Superpave-Gyratory-Verdichter (SGC)

Was ist der Superpave-Gyratory-Verdichter?

Der Superpave-Gyratory-Verdichter (SGC) ist das standardmäßige Laborverdichtungsgerät, das im Superpave (SUperior PERforming Asphalt PAVEments) -Mischgutkonzeptionssystem verwendet wird. Entwickelt im Rahmen des Strategic Highway Research Program (SHRP) zwischen 1987 und 1993, ersetzte der SGC den Marshall-Fallhammer (Schlagverdichtung) und den Hveem-Knetverdichter als primäres Gerät zur Herstellung von laborverdichteten Asphaltproben für die Mischgutkonzeption und Qualitätskontrolle. Der SGC war ein direktes Ergebnis des 50 Millionen US-Dollar schweren SHRP-Asphaltforschungsprogramms, das verbesserte Methoden zur Spezifikation, Prüfung und Konzeption von Asphaltbaustoffen entwickeln sollte.

Der SGC arbeitet, indem er einen konstanten vertikalen Druck von 600 kPa (87 psi) auf eine lose Heißasphalt (HMA)-Probe in einer zylindrischen Stahlform ausübt, während gleichzeitig die Form um einen Gyrationswinkel von 1,25 Grad geneigt und mit 30 Umdrehungen pro Minute rotiert wird. Diese kombinierte Wirkung – vertikale Kompression plus gyratorische Scherung – erzeugt einen Kneteffekt, der die Gesteinskörnungen in eine dichte, verzahnte Konfiguration umorientiert, die der Partikelorientierung von Stahlrad- und Gummireifenwalzen im Feldeinsatz sehr nahe kommt. Dies ist der grundlegende Vorteil des SGC gegenüber Schlagverdichtungsmethoden: Die gyratorische Bewegung erzeugt Proben mit einer Kornstruktur und Dichteeigenschaften, die mechanisch analog zu feldverdichteten Straßenbelägen sind.

Der SGC ist nicht nur ein Verdichtungsgerät – er ist ein integraler Bestandteil des volumetrischen Superpave-Mischgutkonzeptionssystems. Das Gerät zeichnet die Probenhöhe während der gesamten Verdichtung kontinuierlich auf, sodass der Bediener eine Verdichtungskurve erstellen kann, die die Probendichte als Funktion der Anzahl der Gyrationen darstellt. Diese Kurve liefert wesentliche Informationen über die Verdichtbarkeit des Mischguts und sein potenzielles Verhalten unter Verkehr. Der SGC wurde erstmals in AASHTO TP4 (Vorläufige Norm) eingeführt und später zum vollständigen Normstatus als AASHTO T312 (Vorbereitung und Bestimmung der Dichte von Heißasphalt-Proben mittels Superpave-Gyratory-Verdichter) erhoben. Die äquivalente ASTM-Norm ist ASTM D6925 (Standardprüfverfahren für die Vorbereitung und Bestimmung der relativen Dichte von Heißasphalt-Proben mittels Superpave-Gyratory-Verdichter).

Prinzip und Betriebsparameter des SGC

Das Funktionsprinzip des SGC basiert auf dem Gyratory-Scherverdichtungskonzept, das ursprünglich in den 1960er Jahren von der Texas Highway Department entwickelt und später vom U.S. Army Corps of Engineers und dem französischen Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) verfeinert wurde. Die SHRP-Forscher entschieden sich für einen Gyratory-Verdichter mit Betriebsprotokollen, die denen des französischen LCPC-Gyratory-Verdichters sehr ähnlich sind, der in Europa seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz war. Die wichtigsten Parameter, die den SGC-Betrieb definieren, wurden durch umfangreiche Experimente während des SHRP-Programms ermittelt und sind in AASHTO T312 festgelegt.

Der vertikale Druck von 600 kPa wurde gewählt, um den typischen Kontaktdruck von Gummireifenwalzen darzustellen, die bei der ersten Andrückverdichtung während des Asphalteinbaus verwendet werden. Die SHRP-Forscher bewerteten Drücke von 200 kPa bis 800 kPa und stellten fest, dass 600 kPa die beste Korrelation mit Felddichten bei gleichzeitiger Erreichbarkeit mit Standardlaborgeräten lieferte. Der Gyrationswinkel von 1,25 Grad wurde festgelegt, nachdem frühe SHRP-Arbeiten einen Winkel von 1,0 Grad verwendeten und feststellten, dass dieser nicht ausreichte, um 4 % Luftporen bei der Konzeptions-Gyrationszahl zu erreichen. Frühe SGC-Prototypen arbeiteten bei 1,14 Grad, was auf 1,25 Grad erhöht wurde, um eine ausreichende Verdichtungsenergie zu gewährleisten. Die Rotationsgeschwindigkeit von 30 Umdrehungen pro Minute wurde gewählt, nachdem eine Studie zeigte, dass die volumetrischen Eigenschaften bei 6, 15 und 30 U/min statistisch nicht unterschiedlich waren – die höhere Geschwindigkeit wurde zur Reduzierung der Prüfzeit gewählt.

Der SGC-Lastrahmen übt den vertikalen Druck über einen hydraulischen oder pneumatischen Aktuator aus, der während des gesamten Verdichtungsprozesses einen konstanten Druck aufrechterhält. Die Formanordnung besteht aus einer zylindrischen Stahlform, einer Bodenplatte und einem oberen Stempel (Deckplatte), der die vertikale Last auf die Probe überträgt. Die Gyration wird durch Neigen der gesamten Formanordnung relativ zur vertikalen Achse bei gleichzeitiger Drehung um ihre vertikale Mittellinie erreicht. Moderne SGC-Geräte verfügen über Innenwinkelsensoren, die den Gyrationswinkel direkt im Formhohlraum messen, wodurch die Nachgiebigkeitsfehler eliminiert werden, die mit externen, rahmenmontierten Winkelmessungen verbunden sind.

Vergleich mit der Marshall-Hammer-Verdichtung

Der SGC und der Marshall-Hammer repräsentieren grundlegend unterschiedliche Ansätze zur Laborverdichtung von Asphaltmischungen. Die Marshall-Methode, entwickelt von Bruce Marshall von der Mississippi Highway Department im Jahr 1939 und verfeinert vom U.S. Army Corps of Engineers während des Zweiten Weltkriegs, verwendet Schlagverdichtung – ein 4,54 kg (10 lb) schwerer Fallhammer aus einer Höhe von 457 mm (18 Zoll), der 50 oder 75 Schläge pro Probenseite ausführt. Die Marshall-Methode erzeugt eine Probe mit 102 mm (4 Zoll) Durchmesser und etwa 63,5 mm (2,5 Zoll) Höhe.

Der Marshall-Hammer wendet rein vertikale Schlagenergie an, die die Probe zusammendrückt, aber nicht die Scherumorientierung der Gesteinskörnungen erzeugt, die beim Feldwalzen auftritt. Dies führt zu Proben mit einer anderen Kornstruktur als feldverdichtete Beläge. Untersuchungen haben gezeigt, dass Marshall-verdichtete Proben eine zufälligere Kornorientierung aufweisen, während SGC-verdichtete Proben eine bevorzugte Kornorientierung zeigen, bei der die Längsachsen der Partikel senkrecht zur Verdichtungsrichtung ausgerichtet sind – identisch mit der Orientierung, die in Feldbohrkernen beobachtet wird.

Der Marshall-Stabilitäts- und Fließversuch misst die maximale Last (Stabilität) und die vertikale Verformung (Fließwert), wenn die verdichtete Probe bei 60 °C diametral belastet wird. Obwohl diese Parameter seit Jahrzehnten verwendet werden, messen sie keine grundlegenden Materialeigenschaften. Der Stabilitätsversuch misst eine Kombination aus Scherung und Kompression anstelle einer reinen Scherfestigkeit, und die Fließwertmessung ist ein empirischer Verformungsindex und keine grundlegende Dehnungsmessung. Der SGC verwendet dagegen keine Stabilitäts- und Fließwertkriterien – er basiert auf volumetrischen Eigenschaften (Luftporen bei Ndesign, VMA, VFA und Staub-Bindemittel-Verhältnis), die eine direkte Beziehung zur Mischungsleistung haben.

Der Größenunterschied der Proben ist ebenfalls bedeutsam. Die SGC-Probe mit 150 mm Durchmesser nimmt größere Gesteinskörnungen (bis zu 25 mm NMAS) auf und bietet eine größere Querschnittsfläche, die Randeffekte und die Variabilität kleinerer Proben reduziert. Die größere Probe liefert auch ausreichend Material für nachfolgende Leistungsprüfungen, wie den Hamburger Spurrinnentest (AASHTO T324) oder den Asphalt Pavement Analyzer (AASHTO T340), die größere Prüfkörper erfordern, als die Marshall-Methode liefern kann.

Konzeptionsgyrationen: Ndes, Nmax und Nini

Der SGC definiert drei kritische Gyrationszahlen, die in direktem Zusammenhang mit der erwarteten 20-Jahres-Verkehrsbelastung in Millionen von äquivalenten Einzelachslasten (ESALs) stehen. Diese drei Parameter – Ninitial (Nini) , Ndesign (Ndes) und Nmax – definieren zusammen den vollständigen Verdichtungsbereich für das Mischgut.

Ndesign (Ndes)

Ndesign ist die Konzeptions-Gyrationszahl, die eine Probendichte erzeugt, die der erwarteten Felddichte nach Verkehrsverdichtung über die Konzeptionslebensdauer der Fahrbahndecke entspricht. Dies ist die primäre Verdichtungsstufe für die Mischgutkonzeption – das Ziel bei Ndesign ist 4,0 % Luftporengehalt. Die Anzahl der Gyrationen bei Ndesign reicht von 50 für geringe Verkehrsbelastung (<0,3 Millionen ESALs) bis zu 125 für Verkehr ≥30 Millionen ESALs gemäß AASHTO R35.

Die ursprüngliche Superpave-Ndesign-Tabelle enthielt 28 verschiedene Stufen basierend auf der Kombination von Konzeptions-Hochtemperatur und Verkehrsbelastung. Untersuchungen im Rahmen von NCHRP-Projekt 9-9 zeigten jedoch, dass viele dieser Stufen redundant waren und statistisch ähnliche volumetrische Eigenschaften ergaben. Die Tabelle wurde auf vier Stufen (50, 75, 100 und 125 Gyrationen) konsolidiert, die so gewählt wurden, dass der VMA-Unterschied zwischen benachbarten Stufen mindestens 1 % beträgt – ein als signifikant für die Mischgutkonzeption angesehener Schwellenwert. Die NCHRP 9-9(1)-Studie bestätigte diese Stufen durch umfangreiche Feldverifizierung und korrelierte die Labor-SGC-Verdichtung mit der Verdichtung vor Ort unter tatsächlichem Verkehr.

Hinweis: Für 3 bis <10 Millionen ESALs können einige Behörden 75/115 als Alternative verwenden.

Nmax

Nmax ist die maximale Anzahl von Gyrationen, die eine Dichte erzeugt, die im Feld niemals überschritten werden sollte. Bei Nmax muss der Luftporengehalt ≥2,0 % betragen. Diese Anforderung stellt sicher, dass das Mischgut einen ausreichenden Widerstand gegen weitere Verdichtung unter Verkehr aufweist. Wenn der Luftporengehalt bei Nmax unter 2,0 % fällt, gilt das Mischgut als zu stark verdichtbar – unter Verkehrsbelastung könnte der Luftporengehalt unter das für die Stabilität erforderliche Minimum fallen, was zu Spurrinnenbildung, Ausbluten (Bitumenaufstieg) oder Schieben führt. Der Nmax-Wert wurde ursprünglich aus dem Konzept abgeleitet, dass jedes Mischgut, das im Labor auf mehr als 98 % der theoretischen maximalen spezifischen Dichte verdichtet wird, zu übermäßiger Verdichtung oder Spurrinnenbildung im Feld neigen würde.

Die Beziehung zwischen Ndesign und Nmax wurde während des SHRP-Programms durch die Analyse von Feldbohrkernen aus neun SPS-9-Projekten ermittelt. Die Forscher stellten fest, dass der durchschnittliche Nmax-Wert etwa 1,10 × log(Ndesign) betrug. Diese Beziehung wurde verwendet, um die Nmax-Werte für jede Ndesign-Stufe in der Standardtabelle zu berechnen.

Ninitial (Nini)

Ninitial ist die Anzahl der Gyrationen, die zur Bewertung der Verdichtbarkeit des Mischguts während der frühen Bauphase verwendet wird. Bei Ninitial muss die Probendichte bei oder unter einem bestimmten Prozentsatz der theoretischen Maximaldichte (Gmm) liegen. Die prozentuale Grenze variiert je nach Verkehrsstufe: ≤91,5 % für geringen Verkehr (<0,3 Millionen ESALs) und ≤89,0 % für hohen Verkehr (≥30 Millionen ESALs).

Die Ninitial-Anforderung ist eine Verdichtbarkeitsprüfung, die die Verwendung von weichen Mischungen verhindert – Mischungen, die unter der Walze zu schnell verdichten und instabil werden. Wenn die Dichte bei Ninitial die festgelegte Grenze überschreitet, gilt das Mischgut als zu stark verdichtbar, was bedeutet, dass es sich während des Baus schnell verdichten wird und sich unter Verkehr weiter verdichten kann, was zu Spurrinnenbildung führt. Weiche Mischungen sind typischerweise mit übermäßigem Gehalt an natürlichem (ungebrochenem) Sand, runden Gesteinskörnungen oder unzureichender Kantigkeit verbunden. Die Ninitial-Prüfung zwingt den Mischgutkonstrukteur, die Gesteinskörnungszusammensetzung anzupassen (typischerweise durch Erhöhung des Anteils gebrochener Gesteinskörnungen oder Reduzierung von Natursand), bis die Ninitial-Dichte unter der festgelegten Grenze liegt.

Die Beziehung zwischen Ninitial und Ndesign wurde durch das SHRP-A001 Task F-Experiment ermittelt, bei dem Feldbohrkerne analysiert wurden, um die Form der Verdichtungskurve zu bestimmen. Die Forscher fanden heraus, dass die durchschnittliche Ninitial-Stufe etwa Ninitial = 0,45 × log(Ndesign) betrug. Der Ninitial-Wert ist für hochverkehrsbelastete Mischungen niedriger, da diese Mischungen einen höheren Widerstand gegen frühe Verdichtung benötigen – sie müssen steif genug sein, um einer zu schnellen Verdichtung unter der Walze zu widerstehen.

Analyse der Verdichtungskurve

Die Verdichtungskurve (auch Dichtekurve genannt) ist einer der wertvollsten Ergebnisse des SGC. Der SGC zeichnet die Probenhöhe nach jeder Gyration (oder in festgelegten Abständen) auf, sodass der Bediener die Probendichte bei jeder Gyrationszahl berechnen und als Funktion der Anzahl der Gyrationen darstellen kann. Die Dichte wird als %Gmm ausgedrückt – der Prozentsatz der theoretischen maximalen spezifischen Dichte, gemessen an der losen Mischung gemäß AASHTO T209 (Rice-Versuch).

Die Verdichtungskurve hat eine charakteristische Form: eine steile Anfangssteigung während der ersten 10–20 Gyrationen, wenn sich die lose Mischung schnell verdichtet, gefolgt von einer allmählich abnehmenden Verdichtungsrate, je mehr sich die Probe ihrer maximalen Verdichtungsdichte nähert. Die Kurve nähert sich asymptotisch der maximal erreichbaren Dichte unter den gegebenen Verdichtungsparametern. Die mathematische Form der Kurve folgt einer Potenzgesetz-Beziehung:

%Gmm = A - B × N^(-C)

Wobei:

• %Gmm = Dichte bei N Gyrationen (% der Gmm)
• N = Anzahl der Gyrationen
• A, B, C = Regressionskonstanten, spezifisch für das Mischgut

Die Steigung der Verdichtungskurve an jedem Punkt stellt die Verdichtungsgeschwindigkeit dar (die Dichteänderung pro Gyration). Mischungen, die sehr schnell verdichten (steile Anfangssteigung, hoher C-Wert), können weich sein – sie erreichen eine hohe Dichte mit minimalem Verdichtungsaufwand und können unter Verkehr instabil sein. Mischungen, die sehr langsam verdichten (flache Steigung durchgehend, niedriger C-Wert), können im Feld schwer zu verdichten sein – sie erfordern übermäßige Walzenübergänge, um die Zieldichte zu erreichen, was die Baukosten erhöht und möglicherweise zu Entmischung oder unzureichender Verdichtung führt.

Die Verdichtungskurve liefert drei wichtige Informationen:

K (Gyratory-Verdichtungssteigung) – auch Gyrationssteigung genannt, wird als Steigung des linearen Teils der Verdichtungskurve in einem halblogarithmischen Diagramm (log Gyrationen gegenüber %Gmm) berechnet. Der K-Wert wird von der Kornabstufung, dem Bindemittelgehalt, der Bindemittelklasse und der Kantigkeit der Gesteinskörnungen beeinflusst. Kantigere Gesteinskörnungen und steifere Bindemittel erzeugen niedrigere K-Werte (langsamere Verdichtung), während runde Gesteinskörnungen und weichere Bindemittel höhere K-Werte (schnellere Verdichtung) erzeugen.

Cinitial (%Gmm bei Ninitial) – die bei der Ninitial-Gyrationsstufe erreichte Dichte. Sie muss ≤89,0–91,5 % der Gmm betragen, abhängig von der Verkehrsstufe. Hohe Cinitial-Werte deuten auf übermäßige Verdichtbarkeit und potenzielle Weichheit hin.

Cmax (%Gmm bei Nmax) – die bei der Nmax-Gyrationsstufe erreichte Dichte. Sie muss ≤98,0 % der Gmm betragen (Luftporen ≥2,0 %). Niedrige Cmax-Werte (unter 96 %) zeigen einen guten Widerstand gegen Überverdichtung an, während Cmax-Werte, die sich 98 % oder mehr nähern, eine potenzielle Spurrinnenanfälligkeit anzeigen.

Die Verdichtungskurve reagiert auch empfindlich auf Produktionsschwankungen während der Qualitätskontrollprüfung. Eine Verschiebung der Verdichtungskurve zwischen Konzeptionsproben und Produktionsproben kann auf Änderungen des Bindemittelgehalts, der Abstufung oder der Gesteinskörnungseigenschaften hinweisen. Eine Aufwärtsverschiebung (höhere Dichte bei gleicher Gyrationszahl) kann auf einen höheren Bindemittelgehalt oder eine feinere Abstufung hindeuten, während eine Abwärtsverschiebung auf einen niedrigeren Bindemittelgehalt, eine gröbere Abstufung oder ein steiferes Bindemittel hinweisen kann. Die FHWA empfiehlt, die Verdichtungskurve jeder Produktionsprüfung mit der Konzeptions-Verdichtungskurve zu vergleichen, um diese Verschiebungen frühzeitig zu erkennen.

Probenvorbereitung

Die Probenvorbereitung für die SGC-Verdichtung folgt einem strengen Verfahren, das in AASHTO T312 und ASTM D6925 festgelegt ist. Die Qualität des Verdichtungsergebnisses hängt entscheidend von einer korrekten Probenvorbereitungstechnik ab.

Bestimmung der Probenmasse – Die Masse des losen HMA, die zur Herstellung einer Probe mit der Zielhöhe (115 mm ± 5 mm) erforderlich ist, hängt von der Dichte des Mischguts ab. Eine typische Ausgangsmasse für eine Probe mit 150 mm Durchmesser beträgt 4500–4700 Gramm, die genaue Masse muss jedoch durch Probeverdichtung ermittelt werden. Das Ziel ist die Herstellung einer Probe mit einer Höhe von 115 mm ± 5 mm bei Ndesign-Gyrationen. Wenn die Probenhöhe außerhalb dieses Bereichs liegt, wird die Probenmasse entsprechend angepasst. Die Masse wird wie folgt berechnet:

Masse = Gmm × Volumen × (%Gmm bei Ndes / 100)

Wobei das Volumen auf einem Probendurchmesser von 150 mm und einer Zielhöhe von 115 mm basiert.

Kurzzeit-Alterung (Konditionierung) – Vor der Verdichtung wird die lose HMA-Mischung konditioniert, um die Kurzzeit-Alterung zu simulieren, die während der Mischanlagenmischung, des Transports und des Einbaus auftritt. Das Konditionierungsverfahren erfordert das Erhitzen der losen Mischung in einem Umluftofen für 2 Stunden bei Verdichtungstemperatur (typischerweise 135–155 °C, abhängig von der PG-Bindemittelklasse). Die Mischung wird nach 60 Minuten umgerührt, um eine gleichmäßige Konditionierung zu gewährleisten. Diese Konditionierung ermöglicht es dem Bindemittel, in die Kornporen einzudringen, und erzeugt Proben mit volumetrischen Eigenschaften, die mit der Feldleistung korrelieren.

Verdichtungstemperatur – Die Verdichtungstemperatur wird aus der Temperatur-Viskositäts-Beziehung des PG-Bindemittels bestimmt. Für Standard-PG-Bindemittel entspricht der Verdichtungstemperaturbereich der Temperatur, bei der die kinematische Viskosität des Bindemittels 0,28 ± 0,03 Pa·s beträgt. Für modifizierte Bindemittel (PG 76-22 oder höher) wird die vom Hersteller empfohlene Verdichtungstemperatur verwendet. Die Temperatur wird während der Verdichtung auf ±3 °C geregelt.

Verdichtungsverfahren – Die konditionierte Mischung wird in die vorgeheizte SGC-Form (auf Verdichtungstemperatur erhitzt) gegeben. Eine Papierscheibe wird auf den Boden der Form gelegt, um ein Anhaften zu verhindern. Die Mischung wird eingeebnet, eine Papierscheibe wird oben aufgelegt, und die Form wird in den SGC eingesetzt. Der obere Stempel wird auf die Oberfläche der Mischung abgesenkt, und der SGC übt für 5–10 Sekunden einen 600 kPa Setzdruck aus, bevor die gyratorische Verdichtung beginnt. Der SGC führt dann die ausgewählte Anzahl von Gyrationen durch und zeichnet dabei automatisch die Probenhöhe auf.

Ausstoßen – Nach der Verdichtung stößt der SGC die verdichtete Probe aus der Form aus. Die Probe wird vor der Handhabung mindestens 30 Minuten bei Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Probe wird mit Mischgutkennung, Bindemittelgehalt, Verdichtungstemperatur, Anzahl der Gyrationen und Datum der Verdichtung beschriftet.

Kühlung und Lagerung der Probe – Verdichtete Proben werden vor der volumetrischen Prüfung 12–24 Stunden bei Raumtemperatur abgekühlt. Schnelles Abkühlen (z. B. mit einem Ventilator) kann unterschiedliche thermische Spannungen verursachen, die die Luftporenstruktur beeinflussen. Die Proben werden auf einer ebenen Fläche gelagert, um Verzug zu vermeiden, und vor direkter Sonneneinstrahlung und Verunreinigungen geschützt.

Volumetrische Analyse von SGC-Proben

Die SGC-Proben werden zur Bestimmung der volumetrischen Eigenschaften des Asphaltmischguts verwendet – der grundlegenden Qualitätsindikatoren, die bei der Superpave-Mischgutkonzeption verwendet werden. Die volumetrische Analyse beginnt, nachdem die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt ist (typischerweise 24 Stunden nach der Verdichtung).

Raumdichte (Gmb) – Die Raumdichte der verdichteten Probe wird gemäß AASHTO T166 (Verfahren mit gesättigter, oberflächentrockener Probe – SSD) gemessen. Die Probe wird trocken gewogen, dann 3–5 Minuten in Wasser getaucht, um die Oberflächenporen zu sättigen, dann unter Wasser und im SSD-Zustand (gesättigt, oberflächentrocken) gewogen. Die Raumdichte wird wie folgt berechnet:

Gmb = Trockenmasse / (SSD-Masse - Unterwassermasse)

Für Mischungen mit saugfähigen Gesteinskörnungen (Wasseraufnahme >2 %) wird stattdessen AASHTO T275 (Paraffinbeschichtungsverfahren) oder AASHTO T331 (CoreLok-Verfahren) verwendet, da die SSD-Methode die Raumdichte überschätzen kann, indem Wasser in die innere Porenstruktur eindringen kann.

Theoretische maximale spezifische Dichte (Gmm) – Die Gmm wird an der losen Mischung gemäß AASHTO T209 (Rice-Versuch) gemessen. Eine repräsentative Probe der losen Mischung wird gewogen, in ein Vakuum-Pyknometer gegeben, mit Wasser bedeckt und für 15 ± 2 Minuten einem Teilvakuum (27,5 ± 2,5 mmHg) ausgesetzt, um eingeschlossene Luft zu entfernen. Das Volumen der Mischung wird durch Wasserverdrängung bestimmt, und Gmm wird wie folgt berechnet:

Gmm = Trockenmasse / (Masse des verdrängten Wassers)

Volumetrische Berechnungen – Aus Gmb und Gmm werden die wichtigsten volumetrischen Eigenschaften berechnet:

Luftporengehalt (Va) = 100 × [1 - (Gmb / Gmm)]

Hohlraumgehalt im Mineralaggregat (VMA) = 100 - (Gmb × Ps / Gsb)

Wobei Ps = prozentualer Anteil der Gesteinskörnung (bezogen auf die Gesamtmasse) und Gsb = Raumdichte der gesamten Gesteinskörnung.

Hohlraumgehalt gefüllt mit Asphalt (VFA) = 100 × [(VMA - Va) / VMA]

Staub-Bindemittel-Verhältnis (P0,075/Pbe) = P0,075 / Pbe

Das Ziel bei der Superpave-Mischgutkonzeption ist 4,0 % Luftporengehalt bei Ndesign. Der optimale Bindemittelgehalt wird durch die Herstellung von Proben bei 4–5 Bindemittelgehalten, das Auftragen der volumetrischen Eigenschaften über dem Bindemittelgehalt und die Auswahl des Bindemittelgehalts ausgewählt, der 4,0 % Luftporen ergibt, während alle anderen Kriterien erfüllt werden (VMA ≥ Minimum, VFA im Bereich, Staub-Bindemittel-Verhältnis im Bereich, Ninitial-Dichte ≤ Grenzwert, Nmax-Luftporen ≥ 2,0 %).

SGC-Kalibrierung und Wartung

Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der SGC-Verdichtungsergebnisse hängen entscheidend von ordnungsgemäßer Kalibrierung und Wartung ab. Die FHWA identifizierte die Kalibrierung als Hauptproblem, das die Variabilität zwischen Laboratorien beeinflusst, was zur Entwicklung der Innenwinkelmessungstechnologie führte.

Innenwinkelmessung – Die traditionelle SGC-Kalibrierung maß den äußeren Gyrationswinkel – den Winkel des Maschinenrahmens relativ zur Vertikalen. Die Forschung zeigte jedoch, dass die Rahmennachgiebigkeit unter der vertikalen Last von 600 kPa dazu führt, dass sich der Rahmen leicht verformt, wodurch sich der effektive Gyrationswinkel im Inneren der Form ändert. Diese Verformung wird durch Außenwinkelmessungen nicht erfasst. Studien der University of Arkansas zeigten, dass der ursprüngliche Pine SGC einen Innenwinkel von 1,18 Grad aufwies, wenn er gemäß AASHTO T312 auf einen Außenwinkel von 1,25 Grad eingestellt war. Ebenso hatte der Troxler 4140 einen Innenwinkel von 1,19 Grad bei einer Außeneinstellung von 1,25 Grad.

Innenwinkelmessgeräte (wie das Rapid Angle Measurement (RAM) -Gerät) messen den Gyrationswinkel von Sensoren im Inneren der Probenform und messen direkt den auf die Probe einwirkenden Winkel. Dies liefert eine echte Messung der auf die Probe übertragenen Verdichtungsenergie. Die aktuellen AASHTO-T312-Spezifikationen erfordern eine Kalibrierung mittels Innenwinkelmessung, um den Gyrationswinkel von 1,25° ± 0,02° zu verifizieren.

Auswirkung von Fremdkörpern unter der Bodenplatte – Eine Studie der FHWA dokumentierte, dass Fremdkörper unter der SGC-Bodenplatte den effektiven Innenwinkel erheblich reduzieren können. Wie im FHWA TechBrief FHWA-HIF-11-032 gezeigt, verringerte ein Eindringen von 0,1 mm unter der Bodenplatte den effektiven Innenwinkel um etwa 0,05 Grad – eine signifikante Änderung angesichts der Toleranz von ±0,02°. Ein Eindringen von 0,6 mm reduzierte den Innenwinkel auf etwa 0,85–0,88 Grad, was einer Reduzierung der Verdichtungsenergie um 25 % entspricht. Diese Erkenntnis unterstreicht die entscheidende Bedeutung der Sauberkeit der SGC-Formplatten.

Formverschleiß – SGC-Formen verschleißen mit der Zeit, insbesondere im Bereich, in dem die Verdichtung stattfindet (etwa 1–5 Zoll vom Boden der Form entfernt). AASHTO T312 gibt den Innendurchmesser an den oberen und unteren Kanten mit 149,90 bis 150,00 mm an. Die FHWA stellt jedoch fest, dass unklar ist, ab welchem Durchmesser über 150,00 mm (im Verdichtungsbereich) der Formverschleiß übermäßig wird und die volumetrischen Eigenschaften signifikant beeinflusst. Behörden und Laboratorien sollten den Innendurchmesser in regelmäßigen Abständen in mehreren Höhen (alle 1 Zoll vom Boden) messen, um den Verschleiß zu verfolgen und Formen auszutauschen, wenn der Durchmesser akzeptable Grenzen überschreitet.

Spalt zwischen Bodenplatte und Form – Der Spalt zwischen dem Durchmesser der Bodenplatte und dem Innendurchmesser der Form kann die Innenwinkelmessung beeinflussen. Studien haben gezeigt, dass bei Spalten von 0,24 mm bis 0,62 mm kein konsistenter Effekt auf den Innenwinkel festgestellt werden konnte, obwohl die Daten auf eine potenzielle Abnahme des Innenwinkels mit zunehmender Spaltgröße hindeuteten. Die FHWA untersucht dieses Problem weiterhin mit dem Ziel, Spezifikationsgrenzen für den Spalt zwischen Bodenplatte und Form zu empfehlen.

Regelmäßiger Wartungsplan – Mindestens müssen die vom Hersteller empfohlenen Wartungsarbeiten in den vorgeschriebenen Intervallen durchgeführt werden. Dazu gehören:

• Täglich: Reinigen Sie alle Oberflächen, Platten und Formen mit Druckluft.
• Wöchentlich: Überprüfen Sie die Druckkalibrierung, verifizieren Sie die Gyrationsgeschwindigkeit.
• Monatlich: Überprüfen Sie die Formdurchmesser, kontrollieren Sie Lager und Rollen auf Verschleiß.
• Vierteljährlich: Verifizieren Sie den Innenwinkel mit einem RAM-Gerät oder einem gleichwertigen Gerät.
• Jährlich: Werkskalibrierung der Kraftmessdose, des Druckaufnehmers und des Winkelmesssystems.

SGC für Flughafen-Mischgutkonzeptionen

Die Anwendung des SGC für die Mischgutkonzeption von Flughafendecken folgt Spezifikationen, die von der Federal Aviation Administration (FAA) im Rahmen ihrer Spezifikation Item P-401 (Plant Mix Bituminous Pavements, AC 150/5370-10H) entwickelt wurden. Flughafendecken weisen im Vergleich zu Autobahnen einzigartige Belastungsbedingungen auf, darunter höhere Reifendrücke (100–250 psi gegenüber 80–120 psi für Lkw), höhere Radlasten (bis zu 40.000 kg pro Rad bei großen Flugzeugen) und unterschiedliche dynamische Belastungseigenschaften (Flugzeuglandelasten gegenüber rollenden Autobahnlasten).

Gyrationsstufen für Flughafenmischungen – Asphaltmischungen für Flughäfen verwenden andere Gyrationsstufen als Autobahnmischungen. Für die allgemeine Luftfahrt mit maximalem Startgewicht ≤60.000 Pfund werden 50 Gyrationen vorgeschrieben. Für gewerbliche Verkehrsflughäfen, die schwere Flugzeuge bedienen (Boeing 737/777, Airbus A320/A380), können 75 Gyrationen vorgeschrieben werden. Diese im Vergleich zu den Ndesign-Werten für Autobahnen (50–125) niedrigeren Gyrationsstufen spiegeln die unterschiedlichen Verkehrsmuster und Belastungseigenschaften von Flughäfen wider – der Flugzeugverkehr ist kanalisiert (schmale Fahrspurstreuung), aber es treten insgesamt weniger Überfahrten im Vergleich zum Autobahnverkehr auf.

Das National Center for Asphalt Technology (NCAT) führte eine Validierungsstudie im Rahmen des Airport Asphalt Pavement Technology Program (AAPTP) durch, um zu bestätigen, dass 50 und 75 Gyrationen im SGC volumetrische Eigenschaften erzeugen, die der traditionellen Marshall-Verdichtung mit 50 und 75 Schlägen pro Seite entsprechen. Die Studie ergab, dass der SGC bei 50 Gyrationen Proben mit etwa 0,2 % höheren Luftporen als 50-Schlag-Marshall-Proben und bei 75 Gyrationen Proben mit etwa 0,3 % höheren Luftporen als 75-Schlag-Marshall-Proben produzierte – ein statistisch unbedeutender Unterschied.

PG-Bindemittel-Hochstufung – Die FAA verlangt eine Hochstufung der PG-Bindemittelklasse, um höheren Flugzeugreifendrücken Rechnung zu tragen. Die Basis-PG-Klasse wird nur aus Klimadaten ausgewählt (keine Verkehrs-Hochstufung). Die Hochstufung erfolgt gemäß den folgenden Richtlinien:

• Wenn die obere Temperaturgrenze 92 °C oder mehr erreicht (was auf ein modifiziertes Bindemittel hindeutet), sind PG-Plus-Prüfungen gemäß AASHTO M320 erforderlich.
• Die Bindemittelspezifikationsdatenbank des Asphalt Institute wird als Referenz für die Auswahl der Bindemittelklasse verwendet.

Häufige Flughafen-Bindemittelklassen sind PG 64-22 (gemäßigte Klimate), PG 70-22 (warme Klimate, mäßiger Verkehr), PG 76-22 (heiße Klimate, starker Verkehr) und PG 76-28 (heiße Klimate mit kalten Wintern, starker Verkehr).

Leistungsprüfung – Die FAA-Spezifikation P-401 schreibt belastete Radprüfungen für die Bewertung der Mischgutkonzeption vor. Die Standardmethode ist der Asphalt Pavement Analyzer (APA) gemäß AASHTO T340 mit 250 psi Schlauchdruck bei 64 °C, mit einer maximalen Spurrinnentiefe von 10 mm bei 4.000 Überfahrten. Alternative Methoden umfassen den APA bei 100 psi und 64 °C (max. 5 mm bei 8.000 Überfahrten) oder den Hamburger Spurrinnentest gemäß AASHTO T324 (max. 10 mm bei 20.000 Überfahrten). Diese Leistungsprüfungen – durchgeführt an SGC-verdichteten Proben – stellen sicher, dass das Mischgut unter den hohen Reifendrücken und Lasten des Flugzeugbetriebs widerstandsfähig gegen Spurrinnenbildung ist.

Verdichtungs-Qualitätskontrolle – Die FAA gibt die Feldverdichtung als Prozentsatz der theoretischen Maximaldichte (TMD) an, anstatt des Prozentsatzes der Labor-Raumdichte, der in älteren Spezifikationen verwendet wurde. Der Zieldichtebereich beträgt 92–98 % der Gmm (entsprechend 2–8 % Luftporen im Feld). Die Abnahme basiert auf der Percent Within Limits (PWL) -Methodik gemäß FAA-Spezifikationen, mit gesonderten Vergütungsposten für die Dichte von Längs- und Querbaunähten.

Die ICAO (International Civil Aviation Organization) verweist auf FAA- und ASTM-Normen für Flughafendeckenbaustoffe durch Annex 14 – Aerodromes und das Aerodrome Design Manual (Doc 9157, Part 3) . Obwohl die ICAO keine eigenen detaillierten Materialspezifikationen verfasst, erfordert der internationale Konsens, dass Flughafendecken nach Standards gebaut werden, die der FAA P-401 entsprechen, was effektiv die Verwendung der SGC-basierten Superpave-Methodik für kritische Flughafendecken vorschreibt.

SGC in der Qualitätskontrolle

Der SGC wird umfassend in Qualitätskontroll (QC) - und Qualitätssicherungs (QA) -Programmen für die Superpave-Produktion eingesetzt. Bei der Produktions-QC-Prüfung werden Proben des werkshergestellten Mischguts entnommen, kurzzeitgealtert (typischerweise 1 Stunde bei Verdichtungstemperatur) und im SGC bis zu Ndesign-Gyrationen verdichtet. Die verdichteten Proben werden auf Raumdichte (Gmb) geprüft, und die Luftporen, VMA, VFA und das Staub-Bindemittel-Verhältnis werden berechnet.

Abnahmekriterien – Die gemessenen Luftporen bei Ndesign müssen innerhalb von 4,0 % ± 1,0 % liegen, damit die Produktion als konform gilt. Der VMA muss die Mindestanforderung für die NMAS erfüllen (z. B. ≥13 % für 19,0 mm NMAS). Der VFA muss innerhalb des festgelegten Bereichs für die Verkehrsstufe liegen. Das Staub-Bindemittel-Verhältnis muss zwischen 0,6 und 1,2 liegen. Die Ninitial-Dichte (geprüft bei den angegebenen Nini-Gyrationen) muss ≤89,0–91,5 % der Gmm betragen, abhängig von der Verkehrsstufe.

Überprüfung der Verdichtungskurve – Bei der QC-Prüfung wird die Verdichtungskurve der Produktionsproben mit der Kurve der Konzeptionsproben verglichen. Eine Verschiebung der Kurve kann auf eine Änderung der Mischguteigenschaften hinweisen:

• Aufwärtsverschiebung (höhere Dichte bei gleicher Gyrationszahl): Kann auf einen höheren Bindemittelgehalt, eine feinere Abstufung, ein weicheres Bindemittel oder einen Verlust an Kantigkeit hindeuten.
• Abwärtsverschiebung (niedrigere Dichte bei gleicher Gyrationszahl): Kann auf einen niedrigeren Bindemittelgehalt, eine gröbere Abstufung, ein steiferes Bindemittel oder Verunreinigungen hindeuten.

Die FHWA empfiehlt, dass die Produktionsverdichtungskurven bei jeder beliebigen Gyrationszahl innerhalb von ±1,0 % der Gmm der Konzeptions-Verdichtungskurve gehalten werden.

Statistische Abnahme – SGC-Ergebnisse werden in Percent Within Limits (PWL) -Abnahmeverfahren gemäß AASHTO R9 und R42 verwendet. Die Produktion wird in Lose (typischerweise 500–1000 Tonnen) aufgeteilt, die jeweils in 4–5 Unterlose unterteilt werden. Eine Zufallsprobe pro Unterlos wird geprüft. Der PWL wird aus dem Stichprobenmittelwert und der Standardabweichung relativ zu den Spezifikationsgrenzen berechnet. Die meisten Behörden verlangen einen Mindest-PWL von 90 % für die vollständige Bezahlung, mit reduzierten Zahlungsfaktoren für niedrigere PWL-Werte.

Streitbeilegung – Wenn QC- und QA-Prüfergebnisse signifikant voneinander abweichen, wird durch statistischen Vergleich mittels F-Tests (für Varianzvergleich) und t-Tests (für Mittelwertvergleich) festgestellt, ob die Ergebnisse aus derselben Grundgesamtheit stammen. Wenn die Tests einen signifikanten Unterschied auf dem 95 %-Konfidenzniveau anzeigen, ist eine Auflösungsprüfung (typischerweise in einem unabhängigen Labor) erforderlich.

Normen für den SGC-Betrieb

Der Superpave-Gyratory-Verdichter unterliegt einer Reihe von AASHTO- und ASTM-Normen, die die Gerätespezifikationen, Betriebsverfahren und Konzeptionskriterien definieren.

AASHTO T312 – „Vorbereitung und Bestimmung der Dichte von Heißasphalt (HMA)-Proben mittels Superpave-Gyratory-Verdichter." Dies ist die primäre Norm für den SGC-Betrieb. Sie legt die Verdichtungsparameter (600 kPa, 1,25°, 30 U/min), Formspezifikationen, Temperaturkontrollanforderungen, Kalibrierverfahren (einschließlich Innenwinkelmessung) und das Verfahren zur Bestimmung der Dichte der verdichteten Probe fest.

ASTM D6925 – „Standardprüfverfahren für die Vorbereitung und Bestimmung der relativen Dichte von Heißasphalt-Proben mittels Superpave-Gyratory-Verdichter." Dies ist das ASTM-Äquivalent zu AASHTO T312. Die Betriebsparameter sind identisch, obwohl es geringfügige Unterschiede in den Berichtsanforderungen und Präzisionsaussagen geben kann.

AASHTO R35 – „Superpave-volumetrische Konzeption für Heißasphalt." Diese Norm legt das Superpave-volumetrische Mischgutkonzeptionsverfahren fest, einschließlich der Auswahl der Ndesign-Stufen basierend auf dem Verkehr (die Ndesign-Tabelle), des Ziels von 4,0 % Luftporen bei Ndesign und der Bewertung der verdichteten Proben.

AASHTO M323 – „Standard-Spezifikation für die Superpave-volumetrische Mischgutkonzeption." Diese Norm legt die Abnahmekriterien für Superpave-Mischungen fest, einschließlich Mindest-VMA-Anforderungen (basierend auf NMAS), VFA-Bereiche (basierend auf Verkehrsstufe), Staub-Bindemittel-Verhältnis-Grenzen sowie die Dichteanforderungen für Ninitial und Nmax.

ASTM D6926 – „Standardpraxis für die Herstellung von Asphaltmischungsproben mit dem Marshall-Gerät." Diese Norm behandelt die Marshall-Verdichtung, die im weiteren Kontext des Superpave-Systems direkt mit der SGC-Methode vergleichbar ist.

ASTM D7226 – „Standardprüfverfahren zur Bestimmung des Anteils gebrochener Körner im Grobaggregat." Dies ist eine der Normen für Konsenseigenschaften von Gesteinskörnungen, auf die in Superpave-Spezifikationen Bezug genommen wird und die die SGC-Prüfergebnisse über die Gesteinskörnungsqualität beeinflusst.

Die Präzisions- und Bias-Aussagen in AASHTO T312 und ASTM D6925 geben die erwartete Variabilität für SGC-Prüfungen an:

Diese Präzisionswerte bedeuten, dass wiederholte Proben desselben Mischguts, die vom selben Bediener hergestellt wurden, Raumdichtewerte innerhalb von ±0,009 (68 %-Konfidenzniveau) oder ±0,018 (95 %-Konfidenzniveau) aufweisen sollten. Ergebnisse verschiedener Laboratorien sollten innerhalb von ±0,020 (68 %) oder ±0,040 (95 %) liegen. Das Verständnis dieser Präzisionsgrenzen ist für die Interpretation von QC/QA-Prüfergebnissen und die Beilegung von Streitigkeiten unerlässlich.

Die Normen werden vom AASHTO Subcommittee on Materials (für AASHTO-Normen) und ASTM Committee D04 on Road and Paving Materials (für ASTM-Normen) verwaltet. Beide Organisationen koordinieren sich über die Expert Task Group (ETG) on Mixtures and Aggregates, die gemeinsam von der FHWA, AASHTO und Industriepartnern gesponsert wird. Die ETG prüft technische Fragen im Zusammenhang mit dem SGC-Betrieb und der Superpave-Mischgutkonzeption und empfiehlt Überarbeitungen der Normen, sobald neue Forschungsergebnisse vorliegen.