Superpave (SUperior PERforming Asphalt PAVEments) ist ein leistungsorientiertes Asphaltmischgut-Entwurfs- und Analysesystem, das im Rahmen des Strategic Highway Research Program (SHRP) von 1987 bis 1993 entwickelt wurde. Es verwendet den Superpave-Gyratorverdichter (SGC), die Performance Grade (PG)-Bindemittelspezifikation und volumetrische Mischgutkriterien mit Aggregat-Konsenseigenschaften, die auf Verkehr und Klima abgestimmt sind. Behandelt Superpave-Stufen 1–3, PG-Bindemittelauswahl, Aggregatanforderungen und Flugplatz-Superpave-Spezifikationen gemäß FAA P-401.
Superpave — ein Akronym für SUperior PERforming Asphalt PAVEments (überlegene Asphaltfahrbahndecken) — ist ein leistungsbasiertes Asphaltmischgut-Entwurfs- und Analysesystem, das als wichtigstes Asphaltprodukt des Strategic Highway Research Program (SHRP) entwickelt wurde, das von Oktober 1987 bis März 1993 durchgeführt wurde. Das SHRP-Programm investierte 50 Millionen US-Dollar in die Forschung, um verbesserte Methoden zur Spezifikation, Prüfung und zum Entwurf von Asphaltmaterialien zu entwickeln, was im Superpave-System gipfelte. Das System wurde entwickelt, um die älteren Marshall- und Hveem-Mischgutentwurfsmethoden zu ersetzen, die seit den 1940er bzw. 1950er Jahren in Gebrauch waren.
Superpave ist nicht nur ein einzelner Test oder eine einzelne Spezifikation, sondern ein integriertes System, das drei wesentliche Komponenten der Asphaltfahrbahntechnologie adressiert: Bindemittelspezifikation, Gesteinskörnungsanforderungen und Mischgutentwurf und -analyse. Die Bindemittelkomponente führte das Performance Grade (PG)-Spezifikationssystem ein, das Asphaltbindemittel auf der Grundlage des Temperaturbereichs klassifiziert, in dem sie auf der Baustelle ihre Leistung erbringen. Die Gesteinskörnungs-Komponente führte Konsenseigenschaften ein — standardisierte physikalische Anforderungen an Gesteinskornform, -gestalt und Tongehalt, die an die Verkehrsbelastungsniveaus gekoppelt sind. Die Mischgutentwurfskomponente führte den Superpave Gyratory Compactor (SGC) als Laboreinbaugerät ein und etablierte volumetrische Mischgutentwurfskriterien auf der Grundlage von Hohlraumgehalt, Hohlräumen im Mineralgerüst (VMA), mit Asphalt gefüllten Hohlräumen (VFA) und dem Verhältnis von Füller zu Bindemittel.
Das System wurde entwickelt, um Asphaltfahrbahnen zu produzieren, die drei primären Schädigungsmechanismen widerstehen: bleibende Verformung (Spurrinnenbildung) durch Verkehrsbelastung bei hohen Fahrbahntemperaturen, Ermüdungsrissbildung durch wiederholte Verkehrsbelastung bei mittleren Temperaturen und Tieftemperatur- (thermische) Rissbildung durch Fahrbahnkontraktion bei kaltem Wetter. Indem Superpave die Bindemittelauswahl, die Gesteinskörnungseigenschaften und den Einbauaufwand an die spezifischen Verkehrs- und Klimabedingungen jedes Projekts koppelt, können Ingenieure den Mischgutentwurf auf die tatsächlichen Nutzungsbedingungen abstimmen, denen die Fahrbahn während ihrer Entwurfslebensdauer ausgesetzt sein wird.
Die Federal Highway Administration (FHWA) übernahm eine führende Rolle bei der Umsetzung der SHRP-Forschung durch die Einrichtung des National Asphalt Training Center (NATC) am Asphalt Institute in Lexington, Kentucky. Das Demonstrationsprojekt 101 wurde ins Leben gerufen, um Labortechniker und Ingenieure in der praktischen Anwendung der Superpave-Bindemittel- und Mischgutentwurfstechnologien zu schulen. Seit seiner Einführung wurde das volumetrische Superpave-Mischgutentwurfsverfahren von allen 50 US-amerikanischen Straßenbauverwaltungen und von zahlreichen internationalen Straßenbaubehörden übernommen und ist damit die vorherrschende Mischgutentwurfsmethode in Nordamerika.
Die Wurzeln von Superpave reichen zurück zum Transportation Research Board (TRB) Special Report 202, der 1984 unter dem Titel “America’s Highways: Accelerating the Search for Innovation” veröffentlicht wurde. Dieser Bericht identifizierte einen kritischen Bedarf an erhöhten Forschungsmitteln, um bessere, langlebigere Straßenbaumaterialien zu entwickeln. Als Reaktion darauf genehmigte der Kongress der Vereinigten Staaten das Strategic Highway Research Program (SHRP) im Surface Transportation and Uniform Relocation Assistance Act von 1987. SHRP wurde als Einheit des National Research Council eingerichtet und mit 150 Millionen US-Dollar über fünf Jahre finanziert, wobei 50 Millionen US-Dollar speziell für die Asphaltforschung bereitgestellt wurden.
Das SHRP-Asphaltforschungsprogramm war in vier technische Bereiche gegliedert: Asphaltbindemittel-Charakterisierung, Asphaltmischgutentwurf und -analyse, beschleunigte Leistungsprüfung und Feldvalidierung. Die Forschung wurde durch eine koordinierte Zusammenarbeit des Asphalt Institute, der University of Texas at Austin, der Pennsylvania State University, des National Center for Asphalt Technology (NCAT) an der Auburn University und zahlreicher anderer Forschungseinrichtungen durchgeführt. Das Programm umfasste den Bau und die Überwachung von Long-Term Pavement Performance (LTPP) -Testabschnitten in ganz Nordamerika, um Laborergebnisse mit Feldleistungsdaten zu validieren.
Das SHRP-Programm endete im März 1993 mit der Vorstellung des Superpave-Systems, das drei wesentliche Neuerungen umfasste. Die erste war die Performance Grade (PG) Binder Specification (AASHTO M 320), die die älteren Penetrationsgrad- und Viskositätsgrad-Systeme ersetzte, indem sie Bindemitteleigenschaften direkt bei für die Feldleistung relevanten Temperaturen maß. Die zweite war der Superpave Gyratory Compactor (SGC) und das dazugehörige volumetrische Mischgutentwurfsverfahren, die den Marshall-Fallhammer und den Hveem-Knetverdichter ersetzten. Die dritte war eine Reihe von Leistungsprognosemodellen, die Laborprüfergebnisse nutzten, um Fahrbahnschäden über die Entwurfslebensdauer vorherzusagen.
Nach Abschluss des SHRP startete die FHWA ein aggressives Umsetzungsprogramm, richtete das NATC ein und entwickelte den Schulungslehrplan, der zur Grundlage für die landesweite Einführung der Superpave-Technologie wurde. Das AASHTO Subcommittee on Materials verabschiedete vorläufige Standards für die Superpave-Bindemittelprüfung und den Mischgutentwurf, die später auf den Status vollwertiger Standards angehoben wurden. Der Intermodal Surface Transportation Efficiency Act (ISTEA) von 1991 stellte zusätzliche Fördermittel für die Umsetzung der SHRP-Produkte bereit.
Trotz der erfolgreichen Einführung von Superpave Level 1 (volumetrischer Mischgutentwurf) wurde die ursprüngliche Vision eines vollständig leistungsbasierten Systems mit Level 2 und 3 nie vollständig verwirklicht. Die während des SHRP entwickelten Leistungstests und Prognosemodelle erwiesen sich als zu komplex und zeitaufwändig für den routinemäßigen Einsatz durch die Straßenbauverwaltungen der Bundesstaaten. Allerdings führte die anschließende Forschung im Rahmen des National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) zur Entwicklung des Simple Performance Test (SPT) — heute standardisiert als Asphalt Mix Performance Tester (AMPT) — der praktische Leistungsprüfmöglichkeiten für routinemäßige Mischgutentwurfs- und Qualitätskontrollanwendungen bietet.
Das ursprüngliche Superpave-System definierte drei hierarchische Stufen des Mischgutentwurfs und der Analyse, die jeweils eine zunehmende Genauigkeit der Leistungsvorhersage bei gleichzeitig höherem Prüfaufwand und höheren Kosten bieten. Diese Entwurfsstufen wurden während des SHRP-Programms entwickelt, aber nur Level 1 wurde in der Routinepraxis weitgehend umgesetzt.
Level 1 ist das grundlegende volumetrische Mischgutentwurfsverfahren, das die Grundlage des Superpave-Systems bildet. Es ist die einzige Stufe, die von den Straßenbauverwaltungen der Bundesstaaten vollständig umgesetzt wurde, und die Stufe, die in AASHTO R 35 (Superpave Volumetric Design for Hot-Mix Asphalt) und AASHTO M 323 (Standard Specification for Superpave Volumetric Mix Design) beschrieben wird. Level 1 umfasst vier Hauptschritte: Materialauswahl (Gesteinskörnung und Bindemittel), Auswahl der Entwurfs-Gesteinskörnungsstruktur (Abstufungsmischung zur Erfüllung der Konsenseigenschaften und Abstufungskontrollpunkte), Auswahl des Entwurfsasphaltbindemittelgehalts (bestimmt durch Erreichen von 4 % Hohlraumgehalt bei Ndesign-Umdrehungen) und Bewertung der Feuchtigkeitsempfindlichkeit gemäß AASHTO T 283 (Resistance of Compacted Asphalt Mixtures to Moisture-Induced Damage).
Level 1 beinhaltet keine mechanischen Leistungsprüfungen über die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsbewertung hinaus. Die volumetrischen Kriterien — Hohlraumgehalt, VMA, VFA und Füller-Bindemittel-Verhältnis — dienen als Ersatzmaße für die Mischgutqualität und die erwartete Leistungsfähigkeit. Der Einbauaufwand, ausgedrückt als Anzahl der Umdrehungen (Ndesign), wird aus der erwarteten 20-Jahres-Verkehrsbelastung in Millionen Equivalent Single Axle Loads (ESALs) bestimmt.
Level 2 wurde entwickelt, um eine Leistungsanalyse auf mittlerer Ebene durch die Einbeziehung von Leistungsprüfungen und Schadensprognosemodellen zu ermöglichen. In Level 2 wird der volumetrische Mischgutentwurf aus Level 1 zusätzlichen Prüfungen mit dem Superpave Shear Tester (SST) und dem Indirect Tensile Tester (IDT) unterzogen. Die Prüfergebnisse werden mit Leistungsprognosemodellen verwendet, um das Ausmaß der zu erwartenden Spurrinnenbildung und Ermüdungsrissbildung über die Fahrbahnentwurfslebensdauer bei einem 50 %-Zuverlässigkeitsniveau abzuschätzen.
Die in Level 2 verwendeten SST-Prüfungen umfassen den repeated shear test at constant height zur Bewertung der Spurrinnenbildung, den frequency sweep test at constant height zur Bestimmung des dynamischen Moduls und den simple shear test at constant height für Schereigenschaften. Die IDT-Prüfungen umfassen Kriechnachgiebigkeits- und Festigkeitsprüfungen zur Bewertung der Tieftemperaturrissbildung. Level 2 erfordert Prüfungen beim Entwurfsbindemittelgehalt sowie bei 0,5 % über und unter dem Entwurfsgehalt, um die Empfindlichkeit der Leistungsfähigkeit gegenüber Bindemittelgehaltsschwankungen zu bewerten.
Level 2 wurde von den Straßenbauverwaltungen der Bundesstaaten nie breit umgesetzt, da der SST teuer und komplex zu bedienen war und die Prüfprotokolle zeitaufwändig waren. Die Leistungsprognosemodelle erforderten zudem eine Kalibrierung auf lokale Bedingungen, die den meisten Behörden nicht zur Verfügung stand. Das Konzept der Level-2-Prüfung beeinflusste jedoch die spätere Entwicklung des Simple Performance Test (NCHRP Project 9-29), der zur Entwicklung des Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT) führte, der heute für dynamische Modul- und Fließzahlprüfungen verwendet wird.
Level 3 stellte die anspruchsvollste Stufe der Superpave-Analyse dar und umfasste umfassende Leistungsprüfungen und fortschrittliche Schadensprognosemodelle bei einem 95 %-Zuverlässigkeitsniveau. Level 3 erforderte die gleichen SST- und IDT-Prüfungen wie Level 2, jedoch mit umfangreicheren Prüfprotokollen und strengeren Datenanalyseanforderungen. Das höhere Zuverlässigkeitsniveau (95 % gegenüber 50 %) war für Fahrbahnen auf kritischen stark befahrenen Straßen vorgesehen, bei denen die Kosten eines vorzeitigen Versagens extrem hoch wären.
Level 3 erforderte Prüfungen bei mehreren Temperaturen, mehreren Belastungsfrequenzen und mehreren Umschließungsdrücken, um die viskoelastischen Eigenschaften des Mischguts vollständig zu charakterisieren. Die Leistungsmodelle für Level 3 beinhalteten anspruchsvollere konstitutive Beziehungen, darunter das VECD (Viscoelastic Continuum Damage)-Modell für Ermüdungsrissbildung und das viskoplastische Modell für bleibende Verformung.
Wie Level 2 wurde auch Level 3 in der Routinepraxis nie umgesetzt, aufgrund der Komplexität der Prüfungen, der Kosten für die Ausrüstung und des Fehlens validierter, kalibrierter Leistungsmodelle. Die während der Entwicklung von Level 2 und 3 durchgeführte Forschung trug jedoch erheblich zum Verständnis des Verhaltens von Asphaltmischungen bei und legte den Grundstein für den Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) und die Entwicklung der AASHTOWare Pavement ME Design-Software, die heute den dynamischen Modul (E*) als primären Mischgutsteifigkeitseingang für den Strukturentwurf flexibler Fahrbahnen verwendet.
Die Leistungsgrad (PG) – Bindemittelspezifikation ist zweifellos die bedeutendste Innovation des Superpave-Systems. Im Gegensatz zu den älteren Spezifikationen nach Penetrationsgrad und Viskositätsgrad, die Bindemittel auf der Grundlage empirischer Prüfungen bei willkürlichen Temperaturen klassifizierten, ordnet das PG-System Bindemittel nach dem tatsächlichen Temperaturbereich ein, in dem sie auf der Straße eingesetzt werden sollen. Dieser grundlegende Wandel von einer empirischen hin zu einer leistungsbasierten Klassifizierung war eine revolutionäre Veränderung in der Asphaltbindemittel-Technologie.
Die PG-Bindemittelbezeichnung verwendet ein Zweizahlensystem, z. B. PG 64-22. Die erste Zahl (64) steht für die Hochtemperaturklasse in Grad Celsius und entspricht der durchschnittlichen maximalen Fahrbahntemperatur über sieben Tage in einer Tiefe von 20 mm unter der Oberfläche. Die zweite Zahl (−22) steht für die Niedrigtemperaturklasse in Grad Celsius und entspricht der minimal zu erwartenden Fahrbahntemperatur an der Oberfläche. Ein Bindemittel der Klasse PG 64-22 ist daher für Anwendungen geeignet, bei denen die durchschnittliche maximale Fahrbahntemperatur über sieben Tage 64 °C und die minimale Fahrbahntemperatur −22 °C beträgt.
Die PG-Spezifikation ist in AASHTO M 320 (Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder) und AASHTO M 332 (Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder Using Multiple Stress Creep Recovery [MSCR] Test) dokumentiert. AASHTO M 332 ist eine neuere Spezifikation, die den Multiple Stress Creep Recovery (MSCR)-Test (AASHTO T 350) einbezieht, um das Verformungsverhalten von Bindemitteln, insbesondere von polymer-modifizierten Bindemitteln, besser zu charakterisieren. Die ASTM-Entsprechungen sind ASTM D6373 und ASTM D8239.
Der PG-Bindemittelauswahlprozess nutzt die LTPP Bind-Wetterdatenbank, die Klimadaten von Tausenden von Wetterstationen in ganz Nordamerika enthält. Der Ingenieur gibt den Projektstandort und das gewünschte Zuverlässigkeitsniveau (üblicherweise 50 % für Standardfahrbahnen, 98 % für kritische Fahrbahnen) ein, und die Datenbank gibt die entsprechenden hohen und niedrigen Fahrbahn-Entwurfstemperaturen aus. Das Zuverlässigkeitsniveau gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass die Fahrbahntemperatur während der Entwurfslebensdauer die angegebenen Werte nicht überschreitet. Höhere Zuverlässigkeitsniveaus führen zu konservativeren Bindemittelklassen.
Die für die PG-Bindemittelklassifizierung erforderlichen Prüfungen umfassen:
| AASHTO-Standard | Prüfbezeichnung | Zweck | Ausrüstung |
|---|---|---|---|
| T 48 | Flammpunkt | Sicherheit (mind. 230 °C) | Cleveland Open Cup |
| T 316 | Rotationsviskosität | Verarbeitbarkeit (max. 3 Pa·s bei 135 °C) | Rotationsviskosimeter |
| T 315 | Dynamisches Scherrheometer (DSR) | Verformungs- und Ermüdungsbeständigkeit | DSR |
| T 240 | Rolling Thin-Film Oven (RTFO) | Kurzzeitalterungssimulation | RTFO-Ofen |
| R 28 | Pressure Aging Vessel (PAV) | Langzeitalterungssimulation | PAV |
| T 313 | Bending Beam Rheometer (BBR) | Beständigkeit gegen Tieftemperaturrisse | BBR |
| T 314 | Direct Tension Test (DTT) | Tieftemperatur-Bruchdehnung | Direct Tension Device |
Das Dynamic Shear Rheometer (DSR) misst den komplexen Schermodul (G*) und den Phasenwinkel (δ) des Bindemittels bei hohen und mittleren Temperaturen. Der Parameter G/sin δ* (Verformungsfaktor) wird am ursprünglichen und RTFO-gealterten Bindemittel gemessen und muss mindestens 1,0 kPa (ursprünglich) bzw. 2,2 kPa (RTFO-Rückstand) betragen, um die Verformungsbeständigkeit sicherzustellen. Der Parameter G×sin δ* (Ermüdungsfaktor) wird am PAV-gealterten Bindemittel gemessen und darf 5000 kPa nicht überschreiten, um die Ermüdungsrissbeständigkeit sicherzustellen.
Das Bending Beam Rheometer (BBR) misst die Kriechsteifigkeit (S) und den m-Wert von PAV-gealtertem Bindemittel bei der niedrigen Fahrbahn-Entwurfstemperatur plus 10 °C. Die Kriechsteifigkeit darf 300 MPa nicht überschreiten, und der m-Wert (Änderungsrate der Steifigkeit in Abhängigkeit von der Belastungszeit) muss mindestens 0,300 betragen, um die Beständigkeit gegen thermische Rissbildung zu gewährleisten. Der Direct Tension Test (DTT) misst die Bruchdehnung von PAV-gealtertem Bindemittel bei der niedrigen Fahrbahn-Entwurfstemperatur und ist erforderlich, wenn die BBR-Steifigkeit zwischen 300 und 600 MPa liegt.
Bei höheren Verkehrsbelastungen, langsam fließendem Verkehr oder kritischen Fahrbahnen kann die PG-Klasse auf eine höhere Hochtemperaturklasse angehoben werden. Beispielsweise könnte ein Bindemittel PG 64-22 für eine stark befahrene Interstate-Autobahn auf PG 70-22 oder PG 76-22 angehoben werden. Die Anhebung der Klasse bietet eine zusätzliche Verformungsbeständigkeit, jedoch auf Kosten einer möglicherweise verringerten Ermüdungs- und Tieftemperaturbeständigkeit. Polymer-modifizierte Bindemittel (wie SBS-modifiziertes PG 70-22 oder PG 76-22) werden häufig für Anwendungen mit angehobener Klasse verwendet.
Gesteinskörnungen machen etwa 95 % der Masse einer Asphaltmischung aus, weshalb die Qualität der Gesteinskörnung für die Fahrbahnleistung von entscheidender Bedeutung ist. Das Superpave-System legt die Eignung von Gesteinskörnungen durch zwei Kategorien von Anforderungen fest: Konsenseigenschaften und Quelleneigenschaften. Darüber hinaus gibt Superpave Korngrößen-Kontrollpunkte vor, die zulässige Korngrößenbereiche für jede nominelle maximale Korngröße definieren.
Konsenseigenschaften sind vier physikalische Anforderungen an Gesteinskörnungen, die während des SHRP-Programms in einem Konsensverfahren unter Beteiligung von Industrie- und Behördenvertretern entwickelt wurden. Diese Eigenschaften gelten unabhängig vom geografischen Standort oder der Gesteinsquelle als wesentlich für eine gute Fahrbahnleistung. Die Konsenseigenschaften sind an die Verkehrsbelastung (in Millionen ESAL) und die Tiefe unter der Fahrbahnoberfläche gebunden.
Scharfkantigkeit der Grobkörnung — gemessen als Massenanteil der auf dem 4,75-mm-Sieb zurückgehaltenen Gesteinskörnung mit einer oder mehreren Bruchflächen, bestimmt nach ASTM D 5821. Eine Bruchfläche ist definiert als eine gebrochene Oberfläche mit einer Fläche von mindestens 25 % der maximalen Querschnittsfläche des Partikels. Höhere Verkehrsbelastungen erfordern höhere Anteile an Bruchflächen. Bei Verkehrsbelastungen über 30 Millionen ESAL müssen 100 % der Grobkörnung mindestens eine Bruchfläche und 95 % mindestens zwei Bruchflächen aufweisen. Bei geringen Verkehrsbelastungen (weniger als 0,3 Millionen ESAL) reduzieren sich die Anforderungen auf 55–85 % mit einer Bruchfläche und 50–80 % mit zwei Bruchflächen, abhängig von der Tiefe.
Scharfkantigkeit der Feinkörnung — gemessen als Hohlraumgehalt im unverdichteten Zustand der Feinkornfraktion (passiert das 2,36-mm-Sieb) nach AASHTO T 304 (Verfahren A). Die Prüfung misst den prozentualen Luftporengehalt in einer lose eingefüllten Probe der Feinkörnung. Ein höherer Hohlraumgehalt im unverdichteten Zustand weist auf kantigere, kubische Partikel mit größerer innerer Reibung und Verformungsbeständigkeit hin. Bei Verkehrsbelastungen über 30 Millionen ESAL muss der Hohlraumgehalt im unverdichteten Zustand mindestens 45 % betragen. Bei geringen Verkehrsbelastungen kann die Anforderung für Deckschichten auf bis zu 40 % sinken. Natürliche (ungebrochene) Sande weisen typischerweise Hohlraumgehalte im unverdichteten Zustand von 38–42 % auf, während künstliche (gebrochene) Sande Werte von 44–48 % oder mehr erreichen können.
Flache und längliche Partikel — gemessen nach ASTM D 4791 (Verhältnismessverfahren) für Gesteinskörnungen, die auf dem 9,5-mm-Sieb zurückgehalten werden. Ein Partikel gilt als flach und länglich, wenn sein Längen-zu-Dicken-Verhältnis einen bestimmten Wert überschreitet, üblicherweise 5:1 oder 3:1, je nach Spezifikation. Für Superpave beträgt der maximal zulässige Anteil flacher und länglicher Partikel (Verhältnis 5:1) 10 % für alle Verkehrsbelastungen. Flache und längliche Partikel sind unerwünscht, da sie während der Verdichtung und der Verkehrsbelastung zum Brechen neigen, Feinanteile erzeugen, die den wirksamen Bindemittelgehalt verringern und vorzeitige Rissbildung verursachen können.
Tongehalt — gemessen als Sandäquivalent (SE-Wert) nach AASHTO T 176. Der Sandäquivalent-Test misst den Anteil tonartiger Feinanteile in der Gesteinskörnung, die das 4,75-mm-Sieb passiert. Ein Sandäquivalentwert von 45 ist das üblicherweise geforderte Minimum, was bedeutet, dass 45 % der Sedimentsäulenhöhe nach der Flockung aus sauberen Sandpartikeln bestehen. Bei höheren Verkehrsbelastungen können Sandäquivalentwerte von 50 oder mehr erforderlich sein. Niedrige Sandäquivalentwerte deuten auf das Vorhandensein von Tonmineralien hin, die Feuchtigkeitsschäden verursachen und die Bindemittel-Gesteinskörnungs-Haftung verringern können.
Quelleneigenschaften sind Gesteinskörnungsmerkmale, die nicht spezifisch für Superpave sind, sondern aus traditionellen behördlichen Spezifikationen übernommen wurden. Diese Eigenschaften gelten als quellspezifisch, da sie eher vom geologischen Ursprung der Gesteinskörnung als vom Herstellungsprozess abhängen. Zu den üblichen Quelleneigenschaften gehören:
Widerstandsfähigkeit (L.A.-Abrasion) — gemessen nach AASHTO T 96 (Los-Angeles-Abrasionsversuch). Der Versuch misst den prozentualen Massenverlust der Gesteinskörnung während des Rollens mit Stahlkugeln. Der maximal zulässige Verlust liegt je nach behördlicher Spezifikation üblicherweise bei 35–45 %. Gesteinskörnungen mit hohem L.A.-Abrasionsverlust neigen zum Zerfall während des Einbaus und unter Verkehrsbelastung.
Beständigkeit (Soundness) — gemessen nach AASHTO T 104 (Soundness of Aggregate by Use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate). Die Prüfung simuliert Frost-Tau-Wechselbeanspruchung, indem die Gesteinskörnung in eine gesättigte Salzlösung getaucht und wiederholten Zyklen aus Tränken und Trocknen ausgesetzt wird. Der maximal zulässige Verlust liegt bei der Prüfung mit Natriumsulfat typischerweise bei 10–20 %.
Schädliche Bestandteile — Begrenzung des Anteils an Schiefer, Tonklumpen, bröseligen Partikeln, Hornstein und anderen unerwünschten Materialien, die in der Fahrbahn zu Ausbrüchen, Ablösung oder Abschälen führen können. Die Prüfung erfolgt nach AASHTO T 112 (Clay Lumps and Friable Particles in Aggregate) sowie mittels Sichtprüfungsverfahren.
Superpave definiert Korngrößen-Kontrollpunkte für jede nominelle maximale Korngröße (NMAS) – die größte Siebgröße, die weniger als 10 % der Gesteinskörnung zurückhält. Die Kontrollpunkte legen den zulässigen Bereich des Siebdurchgangs für die wichtigsten Siebgrößen fest und definieren einen Korridor, durch den die Korngrößenverteilung verlaufen muss. Die verfügbaren NMAS-Optionen sind: 37,5 mm, 25,0 mm, 19,0 mm, 12,5 mm, 9,5 mm und 4,75 mm.
Zusätzlich zu den Kontrollpunkten gibt Superpave eine Sperrzone (Restricted Zone) vor – einen Bereich der Korngrößenverteilungskurve, den die Mischung nicht durchlaufen sollte. Die Sperrzone sollte die Verwendung übermäßiger Mengen an Natursand verhindern und eine ausreichende Korn-zu-Korn-Berührung im Gesteinskörnungsgerüst sicherstellen. Nachfolgende Forschungen zeigten jedoch, dass die Sperrzone nicht durchgängig mit der Leistung korrelierte, und viele Behörden haben die Anforderung der Sperrzone inzwischen geändert oder gestrichen. Der FHWA TechBrief zu Superpave Mix Design (FHWA-HIF-11-031) stellt fest, dass die Sperrzone gemäß AASHTO M 323 nicht mehr als verbindliche Anforderung gilt.
Um die Zielkorngröße zu erreichen, ist in der Regel eine Mischung verschiedener Gesteinskörnungen erforderlich, da die meisten Projekte Gesteinskörnungen aus mehreren Halden verwenden (Grobkörnung, Mittelkörnung, gebrochener Sand, Natursand und mineralischer Füller). Der Mischprozess umfasst die Dosierung jeder Halde, um eine kombinierte Korngrößenverteilung zu erzeugen, die durch die Kontrollpunkte verläuft und gleichzeitig alle Anforderungen an Konsens- und Quelleneigenschaften erfüllt.
Der Superpave Gyratory Compactor (SGC) ist die bedeutendste mechanische Innovation des Superpave-Systems. Der SGC ersetzte den Marshall-Fallhammer (Schlagverdichtung) und den Hveem-Knetverdichter als standardmäßiges Laborverdichtungsgerät für die Herstellung von Asphaltproben. Der SGC erzeugt Proben, die die im Feld durch Walzenverdichtung (Stahlrad- und Gummireifenwalzen) erreichte Dichte und Kornorientierung genauer abbilden.
Der SGC funktioniert, indem eine lose Asphaltmischungsprobe in eine zylindrische Form (150 mm Durchmesser für Standardprüfungen, 100 mm für kleinere Proben) gegeben wird und ein konstanter vertikaler Druck von 600 kPa (87 psi) angelegt wird, während die Form in einem Gyrationswinkel von 1,25 Grad geneigt und mit 30 Gyrationen pro Minute rotiert wird. Die Kombination aus vertikalem Druck und Gyrationsbewegung erzeugt eine knetende Wirkung, die die Gesteinskörnungspartikel in eine dichte Konfiguration umlagert, ähnlich der, die durch Walzenverdichtung im Feld erreicht wird.
Die primären Betriebsparameter gemäß AASHTO T 312 (Vorbereitung und Bestimmung der Dichte von Heißasphalt [HMA]-Proben mittels des Superpave Gyratory Compactors) umfassen:
| Parameter | Spezifikationswert |
|---|---|
| Vertikaler Druck | 600 kPa ± 18 kPa |
| Gyrationswinkel | 1,25° ± 0,02° (Innenwinkel) |
| Gyrationsgeschwindigkeit | 30,0 ± 0,5 Gyrationen pro Minute |
| Formdurchmesser | 149,90 – 150,00 mm (neu) |
| Probenhöhe | 115 mm ± 5 mm (Zielwert) |
Der SGC definiert drei kritische Gyrationszahlen in Abhängigkeit von der Verkehrsbelastung:
Ninitial (Nini) — die Anzahl der Gyrationen zur Bewertung der Verdichtbarkeit der Mischung während der frühen Bauphase. Diese beträgt typischerweise 6–9 Gyrationen, abhängig von der Verkehrsbelastung. Bei Ninitial muss die Probendichte mindestens unter einem bestimmten Prozentsatz der theoretischen Maximaldichte (TMD) liegen — typischerweise ≤91,5 % bei geringem Verkehr (<0,3 Millionen ESALs) und ≤89,0 % bei hohem Verkehr (≥30 Millionen ESALs). Ist die Dichte bei Ninitial zu hoch, gilt die Mischung als weich (tender) — sie verdichtet sich während des Baus zu schnell und könnte unter Verkehr instabil sein, insbesondere wenn sie übermäßig viel Natursand enthält.
Ndesign (Ndes) — die Auslegungszahl der Gyrationen, die eine Probendichte erzeugt, die der erwarteten Felddichte nach Verkehrsverdichtung entspricht. Dies ist die primäre Verdichtungsstufe für die Mischungsauslegung. Bei Ndesign beträgt der angestrebte Luftporengehalt 4,0 %. Die Anzahl der Gyrationen bei Ndesign reicht von 50 für geringen Verkehr (<0,3 Millionen ESALs) bis zu 125 für Verkehr ≥30 Millionen ESALs gemäß AASHTO R 35.
Nmax — die maximale Anzahl an Gyrationen, die eine Dichte erzeugt, die im Feld nie überschritten werden sollte. Bei Nmax muss der Luftporengehalt ≥2,0 % betragen. Liegen die Luftporen bei Nmax unter 2,0 %, gilt die Mischung als zu stark verdichtbar — sie verdichtet sich unter Verkehr übermäßig, wodurch der Luftporengehalt unter das für die Stabilität erforderliche Minimum fällt und möglicherweise Spurrinnenbildung und Ausbluten (Bleeding) verursacht werden.
Die SGC-Auslegungsgyrationsstufen gemäß AASHTO R 35 sind:
| 20-Jahres-Verkehr (Millionen ESALs) | Ninitial | Ndesign | Nmax |
|---|---|---|---|
| < 0,3 | 6 | 50 | 75 |
| 0,3 bis < 3 | 7 | 75 | 115 |
| 3 bis < 10 | 8 (7) | 100 (75) | 160 (115) |
| 10 bis < 30 | 8 | 100 | 160 |
| ≥ 30 | 9 | 125 | 205 |
Hinweis: Für 3 bis <10 Millionen ESALs können Behörden nach eigenem Ermessen die Werte in Klammern verwenden.
Der SGC liefert während der Verdichtung auch wertvolle Informationen durch die Verdichtungskurve — eine Darstellung der Probenhöhe (oder -dichte) über der Anzahl der Gyrationen. Die Steigung der Verdichtungskurve gibt Aufschluss über die Verdichtbarkeit der Mischung und ihre Empfindlichkeit gegenüber der Verdichtungsenergie. Mischungen, die sehr schnell verdichten (steile Steigung bei niedrigen Gyrationszahlen), können weich (tender) sein, während Mischungen, die sehr langsam verdichten (flache Steigung durchgehend), im Feld möglicherweise schwer zu verdichten sind.
Die Kalibrierung des SGC ist entscheidend für konsistente und reproduzierbare Ergebnisse. Eine wesentliche Entwicklung bei der SGC-Kalibrierung war die Einführung der Innenwinkelmessung, bei der der Gyrationswinkel über Sensoren im Inneren der Probenform gemessen wird, anstatt über den äußeren Rahmen des Verdichters. Das FHWA TechBrief zu Superpave Gyratory Compactors (FHWA-HIF-11-032) dokumentiert, dass die Rahmen-Nachgiebigkeit unter Last die Außenwinkelmessungen beeinflussen kann, weshalb die Innenwinkelmessung für eine konsistente Probendichte unerlässlich ist. Ablagerungen unter der Grundplatte, abgenutzte Formen und übermäßige Spalte zwischen Form und Grundplatte können den effektiven inneren Gyrationswinkel beeinflussen und müssen durch regelmäßige Wartung und Kalibrierung kontrolliert werden.
Das volumetrische Mischungsauslegungsverfahren nach Superpave bildet den Kern der Mischungsauslegung der Stufe 1. Es ermittelt den optimalen Asphaltbindemittelgehalt, der 4,0 % Luftporen bei Ndesign erreicht, während alle volumetrischen Kriterien für VMA, VFA und das Staub-Bindemittel-Verhältnis erfüllt werden. Das Verfahren ist in AASHTO R 35 (Volumetrische Auslegung von Heißasphalt nach Superpave) und AASHTO M 323 (Standard-Spezifikation für die volumetrische Mischungsauslegung nach Superpave) detailliert beschrieben.
Luftporen (Va) , auch als Hohlraumgehalt im Gesamtgemisch (VTM) bezeichnet, ist das Volumen der Lufteinschlüsse zwischen den umhüllten Gesteinskörnungen in einer verdichteten Asphaltmischung, ausgedrückt als Prozentsatz des Gesamtvolumens der Probe. Bei der Superpave-Mischungsauslegung ist der angestrebte Luftporengehalt bei Ndesign auf 4,0 % festgelegt. Dieser Wert stellt einen Kompromiss dar zwischen ausreichenden Hohlräumen für Dauerhaftigkeit und Widerstand gegen Ausbluten (zu niedrig) einerseits und zu vielen Hohlräumen, die Feuchtigkeitseintritt und beschleunigte Oxidation ermöglichen würden (zu hoch), andererseits.
Der Luftporengehalt wird aus der Raumdichte (Gmb) und der theoretischen Maximaldichte (Gmm) der Mischung bestimmt:
Va (%) = 100 × [1 - (Gmb / Gmm)]
Die Raumdichte (Gmb) wird an der verdichteten Probe nach AASHTO T 166 (Standard-Prüfverfahren für die Raumdichte von verdichtetem Heißasphalt mittels oberflächentrockener Proben) oder AASHTO T 275 (Paraffinbeschichtungsverfahren) für saugende Gesteinskörnungen gemessen. Die theoretische Maximaldichte (Gmm) wird an der losen (unverdichteten) Mischung nach AASHTO T 209 (Theoretische Maximaldichte und Dichte von Heißasphalt), allgemein bekannt als Rice-Test, gemessen.
Hohlraumgehalt im Mineralgerüst (VMA) ist das Volumen des Zwischenkorn-Hohlraums zwischen den Gesteinskörnungspartikeln in einer verdichteten Asphaltmischung, ausgedrückt als Prozentsatz des Gesamtvolumens der Probe. Der VMA umfasst sowohl die Luftporen als auch das vom effektiven Asphaltbindemittel eingenommene Volumen. Mit anderen Worten, der VMA stellt den gesamten Hohlraum dar, der innerhalb des Gesteinskörnungsgerüsts zur Verfügung steht und mit einer Kombination aus Asphaltbindemittel und Luft gefüllt werden muss.
Die Mindest-VMA-Anforderungen sind eine Funktion der nominellen maximalen Korngröße (NMAS) und in AASHTO M 323 wie folgt festgelegt:
| NMAS (mm) | Mindest-VMA (%) |
|---|---|
| 37,5 | 11,0 |
| 25,0 | 12,0 |
| 19,0 | 13,0 |
| 12,5 | 14,0 |
| 9,5 | 15,0 |
| 4,75 | 16,0 |
Der VMA wird mit folgender Formel berechnet:
VMA (%) = 100 - (Gmb × Ps / Gsb)
Wobei:
Ein unzureichender VMA (unter dem Minimum) bedeutet, dass das Gesteinskörnungsgerüst zu dicht ist, um ausreichend Asphaltbindemittel für die Dauerhaftigkeit aufzunehmen. Die Asphaltbindemittel-Filmdicke um die Gesteinskörnungspartikel wird zu gering, was zu vorzeitiger Alterung, Abrieseln und Rissbildung führt. Ein übermäßiger VMA bedeutet, dass das Gesteinskörnungsgerüst zu offen ist, was hohe Bindemittelgehalte erfordert, die zu Ausbluten, Durchschlagen oder Stabilitätsproblemen führen können.
Die VMA-Anforderung ist das wichtigste volumetrische Kriterium für das Gesteinskörnungsgerüst, da sie direkt den für das Asphaltbindemittel verfügbaren Raum steuert. Eine Änderung der Gyrationsstufe ändert die VMA-Anforderung nicht — die Gesteinskörnungsabstufung muss angepasst werden, um unabhängig von der Verdichtungsenergie einen ausreichenden VMA zu gewährleisten.
Mit Asphalt gefüllte Hohlräume (VFA) ist der Prozentsatz des VMA, der mit Asphaltbindemittel gefüllt ist (ohne absorbiertes Bindemittel). Der VFA ist ein abgeleiteter Parameter, der aus Luftporen und VMA berechnet wird:
VFA (%) = 100 × [(VMA - Va) / VMA]
Die VFA-Anforderungen sind eine Funktion der Verkehrsbelastung gemäß AASHTO M 323:
| 20-Jahres-Verkehr (Millionen ESALs) | VFA-Bereich (%) |
|---|---|
| < 0,3 | 70 – 80 |
| 0,3 bis < 3 | 65 – 78 |
| 3 bis < 10 | 65 – 75 |
| 10 bis < 30 | 65 – 75 |
| ≥ 30 | 65 – 75 |
Bei hohen Verkehrsbelastungen ist der VFA-Bereich enger und zu niedrigeren Werten verschoben, wodurch mehr Raum innerhalb des VMA für Luftporen geschaffen wird und sichergestellt wird, dass die Mischung bei zusätzlicher Verkehrsverdichtung nicht mit Bindemittel überfüllt wird. Bei geringen Verkehrsbelastungen ermöglicht der VFA-Bereich einen höheren Bindemittelgehalt, was die Dauerhaftigkeit verbessert.
Das Staub-Bindemittel-Verhältnis (P0,075/Pbe) ist das Verhältnis des Anteils der Gesteinskörnung, der das 0,075 mm-Sieb (Nr. 200) passiert (P0,075), zum Anteil des effektiven Asphaltbindemittelgehalts (Pbe) bezogen auf die Masse der Mischung. Der effektive Bindemittelgehalt ist das gesamte Bindemittel abzüglich des in die Gesteinsporen absorbierten Bindemittels:
P0,075/Pbe = P0,075 / Pbe
Das erforderliche Staub-Bindemittel-Verhältnis für Superpave-Mischungen liegt typischerweise bei 0,6 bis 1,2. Für Mischungen mit NMAS ≤ 25 mm kann die Behörde einen erweiterten Bereich von 0,8 bis 1,6 akzeptieren, wenn die Abstufung unter dem Kontrollpunkt des primären Kontrollsiebs (PCS) liegt. Ein Verhältnis unter 0,6 weist auf unzureichende Feinstanteile (Staub) in der Mischung hin, was zu einem Mastix mit geringer Steifigkeit aus Bindemittel und Füller und einem erhöhten Spurrinnenpotenzial führen kann. Ein Verhältnis über 1,6 weist auf übermäßigen Staub hin, der einen steifen, spröden Mastix erzeugen kann, der zur Rissbildung neigt und zudem zu viel Bindemittel absorbieren kann.
Der Prozess zur Auswahl des optimalen Bindemittelgehalts umfasst:
Die Marshall- und Superpave-Mischgutbemessungsverfahren repräsentieren grundlegend unterschiedliche Ansätze zur Asphaltmischgutbemessung. Obwohl beide Verfahren letztlich einen optimalen Bindemittelgehalt ermitteln, unterscheiden sie sich in der Ausrüstung, der Philosophie, den Leistungsindikatoren und dem Umfang des Bemessungsprozesses.
| Parameter | Marshall-Verfahren | Superpave-Verfahren |
|---|---|---|
| Verdichtungsmethode | Fallhammer (50 oder 75 Schläge pro Seite) | Gyrativer Verdichter (50–125 Gyrationen) |
| Probekörpergröße | 102 mm Durchmesser × 63,5 mm Höhe | 150 mm Durchmesser × 115 mm Höhe |
| Leistungskriterien | Stabilität (kN) und Fließwert (mm) | Nur volumetrische Eigenschaften (Stufe 1) |
| Bindemittelklassifizierung | Penetrations- oder Viskositätsgrad | Performance Grade (PG) |
| Verkehrsberücksichtigung | Feste Verdichtung (alle Mischungen) | Variable Verdichtung (Ndesign nach Verkehr) |
| Klimaberücksichtigung | Keine | PG-Bindemittelauswahl nach Klima |
| Gesteinseigenschaften | Nicht im Bemessungsverfahren festgelegt | Konsenseigenschaften nach Verkehrsstärke |
| Feuchteempfindlichkeit | Optional | Erforderlich (AASHTO T 283) |
| Einbaudichte-Zielwert | ≥95 % der Marshall-Labordichte | 92–98 % von Gmm (4 % Ziel-Hohlraumgehalt) |
Das Marshall-Verfahren wurde 1939 von Bruce Marshall des Mississippi Highway Department entwickelt und vom US Army Corps of Engineers während des Zweiten Weltkriegs für die Flugplatzbefestigung verfeinert. Es verwendet eine Schlagverdichtung mit einem 4,54 kg schweren Fallhammer, der aus 457 mm Höhe fallengelassen wird, mit 50 oder 75 Schlägen pro Probekörperseite. Der verdichtete Probekörper wird in einer Marshall-Prüfmaschine bei 60 °C belastet, um die Stabilität (Höchstlast in kN) und den Fließwert (vertikale Verformung in mm) zu bestimmen. Der optimale Bindemittelgehalt wird als der Bindemittelgehalt gewählt, der 4 % Hohlraumgehalt (oder 3–5 % je nach Spezifikation) erreicht und gleichzeitig die Mindestanforderungen an Stabilität und Fließwertbereich erfüllt.
Das Marshall-Verfahren hat trotz seiner weiten Verbreitung und Einfachheit mehrere anerkannte Einschränkungen. Die Schlagverdichtung simuliert nicht die Knetwirkung von Walzen auf der Baustelle, sodass Probekörper mit einer anderen Gesteinskörnung orientierung als im eingebauten Asphalt hergestellt werden. Der Stabilitätsversuch misst nicht ausreichend die Scherfestigkeit, sondern eine Kombination aus Scherung und Druck. Das Verfahren berücksichtigt weder Klima noch Verkehrsstärke im Bemessungsprozess – eine Mischung, die für eine Straße mit geringem Verkehrsaufkommen entworfen wurde, erhält den gleichen Verdichtungsaufwand wie eine Mischung für eine Autobahn. Diese Einschränkungen führten zu der wachsenden Erkenntnis unter Asphaltexperten, dass das Marshall-Verfahren für moderne Anwendungen mit hohem Verkehrsaufkommen nicht mehr zeitgemäß war.
Superpave adressiert diese Einschränkungen direkt. Das Performance Grade (PG)-Bindemittelsystem stellt sicher, dass das Bindemittel auf Basis des tatsächlichen Temperaturbereichs des Projektstandorts ausgewählt wird. Der Gyrativverdichter wendet eine Knetwirkung an, die die Verdichtung auf der Baustelle besser nachbildet. Der variable Verdichtungsaufwand (Ndesign) reicht von 50 bis 125 Gyrationen, abhängig von der Verkehrsstärke, sodass stark befahrene Straßen einen höheren Verdichtungsaufwand erhalten. Die Gesteinskörnungs-Konsenseigenschaften gewährleisten eine ausreichende Gesteinsqualität für die jeweilige Verkehrsstärke. Der Fokus auf volumetrische Eigenschaften (VMA und VFA) anstelle von Stabilität und Fließwert bietet eine grundlegendere Basis für die Mischungsqualität.
Die Forschung, die Marshall- und Superpave-Mischungen vergleicht, hat gezeigt, dass Superpave-Mischungen typischerweise eine überlegene Verformungsbeständigkeit, eine verbesserte Ermüdungslebensdauer und eine bessere Beständigkeit gegen Feuchteschäden aufweisen. Eine Studie von Farooq et al. berichtete, dass Superpave-Mischungen höhere indirekte Zugfestigkeiten (ITS) und Resilient-Moduln (MR) aufwiesen als Marshall-Mischungen. Zumrawi und Edrees fanden heraus, dass konventionelle Marshall-Mischungen im Vergleich zu Superpave-Mischungen in heißen Klimaregionen eine schlechtere Verformungs- und Kälterissbeständigkeit aufwiesen. Der NCHRP Report 573 lieferte umfangreiche Feldvalidierungsdaten, die belegen, dass Superpave-Mischungen unter realen Verkehrs- und Umgebungsbedingungen im Allgemeinen gut abschneiden.
Es gab jedoch Bedenken, dass das Superpave-System Mischungen hervorbringt, die „zu trocken" sind – das heißt, mit einem geringeren Asphaltbindemittelgehalt als für die Langzeitbeständigkeit wünschenswert. Die FHWA Mix Expert Task Group (ETG) hat anerkannt, dass es Fälle gibt, in denen die Superpave-Anforderungen überhöht sein können, was zu Mischungen führt, die schwer einzubauen und möglicherweise weniger dauerhaft sind. Die Lösung, wie im FHWA TechBrief (FHWA-HIF-11-031) empfohlen, besteht nicht einfach darin, die Gyrationsstufen zu reduzieren, sondern die Auswirkungen etwaiger Änderungen auf die Mischungsleistung sorgfältig zu bewerten, indem Leistungsprüfungen wie der Hamburger Spurrinnentest oder der Asphalt Pavement Analyzer (APA) durchgeführt werden.
Die Anwendung der Superpave-Technologie auf Flugplatzbefestigungen folgt den Standards der Federal Aviation Administration (FAA) , die Superpave-Prinzipien in ihre Spezifikation P-401 für werksgemischte bituminöse Befestigungen (AC 150/5370-10H) integriert hat. Flugplatzbefestigungen stellen im Vergleich zu Straßenbefestigungen besondere Herausforderungen dar, aufgrund der höheren Lasten, der höheren Reifendrücke und der sicherheitskritischen Natur des Flugbetriebs.
Die FAA P-401-Spezifikation erkennt drei Abstufungstypen für Flugplatzmischungen an:
| Abstufung | NMAS | Mindesteinbaudicke | Hauptanwendung |
|---|---|---|---|
| Abstufung 1 | 19,0 mm | 3 Zoll (75 mm) | Stark belastete Start- und Rollbahnen |
| Abstufung 2 | 12,5 mm | 2 Zoll (50 mm) | Mittelbelastete Befestigungen |
| Abstufung 3 | 9,5 mm | 1,5 Zoll (38 mm) | Ausgleichsschichten, leicht belastete Bereiche |
Die P-401-Spezifikation beinhaltet FAA-spezifische Superpave-Anforderungen, darunter:
Gyrativverdichtungsstufen — Flugplatz-Superpave-Mischungen verwenden aufgrund der unterschiedlichen Belastungseigenschaften von Flugzeugen typischerweise niedrigere Gyrationsstufen als Straßenanwendungen. Für die allgemeine Luftfahrt und leichtere Flugzeugbefestigungen werden üblicherweise 50 Gyrationen verwendet. Für gewerbliche Verkehrsflugplätze, die schwere Flugzeuge bedienen, können 75 Gyrationen vorgeschrieben werden. Die FAA hat Forschung am NCAT (National Center for Asphalt Technology) finanziert, um geeignete Gyrationsstufen für Flugplatzanwendungen zu validieren, da der Zusammenhang zwischen Gyrationsstufen im Labor und der Verdichtung im Feld bei Flugplatzbefestigungen unterschiedlich ist.
PG-Bindemittelauswahl mit Grade Bumping — Die FAA schreibt die PG-Bindemittelauswahl basierend auf dem Klima vor, mit zusätzlichem Grade Bumping, um die höheren Reifendrücke von Flugzeugen zu berücksichtigen. Die Richtlinie besagt, dass die Basisklasse nur nach Klima bestimmt wird, ohne Bumping für den Verkehr. Beim Bumping einer Klasse ist PG Plus-Prüfung erforderlich, wenn die obere Temperaturgrenze 92 °C oder mehr beträgt (was auf ein modifiziertes Bindemittel hinweist). Die Bindemittelspezifikationsdatenbank des Asphalt Institute wird als Referenz verwendet. Übliche Flugplatz-Bindemittelklassen umfassen PG 64-22, PG 70-22, PG 76-22 und PG 76-28, abhängig vom Klima und den betrieblichen Anforderungen.
Leistungsprüfanforderungen — Die P-401-Spezifikation enthält nun eine Lastplattenprüfungs-Anforderung für die Bewertung der Mischgutbemessung. Die Standardmethode verwendet den Asphalt Pavement Analyzer (APA) mit 250 psi Schlauchdruck bei 64 °C gemäß AASHTO T 340, mit einer maximalen Spurrinnentiefe von 10 mm bei 4.000 Überfahrten. Alternative Methoden umfassen APA-Prüfung bei 100 psi und 64 °C (max. 5 mm bei 8.000 Überfahrten) oder den Hamburger Spurrinnentest gemäß AASHTO T 324 (max. 10 mm bei 20.000 Überfahrten). Diese Leistungsprüfanforderungen stellen sicher, dass Flugplatzmischungen unter simulierten Flugzeugbelastungsbedingungen auf Verformungsbeständigkeit geprüft werden.
Qualitätskontrolle und Abnahme — Die P-401-Spezifikation legt großen Wert auf Qualitätskontrolle und macht das QC-Programm des Auftragnehmers zu einem separaten Vergütungsposten. Die Spezifikation erfordert einen QC/QA-Workshop vor Baubeginn, an dem der Ingenieur, der Bauüberwacher, der Auftragnehmer, Subunternehmer, Prüflabore und der Vertreter des Auftraggebers teilnehmen. Die Abnahme basiert auf der Percent Within Limits (PWL)-Methodik, mit Vergütungsposten für die Nahtverdichtung an Längs- und Querbaunähten.
Verdichtungsmessung — Die FAA schreibt nun die Verdichtung als Prozentsatz der Theoretischen Maximaldichte (TMD) vor, in Übereinstimmung mit der Straßenbaupraxis, anstatt der bisherigen Methode des Prozentsatzes der Labor-Rohdichte. Der Zieldichtebereich liegt typischerweise bei 92–98 % von Gmm, was 2–8 % Hohlraumgehalt im Feld entspricht.
Die ICAO (International Civil Aviation Organization) verweist in ihrem Annex 14 — Aerodromes und im Aerodrome Design Manual (Doc 9157, Part 3) auf FAA- und ASTM-Standards für Flugplatzbefestigungsmaterialien. Obwohl die ICAO keine eigenen detaillierten Materialspezifikationen erstellt, verlangt sie, dass Flugplatzbefestigungen nach Standards gebaut und instand gehalten werden, die die Sicherheit des Flugbetriebs gewährleisten, was effektiv die Verwendung leistungsbasierter Mischgutbemessungsverfahren wie Superpave für kritische Flugplatzbefestigungen vorschreibt.
Qualitätskontrolle (QC) und Qualitätssicherung (QA) für Superpave-Mischungen folgen etablierten statistischen Qualitätskontrollverfahren, die unerlässlich sind, um sicherzustellen, dass die hergestellte Mischung die Bemessungsanforderungen erfüllt und sich im Feld wie vorgesehen verhält.
Das standardmäßige Abnahmegerüst für die Superpave-Produktion verwendet die Percent Within Limits (PWL)-Methodik gemäß AASHTO R 9 (Acceptance Sampling Plans for Highway Construction) und AASHTO R 42 (Standard Practice for Developing a Quality Assurance Plan for Hot-Mix Asphalt). PWL schätzt den Prozentsatz der Produktionscharge, der innerhalb der Spezifikationsgrenzen liegt, basierend auf der statistischen Analyse von Prüfergebnissen aus Zufallsstichproben.
Zu den wichtigsten QC/QA-Parametern für die Superpave-Produktion gehören:
| Parameter | Typische Spezifikation | Prüfverfahren |
|---|---|---|
| Asphaltbindemittelgehalt | ±0,3–0,5 % des JMF | AASHTO T 308 (Muffelofen) oder AASHTO T 164 (Extraktion) |
| Abstufung (% Durchgang je Sieb) | ±4–8 % des JMF | AASHTO T 30 / AASHTO T 27 |
| Hohlraumgehalt bei Ndesign | 4,0 % ± 1,0 % | AASHTO T 166, T 209, T 312 |
| VMA | ≥ Mindestvorgabe | Berechnet aus volumetrischen Daten |
| VFA | Innerhalb des vorgegebenen Bereichs | Berechnet aus volumetrischen Daten |
| Einbaudichte | 92–98 % von Gmm | AASHTO T 166 (Bohrkerne) oder nukleares Messgerät |
Annahmegrenze (AQL) — Die meisten Behörden schreiben einen Mindest-PWL von 90 % für Schlüsselparameter wie Dichte und Hohlraumgehalt vor. Dies bedeutet, dass mindestens 90 % der Produktion innerhalb der Spezifikationsgrenzen liegen müssen, damit die Charge zu 100 % vergütet wird. Niedrigere PWL-Werte führen zu reduzierten Vergütungsfaktoren (Preisabzügen), während höhere PWL-Werte Anspruch auf Anreizzahlungen begründen können.
Kontrollprüfung — Die Behörde führt in der Regel unabhängige Kontrollprüfungen an Proben durch, die getrennt von den QC-Proben des Auftragnehmers entnommen werden. Der statistische Vergleich mittels F-Tests (auf Varianz) und t-Tests (auf Mittelwerte) bestimmt, ob die Prüfergebnisse des Auftragnehmers für die Abnahme verwendet werden können. Wenn der F-Test oder t-Test auf einen signifikanten Unterschied zwischen den Ergebnissen des Auftragnehmers und der Behörde hinweist, können Auflösungsprüfungen oder Prüfungen durch ein unabhängiges Labor erforderlich sein.
Produktions-Chargenstruktur — Die Superpave-Produktion wird typischerweise in Chargen von 500–1000 Tonnen (abhängig von der behördlichen Spezifikation) eingeteilt, wobei jede Charge in 4–5 Unterchargen unterteilt wird. Aus jeder Untercharge wird eine Zufallsprobe entnommen, was 4–5 Proben pro Charge für die statistische Analyse ergibt.
Prozesskontrolle — Der Auftragnehmer führt die Prozesskontrolle durch kontinuierliche Überwachung der Produktionsparameter der Mischanlage durch, einschließlich der Gesteinsaufgabemengen, der Brennertemperaturen, der Rückführung von Filterkammermehlen, der Mischtemperatur und der Bedingungen im Fertigsilo. Nukleare Asphaltgehaltsmessgeräte werden üblicherweise für die Echtzeitüberwachung des Bindemittelgehalts verwendet, während regelmäßige Laborprüfungen der Kontrolle dienen.
Während die Superpave-Mischgutbemessung der Stufe 1 auf volumetrischen Kriterien als Surrogat-Leistungsindikatoren beruht, liefert die Leistungsprüfung eine direkte Messung des Widerstands der Mischung gegen spezifische Schadensmechanismen. Die Entwicklung praktischer Leistungsprüfungen für den Routineeinsatz war Gegenstand umfangreicher Forschung im Rahmen der NCHRP-Projekte 9-19, 9-29 und 9-33.
Der Asphalt Pavement Analyzer (APA) gemäß AASHTO T 340 ist ein Lastplatten-Spurrinnentest, der die Verformungsbeständigkeit verdichteter Asphaltprobekörper bewertet. Der APA verwendet einen druckbeaufschlagten Gummischlauch (typischerweise 100–250 psi), der gegen einen rechteckigen Probekörper drückt, während ein Rad hin- und herläuft. Die Spurrinnentiefe wird nach einer bestimmten Anzahl von Überfahrten (typischerweise 4.000–8.000) gemessen. Der APA wird von vielen staatlichen Straßenbauämtern verwendet und ist der in der FAA P-401-Spezifikation für Flugplatzmischungen vorgeschriebene Leistungstest.
Der Hamburger Spurrinnentest gemäß AASHTO T 324 bewertet sowohl die Verformungsbeständigkeit als auch die Feuchteempfindlichkeit. Stahlräder (47 mm breit) rollen über verdichtete Probekörper, die in einem heißen Wasserbad bei 50 °C eingetaucht sind. Der Test zeichnet die Spurrinnentiefe als Funktion der Radüberfahrten bis zu 20.000 Überfahrten auf. Der Hamburger Test liefert zwei Schlüsselparameter: die Kriechneigung (Verformung unter trockenen Bedingungen) und den Stripping-Wendepunkt (Anzahl der Überfahrten, bei der Feuchteschäden beginnen, die Verformung zu beschleunigen). Ein Minimum von 10.000–20.000 Überfahrten vor dem Stripping-Wendepunkt ist typischerweise erforderlich.
Der Asphalt Mix Performance Tester (AMPT) gemäß AASHTO TP 79 (Dynamic Modulus Test) und AASHTO TP 107 (Flow Number Test) ermöglicht eine umfassende Leistungscharakterisierung. Der Dynamic Modulus (E)*-Test misst die Steifigkeit der Mischung über einen Bereich von Temperaturen (4 °C bis 54 °C) und Belastungsfrequenzen (0,1 bis 25 Hz) und erzeugt eine Masterkurve, die das viskoelastische Verhalten der Mischung charakterisiert. Der Flow Number (Fn)-Test wendet eine wiederholte haversine Axiallast auf einen ungefassten Probekörper an und misst die akkumulierte bleibende Dehnung als Funktion der Lastzyklen. Der Flow Index am tertiären Fließpunkt ist ein Maß für die Verformungsbeständigkeit.
Der Indirekte Zugversuch (IDT) gemäß AASHTO T 322 wird verwendet, um das Kriechverhalten und die Zugfestigkeit von Asphaltmischungen bei niedrigen Temperaturen zur Bewertung der Kälterissbildung zu bestimmen. Der IDT-Versuch belastet einen zylindrischen Probekörper über seinen Durchmesser und erzeugt eine relativ gleichmäßige Zugspannung in der vertikalen Ebene. Der Parameter Kriechnachgiebigkeit (D(t)) wird im Thermal Cracking Model des MEPDG verwendet, um das Kälterissverhalten bei niedrigen Temperaturen vorherzusagen.
Die Feuchteempfindlichkeitsprüfung gemäß AASHTO T 283 (Modified Lottman Test) ist die einzige Leistungsprüfung, die in der Superpave-Mischgutbemessung der Stufe 1 erforderlich ist. Sechs Probekörper werden hergestellt und in zwei Untergruppen aufgeteilt: Eine Untergruppe wird trocken geprüft, die andere wird einer teilweisen Vakuumsättigung, gefolgt von einem Frost-Tau-Zyklus und einer Warmwasserkonditionierung, unterzogen. Beide Untergruppen werden auf indirekte Zugfestigkeit geprüft. Das Zugfestigkeitsverhältnis (TSR) wird als Verhältnis der konditionierten zur nicht konditionierten Zugfestigkeit berechnet und in Prozent ausgedrückt. Ein Mindest-TSR von 80 % ist typischerweise erforderlich.
Die Integration der Leistungsprüfung in die routinemäßige Superpave-Mischgutbemessung und die Produktions-QC stellt die fortlaufende Entwicklung des Systems hin zur ursprünglichen Vision einer vollständig leistungsbasierten Spezifikation dar. Der Balanced Mix Design (BMD)-Ansatz, der derzeit von mehreren staatlichen Straßenbauämtern entwickelt und implementiert wird, zielt darauf ab, die Verformungsbeständigkeit, die Rissbeständigkeit und die Feuchteempfindlichkeit im Mischgutbemessungsprozess direkt zu messen und auszubalancieren, und geht damit über die derzeitige alleinige Abhängigkeit von volumetrischen Kriterien hinaus.
Unser Team bietet professionelle Fahrbahnzustandsbewertungen, einschließlich Superpave-Mischgutentwurfsprüfung, PG-Bindemittelauswahlberatung und Qualitätskontrollinspektionen für Flugplatz- und Autobahnasphaltprojekte.
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