Was ist der Asphaltbindemittelgehalt?

Asphaltbindemittelgehalt, Definition und Bedeutung

Der Asphaltbindemittelgehalt (Pb) ist die Masse des Asphaltbindemittels, ausgedrückt als Prozentsatz der Gesamtmasse der Heißasphaltmischung (HMA). Er wird mit dem Symbol Pb (Prozent Bindemittel) bezeichnet und durch die folgende Gleichung bestimmt:

Pb = (Masse des Bindemittels / Gesamtmasse der Mischung) × 100 %

Der Bindemittelgehalt ist der wichtigste einzelne Zusammensetzungsparameter in HMA. Im Gegensatz zur Gesteinskörnungsabstufung, die innerhalb der Spezifikationsbänder variieren kann, ohne katastrophale Leistungsänderungen zu verursachen, erzeugen Abweichungen des Bindemittelgehalts von nur 0,3 % über oder unter dem Bemessungsoptimum messbare Änderungen der volumetrischen Mischungseigenschaften und eindeutig identifizierbare Fahrbahnschadensbilder. Der Bindemittelgehalt steuert die Dicke des Asphaltfilms, der jedes Gesteinskörnungs- partikel umhüllt, das Volumen der mit Asphalt gefüllten Hohlräume (VFA), den Prozentsatz der Luftporen in der verdichteten Mischung und die Zwischenpartikelreibung innerhalb des Gesteinskörnungsgerüsts.

Die American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) und die Federal Aviation Administration (FAA) legen den Bindemittelgehalt beide als obligatorisches Abnahmequalitätsmerkmal fest. Die FAA-Vorschrift Item P-401 (Heißasphaltfahrbahn) verlangt die Prüfung des Bindemittelgehalts für jede Charge der Flugplatz-HMA-Produktion, mit einer Toleranz von ±0,4 % gegenüber dem Zielwert der Werksmischungsformel (JMF). Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) erkennt über das Aerodrome Design Manual Teil 3 (Doc 9157) den Bindemittelgehalt als kritischen Parameter in der Qualitätskontrolle von Asphaltmischungen an, die auf Flugplatzfahrbahnen verwendet werden, und verweist für die Abnahmekriterien auf FAA- und nationale Normen.

Der Bindemittelgehalt wird in drei verschiedenen Phasen des Fahrbahnlebenszyklus bestimmt: Mischungsbemessung, bei der der optimale Bindemittelgehalt ausgewählt wird, um volumetrische und Leistungskriterien zu erfüllen, Produktionsqualitätskontrolle, bei der tägliche Proben geprüft werden, um zu verifizieren, dass der Produktionsbindemittelgehalt dem Bemessungsoptimum entspricht, und forensische Untersuchung, bei der Bohrkernproben aus Fahrbahnen im Betrieb geprüft werden, um vorzeitige Schäden zu diagnostizieren oder die eingebauten Eigenschaften zu verifizieren. Jede Phase verwendet dieselben Prüfverfahren, jedoch mit unterschiedlichen Probenahmehäufigkeiten und Interpretationskriterien.

Bedeutung des Bindemittelgehalts für die HMA-Leistungsfähigkeit

Das Asphaltbindemittel ist die teuerste Komponente von HMA und macht typischerweise 4 % bis 7 % des Mischungsgewichts, aber 25 % bis 35 % der Materialkosten aus. Diese wirtschaftliche Realität schafft während der Produktion einen ständigen Anreiz, den Bindemittelgehalt zu minimieren. Die technischen Konsequenzen selbst kleiner Abweichungen vom optimalen Bindemittelgehalt sind jedoch schwerwiegend und bestimmen direkt die Nutzungsdauer der Fahrbahn.

Volumetrische Beziehungen

Der Bindemittelgehalt definiert das grundlegende volumetrische Gleichgewicht innerhalb der verdichteten HMA-Mischung. Das Gesamtvolumen einer verdichteten HMA-Probe setzt sich aus drei Komponenten zusammen: Gesteinskörnungsvolumen, Bindemittelvolumen und Luftporenvolumen. Die Beziehung zwischen diesen Komponenten wird durch drei miteinander verbundene volumetrische Parameter ausgedrückt:

Der optimale Bindemittelgehalt in der Superpave-Mischungsbemessung ist definiert als der Bindemittelprozentsatz, der 4,0 % Luftporen bei der Bemessungsanzahl der Verdichtungsdrehungen (Ndesign) erzeugt. Bei diesem Bindemittelgehalt müssen VMA und VFA auch innerhalb der festgelegten Bereiche für das Bemessungsverkehrsaufkommen liegen. Eine Erhöhung des Bindemittelgehalts um 0,5 % über das Optimum reduziert die Luftporen typischerweise um 1,0 % bis 1,5 %, was möglicherweise unter die Mindestanforderung von 3,0 % fällt. Eine Verringerung des Bindemittelgehalts um 0,5 % erhöht die Luftporen um 1,0 % bis 1,5 %, was möglicherweise das Maximum von 5,0 % überschreitet und eine durchlässige Mischung erzeugt, die anfällig für Feuchtigkeitsschäden ist.

Bindemittelfilmdicke

Die Bindemittelfilmdicke, die berechnete Dicke der Asphaltbeschichtung auf den Gesteinskörnungs- partikeln, ist eine direkte Funktion des Bindemittelgehalts, der Gesteinskörnungs- oberfläche und des spezifischen Gewichts. Filmdickenwerte in ordnungsgemäß bemessener HMA liegen typischerweise zwischen 6 und 14 Mikrometern. Unter 6 Mikrometern ist der Film zu dünn, um einen ausreichenden Oxidationsschutz und eine ausreichende Bindemitteldauerhaftigkeit zu bieten. Über 14 Mikrometern ist der Film dick genug, um die Gesteinskörnungs- verzahnung zu reduzieren und das Spurrinnenpotenzial zu erhöhen. Änderungen des Bindemittelgehalts um 0,5 % können die Filmdicke um 2 bis 4 Mikrometer verändern und die Mischung aus dem optimalen Bereich bewegen.

Die Beziehung zwischen Bindemittelgehalt und Filmdicke erklärt, warum ein niedriger Bindemittelgehalt die oxidative Alterung beschleunigt. Ein dünner Bindemittelfilm setzt pro Masseneinheit mehr Bindemittelvolumen dem atmosphärischen Sauerstoff aus, was den Aushärtungsprozess beschleunigt, der das Bindemittel spröde und anfällig für thermische Risse macht. Dieser Mechanismus ist in heißen Klimazonen und auf Flugplatzfahrbahnen, die Strahltriebwerksabgasen ausgesetzt sind, besonders ausgeprägt.

Leistungseigenschaften

Der Bindemittelgehalt bestimmt die folgenden Mischungsleistungseigenschaften:

Steifigkeit und Modul: Der dynamische Modul (|E*|) von HMA nimmt ab, wenn der Bindemittelgehalt über das Optimum ansteigt. Eine Erhöhung des Bindemittelgehalts um 0,5 % kann den Modul um 15 % bis 25 % reduzieren und damit den strukturellen Beitrag der Fahrbahn verringern. Unterhalb des Optimums steigt der Modul, jedoch auf Kosten der Sprödigkeit.

Ermüdungslebensdauer: Der Bindemittelgehalt hat eine komplexe, nichtlineare Beziehung zur Ermüdungsrissbildung. Bei sehr niedrigem Bindemittelgehalt ist die Mischung spröde und reißt unter wenigen Lastzyklen. Beim optimalen Bindemittelgehalt hat die Mischung ausreichend Bindemittel, um Zugspannungen an Risspitzen zu widerstehen, was die Ermüdungslebensdauer maximiert. Bei hohem Bindemittelgehalt kann die reduzierte Steifigkeit der Mischung und die erhöhte Bindemittelfilmdicke die Ermüdungsbeständigkeit bei niedrigen Dehnungsniveaus verbessern, sie jedoch bei hohen Dehnungsniveaus aufgrund der reduzierten Gesteinskörnungs- verzahnung verringern.

Spurrinnenbeständigkeit: Der Bindemittelgehalt ist umgekehrt proportional zur Spurrinnenbeständigkeit. Jede Erhöhung des Bindemittelgehalts um 0,5 % über das Optimum reduziert die Spurrinnenbeständigkeit um etwa 20 % bis 40 %, gemessen mit dem Hamburger Spurrinnentest oder dem Fließzahlentest. Das überschüssige Bindemittel wirkt als Schmiermittel, reduziert den Gesteinskörnungs- zu-Gesteinskörnungs-Kontakt und ermöglicht Scherverformung unter Last.

Feuchtigkeitsempfindlichkeit: Ein niedriger Bindemittelgehalt lässt einige Gesteinskörnungs- partikel unzureichend beschichtet, wodurch Stellen entstehen, an denen Wasser das Bindemittel verdrängen kann (Ablösung). Ein hoher Bindemittelgehalt reduziert die Luftporen und verhindert die Entwässerung von Feuchtigkeit, die in die Fahrbahn eindringt. Der optimale Bindemittelgehalt gleicht diese Risiken aus, bietet eine vollständige Beschichtung der Gesteinskörnung und hält gleichzeitig vernetzte Luftporen unterhalb der Permeabilitätsschwelle.

Muffelofenverfahren (AASHTO T 308)

Das Muffelofenverfahren, genormt als AASHTO T 308 und ASTM D6307, ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Bestimmung des Asphaltbindemittelgehalts in HMA. Es wurde Anfang der 1990er Jahre am National Center for Asphalt Technology (NCAT) der Auburn University entwickelt und schnell von den staatlichen Straßenbaubehörden und der FAA als bevorzugte Alternative zu den Lösungsmittelextraktionsverfahren übernommen, die gefährliche chlorierte Lösungsmittel erforderten.

Prüfprinzip

Das Muffelofenverfahren funktioniert, indem eine lose HMA-Probe auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, um das Asphaltbindemittel vollständig zu verbrennen. Es wird angenommen, dass der während der Verbrennung auftretende Masseverlust der Bindemittelmasse entspricht, wobei ein Korrekturfaktor angewendet wird, um den Masseverlust der Gesteinskörnung zu berücksichtigen. Die Prüfung ist abgeschlossen, wenn die Änderungsrate der Masse drei aufeinanderfolgende Minuten lang 0,01 % nicht überschreitet.

Verfahren

Eine HMA-Probe mit einem Gewicht zwischen 1200 g und 3000 g (abhängig vom Nennkorngrößenhöchstwert) wird in einen Drahtgitterkorb gelegt und auf 0,1 g genau gewogen. Der Korb wird in den Muffelofen gelegt, der auf die Prüftemperatur vorgeheizt ist, typischerweise 1000°F (538°C) für die meisten Mischungen, obwohl für Gesteinskörnungen, die zu hohem Masseverlust neigen, auch Temperaturen von nur 800°F (427°C) verwendet werden können. Der Ofen zeichnet während der Verbrennung kontinuierlich die Probenmasse auf. Wenn sich die Masse stabilisiert (das Prüfendekriterium ist erfüllt), zeigt der Ofen den Bindemittelgehalt als Prozentsatz der ursprünglichen Probenmasse an.

AASHTO T 308 bietet zwei Verfahren:

Verfahren A (interne Waage): Der Ofen ist mit einer internen Waage ausgestattet, die die Probe während der Verbrennung kontinuierlich wiegt. Dies ist das gebräuchlichere und automatisierte Verfahren. Der Bediener lädt die Probe, gibt den Korrekturfaktor ein, und der Ofen bestimmt den Bindemittelgehalt automatisch.

Verfahren B (externe Waage): Der Ofen hat keine interne Waage. Die Probe wird vor und nach der Verbrennung auf einer externen Waage gewogen, und der Bindemittelgehalt wird manuell berechnet. Dieses Verfahren ist weniger gebräuchlich und wird hauptsächlich mit älteren Ofenmodellen verwendet.

Korrekturfaktor

Ein kritischer Schritt beim Muffelofenverfahren ist die Bestimmung des Korrekturfaktors (CF) . Der CF ist notwendig, weil während des Hochtemperatur-Erhitzungsprozesses ein Teil der Gesteinskörnungsmasse verloren geht. Karbonatgesteinskörnungen, Kalkstein, Dolomit und solche, die gelöschten Kalk enthalten, sind besonders anfällig für Masseverlust durch Kalzinierung (thermische Zersetzung). Der Masseverlust dieser Gesteinskörnungen ist kein Bindemittel, wird aber vom Ofen als Masseverlust gemessen, was den tatsächlichen Bindemittelgehalt überbewertet.

Der CF wird bestimmt, indem zwei Proben der Mischung mit dem Bemessungsbindemittelgehalt hergestellt, im Muffelofen geprüft und wie folgt berechnet werden:

CF = Tatsächlicher Bindemittelgehalt, gemessener Bindemittelgehalt

AASHTO T 308 verlangt, dass: „Ein Korrekturfaktor für jede Kombination aus Gesteinskörnung und Muffelofen festgelegt werden muss. Wenn eine Komponente der Gesteinskörnungsmischung geändert wird, muss ein neuer Korrekturfaktor festgelegt werden." Dies bedeutet, dass jeder Muffelofen in einem Labor oder Werk seinen eigenen CF für jede Mischungsbemessung haben muss. Die NCAT-Forschung hat gezeigt, dass die CFs zwischen Öfen derselben Marke erheblich variieren und die Verwendung eines gemeinsamen CF über mehrere Öfen hinweg einen systematischen Fehler einführt.

Typische CF-Werte reichen von 0,0 % bis 0,6 % der Gesamtmischungsmasse. Kalksteingesteinskörnungen erzeugen üblicherweise CF-Werte von 0,3 % bis 0,6 %. Granit, Basalt und andere silikatische Gesteinskörnungen erzeugen typischerweise CF-Werte unter 0,2 %. Gesteinskörnungen, die 1,0 % bis 1,5 % gelöschten Kalk enthalten, zeigen einen erhöhten Masseverlust und erfordern CF-Werte am oberen Ende des Bereichs.

Die vom NCAT durchgeführte NCHRP-Report-9-56-Forschung ergab, dass die Prüftemperatur der Hauptfaktor ist, der den CF beeinflusst. Eine Senkung der Prüftemperatur von 1000°F auf 800°F verringerte den Gesteinskörnungsmasseverlust für alle Mischungen ohne gelöschten Kalk. Für Mischungen mit Kalk war der CF bei 800°F niedriger als bei 1000°F, und eine vollständige Bindemittelentfernung wurde ohne wesentliche Änderungen der Prüfzeit immer noch erreicht.

Präzision und systematische Abweichung

Das Muffelofenverfahren bietet eine deutlich bessere Präzision als Lösungsmittelextraktionsverfahren. Die Präzisionsangabe von AASHTO T 308 berichtet:

Zum Vergleich: AASHTO T 164 (Lösungsmittelextraktion) berichtet einen akzeptablen Mehrlaborbereich von 0,96 %, mehr als das Doppelte des Bereichs des Muffelofenverfahrens von 0,45 %. Diese überlegene Präzision ist einer der Hauptgründe für die weit verbreitete Einführung des Muffelofenverfahrens.

Die systematische Abweichung des Muffelofenverfahrens wird durch den Korrekturfaktor gesteuert. Bei ordnungsgemäßer Kalibrierung mit dem korrekten CF für die spezifische Ofen- und Gesteinskörnungs- kombination liefert das Verfahren Ergebnisse innerhalb von 0,05 % bis 0,10 % des tatsächlichen Bindemittelgehalts.

Vorteile und Einschränkungen

Vorteile: Eliminiert die Verwendung gefährlicher chlorierter Lösungsmittel, schneller als die Lösungsmittelextraktion (30-60 Minuten gegenüber 2-4 Stunden), bessere Präzision als die Extraktion, erzeugt Gesteinskörnung, die für die Abstufungsanalyse geeignet ist, automatisiertes Verfahren reduziert Bedienerfehler.

Einschränkungen: Hohe Betriebstemperatur (1000°F) verbraucht erhebliche Energie, der Gesteinskörnungsmasseverlust erfordert die Bestimmung eines Korrekturfaktors, einige Gesteinskörnungen (insbesondere Dolomite) zeigen inkonsistenten Masseverlust, die Ofenkalibrierung muss regelmäßig überprüft werden, die anfänglichen Gerätekosten (20.000-40.000 $) sind höher als bei Extraktionsgeräten.

Lösungsmittelextraktionsverfahren (AASHTO T 164)

Lösungsmittelextraktionsverfahren, genormt als AASHTO T 164 und ASTM D2172, werden seit dem frühen 20. Jahrhundert zur Bestimmung des Asphaltbindemittelgehalts verwendet. Obwohl sie für die routinemäßige Produktionskontrolle weitgehend durch das Muffelofenverfahren ersetzt wurden, bleibt die Lösungsmittelextraktion wichtig für forensische Untersuchungen, bei denen das zurückgewonnene Bindemittel auf Eigenschaften geprüft werden muss (Einstufung, Alterung, Rheologie), und für Mischungen mit Gesteinskörnungen mit sehr hohem Glühverlust (wie Schlackegesteinskörnungen oder solche mit hohem Kohlenstoffgehalt).

Prüfprinzip

Die Lösungsmittelextraktion funktioniert, indem das Asphaltbindemittel mit einem Lösungsmittel, in dem das Bindemittel löslich ist, aus der HMA-Probe gelöst wird. Die Lösungsmittel-Bindemittel-Lösung wird durch Filtration oder Zentrifugation von der Gesteinskörnung getrennt, und die Gesteinskörnung wird gewaschen, getrocknet und gewogen. Der Bindemittelgehalt wird aus der Massendifferenz zwischen der ursprünglichen Probe und der zurückgewonnenen Gesteinskörnung berechnet.

Zentrifugenverfahren (Verfahren A)

Das Zentrifugenverfahren ist das gebräuchlichste AASHTO-T-164-Verfahren. Eine lose HMA-Probe (500 g bis 1500 g) wird mit Lösungsmittel (typischerweise Trichlorethylen oder Methylenchlorid) in eine Schale gegeben. Das Lösungsmittel löst das Bindemittel, und die Schale wird in eine Zentrifuge gestellt, die die Lösung durch einen Filter schleudert. Die bindemittelhaltige Lösung passiert das Filterpapier und lässt die Gesteinskörnung in der Schale zurück. Die Gesteinskörnung wird mit frischem Lösungsmittel gewaschen und erneut zentrifugiert, bis das Waschlösungsmittel klar läuft (was auf eine vollständige Bindemittelentfernung hinweist). Die Gesteinskörnung wird dann bis zur Massenkonstanz getrocknet und gewogen.

Das Zentrifugenverfahren erfordert einen Lösungsmittelverbrauch von 400 bis 800 ml pro Prüfung, abhängig vom Bindemittelgehalt und der Probengröße. Die zurückgewonnene Lösungsmittel-Bindemittel-Lösung muss als Sondermüll entsorgt werden. Das Bindemittel selbst kann nach dem Auflösen mit dem Zentrifugenverfahren nicht zuverlässig für weitere Prüfungen zurückgewonnen werden.

Rückflussverfahren (Verfahren B)

Das Rückflussverfahren (auch Soxhlet-Verfahren genannt) zirkuliert kontinuierlich heißes Lösungsmittel durch die Probe in einem geschlossenen System. Heißer Lösungsmitteldampf steigt in einen Kondensator, wo er abkühlt und auf die Probe tropft, wodurch Bindemittel gelöst wird. Das Lösungsmittel kehrt in den Siedekolben zurück und trägt gelöstes Bindemittel mit sich. Dieser Prozess ist für harte, gealterte Bindemittel effizienter als das Zentrifugenverfahren und erfordert weniger Bedieneraufmerksamkeit.

Das Rückflussverfahren wird für forensische Prüfungen von gealterten Fahrbahnbohrkernen bevorzugt, da die aggressive Lösungsmittelwirkung Bindemittel entfernt, das durch Oxidation ausgehärtet ist. Die Prüfung dauert jedoch 4 bis 8 Stunden pro Probe, verglichen mit 1 bis 2 Stunden für das Zentrifugenverfahren.

Lösungsmittelauswahl

AASHTO T 164 genehmigt mehrere Lösungsmittel für die Extraktion:

Die Verwendung chlorierter Lösungsmittel (Trichlorethylen, Methylenchlorid) ist aufgrund von Umwelt- und Gesundheitsvorschriften stark zurückgegangen. n-Propylbromid hat sich als gängiger Ersatz herausgestellt, unterliegt jedoch in vielen Rechtsgebieten ebenfalls VOC-Vorschriften. Das SNAP-Programm (Significant New Alternatives Policy) der EPA hat mehrere zuvor gebräuchliche Lösungsmittel eingeschränkt.

Bindemittelrückgewinnung (AASHTO R 59)

Für forensische Untersuchungen, bei denen das zurückgewonnene Bindemittel auf Leistungseinstufung geprüft werden muss, wird AASHTO R 59 (Rückgewinnung von Asphaltbindemittel aus Lösung nach dem Abson-Verfahren) verwendet. Das Abson-Verfahren destilliert das Lösungsmittel aus der Bindemittel-Lösungsmittel-Lösung und gewinnt das Bindemittel für weitere Prüfungen zurück. Das zurückgewonnene Bindemittel kann auf Penetration, Viskosität, PG-Klasse (AASHTO M 320) oder Mehrfach-Kriech- und Erholungstest (MSCR, AASHTO TP 70) geprüft werden.

Das Abson-Verfahren ist entscheidend für die Bewertung der Bindemittelalterung im Betrieb. Der Vergleich der Eigenschaften von zurückgewonnenem Bindemittel aus Feldbohrkernen mit den ursprünglichen Bindemitteleigenschaften zeigt das Ausmaß der oxidativen Aushärtung und kann helfen, vorzeitige Rissversagen zu diagnostizieren. Das FAA Airport Asphalt Pavement Technology Program (AAPTP) Projekt 06-03 identifizierte die Bindemittelrückgewinnung und -prüfung als wichtiges Werkzeug für die forensische Bewertung von Flugplatz-HMA-Fahrbahnen.

Nukleares Verfahren (ASTM D4125)

Das nukleare Verfahren zur Bestimmung des Asphaltbindemittelgehalts, genormt als ASTM D4125, verwendet ein nukleares Messgerät mit einer Neutronenquelle, um den Wasserstoffgehalt einer HMA-Probe zu messen. Da Asphaltbindemittel etwa 10 % bis 12 % Wasserstoff enthält (verglichen mit Gesteinskörnung, die praktisch keinen Wasserstoff enthält), ist die Wasserstoffzählrate direkt proportional zum Bindemittelgehalt.

Ausrüstung

Das gebräuchlichste nukleare Asphaltgehaltsmessgerät ist das Troxler-Modell 3241-C oder 3241-D, das von Verkehrsbehörden weltweit verwendet wird. Das Messgerät enthält eine versiegelte Americium-241:Beryllium (Am-241:Be)-Neutronenquelle, typischerweise 80 bis 100 mCi (3,0 bis 3,7 GBq), die als radioaktives Material der Sonderform klassifiziert ist. Das Messgerät misst den thermischen Neutronenfluss, der umgekehrt proportional zur Wasserstoffkonzentration ist. Mehr Wasserstoff (aus dem Bindemittel) absorbiert mehr Neutronen und reduziert die von den Detektoren gemessene Zählrate.

Prüfverfahren

Eine 7000 g schwere HMA-Probe (typischerweise die gesamte Probe von einem LKW oder Fertiger) wird in einer Edelstahlschale verdichtet. Die Schale wird in das Messgerät gelegt, und die Probe wird 4 bis 16 Minuten lang gezählt, abhängig von der gewünschten Präzision. Das Messgerät misst die Wasserstoffzählrate und wandelt sie mithilfe einer Kalibrierkurve, die für die spezifische Gesteinskörnungsmischung und den Bindemitteltyp erstellt wurde, in den Bindemittelgehalt um.

Das nukleare Messgerät muss für jede Gesteinskörnungsquelle kalibriert werden, da verschiedene Mineralien unterschiedliche Mengen an chemisch gebundenem Wasser und Wasserstoff enthalten, die zur gemessenen Zählrate beitragen. Die Kalibrierung umfasst die Herstellung von Proben bei drei bis fünf bekannten Bindemittelgehalten (die den erwarteten Bereich abdecken), die Prüfung jeder Probe im Messgerät und die Erstellung einer linearen Regression des Bindemittelgehalts gegenüber dem Zählverhältnis.

Vorteile und Einschränkungen

Vorteile: Extrem schnell (4-8 Minuten pro Prüfung gegenüber 30-60 Minuten für den Muffelofen), zerstörungsfrei, dieselbe Probe kann nach der Prüfung für die Abstufung oder andere Eigenschaften geprüft werden, keine Chemikalien erforderlich, keine Hochtemperaturverbrennung, tragbar und feldtauglich, von mehr als 25 staatlichen Straßenbaubehörden verwendet.

Einschränkungen: Erfordert eine Lizenz für radioaktive Materialien (NRC oder Bundesstaat im Rahmen eines Abkommens), der Bediener muss in Strahlenschutz geschult sein, die Kalibrierung ist gesteinskörnungsspezifisch und muss regelmäßig überprüft werden, die Probengröße (7000 g) ist größer als beim Muffelofenverfahren, Feuchtigkeit in der Probe stört die Wasserstoffmessung, nicht geeignet für Mischungen mit gelöschtem Kalk (der Wasserstoff hinzufügt) oder Gesteinskörnungen mit hohem chemisch gebundenem Wasser.

Das nukleare Verfahren wird von zahlreichen staatlichen Verkehrsbehörden als Standard für die Abnahmeprüfung festgelegt. Die FAA-Vorschrift Item P-401 erlaubt das nukleare Verfahren als Alternative zum Muffelofenverfahren für die Abnahmeprüfung von Flugplatz-HMA, sofern das Messgerät auf die spezifische, im Projekt verwendete Gesteinskörnungsmischung kalibriert ist.

Probenahme und Prüfhäufigkeit

Die Häufigkeit der Probenahme und Prüfung des Bindemittelgehalts während der HMA-Produktion wird von der zuständigen Behörde festgelegt und ist eine Funktion der Produktionstonnage, des Verkehrsaufkommens und der Struktur des Qualitätskontroll-/Qualitätssicherungsprogramms (QC/QA).

Probenahmenormen

Die Probensammlung folgt AASHTO R 47 (Reduzieren von Heißasphaltproben auf Prüfgröße) und AASHTO T 168 (Probenahme von bituminösen Belagsmischungen). Proben werden nach dem Beladen aus dem LKW-Ladebunker im Werk, aus dem Fertigertrichter während des Einbaus oder aus der Matte hinter dem Fertiger (vor dem Walzen) entnommen. Die Probe wird mit einem mechanischen Probenteiler oder durch Vierteln auf Prüfgröße reduziert. Die Mindestprobenmasse für die Bindemittelgehaltsprüfung hängt vom Nennkorngrößenhöchstwert (NMAS) ab:

Produktionsprüfhäufigkeit

Für Autobahnprojekte unter typischen staatlichen QC/QA-Programmen:

Projekte mit hohem Verkehrsaufkommen (mehr als 10 Millionen ESALs): Eine Bindemittelgehaltsprüfung pro 500 bis 800 Tonnen Produktion. Mindestens eine Prüfung pro Produktionstag.

Projekte mit mittlerem Verkehrsaufkommen (0,3 bis 10 Millionen ESALs): Eine Bindemittelgehaltsprüfung pro 800 bis 1500 Tonnen Produktion. Mindestens eine Prüfung pro Tag.

Projekte mit geringem Verkehrsaufkommen (weniger als 0,3 Millionen ESALs): Eine Bindemittelgehaltsprüfung pro 1500 bis 2000 Tonnen Produktion. Mindestens eine Prüfung pro Tag.

Für Flugplatzprojekte nach FAA Item P-401:

Start- und Landebahnen und primäre Rollbahnen: Eine Bindemittelgehaltsprüfung pro 500 Tonnen Produktion oder pro Tagesproduktion, je nachdem, welche Häufigkeit höher ist. Eine Charge ist definiert als eine Tagesproduktion von bis zu 1500 Tonnen, mit mindestens 3 Proben pro Charge.

Sekundäre Rollbahnen und Vorfelder: Eine Bindemittelgehaltsprüfung pro 1000 Tonnen oder pro Tagesproduktion.

Qualitätskontrollkarten

Die Ergebnisse der Bindemittelgehaltsprüfung werden auf X-Quer- und R-Regelkarten (oder Karten für Einzelwerte und gleitende Spannweiten) aufgetragen, um die Prozesskontrolle zu überwachen. Die Mittellinie ist der Zielbindemittelgehalt der Werksmischungsformel. Die oberen und unteren Eingriffsgrenzen werden bei ±3 Standardabweichungen der Prüfverfahrenspräzision festgelegt, typischerweise ±0,18 % bis ±0,30 %, abhängig vom Prüfverfahren. Warngrenzen bei ±2 Standardabweichungen werden ebenfalls eingezeichnet.

Ein Prozess gilt als außer Kontrolle, wenn: ein einzelner Punkt die Eingriffsgrenzen überschreitet, sieben aufeinanderfolgende Punkte in eine Richtung tendieren (über oder unter der Mittellinie) oder sieben aufeinanderfolgende Punkte auf einer Seite der Mittellinie liegen. Zustände außer Kontrolle lösen eine Untersuchung und Korrekturmaßnahmen aus, die Folgendes umfassen können: Neukalibrierung des Bindemitteldosiersystems des Werks, Anpassung der Mischungsformel, Überprüfung des Feuchtigkeitsgehalts der Gesteinskörnung oder erneute Prüfung der QC-Proben des Auftragnehmers.

Unabhängige Sicherstellungsprüfung

Im QC/QA-Modell führt der Auftragnehmer QC-Prüfungen in der festgelegten Häufigkeit durch, und die Behörde führt unabhängige Sicherstellungsprüfungen (IA) an geteilten Proben mit einer geringeren Häufigkeit durch, typischerweise eine IA-Prüfung pro 5000 bis 10.000 Tonnen. Die Differenz zwischen QC- und IA-Ergebnissen muss innerhalb des akzeptablen Bereichs zweier Ergebnisse (d2s) für das Prüfverfahren liegen: ±0,17 % für die Einzelprüfer-Präzision oder ±0,45 % für die Mehrlabor-Präzision des Muffelofenverfahrens. Anhaltende Differenzen, die diese Werte überschreiten, weisen auf einen systematischen Fehler hin, der untersucht werden muss.

Spezifikationstoleranzen

Spezifikationstoleranzen für den Asphaltbindemittelgehalt sind die zulässigen Abweichungen vom Zielwert der Werksmischungsformel (JMF). Diese Toleranzen definieren den akzeptablen Bereich, innerhalb dessen der Produktionsbindemittelgehalt liegen muss, damit die Mischung von der Behörde abgenommen wird.

Typische Toleranzwerte

Die Toleranz wird auf das einzelne Prüfergebnis angewendet, nicht auf einen gleitenden Mittelwert. Die meisten Spezifikationen enthalten jedoch auch einen Zahlungsanpassungsfaktor für den gleitenden Mittelwert von vier aufeinanderfolgenden Prüfungen. Wenn beispielsweise der gleitende Mittelwert von vier Prüfungen innerhalb von ±0,2 % des JMF liegt, wird eine 100 %ige Zahlung geleistet. Wenn der gleitende Mittelwert ±0,3 % bis ±0,4 % beträgt, gilt ein reduzierter Zahlungsfaktor (95 % bis 99 %). Wenn der gleitende Mittelwert ±0,5 % überschreitet, kann das Material abgelehnt werden und einen Abriss oder einen reduzierten Zahlungsfaktor von nur 70 % erfordern.

Zahlungsanpassungspläne

Viele staatliche Straßenbaubehörden und die FAA verwenden Zahlungsanpassungsformeln, die auf der Abweichung des Bindemittelgehalts vom JMF-Zielwert basieren. Die Formel berechnet einen Preis-anpassungsfaktor (PAF), der den Einheitspreis der HMA multipliziert:

PAF = 1,0, k × (|Pb_gemessen, Pb_JMF|, Tol_Basis)

Wobei k der Zahlungsanpassungskoeffizient ist (typischerweise 0,2 bis 0,5 pro 0,1 % Abweichung) und Tol_Basis die Toleranz ist, bei der keine Anpassung vorgenommen wird (typischerweise 0,3 % bis 0,4 %).

Für Flugplatzprojekte verlangt die FAA, dass ein Bindemittelgehalt, der die Toleranz um mehr als 0,5 % überschreitet, ein Grund für den Abriss und Ersatz auf Kosten des Auftragnehmers ist, sofern nicht ein reduzierter Zahlungsfaktor ausgehandelt und dokumentiert wird.

Toleranzüberprüfung

Die Bindemittelgehaltstoleranzen werden durch die Abnahmeprüfung der Behörde an Proben verifiziert, die vom Vertreter der Behörde entnommen wurden, nicht durch die QC-Proben des Auftragnehmers. Die Abnahmeprüfergebnisse sind die offizielle Grundlage für die Zahlungsanpassung. Die QC-Ergebnisse des Auftragnehmers werden für die Prozesskontrolle verwendet und durch das in jedem QA-Programm der Behörde definierte Verifizierungsverfahren mit den Abnahmeergebnissen der Behörde verglichen.

Auswirkungen eines hohen Bindemittelgehalts

Wenn der Produktionsbindemittelgehalt das Optimum um mehr als die Spezifikationstoleranz überschreitet, typischerweise 0,4 % bis 0,5 % über dem JMF, entwickelt die Mischung eine charakteristische Reihe von Leistungsproblemen, die sich als charakteristische Fahrbahnschäden manifestieren.

Bitumenausblühungen und Bindemittelanstau

Bitumenausblühungen sind das Vorhandensein von freiem Asphaltbindemittel auf der Fahrbahnoberfläche, das als glänzende, schwarze Stellen oder Streifen erscheint. Bindemittelanstau ist das fortgeschrittene Stadium der Bitumenausblühungen, bei dem der Bindemittelfilm die Gesteinskörnung über ausgedehnte Bereiche bedeckt und eine durchgehende schwarze, glasige Oberfläche erzeugt. Das Ohio DOT Pavement Condition Rating Manual beschreibt Bitumenausblühungen als „das Vorhandensein von freiem Asphaltbindemittel auf der Fahrbahnoberfläche", verursacht durch „einen übermäßigen Anteil an bituminösem Bindemittel in der Mischung und/oder einen niedrigen Luftporengehalt."

Der Mechanismus: Überschüssiges Bindemittel füllt die Luftporen, die normalerweise in der verdichteten HMA vorhanden sind. Bei heißem Wetter dehnt sich das Bindemittel thermisch aus. Da keine Luftporen vorhanden sind, um diese Ausdehnung aufzunehmen, wird das Bindemittel an die Fahrbahnoberfläche gedrückt. Der resultierende Bindemittelfilm reduziert die Griffigkeit auf gefährliche Werte. Die Reibungszahlen (FN) auf einer angestauten Oberfläche können auf unter 30 auf der ASTM-E274-Skala fallen, verglichen mit einem typischen Zielwert von 50+ für neue Fahrbahnen.

Schweregrade gemäß ASTM D6433 und D5340:

Geringe Schwere: Bitumenausblühungen nur in begrenzten Bereichen sichtbar (weniger als 10 % der Oberfläche). Die Gesteinskörnungstextur ist durch den Bindemittelfilm noch erkennbar.

Mittlere Schwere: Bitumenausblühungen auf 10 % bis 30 % der Oberfläche sichtbar. Die Oberfläche erscheint dunkel und glänzend. Sowohl Gesteinskörnung als auch freies Bitumen sind erkennbar.

Hohe Schwere: Bitumenausblühungen bedecken mehr als 30 % der Oberfläche („ausgedehnt" nach den Kriterien des Ohio DOT). Die Oberfläche erscheint schwarz mit sehr wenig erkennbarer Gesteinskörnung. Die Griffigkeit ist erheblich beeinträchtigt.

Spurrinnen

Spurrinnen durch hohen Bindemittelgehalt werden als Instabilitätsspurrinnen klassifiziert, laterale Verdrängung der HMA unter Verkehrslast. Im Gegensatz zu strukturellen Spurrinnen (verursacht durch Untergrund- oder Tragschichtversagen) sind Instabilitätsspurrinnen durch hohen Bindemittelgehalt durch Aufwölbungen an den Seiten der Spurrille (Scherfließen) gekennzeichnet. Das überschüssige Bindemittel schmiert die Gesteinskörnungs- partikel, reduziert die innere Reibung (den Mohr-Coulomb-Reibungswinkel φ) und ermöglicht der Mischung, sich unter Scherspannung plastisch zu verformen.

Der Hamburger Spurrinnentest (AASHTO T 324) misst direkt die Spurrinnenanfälligkeit bei erhöhter Temperatur (50°C). Mischungen mit einem Bindemittelgehalt von 0,5 % über dem Optimum zeigen bei gleicher Anzahl von Überfahrten 2 bis 4 Mal größere Spurrinnentiefen als die optimale Mischung. Der Ablösungswendepunkt (SIP), die Anzahl der Überfahrten, bei der Feuchtigkeitsschäden beginnen, die Spurrinnenbildung zu beschleunigen, tritt auch bei Mischungen mit hohem Bindemittelgehalt früher auf, da die dicken Bindemittelfilme die Klebeverbindung zur Gesteinskörnung reduzieren.

Reduzierte Griffigkeit und Sicherheitsauswirkungen

Auf Flugplatzstart- und Landebahnen stellen Bitumenausblühungen und Bindemittelanstau durch hohen Bindemittelgehalt eine kritische Sicherheitsgefahr dar. Das FAA Advisory Circular 150/5320-6G verlangt Reibungsprüfungen neuer und sanierter Start- und Landebahnoberflächen. Angestaute Oberflächen mit einem Bindemittelgehalt von 0,5 % oder mehr über dem Optimum können die Reibungsabnahmekriterien nicht erfüllen und erfordern Korrekturmaßnahmen wie: Fräsen der Oberfläche zur Entfernung der bindemittelreichen Deckschicht, Rillen zur Bereitstellung von Entwässerungskanälen oder Überbauen mit einer ordnungsgemäß bemessenen Deckschicht.

ICAO Annex 14 verlangt, dass „die Oberfläche einer befestigten Start- und Landebahn in einem Zustand gehalten werden muss, der gute Reibungseigenschaften bietet." Bindemittelanstau durch hohen Bindemittelgehalt verstößt direkt gegen diese Anforderung und kann dazu führen, dass der Flugplatz die Start- und Landebahn schließen oder Notices to Airmen (NOTAMs) herausgeben muss, die den Betrieb einschränken.

Auswirkungen eines niedrigen Bindemittelgehalts

Wenn der Produktionsbindemittelgehalt das Optimum um mehr als die Spezifikationstoleranz unterschreitet, typischerweise 0,4 % bis 0,5 % unter dem JMF, weist die Mischung eine andere, aber ebenso schädliche Reihe von Leistungsproblemen auf.

Absanden

Absanden ist der fortschreitende Verlust von Gesteinskörnungs- partikeln von der Fahrbahnoberfläche nach unten, verursacht durch die Unfähigkeit des Bindemittels, die Gesteinskörnung an Ort und Stelle zu halten. Pavement Interactive beschreibt Absanden als Folge „der Alterung des Asphaltbindemittels, schlechter Mischungsqualität, Entmischung oder unzureichender Verdichtung", wobei ein niedriger Bindemittelgehalt die primäre zusammensetzungsbedingte Ursache ist.

Der Mechanismus: Bei unzureichendem Bindemittel ist der Bindemittelfilm auf den Gesteinskörnungs- partikeln zu dünn, um eine ausreichende Haftung zu bieten. Der dünne Film oxidiert und härtet auch schneller aus und wird spröde. Unter Verkehrslast bricht das versprödete Bindemittel an der Gesteinskörnungs- Bindemittel-Grenzfläche und gibt Gesteinskörnungs- partikel von der Oberfläche frei. Die freiliegende Gesteinskörnung löst sich bei nachfolgender Belastung und vertieft den abgesandeten Bereich fortschreitend.

Schweregrade gemäß ASTM D6433 und D5340:

Geringe Schwere: Verlust von Feingesteinskörnung nur. Grobgesteinskörnung ist freigelegt, aber noch fest eingebettet. Die Oberflächentextur erscheint leicht rau.

Mittlere Schwere: Erheblicher Verlust von Feingesteinskörnung und einige Grobgesteinskörnungen entfernt. Die Oberfläche hat eine offene Textur und ist mäßig rau. Das Ohio DOT beschreibt dies als „Oberfläche hat eine offene Textur und ist mäßig rau mit erheblichem Verlust von Feingesteinskörnung und einigen entfernten Grobgesteinskörnungen."

Hohe Schwere: Der größte Teil der Oberflächengesteinskörnung ist abgetragen oder gelöst. Die Oberfläche ist stark rau und kraterartig und kann stellenweise vollständig entfernt sein. Lose Gesteinskörnungs- partikel stellen eine Gefahr durch Fremdkörper (FOD) auf Flugplatzstart- und Landebahnen dar.

Risse

Ein niedriger Bindemittelgehalt beschleunigt alle Formen der Rissbildung in HMA-Fahrbahnen:

Ermüdungsrisse (Netzrisse): Bei unzureichendem Bindemittel ist die Mischung steifer und spröder. Die kritische Zugdehnung an der Unterseite der HMA-Schicht, die Ermüdungsrisse antreibt, wird bei weniger Lastaufbringungen erreicht. Fahrbahnen mit einem Bindemittelgehalt von 0,5 % unter dem Optimum können 2 bis 5 Jahre früher Ermüdungsrissbildung zeigen als dieselbe Fahrbahn mit optimalem Bindemittelgehalt.

Thermische Risse (Querrisse): Der dünne Bindemittelfilm versprödet durch Oxidation schneller, und die Niedertemperatursteifigkeit des Bindemittels (gemessen mit dem Biegebalkenrheometer, BBR, bei PAV-Temperatur) steigt schneller an. Die Mischung erreicht ihre thermische Rissgrenze bei einer höheren Temperatur, was zu Querrissen in kürzeren Abständen und breiteren Rissöffnungen führt.

Längsrisse: Der reduzierte Bindemittelgehalt erzeugt eine ungleichmäßige Bindemittelverteilung, wobei einige Bereiche (Entmischungszonen) praktisch keine Beschichtung aufweisen. Diese unbeschichteten Gesteinskörnungszonen breiten Längsrisse unter thermischen und Verkehrsspannungen aus.

Oxidation und Dauerhaftigkeit

Die Geschwindigkeit der Bindemitteloxidation in der Fahrbahn ist umgekehrt proportional zur Bindemittelfilmdicke. Bei Bindemittelgehalten von 0,5 % unter dem Optimum kann die Bindemittelfilmdicke 30 % bis 50 % dünner sein als beim Optimum (z. B. 5 Mikrometer gegenüber 10 Mikrometern). Der dünnere Film setzt pro Zeiteinheit einen größeren Anteil des Bindemittelvolumens dem atmosphärischen Sauerstoff aus und beschleunigt den Oxidationsprozess, der Sättigte und Aromaten durch die Bildung von Carbonyl- und Sulfoxidfunktionsgruppen in Asphaltene umwandelt.

Die Wirkung auf die Mischungsdauerhaftigkeit ist messbar durch:

• Anstieg der Bindemittelviskosität (ASTM D4402), 2 bis 5 Mal höher nach 5 Jahren im Betrieb
• Abnahme der Penetration (AASHTO T 49), 50 % bis 80 % Reduktion gegenüber 30 % bis 50 % Reduktion beim optimalen Bindemittel
• Anstieg der Kriechsteifigkeit (BBR, AASHTO T 313), Überschreitung der 300-MPa-Grenze bei der Bemessungstieftemperatur
• Abnahme des m-Werts, Unterschreitung der Mindestanforderung von 0,300

FOD-Gefahr auf Flugplätzen

Auf Flugplatzfahrbahnen erzeugt Absanden durch niedrigen Bindemittelgehalt eine Gefahr durch Fremdkörper (FOD). Lose Gesteinskörnungs- partikel auf der Start- und Landebahnoberfläche können in Strahltriebwerke gesaugt werden, Propellerblätter beschädigen oder Flugzeugrumpf und Fahrwerk treffen. Das FAA Advisory Circular 150/5380-7B (Flugplatzfahrbahnwartung und -management) identifiziert Absanden als einen Schaden, der auf Start- und Landebahnen aufgrund des FOD-Potenzials sofortige Aufmerksamkeit erfordert. Fahrbahnen mit einem Bindemittelgehalt unterhalb der festgelegten Toleranz müssen möglicherweise sofortigen Korrekturmaßnahmen unterzogen werden, einschließlich Fräsen und Überbauen oder Oberflächenbehandlung.

Bindemittelgehalt und Inspektion von Fahrbahnen im Betrieb

Die Beziehung zwischen Bindemittelgehalt und Oberflächenschäden ist ein Eckpfeiler der Fahrbahnzustandsinspektion. Bei Pavement Condition Index (PCI)-Erhebungen, die gemäß ASTM D5340 (Flugplätze) oder ASTM D6433 (Straßen und Parkplätze) durchgeführt werden, identifizieren und quantifizieren geschulte Inspektoren die Schwere und das Ausmaß von Schäden, die mit einem außerhalb der Spezifikation liegenden Bindemittelgehalt korrelieren.

Schadensidentifikationsmatrix

PCI-Erhebungsabzugswerte

Jeder bei einer PCI-Erhebung identifizierte Schaden wird basierend auf seiner Schwere und seinem Ausmaß mit einem Abzugswert belegt. Die Abzugswerte für bindemittelbezogene Schäden können den PCI von 100 (neue Fahrbahn) auf unter 40 (schlechter Zustand) reduzieren, wenn die Schäden schwerwiegend und ausgedehnt sind. Zum Beispiel:

Ein Start- und Landebahnabschnitt mit Bitumenausblühungen hoher Schwere, die 30 % der Oberfläche bedecken, erhält einen Abzugswert von etwa 45 bis 55 Punkten vom PCI. Ein Abschnitt mit Absanden hoher Schwere, das 30 % der Oberfläche bedeckt, erhält einen Abzugswert von etwa 40 bis 50 Punkten. Wenn mehrere Schäden vorhanden sind (z. B. Bitumenausblühungen plus Spurrinnen), wird der kombinierte Abzugswert mit dem Verfahren des maximalen korrigierten Abzugswerts (MCDV) der PCI-Methodik berechnet.

Forensische Prüfung von Fahrbahnen im Betrieb

Wenn eine PCI-Erhebung Schäden identifiziert, die mit einem außerhalb der Spezifikation liegenden Bindemittelgehalt übereinstimmen, kann der Inspektor oder Fahrbahnbauingenieur eine forensische Prüfung empfehlen, bei der Bohrkernproben aus den geschädigten Bereichen und der angrenzenden intakten Fahrbahn zur labortechnischen Verifizierung des Bindemittelgehalts entnommen werden.

Das forensische Probenahmeprotokoll umfasst:

• Entnahme von Bohrkernen mit 100 mm oder 150 mm Durchmesser aus der Fahrbahndeckschicht
• Prüfstellen: geschädigte Bereiche (repräsentative Probe), Kontrollbereiche (angrenzende intakte Fahrbahn) und zufällige Stellen (zur statistischen Validierung)
• Prüfung gemäß AASHTO T 308 (Muffelofen) oder AASHTO T 164 (Lösungsmittelextraktion mit Bindemittelrückgewinnung für die Alterungsanalyse)
• Vergleich des Feldbindemittelgehalts mit dem ursprünglichen JMF-Zielwert
• Bestimmung der Bindemittelalterung durch Penetration, Viskosität oder PG-Einstufung des zurückgewonnenen Bindemittels

Die Ergebnisse der forensischen Prüfung können verwendet werden, um: die Inspektionsbefunde zu validieren, zu bestimmen, ob der Schaden auf eine baubedingte Bindemittelgehaltsabweichung oder eine Bindemittelalterung im Betrieb zurückzuführen ist, Entscheidungen über die Sanierungsstrategie zu unterstützen (Fräsen und Überbauen gegenüber volltiefem Ersatz) und Streitigkeiten zwischen Behörde und Auftragnehmer über die Bauqualität beizulegen.

Vorbeugende Maßnahmen basierend auf der Inspektion

Regelmäßige PCI-Erhebungen in den empfohlenen Abständen (3 Jahre für Flugplätze gemäß FAA, 3-5 Jahre für Autobahnen gemäß FHWA) ermöglichen es den Behörden, bindemittelbezogene Schäden zu erkennen, bevor sie kritische Werte erreichen. Wenn Bitumenausblühungen oder Bindemittelanstau mit geringer bis mittlerer Schwere identifiziert werden, umfassen die empfohlenen vorbeugenden Maßnahmen:

• Wiederherstellung der Griffigkeit: Diamantschleifen oder Rillen zur Wiederherstellung der Oberflächentextur
• Oberflächenbehandlung: Aufbringen von Feingesteinskörnung zur Absorption von überschüssigem Bindemittel (eine vorübergehende Maßnahme)
• Dünnes Überbauen: Aufbringen einer neuen Deckschicht mit dem korrekten Bindemittelgehalt

Wenn Absanden mit geringer bis mittlerer Schwere identifiziert wird:

• Nebelsiegel: Aufbringen einer verdünnten Asphaltemulsion zur Auffrischung des Oberflächenbindemittels (nur für Absanden geringer Schwere)
• Mikrobelag: Eine dünne, polymermodifizierte Emulsionsdeckschicht (1-2 Gesteinskörnungs- partikel dick)
• Dünnes Überbauen: Für Absanden mittlerer Schwere, das mehr als 10 mm in die Oberfläche reicht

Bindemittelgehalt in der Flugplatz-HMA-Qualitätskontrolle

Die Bindemittelgehaltskontrolle für Flugplatz-HMA-Fahrbahnen unterliegt strengeren Anforderungen als typische Autobahnspezifikationen, was die höheren Sicherheits- und Leistungsstandards widerspiegelt, die für den Flugzeugbetrieb erforderlich sind. Die maßgeblichen Dokumente sind das FAA Advisory Circular 150/5370-10 (Standardbauvorschriften für Flugplätze) und die Qualitätskontrollbestimmungen von Item P-401 (Heißasphaltfahrbahn).

FAA-Spezifikationsanforderungen

FAA Item P-401 verlangt:

Mischungsbemessungsverifizierung: Vor Produktionsbeginn muss der Auftragnehmer eine Werksmischungsformel (JMF) einreichen, die aus einer Mischungsbemessung (Marshall oder Superpave) entwickelt wurde, die von einem FAA-qualifizierten Labor durchgeführt wurde. Die JMF legt den Zielbindemittelgehalt und die akzeptable Toleranz fest. Der Bemessungsbindemittelgehalt ist das Optimum, definiert als der Bindemittelgehalt, der 4,0 % Luftporen bei der Bemessungsanzahl der Verdichtungsdrehungen erzeugt (Superpave) oder das aus Marshall-Stabilitäts-Fließwert-Dichte-Kurven bestimmte Optimum.

Produktionstoleranzen: Der Produktionsbindemittelgehalt muss innerhalb von ±0,4 % des JMF-Zielwerts für Start- und Landebahnen und primäre Rollbahnen liegen. Für sekundäre Rollbahnen und Vorfelder beträgt die Toleranz ±0,5 % . Die Toleranz gilt für einzelne Prüfergebnisse. Wenn der gleitende Mittelwert von vier aufeinanderfolgenden Prüfungen den JMF-Zielwert um mehr als 0,3 % überschreitet, muss der Auftragnehmer die Werksproduktion untersuchen und anpassen.

Probenahme und Prüfung: Der Auftragnehmer muss QC-Prüfungen mit einer Mindesthäufigkeit von einer Bindemittelgehaltsprüfung pro 500 Tonnen für Start- und Landebahn- und primäre Rollbahnmischungen und einer pro 1000 Tonnen für sekundäre Fahrbahnen durchführen. Die Behörde (FAA oder ihr Vertreter) führt Abnahmeprüfungen an geteilten Proben mit einer Häufigkeit von einer pro 1500 Tonnen durch.

Korrekturmaßnahmen: Wenn der Bindemittelgehalt die Toleranz bei mehr als 2 aufeinanderfolgenden Prüfungen überschreitet, muss der Auftragnehmer die Produktion stoppen, die Ursache identifizieren (Waagenkalibrierungsfehler, Feuchtigkeitsschwankung der Gesteinskörnung, Fehlfunktion des Bindemitteldosiersystems, RAP-Gehaltsabweichung), das Problem beheben und die Korrektur durch Prüfung von Proben aus den ersten 100 Tonnen der wiederaufgenommenen Produktion verifizieren. Material, das mit einem Bindemittelgehalt von mehr als 0,5 % außerhalb der JMF-Toleranz eingebaut wurde, muss auf Abriss und Ersatz bewertet werden.

ICAO-Normen und Leitlinien

Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) legt Normen und empfohlene Verfahren für die Qualitätskontrolle von Flugplatzfahrbahnen durch Annex 14, Aerodrome Design and Operations, Band I und das Aerodrome Design Manual, Teil 3, Fahrbahnen (Doc 9157) fest.

ICAO Annex 14, Abschnitt 2.6 (Fahrbahntragfähigkeit), verlangt, dass: „Die Tragfähigkeit einer Fahrbahn bestimmt werden muss." Während die ICAO-Norm die Bindemittelgehaltsprüfung nicht direkt vorschreibt, verweisen die empfohlenen Verfahren in Doc 9157 für die HMA-Qualitätskontrolle auf die FAA- und nationalen Normen, einschließlich der Bestimmung des Bindemittelgehalts.

ICAO Doc 9157, Teil 3, Abschnitt 5.3 (Bau von Asphaltfahrbahnen) besagt: „Die Qualitätskontrolle von Asphaltmischungen während des Baus sollte die Bestimmung des Bindemittelgehalts mit einer Häufigkeit umfassen, die ausreicht, um sicherzustellen, dass die Mischung der Bemessung entspricht. Das Prüfverfahren sollte eines der anerkannten Verfahren sein (Muffelofen, Lösungsmittelextraktion oder nukleares Messgerät), und die Toleranz sollte dem Verkehrsaufkommen angemessen sein."

Das Airport Pavement Management System (APMS)-Rahmenwerk der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation, beschrieben in Doc 9157, enthält den Bindemittelgehalt als Datenelement für Qualitätssicherungsaufzeichnungen. Wenn Flugplatzfahrbahnen nach dem Pavement Condition Index (PCI)-System gemäß ASTM D5340 bewertet werden, werden bindemittelbezogene Schäden (Bitumenausblühungen, Absanden) erfasst und tragen zur Zustandsbewertung bei, die die Priorität von Wartung und Sanierung bestimmt.

Leistungsbasierte Spezifikationen für Flugplätze

Das Airport Asphalt Pavement Technology Program (AAPTP) Projekt 06-03, „Leistungsbasierte Spezifikationen für HMA-Fahrbahnen auf Flugplätzen", führte Forschung durch, um ein Rahmenwerk zu entwickeln, das Abnahmequalitätsmerkmale (AQCs), einschließlich des Bindemittelgehalts, mit betrieblichen Leistungsmerkmalen (OPCs) von Flugplatzfahrbahnen verknüpft.

Die AAPTP-Studie ergab, dass der Bindemittelgehalt das AQC mit der stärksten Korrelation zu den OPCs ist:

• Bremsfähigkeit: Ein hoher Bindemittelgehalt (Bindemittelanstau) reduziert die Reibung, ein niedriger Bindemittelgehalt (Absanden) erzeugt lose Gesteinskörnung, die die Reibung reduziert
• Dynamische Effekte: Spurrinnen durch hohen Bindemittelgehalt erzeugen Unebenheiten, die die Pilotenkontrolle und den Passagierkomfort beeinträchtigen
• FOD-Potenzial: Absanden durch niedrigen Bindemittelgehalt erzeugt lose Gesteinskörnung, die FOD darstellt

Die Studie empfahl, die Bindemittelgehaltstoleranz für Flugplatzfahrbahnen auf ±0,3 % für kritische Fahrbahnen (Start- und Landebahnen, primäre Rollbahnen) festzulegen, um sicherzustellen, dass der Bindemittelgehalt innerhalb des Bereichs bleibt, der akzeptable Leistung erzeugt. Dies ist strenger als die aktuelle FAA-Toleranz von ±0,4 %.

Europäische und internationale Praxis

Die Norm EN 13108-21 des Europäischen Komitees für Normung (CEN) legt Bindemittelgehaltstoleranzen für Asphaltmischungen fest, die auf Flugplatzfahrbahnen verwendet werden. Für Start- und Landebahnen und Rollbahnen (Kategorie 1) beträgt die Toleranz ±0,3 % vom erklärten Wert. Für Vorfelder und andere befestigte Bereiche (Kategorie 2) beträgt die Toleranz ±0,5 % . Das Prüfverfahren ist eines von EN 12697-1 (Lösungsmittelextraktion), EN 12697-39 (Muffelofen) oder EN 12697-41 (nukleares Messgerät).

In der Praxis verlangen europäische Flugplatzbehörden wie die britische Civil Aviation Authority (CAA), die Deutsche Flugsicherung (DFS) und Aéroports de Paris (ADP) die Prüfung des Bindemittelgehalts mit einer Häufigkeit von einer Prüfung pro 400 bis 600 Tonnen für Start- und Landebahnmischungen, wobei Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, wenn zwei aufeinanderfolgende Prüfungen die festgelegte Toleranz überschreiten. Die europäischen Airport Pavement Management System (APMS)-Normen integrieren den Bindemittelgehalt als Qualitätsparameter in die Abnahmeaufzeichnungen für Neubau- und Sanierungsprojekte.

Bindemittelgehalt-Zusammenfassungstabelle

Fazit

Der Asphaltbindemittelgehalt (Pb) ist der kritischste einzelne Zusammensetzungsparameter in Heißasphalt und steuert direkt das volumetrische Gleichgewicht zwischen Gesteinskörnung, Bindemittel und Luftporen, das die Fahrbahnleistung bestimmt. Abweichungen des Bindemittelgehalts von 0,3 % bis 0,5 % vom Bemessungsoptimum erzeugen messbare Änderungen der Mischungssteifigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Spurrinnenanfälligkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit, Änderungen, die sich als charakteristische Oberflächenschäden manifestieren, die bei der Fahrbahnzustandsinspektion sichtbar sind.

Drei genormte Prüfverfahren sind verfügbar: das Muffelofenverfahren (AASHTO T 308), das gebräuchlichste Verfahren, das überlegene Präzision (±0,06 % Einzelprüfer) bietet und gefährliche Lösungsmittel eliminiert, aber Korrekturfaktoren für den Gesteinskörnungsmasseverlust erfordert, Lösungsmittelextraktionsverfahren (AASHTO T 164), die hauptsächlich für forensische Untersuchungen verwendet werden, bei denen zurückgewonnenes Bindemittel auf Eigenschaften geprüft werden muss, und das nukleare Verfahren (ASTM D4125), das schnelle, zerstörungsfreie Prüfung mit einer Präzision von ±0,04 % in 4 Minuten bietet, aber eine Lizenz für radioaktive Materialien erfordert.

Die Spezifikationstoleranzen reichen von ±0,3 % für stark befahrene Autobahnen und Flugplatzstart- und Landebahnen bis ±0,5 % für Straßen mit geringem Verkehrsaufkommen und sekundäre Flugplatzfahrbahnen. Ein Produktionsbindemittelgehalt außerhalb dieser Toleranzen löst Korrekturmaßnahmen, Zahlungsanpassungen oder Abriss und Ersatz aus.

Bei der Inspektion von Fahrbahnen im Betrieb (PCI-Erhebungen gemäß ASTM D5340 oder D6433) sind die Auswirkungen eines außerhalb der Spezifikation liegenden Bindemittelgehalts leicht erkennbar: Ein hoher Bindemittelgehalt erzeugt Bitumenausblühungen, Bindemittelanstau und Spurrinnen mit reduzierter Griffigkeit, ein niedriger Bindemittelgehalt erzeugt Absanden, beschleunigte Rissbildung und Schlaglöcher mit FOD-Gefahren auf Flugplätzen. Regelmäßige PCI-Erhebungen in den empfohlenen Abständen ermöglichen die frühzeitige Erkennung bindemittelbezogener Schäden und ermöglichen eine rechtzeitige vorbeugende Behandlung, bevor die Fahrbahn eine größere Sanierung erfordert.

Für Flugplatz-HMA-Fahrbahnen bieten die FAA-Vorschrift Item P-401 und das ICAO Doc 9157 die maßgeblichen Normen für die Bindemittelgehaltskontrolle, mit strengeren Toleranzen und Prüfhäufigkeiten als typische Autobahnspezifikationen. Es wird erwartet, dass der Trend zu leistungsbasierten Spezifikationen, der durch Forschung wie das AAPTP-Projekt 06-03 vorangetrieben wird, die Bindemittelgehaltstoleranzen für kritische Flugplatzfahrbahnen weiter auf ±0,3 % verschärfen wird, um sicherzustellen, dass der Bindemittelgehalt innerhalb des Bereichs bleibt, der sichere, dauerhafte und leistungsfähige Fahrbahnen für den Flugzeugbetrieb erzeugt.