design air voids von 3,0 % bis 5,0 % und maximale In-place air voids von 8,0 %. Die P-403-Spezifikation erlaubt die Verwendung staatlicher Straßenbauspezifikationen als Alternative, vorbehaltlich der FAA-Zustimmung.
Item P-404 (Fuel-Resistant Asphalt Mix Pavement) spezifiziert einen dichtgestuften HMA, der gegen Düsentreibstoff und Flugbenzin beständig ist. Die Luftporenspezifikation für P-404 beträgt maximal 3,0 % – wesentlich niedriger als bei Standard-HMA. Die niedrigen Luftporen sind erforderlich, da hohe Luftporengehalte das Eindringen von Kraftstoff in die Befestigung ermöglichen würden, was das Bindemittel aufweicht und zu schnellem Verfall führt. P-404 wird typischerweise für Vorfeldbereiche, Betankungspositionen und andere Orte verwendet, an denen Kraftstoffverschüttungen zu erwarten sind.
Die International Civil Aviation Organization (ICAO) behandelt Flugplatzbefestigungs-Luftporen durch das Aerodrome Design Manual Part 3 — Pavements (Doc 9157) , dritte Ausgabe, 2022. Die ICAO spezifiziert:
Das ICAO Doc 9157 schreibt keine spezifischen Verdichtungs- oder Abnahmeprüfverfahren vor, sondern verweist auf die Verfahren der einzelnen Staaten. Die ICAO-Richtlinie stellt jedoch fest: “Der Luftporengehalt der verdichteten Asphaltmischung sollte zwischen 3 % und 5 % liegen, um eine ausreichende Haltbarkeit und Verformungsbeständigkeit zu gewährleisten.”
Die ICAO ACR-PCR-Methode (Aircraft Classification Rating — Pavement Classification Rating), die 2020 für die Meldung der Tragfähigkeit von Befestigungen eingeführt wurde, verwendet eine geschichtete elastische Analyse, die den strukturellen Beitrag jeder Befestigungsschicht berücksichtigt. Der für eine Befestigung gemeldete PCR-Wert wird durch den Zustand der Befestigung beeinflusst, einschließlich der In-place air voids und des Grads der Bindemittelalterung. Befestigungen mit Luftporengehalten über 8 % gelten als strukturell minderbelastbar und erhalten einen entsprechend niedrigeren PCR.
Die Unified Facilities Criteria (UFC) 3-270-01 enthalten Standards für militärische Flugplatzbefestigungen. Die Luftporenspezifikationen für militärische Flugplätze stimmen mit FAA P-401 überein: Design air voids von 4,0 %, eine Mindest-In-place-Dichte von 96 % der Labordichte und maximale In-place air voids von 8,0 %. Für Expeditionsflugplätze (temporäre Befestigungen) werden die Luftporenanforderungen gelockert, um einen schnellen Bau mit verfügbaren Materialien und Geräten zu ermöglichen.
Bei der Zustandsinspektion von Befestigungen kann der Luftporengehalt der bestehenden Befestigung nicht direkt von der Oberfläche aus gemessen werden. Erfahrene Prüfer verwenden jedoch visuelle Schadensindikatoren und Leistungsbeobachtungen, um abzuschätzen, ob der Luftporengehalt wahrscheinlich im akzeptablen Bereich liegt.
Die folgenden Schadensbilder und Oberflächenmerkmale deuten darauf hin, dass die In-place air voids über 8 % liegen:
Die folgenden Schadensbilder deuten darauf hin, dass die In-place air voids unter 3 % liegen:
Die definitivste Inspektionsmethode für Luftporen ist die Bohrkernentnahme und Laborprüfung. Ein Bohrkern mit 100 mm oder 150 mm Durchmesser wird aus der Befestigung entnommen und die Raumdichte (Gmb) wird gemäß AASHTO T 166 oder ASTM D2726 bestimmt. Die Luftporen werden unter Verwendung des Gmm aus dem ursprünglichen Mischungsentwurf oder aus der Rice-Prüfung von aus der Befestigung entnommenem Material berechnet.
Die Bohrkerninspektion zeigt auch:
Ground Penetrating Radar (GPR) und Infrarot-Thermografie können indirekte Indikatoren für Luftporenschwankungen liefern. Bereiche mit höheren Luftporengehalten (geringere Dichte) erscheinen als unterschiedliche dielektrische Eigenschaften auf GPR-Scans oder als thermische Unterschiede auf Infrarotbildern. Diese Verfahren werden für die makroskalige Bewertung der Dichtegleichmäßigkeit verwendet, nicht für präzise Luftporenmessungen. Temperaturunterschiede von mehr als 15 °C über die Breite der Einbaubahn (thermische Segregation) korrelieren mit Dichteunterschieden von 1 % bis 3 % Luftporen.
Die Beziehung zwischen Luftporen und Befestigungslebensdauer ist eine der am besten belegten Beziehungen im Asphaltbefestigungsbau. Das Asphalt Institute und zahlreiche Forscher haben dokumentiert, dass der Luftporengehalt der wichtigste volumetrische Parameter ist, der die Langlebigkeit einer Befestigung beeinflusst.
Die weithin zitierte “1%-Regel” besagt, dass für jedes 1 % mehr Luftporen über einem Basisniveau von 7 % etwa 10 % der Befestigungslebensdauer verloren gehen. Linden, Mahoney und Jackson (1989) dokumentierten diese Regel erstmals in ihrer Studie über die Auswirkung der Verdichtung auf die Leistung von Asphaltbeton: “Die Faustregel, die sich daraus ergibt, ist, dass jeder Anstieg des Luftporengehalts um 1 Prozent (über einem Basis-Luftporengehalt von 7 Prozent) zu einem Verlust von etwa 10 Prozent der Befestigungslebensdauer (oder etwa 1 Jahr weniger) führt.”
Die 1%-Regel wurde durch nachfolgende Forschung bestätigt. Howell et al. (2021) bestätigten in einer Studie über Asphaltbefestigungen des Washington State DOT unter Verwendung großer verknüpfter Felddatensätze, dass Luftporen stark mit der Befestigungslebensdauer korrelieren, wobei der Zusammenhang zwischen 3 % und 8 % Luftporen annähernd linear ist. Die Studie ergab, dass der Zusammenhang über den gesamten Bereich hinweg möglicherweise nicht streng linear ist – es scheint einen “Sweet Spot” zwischen 3 % und 7 % zu geben, bei dem die Befestigungslebensdauer maximiert wird – die Verschlechterung beschleunigt sich jedoch außerhalb dieses Bereichs rapide.
Die praktischen Auswirkungen der 1%-Regel sind erheblich:
| In-Place Air Voids | Erwartete Befestigungslebensdauer | Lebensdauerverlust vs. Optimal |
|---|---|---|
| 4 % (Designziel) | 20 Jahre (Nutzungsdauer) | 0 % |
| 7 % (typischer Neubau) | 20 Jahre (mit Verkehrsverdichtung auf 4 %) | 0 % |
| 8 % | 18 Jahre | 10 % |
| 9 % | 16 Jahre | 20 % |
| 10 % | 14 Jahre | 30 % |
| 11 % | 12 Jahre | 40 % |
| 12 % | 10 Jahre | 50 % |
Eine Befestigung, die mit 10 % In-place air voids gebaut wurde (nur 2 % bis 3 % über dem typischen Zielwert von 7 % bis 8 %), wird nur 70 % ihrer Nutzungsdauer erreichen – ein Verlust von 6 Jahren Nutzung bei einer 20-jährigen Auslegung.
Die wirtschaftlichen Auswirkungen von Luftporenschwankungen sind erheblich. Bei einem typischen Straßenbefestigungsprojekt von 1 Million Quadratmetern mit Baukosten von 40 $/m² (40 Millionen $) würde eine Reduzierung der In-place air voids um 1 % (Verbesserung der Verdichtung von 93 % auf 94 % des TMD) die Befestigungslebensdauer um etwa 1 Jahr verlängern. Wenn die Befestigung für 20 Jahre ausgelegt ist, entspricht die Verlängerung um 1 Jahr einer Steigerung der Nutzungsdauer um 5 % – was über den Lebenszyklus der Befestigung einer Baukostenersparnis von 2 Millionen $ gleichkommt.
Umgekehrt erfordern Befestigungen, die mit hohen Luftporengehalten gebaut wurden, frühere Instandsetzungsmaßnahmen. Eine Befestigung mit 10 % Luftporen, die bereits im 14. Jahr statt im 20. Jahr eine Überzugsschicht benötigt, verursacht zusätzliche Überzugskosten von 20 bis 40 $/m² (für einen 75 bis 100 mm dicken Überzug) sechs Jahre früher als geplant, was eine erhebliche Steigerung der Lebenszykluskosten darstellt.
Der Luftporengehalt von Befestigungen im Betrieb beeinflusst den Zeitpunkt und die Wirksamkeit von Erhaltungsmaßnahmen. Befestigungen mit Luftporengehalten unter 5 % sprechen gut auf vorbeugende Erhaltungsmaßnahmen (Rissverfüllung, Decklagen, dünne Überzüge) an, da die dichte Struktur das Eindringen von Wasser und die Bindemittelalterung verhindert. Befestigungen mit Luftporengehalten über 8 % erfordern intensivere Instandsetzungen (Fräsen und Überzug, volltiefe Ausbesserungen), da die vorhandene Mischung bereits durch Oxidation und Feuchtigkeitsschäden beeinträchtigt ist.
Das FHWA Long-Term Pavement Performance (LTPP)-Programm hat dokumentiert, dass vorbeugende Erhaltungsmaßnahmen, die bei Befestigungen mit Luftporengehalten unter 5 % angewendet werden, die Nutzungsdauer um 30 % bis 50 % verlängern, während dieselben Maßnahmen bei Befestigungen mit Luftporengehalten über 8 % nur eine Verlängerung von 10 % bis 20 % bewirken. Das Prinzip der “rechtzeitigen Behandlung” im Befestigungsmanagement ist grundlegend mit dem Luftporenzustand der Befestigung verbunden.
Die Erkenntnis, dass Luftporen ein lebensdauerbestimmender Parameter sind, hat zu mehreren Spezifikationsinnovationen zur Verbesserung der Befestigungslanglebigkeit geführt:
Das ICAO Aerodrome Design Manual Part 3 und das FAA AC 150/5370-10H entwickeln sich weiterhin in Richtung strengerer Luftporenspezifikationen für Flugplatzbefestigungen, in der Erkenntnis, dass die hohen Kosten von Flugplatzbefestigungsschäden – einschließlich Flugverspätungen, Flugzeugschäden durch FOD und Startbahnschließungen – höhere Qualitätsstandards rechtfertigen. Die Betonung der FAA auf PWL-Abnahme und dichteabhängige Vergütungsfaktoren spiegelt die Erkenntnis wider, dass die Luftporenkontrolle während des Baus die kosteneffektivste Strategie zur Gewährleistung der Befestigungslanglebigkeit ist.
| Air Void-Bereich | Leistungszustand | Hauptschadensbilder |
|---|---|---|
| 0 % bis 2 % | Stark überverdichtet | Starkes Bleeding, Rutting, Shoving |
| 2 % bis 3 % | Überverdichtet | Bleeding, Rutting, Flushing |
| 3 % bis 5 % | Optimal (Entwurfsbereich) | Minimale Schäden – optimale Leistung |
| 5 % bis 7 % | Akzeptabel (Neubau) | Geringes Raveling-Potenzial, ausreichende Haltbarkeit |
| 7 % bis 8 % | Grenzwertig | Beginnende verbundene Hohlräume, Oxidationsbeschleunigung |
| 8 % bis 10 % | Unterverdichtet | Raveling, Oxidation, Feuchtigkeitsschäden |
| 10 % bis 15 % | Stark unterverdichtet | Starkes Raveling, Stripping, Ermüdungsrisse |
| >15 % | Strukturelles Versagen | Vollständiger Zerfall, Schlaglöcher, struktureller Kollaps |
Die Steuerung der Luftporen über den gesamten Lebenszyklus der Befestigung – vom Mischungsentwurf über die Bauverdichtung bis hin zur Überwachung während des Betriebs – ist die wirksamste Strategie zur Maximierung der Befestigungshaltbarkeit und zur Minimierung der Lebenszykluskosten. Das Designziel von 4 % Luftporen, der In-place-Bereich von 3 % bis 8 % sowie die rigorosen Mess- und Abnahmeprotokolle von AASHTO, ASTM, FAA und ICAO repräsentieren gemeinsam den Stand der Technik in der Luftporentechnik für Asphaltbefestigungen. +++
Ein ordnungsgemäßes Air-Void-Management ist für langlebige Asphaltfahrbahnen unerlässlich. Unsere Fachleute für Fahrbahntechnik können Sie bei der Optimierung des Mischungsdesigns, der Verdichtungsqualitätskontrolle, den Prüfprotokollen für Air Voids und der Schadensanalyse für Straßen- und Flugplatzbefestigungen unterstützen.
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