Marshall-Mischgutentwurfsverfahren für Asphaltbefestigungen

Was ist das Marshall-Mischgutentwurfsverfahren?

Die Marshall-Mischgutentwurfsmethode ist ein empirisches Laborverfahren zur Entwicklung von Heißasphalt (HMA), das den optimalen Asphaltbindemittelgehalt durch die Bewertung verdichteter zylindrischer Probekörper hinsichtlich Standfestigkeit (maximale Lasttragfähigkeit) und Verformung (Durchbiegung) bestimmt. Entwickelt von Bruce G. Marshall vom Mississippi Highway Department im Jahr 1939, wurde das Verfahren anschließend vom US Army Corps of Engineers (USACE) an der Waterways Experiment Station (WES) in Vicksburg, Mississippi, während der 1940er und 1950er Jahre für den Entwurf militärischer Flugplatzbefestigungen verfeinert. Heute wird die Marshall-Methode in etwa 38 US-Bundesstaaten in irgendeiner Form angewendet und bleibt weltweit das am häufigsten eingesetzte Asphaltmischgutentwurfsverfahren, insbesondere in Entwicklungsländern, aufgrund seiner Einfachheit, Portabilität und geringen Anschaffungskosten.

Das Marshall-Verfahren ist grundlegend ein Optimierungsprozess, der die konkurrierenden Anforderungen an Festigkeit, Flexibilität, Haltbarkeit und Verarbeitbarkeit einer Asphaltmischung ausgleicht. Das Kernprinzip besteht darin, mehrere Versuchsmischungen mit unterschiedlichen Asphaltbindemittelgehalten (üblicherweise in 0,5%-Schritten) herzustellen, diese unter standardisierten Bedingungen zu verdichten, einer kontrollierten Belastung bis zum Versagen auszusetzen und eine detaillierte volumetrische Analyse durchzuführen, um den Bindemittelgehalt zu ermitteln, der eine allen festgelegten Kriterien entsprechende Mischung ergibt. Diese Kriterien umfassen die Marshall-Standfestigkeit (gemessen in kN oder lbs), die Marshall-Verformung (gemessen in mm oder 0,01-Zoll-Schritten), den Hohlraumgehalt (Va), die Hohlräume im Mineralstoffgerüst (HWM) und die mit Asphalt gefüllten Hohlräume (HFA).

Die wichtigsten Referenzen für das Marshall-Verfahren sind AASHTO T 245 (Widerstand gegen plastisches Fließen bituminöser Mischungen unter Verwendung des Marshall-Geräts), ASTM D6927 (Standardprüfverfahren für Marshall-Standfestigkeit und -Verformung von Asphaltmischungen) und das Asphalt Institute Manual Series MS-2 (Mischgutentwurfsmethoden für Asphalt). Darüber hinaus wird das Verfahren in ASTM D6926 (Standardverfahren zur Herstellung von Asphaltmischungsprobekörpern mit dem Marshall-Gerät) für die Probekörperherstellung referenziert. Für Flugplatzanwendungen gibt das FAA Advisory Circular AC 150/5370-10H (Position P-401) Marshall-Kriterien für werksgemischte bituminöse Befestigungen auf Flugplätzen vor.

1. Geschichte und Entwicklung des Marshall-Verfahrens

Ursprünge beim Mississippi Highway Department (1939)

Bruce G. Marshall entwickelte das ursprüngliche Standfestigkeitsprüfgerät 1939 während seiner Tätigkeit als Bitumeningenieur beim Mississippi State Highway Department. Das Gerät sollte ein einfacher, schneller Feldversuch zur Bewertung der Qualität von Asphaltbetonmischungen sein, die auf Mississippis Straßen eingebaut wurden. Marshalls ursprünglicher Apparat bestand aus einer Belastungsvorrichtung, die auf vorhandene California Bearing Ratio (CBR)-Prüfgeräte aufgesetzt werden konnte – eine strategische Designentscheidung, die bereits in den meisten Straßenlaboratorien verfügbare Geräte nutzte. Die ursprüngliche Prüfung maß nur den maximalen Lastwiderstand (Standfestigkeit) verdichteter Probekörper, ohne Verformungsmessung.

Verfeinerung durch das US Army Corps of Engineers (1943–1955)

1943, während des Zweiten Weltkriegs, begann das US Army Corps of Engineers eine systematische Bewertung verfügbarer Asphaltmischgutentwurfsmethoden an der Waterways Experiment Station (WES) in Vicksburg, Mississippi. Die Motivation war dringend: Militärflugzeuge wurden schnell größer, mit höheren Radlasten und Reifendrücken, was stärkere und zuverlässigere Flugplatzbefestigungen erforderte. Flugzeuge der ersten Generation wie die B-17 Flying Fortress erzeugten Radlasten von etwa 15.000 lbs (66,7 kN), während die spätere B-29 Superfortress die Lasten auf etwa 30.000 lbs (133,4 kN) erhöhte – was Befestigungen weit über die vorhandenen Straßenbaustandards hinaus erforderte.

Das USACE untersuchte mehrere konkurrierende Entwurfsmethoden, darunter die Hveem-Stabilometermethode (entwickelt in Kalifornien) und verschiedene empirische Ansätze. Das Corps wählte die Marshall-Methode zur Übernahme, da sie vier kritische Anforderungen erfüllte:

1. Spannungsverteilung über den gesamten Querschnitt: Die gekrümmten Belastungsköpfe beanspruchten den gesamten Probekörperquerschnitt und nicht nur einen lokalen Bereich.
2. Schnelle Prüffähigkeit: Ein vollständiger Prüfzyklus konnte in Minuten durchgeführt werden, was einen hohen Labordurchsatz ermöglichte.
3. Kompaktes und tragbares Gerät: Der gesamte Aufbau konnte zu Feldlaboren transportiert werden.
4. Felddichtesimulation: Der Fallhammer erzeugte Verdichtungsdichten, die denen von Feldwalzen einigermaßen nahekamen, insbesondere für die Verdichtungsgeräte dieser Zeit.

Die Einführung der Verformungsmessung (1945)

Die bedeutendste Verfeinerung von Marshalls ursprünglicher Methode kam von der USACE Waterways Experiment Station, die eine Verformungs- (Durchbiegungs-) Messung zum Test hinzufügte. Das Verformungsmessgerät – typischerweise eine Messuhr oder ein Linearwegaufnehmer (LVDT) – misst die vertikale Verformung des Probekörpers am Punkt der maximalen Last. Das Corps argumentierte, dass eine Mischung mit ausreichender Standfestigkeit, aber übermäßiger Verformung unter Last zu Spurrinnenbildung und Aufschieben im Betrieb neigen würde. Umgekehrt könnte eine Mischung mit geringer Verformung (steif) aber geringer Standfestigkeit spröde und rissanfällig sein. Die Verformungsmessung bot somit eine wesentliche Kontrolle gegen übermäßig hohe Asphaltgehalte, die eine weiche, instabile Mischung erzeugen würden.

WES-Experimentelle Validierung (1948–1955)

In den späten 1940er und frühen 1950er Jahren führte WES umfangreiche Feldvalidierungsstudien durch, die Marshall-Prüfergebnisse mit der tatsächlichen Fahrbahnleistung korrelierten. Diese Studien untersuchten Variablen wie Gesteinskörnungsart und -abstufung, Asphaltbindemittelquelle und -sorte, Verdichtungsaufwand und Klimabedingungen. Das Corps etablierte die heute üblichen Verdichtungsstufen von 35, 50 und 75 Schlägen pro Seite entsprechend den Klassifikationen für leichten, mittleren und schweren Verkehr. Sie entwickelten auch die ersten umfassenden Marshall-Entwurfskriterientabellen mit Mindeststandfestigkeiten, Verformungsbereichen und Hohlraumanforderungen für verschiedene Verkehrsstufen.

Weltweite Verbreitung und Übernahme

Nach dem Zweiten Weltkrieg verbreitete sich die Marshall-Methode weltweit über mehrere Kanäle: technische Handbücher des USACE, die an verbündete Nationen verteilt wurden, das MS-2-Handbuch des Asphalt Institute (erstmals in den 1950er Jahren veröffentlicht und regelmäßig aktualisiert) und die Aufnahme der Methode in die Leitfäden der International Civil Aviation Organization (ICAO) für den Flugplatzbefestigungsentwurf. Bis in die 1970er Jahre war die Marshall-Methode zum dominierenden Asphaltmischgutentwurfsverfahren in Nordamerika, Europa, Asien, Afrika und Australasien geworden.

2. Marshall-Verdichtung: Geräte und Verfahren

Das Marshall-Verdichtungsgerät (Fallhammer)

Der Marshall-Hammer ist das zentrale Verdichtungsgerät, das die Knet- und Verdichtungswirkung von Feldwalzen auf einer Asphaltbefestigung simulieren soll. Wichtige Spezifikationen umfassen:

Es gibt zwei Arten von Marshall-Hämmern: manuelle Hämmer, bei denen der Bediener das Gleitgewicht auf die angegebene Fallhöhe anhebt und fallen lässt, und automatische Hämmer (elektrisch oder pneumatisch betrieben), die eine gleichmäßige Schlagfrequenz und Fallhöhe gewährleisten. Automatische Hämmer werden im Allgemeinen bevorzugt, da sie die Bedienerabhängigkeit verringern und die Prüf reproduzierbarkeit verbessern. Moderne automatische Marshall-Verdichter können Schlagfrequenzen von etwa 60 Schlägen pro Minute mit gleichmäßiger Energieabgabe erreichen.

Verdichtungsstufen nach Verkehrsklassifikation

Die Anzahl der Schläge, die auf jedes Ende des Probekörpers ausgeübt werden, wird durch die erwartete Verkehrsbelastung bestimmt. Die üblichen Verdichtungsstufen nach AASHTO T 245 und Asphalt Institute MS-2 sind:

Für Flugplatzbefestigungen erfordert die FAA P-401-Spezifikation typischerweise 75 Schläge pro Seite für alle Deckschichten und Binderschichten, was die extremen Lasten durch den Flugbetrieb widerspiegelt. Einige internationale Spezifikationen für Flugplatzbefestigungen verlangen in modifizierten Marshall-Verfahren für große Gesteinskörnungsmischungen (bis zu 38 mm nominale Maximalgröße) bis zu 112 Schlägen pro Seite.

Probekörperherstellungsverfahren

Die übliche Marshall-Probekörperherstellungssequenz nach ASTM D6926 umfasst:

1. Gesteinskörnungsvorbereitung: Die Gesteinskörnungen werden bei 105–110 °C (221–230 °F) bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und in einzelne Größenfraktionen gesiebt. Anschließend werden sie gemäß der Sollabstufung wieder zusammengesetzt.

2. Erwärmung: Die Gesteinskörnungen werden auf Mischtemperatur erwärmt, typischerweise 160–177 °C (320–350 °F) für konventionelle Bindemittel. Das Asphaltbindemittel wird auf die angegebene Mischtemperatur erwärmt, typischerweise 150–163 °C (302–325 °F). Die Temperatur-Viskositäts-Beziehung des Bindemittels wird verwendet, um die genauen Misch- und Verdichtungstemperaturen zu bestimmen, wobei eine Viskosität von 170±20 cSt für das Mischen und 280±30 cSt für das Verdichten angestrebt wird.

3. Mischen: Die erwärmten Gesteinskörnungen und das Bindemittel werden in einem mechanischen Mischer (oder von Hand für kleine Chargen) gründlich gemischt, bis alle Gesteinskörnungen gleichmäßig umhüllt sind – typischerweise 90–120 Sekunden Mischzeit.

4. Einfüllen: Die Mischung wird mit einer erwärmten Spachtel oder Schaufel in eine vorgewärmte Marshall-Formanordnung (Formzylinder, Kragen und Grundplatte) gegeben. Filterpapierscheiben werden oben und unten eingelegt. Die Mischung wird 15 Mal am Umfang und 10 Mal in der Mitte eingestochen.

5. Verdichtung: Die Formanordnung wird auf den Verdichtungssockel gestellt. Die angegebene Anzahl von Schlägen wird auf eine Seite ausgeübt, der Probekörper um 180° gedreht und die gleiche Anzahl von Schlägen auf die gegenüberliegende Seite ausgeübt.

6. Ausdrücken und Abkühlen: Nach der Verdichtung wird der Probekörper abkühlen gelassen. Die Formanordnung wird dann in einen Probenausdrücker gegeben, um den verdichteten Probekörper auszuformen. Die Probekörper werden bis zur Prüfung bei Raumtemperatur gelagert.

Modifiziertes Marshall-Verfahren für große Gesteinskörnungen

Wenn die nominale maximale Gesteinskörnungsgröße 26,5 mm (1,0 Zoll) überschreitet, ist ein modifiziertes Marshall-Verfahren mit Probekörpern von 152,4 mm (6,0 Zoll) Durchmesser erforderlich. Die wichtigsten Modifikationen nach ASTM D5581 umfassen:

3. Marshall-Standfestigkeits- und Verformungsprüfung

Grundlagen der Prüfung

Die Marshall-Standfestigkeitsprüfung (ASTM D6927 / AASHTO T 245) misst die maximale Last, die ein verdichteter Asphaltprobekörper bei einer Standardprüftemperatur von 60 °C (140 °F) aushalten kann – was der ungünstigsten sommerlichen Fahrbahntemperatur in den meisten Klimazonen entspricht. Der Probekörper wird vor der Prüfung 30–40 Minuten lang in einem Wasserbad bei 60 °C ± 1 °C konditioniert, um sicherzustellen, dass alle Probekörper über den gesamten Querschnitt eine gleichmäßige Temperatur erreichen.

Prüfgerät

Das Marshall-Prüfsystem besteht aus:

• Belastungsrahmen: Eine mechanische oder hydraulische Druckprüfmaschine, die Last mit einer konstanten Geschwindigkeit von 50,8 mm/min (2,0 in/min) mit einer Genauigkeit von ±2 % aufbringen kann.
• Bruchkopf: Zwei gekrümmte Stahlbelastungsstreifen, jeder mit einem Krümmungsradius von 50,8 mm (2,0 in), die den zylindrischen Probekörper aufnehmen. Der obere und untere Kopf sind mit Führungsstangen versehen, um die Ausrichtung während der Belastung beizubehalten.
• Lastmessung: Ein Kraftmessring, eine Kraftmessdose oder ein elektronischer Aufnehmer, kalibriert zur Lastmessung innerhalb von 1 % Genauigkeit, typischerweise mit einer Kapazität von 25–50 kN (5.600–11.200 lbs).
• Verformungsmessung: Eine Messuhr oder ein LVDT, montiert am Bruchkopf, misst die vertikale Verformung in 0,25-mm- (0,01-Zoll-) Schritten.

Prüfverfahren

1. Der konditionierte Probekörper wird aus dem 60 °C Wasserbad entnommen und mit einem feuchten Tuch oberflächentrocken getupft.
2. Der Probekörper wird mittig im Marshall-Bruchkopf zwischen den oberen und unteren Belastungsstreifen positioniert.
3. Die Bruchkopf-Probekörper-Anordnung wird im Belastungsrahmen platziert.
4. Das Verformungsmessgerät wird positioniert und auf Null gegen den Probekörper eingestellt.
5. Die Last wird mit einer konstanten Geschwindigkeit von 50,8 mm/min (2,0 in/min) aufgebracht.
6. Die maximale Last (Standfestigkeit) und die entsprechende Verformung (Durchbiegung) werden gleichzeitig aufgezeichnet.
7. Die Belastung wird fortgesetzt, bis die Last merklich abnimmt, was den Bruchpunkt bestätigt.

Interpretation der Standfestigkeits- und Verformungsergebnisse

Die Marshall-Standfestigkeit wird in kN (oder lbs) aufgezeichnet und repräsentiert den Spitzenlastwiderstand der Mischung. Höhere Standfestigkeitswerte deuten im Allgemeinen auf steifere Mischungen mit größerem Widerstand gegen Spurrinnenbildung und Verformung hin, jedoch kann eine übermäßig hohe Standfestigkeit auf eine zu spröde und unter thermischer oder Ermüdungsbelastung rissanfällige Mischung hindeuten.

Die Marshall-Verformung wird in mm (oder 0,25-mm-Schritten) aufgezeichnet und repräsentiert die plastische Verformung des Probekörpers beim Bruch. Höhere Verformungswerte weisen auf eine größere Flexibilität hin, können aber auf einen übermäßig hohen Bindemittelgehalt hindeuten, der zu Spurrinnenbildung führen könnte. Niedrigere Verformungswerte deuten auf eine steife, möglicherweise unterasphaltierte Mischung hin, die unter Last reißen könnte.

Der Marshall-Quotient (Standfestigkeit geteilt durch Verformung, ausgedrückt in kN/mm) wird manchmal als Steifigkeitsindikator verwendet. MoRTH (Indien) spezifiziert einen Marshall-Quotienten-Bereich von 2,5–5,0 kN/mm für dichten Bituminösen Makadam (DBM) und Bituminösen Beton (BC).

Typische Marshall-Entwurfskriterien

Quelle: Asphalt Institute MS-2, 6. Auflage

4. Volumetrische Analyse im Marshall-Mischgutentwurf

Dichtemessungen

Eine genaue Dichtebestimmung ist die Grundlage der Marshall-volumetrischen Analyse. Zwei spezifische Gewichtswerte sind wesentlich:

Rohdichte (Gmb) von verdichteten Probekörpern wird nach ASTM D2726 / AASHTO T 166 mit der Methode der gesättigten oberflächentrockenen (SSD) Probe bestimmt:

• Gmb = Trockenmasse / (SSD-Masse − Wasserverdrängungsmasse)

Für Probekörper mit hoher Wasseraufnahme (mehr als 2 %) sind alternative Methoden (ASTM D1188 paraffinbeschichtete Methode oder ASTM D6752 Vakuumversiegelungsmethode) erforderlich.

Theoretische maximale Rohdichte (Gmm) der lockeren Asphaltmischung wird nach ASTM D2041 / AASHTO T 209 (der Rice-Test) bestimmt, bei dem die lockere, unverdichtete Mischung unter Vakuum gesättigt wird, um eingeschlossene Luft zu entfernen, wodurch die Berechnung der Dichte der Mischung ohne Hohlräume ermöglicht wird.

Hohlraumgehalt (Va)

Der Hohlraumgehalt, auch als Hohlräume in der Gesamtmischung (VTM) bezeichnet, repräsentiert die kleinen Lufträume zwischen den umhüllten Gesteinskörnungen in der verdichteten Mischung. Berechnung:

Va = [1 − (Gmb / Gmm)] × 100 %

Die angestrebten Soll-Hohlraumgehalte liegen typischerweise bei 4,0 % (mit einem akzeptablen Bereich von 3–5 %), was den Hohlraumgehalt unmittelbar nach dem Bau darstellt. Im Laufe der Zeit reduziert die Verkehrsverdichtung die Hohlräume auf 2–3 %, bekannt als der Hohlraumgehalt im Betrieb. Die Aufrechterhaltung ausreichender Hohlräume ist kritisch, weil:

• Zu niedrig (< 3 %): Verursacht Ausbluten, Austreten und Spurrinnenbildung, da sich das Bindemittel unter Verkehr in den verringerten Hohlraum ausdehnt
• Zu hoch (> 8 %): Ermöglicht übermäßigen Wasser- und Sauerstoffzutritt, was oxidative Alterung, Feuchteschäden und Abrieseln beschleunigt

Der Soll-Hohlraumgehalt von 4 % bietet ein Gleichgewicht zwischen der Verhinderung von Bindemittelausbluten und der Aufrechterhaltung ausreichender Haltbarkeit über die Nutzungsdauer der Befestigung.

Hohlräume im Mineralstoffgerüst (HWM)

HWM repräsentiert den intergranularen Hohlraum zwischen den Gesteinskörnungen in einer verdichteten Mischung, einschließlich des Raums, der von Asphaltbindemittel und Hohlräumen eingenommen wird. HWM wird berechnet als:

HWM = 100 − [(Gmb × Ps) / Gsb]

Wobei:

• Gmb = Rohdichte der verdichteten Mischung
• Ps = Gesteinskörnungsgehalt, Prozent des Gesamtmischgewichts
• Gsb = Rohdichte der Gesamtgesteinskörnung

Minimale HWM-Anforderungen sind entscheidend für die Gewährleistung einer ausreichenden Bindemittelfilmdicke um die Gesteinskörnungen. Unzureichendes HWM führt zu dünnen Bindemittelfilmen, die schnell altern und spröde, rissanfällige Befestigungen erzeugen. Die Mindest-HWM-Kriterien des Asphalt Institute hängen von der nominalen maximalen Korngröße (NMPS) der Gesteinskörnung ab:

Mit Asphalt gefüllte Hohlräume (HFA)

HFA repräsentiert den Anteil des HWM, der von Asphaltbindemittel eingenommen wird (ausschließlich absorbiertes Bindemittel). Berechnung:

HFA = [(HWM − Va) / HWM] × 100 %

Wobei:

• HWM = Hohlräume im Mineralstoffgerüst (%)
• Va = Hohlraumgehalt (%)

HFA gibt den Füllungsgrad des Hohlraumsystems der Gesteinskörnung an. Höhere HFA-Werte bedeuten mehr mit Bindemittel gefülltes HWM, was reichhaltigere, haltbarere Mischungen ergibt. Niedrigere HFA-Werte bedeuten magerere Mischungen mit höherem Hohlraumgehalt. Die HFA-Kriterien variieren je nach Verkehrsstufe, wie in der obigen Entwurfskriterientabelle gezeigt.

Rohdichte der Gesteinskörnung (Gsb, Gsa, Gssd)

Die Bestimmung der korrekten Dichte der Gesteinskörnungsmischung ist entscheidend für eine genaue HWM-Berechnung. Drei Messgrößen sind nach ASTM C127 / AASHTO T 84 definiert:

• Rohdichte (Gsb): Beinhaltet das gesamte durchlässige Porenvolumen innerhalb der Gesteinskörnung – verwendet in der HWM-Berechnung
• Gesättigte oberflächentrockene Dichte (Gsa): Beinhaltet mit Wasser gefüllte durchlässige Poren – verwendet in der Absorptionsberechnung
• Reindichte (Gssd): Schließt alle durchlässigen Poren aus – verwendet für Berechnungen der theoretischen maximalen Dichte

5. Bestimmung des optimalen Bindemittelgehalts

Herstellung von Versuchsmischungen

Das Marshall-Verfahren erfordert typischerweise fünf Asphaltversuchsgehalte in 0,5%-Schritten, wobei der mittlere Wert den geschätzten optimalen Bindemittelgehalt darstellt. Für jeden Versuchsgehalt werden drei wiederholte Probekörper hergestellt (insgesamt 15 Probekörper). Der Versuchsbereich sollte mindestens 1,0 % über und unter dem geschätzten Optimum liegen, um klare Trends in den resultierenden Kurven zu etablieren.

Grafische Analyse

Nachdem alle Probekörper geprüft wurden, werden sechs Diagramme mit Asphaltgehalt auf der x-Achse erstellt:

1. Asphaltgehalt vs. Dichte: Die Dichte steigt typischerweise mit dem Asphaltgehalt, erreicht einen Höchstwert (maximale Dichte) und nimmt dann ab, wenn überschüssiges Bindemittel die Gesteinskörnungen auseinanderdrückt. Die Spitzendichte tritt im Allgemeinen bei einem höheren Bindemittelgehalt auf als die Spitzenstandfestigkeit.

2. Asphaltgehalt vs. Marshall-Standfestigkeit: Die Standfestigkeit steigt typischerweise mit dem Asphaltgehalt auf einen Höchstwert an und nimmt dann ab. Zwei Verhaltensweisen sind möglich: ein klar definierter Höchstwert (die meisten jungfräulichen Mischungen) oder eine monotone Abnahme ohne Höchstwert (einige Recyclingmischungen).

3. Asphaltgehalt vs. Verformung: Die Verformung nimmt mit steigendem Asphaltgehalt stetig zu, da der Bindemittelfilm dicker wird und die Mischung flexibler wird.

4. Asphaltgehalt vs. Hohlraumgehalt: Der Hohlraumgehalt nimmt mit steigendem Asphaltgehalt linear ab, da das Bindemittel den Hohlraum zwischen den Gesteinskörnungen füllt.

5. Asphaltgehalt vs. HWM: HWM nimmt mit steigendem Asphaltgehalt ab, erreicht ein Minimum und steigt dann an. Der minimale HWM-Punkt entspricht in etwa dem Punkt, an dem überschüssiges Bindemittel beginnt, die Körnungen auseinanderzudrücken.

6. Asphaltgehalt vs. HFA: HFA steigt mit steigendem Asphaltgehalt stetig an.

Verfahren zur Auswahl des optimalen Bindemittelgehalts (Asphalt Institute MS-2-Methode)

Das Standardverfahren zur Auswahl des optimalen Asphaltgehalts:

1. Bestimmen Sie den Asphaltgehalt bei 4,0 % Hohlraumgehalt (dem Spezifikationsmedian) durch Ablesen des Hohlraumgehaltsdiagramms. Dies ist der Kandidat für den optimalen Bindemittelgehalt.

2. Überprüfen Sie diesen Kandidatengehalt unter allen anderen Kriterien:

   • Die Standfestigkeit beim Kandidatengehalt muss die Mindestanforderung überschreiten
   • Die Verformung muss innerhalb des angegebenen Bereichs liegen
   • HWM muss das Minimum für die NMPS überschreiten
   • HFA muss innerhalb des angegebenen Bereichs liegen

3. Wenn alle Kriterien erfüllt sind, wird der Kandidaten-Bindemittelgehalt akzeptiert.

4. Wenn eines oder mehrere Kriterien nicht erfüllt sind, muss die Mischung durch Anpassung der Gesteinsabstufung, Änderung der Gesteinsquellen, Modifikation der Bindemittelklasse oder Änderung des Entwurfsverdichtungsgrads neu entwickelt werden.

Alternative Methoden

Einige Behörden (z. B. MoRTH in Indien) verwenden einen alternativen Ansatz: Berechnung des Bindemittelgehalts entsprechend:

• Maximaler Standfestigkeit
• Maximaler Dichte
• 4 % Hohlraumgehalt

Der optimale Bindemittelgehalt (OBC) ist dann der Durchschnitt dieser drei Werte. Diese Methode liefert etwas andere Ergebnisse als der Asphalt-Institute-Ansatz und ist in aus britischen Normen abgeleiteten Spezifikationen üblich.

6. Marshall-Mischgutentwurf für Flugplatzbefestigungen

FAA- und ICAO-Anforderungen

Die Marshall-Methode wird ausdrücklich im FAA Advisory Circular AC 150/5370-10H (Standard-Spezifikationen für den Bau von Flugplätzen) unter Position P-401 (Werksgemischte bituminöse Befestigungen) referenziert. Die FAA spezifiziert speziell auf Flugplatzbefestigungen zugeschnittene Marshall-Entwurfskriterien:

Die Forschungsliteratur der ICAO-Leitfäden für Flugplatzbefestigungsentwurf und -bewertung bestätigt, dass die Marshall-Mischgutentwurfsmethode nach sowohl FAA- als auch ICAO-Spezifikationen der bevorzugte Ansatz für den Asphaltmischgutentwurf von Start- und Landebahnen ist. Das ICAO-Handbuch für Flugplatzgestaltung (Doc 9157, Teil 3 – Befestigungen) enthält zusätzliche Leitlinien zur Materialauswahl und zu Prüfverfahren für Flugplatzbefestigungen.

Flugplatzspezifische Überlegungen

Flugplatzbefestigungen unterscheiden sich in mehreren kritischen Punkten von Straßenbefestigungen, die den Marshall-Mischgutentwurf beeinflussen:

Extreme Radlasten: Flugzeuge wie die Boeing 747-400 oder der Airbus A380 erzeugen Radlasten von bis zu 22.500 kg (49.600 lbs) pro Rad – weit über den gesetzlichen Straßenlasten. Mehrad-Fahrwerkskonfigurationen (z. B. 4-Rad-Drehgestelle, 6-Rad-Dreifach-Doppeltandem) erzeugen komplexe Spannungsverteilungen.

Chemische Beständigkeit: Flugplatzbefestigungen müssen Angriffen durch Düsentreibstoff (Kerosin), Hydraulikflüssigkeiten (Skydrol) und Enteisungschemikalien (Glykole, Kaliumacetat) widerstehen. Polymermodifizierte Bindemittel (PMB) sind heute Standard für Hauptstart- und Landebahnen und Vorfelder. Die Marshall-Methode kann die PMB-Bewertung aufnehmen, obwohl die empirischen Standfestigkeits-Verformungs-Kriterien für stark modifizierte Bindemittel möglicherweise angepasst werden müssen.

Anforderungen an die Oberflächenreibung: Flugplatzstart- und Landebahnen erfordern eine bestimmte Makro- und Mikrostruktur für die Bremsleistung bei Nässe. Die Marshall-Methode adressiert Oberflächenreibungseigenschaften nicht direkt, sodass ergänzende Prüfungen (z. B. British Pendulum Number, Sandfleck-Verfahren für Texturtiefe) erforderlich sind.

Kompatibilität mit Rillen: Start- und Landebahnrillen (6 mm × 6 mm Rillen im Abstand von 38 mm) werden üblicherweise zur Verbesserung der Reibung und Verringerung des Aquaplaning-Risikos angebracht. Der Mischgutentwurf muss eine ausreichende Standfestigkeit aufweisen, um die Rillenintegrität unter Verkehr zu erhalten.

FM 5-530 Marshall-Kriterien für militärische Flugplätze

Das Handbuch FM 5-530 des US Army Corps of Engineers enthält modifizierte Marshall-Kriterien für militärische Flugplätze unter Berücksichtigung des Einzellastcharakters des Flugzeugverkehrs:

7. Marshall vs. Superpave: Vergleichende Analyse

Grundlegende Unterschiede

Das Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements)-Mischgutentwurfssystem wurde im Rahmen des US-amerikanischen Strategic Highway Research Program (SHRP) von 1987 bis 1993 als leistungsbasierter Ersatz für die Marshall-Methode entwickelt. Die wichtigsten Unterschiede sind:

Vorteile von Superpave

1. Gyrationsverdichtung erzeugt Probekörper mit einer Kornorientierung und inneren Struktur, die repräsentativer für die Feldverdichtung mit modernen Hochfrequenz-Rüttelwalzen ist.
2. Leistungsbezogene (PG) Bindemittel werden auf der Grundlage klimaspezifischer Temperaturbereiche ausgewählt, was eine rationalere Bindemittelauswahl als Penetrations- oder Viskositätsklassen ermöglicht.
3. Konsens-Gesteinskörnungseigenschaften (Scharfkantigkeit des Grobkorns, Scharfkantigkeit des Feinkorns, platte und längliche Körner) gewährleisten robuste Gesteinskörnungsgerüste.
4. Volumetrischer Entwurf bei N_design verwendet einen rationalen Verdichtungsgrad entsprechend der Entwurfsverkehrsbelastung.
5. Optionale Leistungsprüfungen (z. B. AASHTO T 378 Fließzahlprüfung für Spurrinnenbildung, AASHTO T 322 Spaltzugprüfung für Rissbildung) liefern grundlegende technische Eigenschaften.

Vorteile der Marshall-Methode

1. Geringere Anschaffungskosten: Eine vollständige Marshall-Laborausstattung kostet deutlich weniger als ein Superpave-Gyrationsverdichter und die zugehörige Ausrüstung.
2. Einfachheit und Schnelligkeit: Die Prüfung kann mit minimaler Schulung schnell durchgeführt werden, was sie für die routinemäßige Qualitätskontrolle geeignet macht.
3. Portabilität: Die Ausrüstung kann für abgelegene Baustellen zu Feldlaboren transportiert werden.
4. Umfangreiche historische Datenbank: Jahrzehnte der Korrelation zwischen Marshall-Prüfergebnissen und Feldleistung in Tausenden von Projekten bieten eine zuverlässige empirische Grundlage.
5. Weit verbreitete internationale Übernahme: Die Marshall-Methode ist in Normen in ganz Nordamerika, Europa, Asien, Afrika und Australasien spezifiziert, was globale Konsistenz gewährleistet.
6. Anwendbarkeit auf dichtgestufte Mischungen: Für konventionellen dichtgestuften HMA mit NMPS bis 25 mm liefert die Marshall-Methode zufriedenstellende Entwürfe.

Leistungsvergleich

Die Forschung zum Vergleich von Marshall- und Superpave-Entwürfen (z. B. veröffentlichte Studien in Construction and Building Materials, Journal of Transportation Engineering) zeigt allgemein, dass:

• Superpave-Mischungen 5–14 % bessere Spurrinnenbeständigkeit und verbesserte Rissbeständigkeit in verschiedenen Klimaregionen aufweisen.
• Marshall-Mischungen, die nach aktuellen Kriterien entworfen wurden, für niedrige bis mittlere Verkehrsstärken (bis zu 10⁶ ESALs) eine ausreichende Leistung erbringen, bei denen die empirischen Korrelationen gut etabliert sind.
• Für Anwendungen mit hohem Verkehrsaufkommen und schweren Lasten (Start- und Landebahnen, Fernstraßen mit über 30 Millionen ESALs) werden Superpave- oder ausgewogene Mischgutentwurfsansätze (BMD) zunehmend bevorzugt.

8. Grenzen der Marshall-Methode

Grundlegender empirischer Charakter

Die Marshall-Standfestigkeits- und Verformungswerte sind empirische Indizes, keine grundlegenden technischen Eigenschaften. Ein Standfestigkeitswert von 10 kN lässt sich nicht direkt in einen bestimmten Modul, eine Scherfestigkeit oder eine Ermüdungslebensdauer übersetzen. Dieser empirische Charakter bedeutet, dass die Methode auf historischer Korrelation und nicht auf mechanistischer Modellierung des Fahrbahnverhaltens beruht.

Verdichtungssimulation

Der Marshall-Fallhammer wendet vertikale Schlagverdichtung an, die eine Kornorientierung und innere Struktur erzeugt, die sich von der Knet- und Scherverdichtung moderner Gummibereifungswalzen, Stahlwalzen und Superpave-Gyrationsverdichtern unterscheidet. Diese Diskrepanz kann zu folgenden Problemen führen:

• Überschätzung der erreichbaren Felddichte für steife Mischungen
• Unterschätzung der erreichbaren Felddichte für weiche Mischungen
• Unterschiedliche Kornorientierung, die die gemessene Standfestigkeit beeinflusst

Begrenzte Prüfbedingungen

Die Marshall-Prüfung bewertet Probekörper bei einer einzigen Temperatur (60 °C) und Belastungsgeschwindigkeit (50,8 mm/min). Dies erfasst nicht:

• Tieftemperaturrissverhalten (geprüft mittels Thermospannungsprüfungen an eingeschränkten Probekörpern oder Halbkreisbiegeversuchen)
• Ermüdungsrissbildung unter wiederholter Belastung (geprüft mittels Vierpunkt-Biegeermüdungsversuchen)
• Feuchteempfindlichkeit (geprüft mittels Zugfestigkeitsverhältnis nach AASHTO T 283)
• Alterungseffekte auf Bindemitteleigenschaften im Laufe der Zeit

Kompatibilität mit modifizierten Bindemitteln

Die Marshall-Standfestigkeits-Verformungs-Kriterien wurden für konventionelle unmodifizierte Bindemittel entwickelt. Moderne polymermodifizierte Bindemittel (PMB) – einschließlich SBS, EVA und elastomere Modifikationen – zeigen ein unterschiedliches viskoelastisches Verhalten, das durch die Marshall-Prüfung möglicherweise nicht ausreichend erfasst wird. PMB-Mischungen können Folgendes aufweisen:

• Höhere Standfestigkeitswerte, die über traditionelle Kriterien hinausgehen (was eine Lockerung der Höchstgrenzen erfordert)
• Unterschiedliche Verformungseigenschaften, die nicht linear mit der Feldleistung korrelieren
• Temperaturempfindlichkeit, die sich von konventionellen Bindemitteln unterscheidet

Einschränkungen bei großen Gesteinskörnungen

Das Standard-Marshall-Gerät (Form mit 101,6 mm Durchmesser) ist nur für Gesteinskörnungen mit einer nominalen Maximalgröße (NMS) bis 26,5 mm geeignet. Für größere Gesteinskörnungen ist das modifizierte Marshall-Verfahren (152,4 mm Durchmesser, 22,5 lb Hammer) erforderlich, ist jedoch weniger standardisiert und verfügt über begrenzte historische Korrelationsdaten.

Variabilität und Reproduzierbarkeit

Marshall-Prüfergebnisse können aufgrund folgender Faktoren erhebliche Variabilität aufweisen:

• Bedienungstechnik bei manueller Verdichtung (Schlagfrequenz, Hammerausrichtung)
• Probekörperhöhenvariation (Korrekturen für nicht standardgemäße Höhen erforderlich)
• Temperaturkontrolle während der Probekörperherstellung und -konditionierung
• Gleichmäßigkeit der Gesteinsumhüllung

9. Marshall-Kriterien nach Verkehrsstufe

Umfassende Entwurfskriterientabelle

Die folgende Tabelle zeigt umfassende Marshall-Entwurfskriterien, zusammengestellt aus den Spezifikationen des Asphalt Institute (MS-2), ASTM D6927, AASHTO T 245 und FAA P-401:

Internationale Unterschiede

Die Marshall-Kriterien variieren erheblich zwischen Ländern und Behörden:

10. Qualitätskontrolle mittels Marshall-Prüfung

Werksproduzierte vs. laborgefertigte Probekörper

Die Marshall-Prüfung erfüllt eine doppelte Rolle im Qualitätsmanagement:

1. Entwurfsphase (LMLC): Laborgefertigte, laborverdichtete Probekörper etablieren die Arbeitsmischungsformel (JMF).
2. Produktionsphase (PMLC): Werksgemischte, laborverdichtete Probekörper verifizieren, dass die produzierte Mischung der JMF entspricht.

Die Produktionstoleranzkriterien nach AASHTO- und FAA-Normen:

Statistische Qualitätskontrolle

Moderne Qualitätskontrollprogramme wenden die statistische Prozesskontrolle (SPC) auf Marshall-Prüfergebnisse an:

• Kontrollkarten verfolgen gleitende Mittelwerte von Standfestigkeit, Verformung, Hohlraumgehalt und HWM aus aufeinanderfolgenden Produktionsproben.
• Obere und untere Eingriffsgrenzen (UCL/LCL) werden bei ±3 Standardabweichungen vom JMF-Zielwert festgelegt.
• Moving-Range-Karten erkennen Verschiebungen in der Produktionskonsistenz.
• Chargenannahme basiert auf dem Prozentsatz der Prüfungen, die die Spezifikationskriterien erfüllen (typischerweise 90 % Einzelkonformität, 100 % Durchschnittskonformität pro Charge).

Fehleranalyse

Wenn Marshall-Prüfergebnisse außerhalb der Akzeptanzgrenzen liegen, wird die folgende systematische Untersuchung empfohlen:

1. Bindemittelgehalt prüfen: Verifizierung mittels QCS-Kernmessgerät oder Brennofen (ASTM D6307)
2. Abstufung prüfen: Nasssiebanalyse der extrahierten Gesteinskörnung
3. Verdichtung prüfen: Hammerkalibrierung, Schlagzahl und Temperatur überprüfen
4. Konditionierung prüfen: Wassertemperatur und Eintauchzeit überprüfen
5. Prüfung prüfen: Lastringkalibrierung und Belastungsgeschwindigkeit überprüfen
6. Probenahme prüfen: Sicherstellen, dass die Probe repräsentativ für die Produktionscharge ist

Prüfhäufigkeit

Typische Prüfhäufigkeiten für die Qualitätskontrolle nach FAA P-401 und staatlichen DOT-Spezifikationen:

Fazit

Die Marshall-Mischgutentwurfsmethode bleibt mehr als 80 Jahre nach ihrer Entwicklung ein Eckpfeiler der Asphaltbefestigungstechnik. Ihre anhaltende Relevanz ergibt sich aus ihrer praktischen Ausgewogenheit von Einfachheit, Reproduzierbarkeit und empirischer Korrelation mit der Feldleistung. Die weit verbreitete globale Übernahme der Methode – auf fünf Kontinenten und sowohl im Straßen- als auch im Flugplatzbau – hat eine riesige Datenbank mit Leistungskorrelationen geschaffen, die weiterhin Befestigungsentwurfsentscheidungen beeinflussen.

Während das Superpave-System viele der Grenzen der Marshall-Methode durch leistungsbezogene Bindemittel, Gyrationsverdichtung und grundlegende technische Eigenschaftsprüfungen adressiert hat, behält die Marshall-Methode Vorteile in Bezug auf Kosten, Portabilität und einfache Implementierung, die sie für viele Behörden weltweit zur bevorzugten Methode machen. Speziell für Flugplatzbefestigungen gewährleistet die Integration der Methode in FAA P-401 und ICAO-Leitlinien ihre anhaltende Relevanz für den Flugplatzbau.

Der effektivste Ansatz für die moderne Befestigungstechnik besteht darin, die Marshall-Methode für die routinemäßige Qualitätskontrolle und Entwürfe für niedrigen bis mittleren Verkehr anzuwenden, während für Hauptverkehrskorridore, stark belastete Flugplatzbefestigungen und Projekte, die fortgeschrittene Bindemittelmodifikation oder Leistungsprüfungen erfordern, auf Superpave- oder ausgewogene Mischgutentwurfsansätze (BMD) umgestellt wird. Das Verständnis beider Methoden – ihrer Stärken, Grenzen und geeigneten Anwendungen – ist für das Werkzeug eines Befestigungsingenieurs unerlässlich.