Hohlräume im Mineralstoffgemisch (VMA)

Hohlräume im Mineralstoffgemisch (VMA) — Definition und volumetrisches Konzept

Hohlräume im Mineralstoffgemisch (VMA) ist definiert als das Volumen des intergranularen Hohlraums, der zwischen den Gesteinskörnungen in einer verdichteten Heißasphaltmischung (HMA) besteht, ausgedrückt als Prozentsatz des gesamten Raumvolumens der verdichteten Mischung. VMA umfasst den gesamten Raum, der nicht von den festen Gesteinskörnungen eingenommen wird — er beinhaltet die Luftporen (die kleinen Lufteinschlüsse zwischen den umhüllten Gesteinskörnungen) und das Volumen des effektiven Bitumenbindemittels (der Anteil des Bitumens, der nicht in die Gesteinsporen eingedrungen ist und zur Umhüllung der Gesteinsoberflächen zur Verfügung steht).

Das volumetrische Konzept des VMA ist grundlegend für das Verständnis der Funktionsweise von Asphaltmischungen. In einer verdichteten HMA-Mischung besteht das gesamte Raumvolumen aus drei Komponenten: dem Volumen der festen Gesteinskörnungen (einschließlich des festen mineralischen Materials und der wasserdurchlässigen Poren innerhalb der Gesteinskörnung, die für das Bitumenbindemittel zugänglich sind), dem Volumen des effektiven Bitumenbindemittels (das Bitumen, das die Gesteinskörnungen umhüllt und die Haftung zwischen ihnen gewährleistet) und dem Volumen der Luftporen (die zusammenhängenden und nicht zusammenhängenden Lufträume, die nach der Verdichtung verbleiben). VMA repräsentiert die Summe der letzteren beiden Komponenten — den Raum, der für das Bindemittel und die Luft zur Verfügung steht.

Das Asphalt Institute (MS-2, 7. Auflage) beschreibt VMA als „das Volumen des intergranularen Hohlraums zwischen den Gesteinskörnungen in einer verdichteten Asphaltmischung, das die Luftporen und den effektiven Bitumengehalt umfasst, ausgedrückt als Prozentsatz des Gesamtvolumens der Mischung." Die Superpave-Mischungsentwurfsmethode (AASHTO M323 und R35) behandelt VMA als den primären volumetrischen Steuerparameter — alle anderen volumetrischen Eigenschaften (Luftporen V_a, mit Bitumen gefüllte Hohlräume VFA, effektiver Bindemittelgehalt V_be) sind Funktionen des VMA.

Die physikalische Bedeutung des VMA kann nicht genug betont werden. VMA ist der einzige Parameter, der die Auswirkungen von Kornabstufung, Kornform und -textur, Verdichtungsenergie, Bindemittelgehalt und Bindemittelabsorption integriert. Eine Mischung mit ausreichendem VMA hat genügend Raum, um die optimale Bitumenfilmdicke (typischerweise 9 bis 10 Mikrometer nach NCAT-Forschung von Kandhal und Chakraborty) und die erforderlichen Luftporen (typischerweise 3 % bis 5 % nach dem Einbau) aufzunehmen, ohne Stabilität oder Dauerhaftigkeit zu beeinträchtigen. Eine Mischung mit unzureichendem VMA kann nicht gleichzeitig die Anforderungen an Bindemittelgehalt und Luftporen erfüllen.

Das Konzept wurde erstmals von Norman McLeod in einem Artikel von 1956 für das Highway Research Board formalisiert, in dem er argumentierte, dass der Asphaltmischungsentwurf auf volumetrischen Prinzipien und nicht auf gewichtsbasierten Anteilen basieren sollte. McLeod schlug vor, dass ein Mindest-VMA von 15 % in Kombination mit 3 % bis 5 % Luftporen automatisch einen Mindestbitumengehalt von etwa 4,5 Gewichts-% (entspricht 10 Volumen-%) gewährleisten würde, ausreichend für die Dauerhaftigkeit der Befestigung. Diese Arbeit wurde zur Grundlage für die Mindest-VMA-Anforderungen des Asphalt Institute, die erstmals 1964 veröffentlicht und später — mit Änderungen — in das Superpave-System übernommen wurden, das vom Strategic Highway Research Program (SHRP) in den 1990er Jahren entwickelt wurde.

VMA-Berechnung

Die Berechnung des VMA erfordert die Bestimmung mehrerer grundlegender physikalischer Eigenschaften der Mischung und ihrer Ausgangsstoffe. Die genaue Bestimmung dieser Eigenschaften bestimmt die Zuverlässigkeit jedes VMA-Wertes, der im Mischungsentwurf und in der Qualitätskontrolle verwendet wird.

Die VMA-Gleichung

Die Standardgleichung zur Berechnung des VMA lautet:

VMA = 100 — (Gmb × Ps / Gsb)

Wobei:

In der Praxis wird die Berechnung mit der gebräuchlicheren Formulierung auf der Grundlage direkt gemessener Eigenschaften durchgeführt:

VMA = 100 — (Gmb × (100 — Pb) / Gsb)

Wobei Pb der prozentuale Bitumenbindemittelgehalt bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung ist.

Schrittweise Berechnung

Die Bestimmung des VMA für einen verdichteten HMA-Probekörper erfordert die folgenden labortechnischen Messungen:

Schritt 1 — Bestimmung der Raumdichte der verdichteten Mischung (Gmb): Der verdichtete Probekörper wird an der Luft gewogen (Trockenmasse), dann in Wasser eingetaucht (Eintauchmasse) und schließlich nach dem Oberflächentrocknen an der Luft gewogen (Oberflächentrockenmasse). Die Raumdichte wird berechnet als: Gmb = Trockenmasse / (OFT-Masse — Eintauchmasse). Dieser Test folgt AASHTO T166 (Standard-Prüfverfahren für die Raumdichte von verdichtetem Heißasphalt unter Verwendung von oberflächentrockenen Probekörpern) oder ASTM D2726. Für Probekörper mit hohem Luftporengehalt (>6 %) oder offen abgestufte Mischungen wird stattdessen AASHTO T275 (Raumdichte von verdichtetem Heißasphalt unter Verwendung von paraffinbeschichteten Probekörpern) oder AASHTO T331 (Vakuumversiegelungsverfahren) verwendet.

Schritt 2 — Bestimmung des Bitumenbindemittelgehalts (Pb): Der Bitumengehalt wird durch Verbrennungsofen nach AASHTO T308 (Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung des Bitumenbindemittelgehalts von Heißasphalt durch das Verbrennungsverfahren) oder durch Lösemittelextraktion nach AASHTO T164 bestimmt. Die Verbrennungsofenmethode wird aufgrund ihrer Schnelligkeit und Präzision für die Qualitätskontrolle bevorzugt. Ein Korrekturfaktor muss angewendet werden, um den Massenverlust der Gesteinskörnung während der Verbrennung zu berücksichtigen (typischerweise 0,2 % bis 0,6 %).

Schritt 3 — Bestimmung der Raumdichte der gesamten Gesteinskörnung (Gsb): Die Raumdichte der Grobkornfraktion (Rückstand auf dem 4,75-mm-Sieb) wird nach AASHTO T85 (ASTM C127) bestimmt, und die Raumdichte der Feinkornfraktion (Durchgang durch das 4,75-mm-Sieb) wird nach AASHTO T84 (ASTM C128) bestimmt. Die kombinierte Gsb wird dann als gewichteter Durchschnitt der Einzelraumdichten basierend auf dem prozentualen Anteil jeder Fraktion in der Mischung berechnet:

Gsb_ges = 100 / [ (P1/(Gsb1)) + (P2/(Gsb2)) + … + (Pn/(Gsbn)) ]

Wobei P1, P2, …, Pn die prozentualen Anteile jeder Gesteinskomponente in der Mischung sind und Gsb1, Gsb2, …, Gsbn die jeweiligen Raumdichten sind.

Schritt 4 — Berechnung des VMA: Der VMA wird dann mit der oben angegebenen Gleichung berechnet. Ein VMA unter dem festgelegten Mindestwert weist auf einen unzureichenden intergranularen Hohlraum hin. Dies erfordert typischerweise eine Anpassung der Kornabstufung, einen Wechsel der Gesteinsquelle oder eine Reduzierung der Verdichtungsenergie.

Vereinfachte Berechnung mit Gmm

Ein alternativer Ansatz verwendet die maximale theoretische Dichte (Gmm) der Mischung. Die Mischung wird auf Gmm nach AASHTO T209 (ASTM D2041) geprüft, und der Luftporengehalt (V_a) wird berechnet als:

V_a = 100 × (Gmm — Gmb) / Gmm

Anschließend werden die mit Bitumen gefüllten Hohlräume (VFA) berechnet, und der VMA wird aus diesen Werten abgeleitet. Die direkte Gsb-basierte Berechnung ist jedoch die empfohlene Methode sowohl in AASHTO R35 als auch im Asphalt Institute MS-2, da sie eine direktere Bewertung des Korngerüsts ermöglicht.

Präzision und systematische Abweichung

Die Präzision von VMA-Bestimmungen hängt von der Präzision jeder einzelnen Messgröße ab. Die Forschung des National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) und der ASTM hat die folgenden Präzisionswerte für Einzelprüfer (Wiederholbarkeit) und Mehrlabor (Vergleichbarkeit) festgelegt:

Die kombinierte Wirkung dieser Varianzen bedeutet, dass der akzeptable Bereich für VMA zwischen zwei ordnungsgemäß durchgeführten Prüfungen im selben Labor etwa ±0,6 % bis ±1,0 % beträgt. Zwischen verschiedenen Laboren erhöht sich der akzeptable Bereich auf ±1,2 % bis ±2,0 %. Diese Variabilität muss bei der Interpretation von VMA-Ergebnissen berücksichtigt werden — ein VMA, der 0,3 % unter dem Mindestwert liegt, ist möglicherweise statistisch nicht von einem Wert zu unterscheiden, der den Mindestwert erreicht.

Ein von NCAT-Forschern hervorgehobener kritischer Punkt ist die Auswirkung der Gsb-Genauigkeit auf den VMA. Die FHWA-Veröffentlichung Is Your Gsb Correct? (NCAT 2017) zeigt, dass ein Fehler von 0,020 in Gsb einen Fehler von etwa 0,7 % bis 0,9 % im VMA verursacht. Da die Gsb-Bestimmung die bedienerabhängigste der Dichteprüfungen ist, wird die Überprüfung der Gsb-Werte durch unabhängige Prüfungen für jede neue Gesteinsquelle und regelmäßig während der Produktion empfohlen.

Mindest-VMA-Anforderungen nach nominaler maximaler Korngröße

Die Mindest-VMA-Anforderung wird in Abhängigkeit von der nominalen maximalen Korngröße (NMAS) festgelegt — der kleinsten Siebgröße, die der Großteil der Gesteinsprobe passiert, auf der jedoch noch etwas Material zurückbleiben kann. Die NMAS bestimmt die Packungseigenschaften des Korngerüsts: kleinere Körner packen mit größerem Zwischenkornhohlraum, da sie eine höhere Oberfläche pro Volumeneinheit haben, während größere Körner enger packen.

Superpave-Mindest-VMA (AASHTO M323)

AASHTO M323 (Standardspezifikation für den volumetrischen Superpave-Mischungsentwurf) legt die folgenden Mindest-VMA-Werte bei einem Sollluftporengehalt von 4,0 % fest:

Wenn der Sollluftporengehalt von 4,0 % abweicht, wird der Mindest-VMA wie folgt angepasst:

• Bei 3,0 % Sollluftporen: 1,0 % vom tabellierten Mindest-VMA abziehen
• Bei 5,0 % Sollluftporen: 1,0 % zum tabellierten Mindest-VMA hinzufügen

Für eine Mischung mit 19,0 mm NMAS, die bei 3,0 % Luftporen entworfen wurde, würde der Mindest-VMA 13,0 % — 1,0 % = 12,0 % betragen. Für dieselbe Mischung, die bei 5,0 % Luftporen entworfen wurde, würde der Mindest-VMA 13,0 % + 1,0 % = 14,0 % betragen.

Diese Mindest-VMA-Werte sind verbindlich — ein Mischungsentwurf, der die Mindest-VMA-Anforderung nicht erfüllt, ist nach AASHTO M323 unabhängig von anderen Leistungsmerkmalen nicht akzeptabel. Die Begründung ist, dass ein VMA unter dem Mindestwert nicht den notwendigen Raum für eine ausreichende Bindemittelfilmdicke bieten kann und die resultierende Mischung zwangsläufig eine verminderte Dauerhaftigkeit aufweist.

Asphalt Institute MS-2 Mindest-VMA

Das MS-2 des Asphalt Institute (Mischungsentwurfsmethoden für Asphaltbeton und andere Heißmischungen, 7. Auflage) enthält Mindest-VMA-Anforderungen sowohl für Marshall- als auch für Superpave-Mischungsentwürfe. Die Marshall-Mindest-VMA-Werte folgen dem gleichen NMAS-basierten System, waren jedoch historisch für 5 % Sollluftporen statt 4 % kalibriert. Das aktuelle MS-2 gibt Mindest-VMA-Werte für 3 %, 4 % und 5 % Luftporengehalte an.

Historische Entwicklung der Mindest-VMA-Werte

Die Mindest-VMA-Anforderungen wurden nicht aus grundlegender Forschung abgeleitet, die VMA mit der Feldleistung korreliert. McLeods ursprünglicher Vorschlag von 1956 für einen Mindest-VMA von 15 % basierte auf der Sicherstellung eines Mindestbitumengehalts von 4,5 Gewichts-% (10 Volumen-%), unter Annahme einer Raumdichte von 2,65 für die Gesteinskörnung und 1,01 für das Bitumen bei null Absorption. Der Zusammenhang zwischen NMAS und Mindest-VMA wurde 1959 von McLeod vorgeschlagen und 1964 vom Asphalt Institute übernommen — die zugrundeliegenden Daten für diesen Zusammenhang wurden jedoch nie veröffentlicht.

Dieser historische Kontext ist entscheidend. Die heute verwendeten Mindest-VMA-Werte basierten auf Annahmen, die wiederholt in Frage gestellt wurden. Die NCAT-Forschung von Kandhal und Chakraborty (1992) war der erste systematische Versuch, VMA durch Filmdicken- und Alterungsstudien mit grundlegendem Materialverhalten in Beziehung zu setzen. Ihre Arbeit etablierte das Ziel einer Filmdicke von 9-10 Mikrometern, die in Kombination mit 4 % Luftporen Mindest-VMA-Werte ergibt, die für die meisten NMAS mit den tabellierten AASHTO-Werten übereinstimmen.

Die Mindest-VMA-Anforderungen für 5 % Luftporen in früheren Ausgaben des MS-2 wurden einfach um 1,0 % reduziert, um die jetzt im Superpave verwendeten Anforderungen für 4 % Luftporen zu erhalten. Diese empirische Anpassung entbehrt einer strengen Validierung, und mehrere staatliche Straßenbauämter und Forscher haben eine Neubewertung der grundlegenden Basis für den Mindest-VMA gefordert. Das NCHRP-Projekt 9-69 (2018-2022) untersuchte den Zusammenhang zwischen VMA und Feldleistung und stellte fest, dass die aktuellen Mindest-VMA-Werte für den Bereich der in Nordamerika üblichen Verkehrsbelastungen und Klimazonen im Allgemeinen angemessen sind.

VMA und Bitumenbindemittelgehalt

Die Beziehung zwischen VMA und Bitumenbindemittelgehalt ist der Kern des volumetrischen Mischungsentwurfs. VMA bestimmt den maximal erreichbaren effektiven Bindemittelgehalt für ein gegebenes Korngerüst.

Effektiver Bindemittelgehalt und Filmdicke

Der effektive Bitumenbindemittelgehalt (V_be) ist das Volumen des Bitumenbindemittels, das nach Abzug des in die Gesteinsporen eingedrungenen Bindemittels zur Umhüllung der Gesteinskörnungen zur Verfügung steht. V_be wird berechnet als:

V_be = VMA — V_a

Wobei V_a der Luftporengehalt beim Sollverdichtungsgrad ist. Für eine Mischung mit 14,0 % VMA und 4,0 % Sollluftporen beträgt der effektive Bindemittelgehalt 10,0 % des Gesamtvolumens der Mischung.

Die Bitumenfilmdicke wird berechnet, indem V_be (in Gewicht umgerechnet) durch die Gesamtoberfläche der Gesteinskörnung (ermittelt aus der Kornabstufung unter Verwendung von Oberflächenfaktoren nach Asphalt Institute MS-2 Tabelle 6.1) geteilt wird. Die Oberflächenfaktoren sind:

Die Filmdicke in Mikrometern beträgt: Filmdicke (Mikrometer) = V_be × 1000 / (Oberfläche × Gb), wobei Gb die Dichte des Bitumenbindemittels ist.

Die NCAT-Forschung von Kandhal und Chakraborty ergab, dass eine Mindestfilmdicke von 9 bis 10 Mikrometern erforderlich ist, um eine beschleunigte Alterung des Bitumenbindemittels zu verhindern. Unterhalb dieses Schwellenwerts altert und verhärtet das Bindemittel schneller, was zu einer spröden Befestigung führt, die vorzeitig reißt und abbröckelt. Die Studie verwendete beschleunigte Alterungsprotokolle des Strategic Highway Research Program (SHRP) — Kurzzeitalterung der lockeren Mischung bei 135 °C für 4 Stunden, gefolgt von Langzeitalterung der verdichteten Probekörper in einem Druckalterungsbehälter (PAV) bei 100 °C für 20 Stunden.

Bindemittelabfluss und -absorption

Zwei Phänomene beeinflussen die Beziehung zwischen Gesamtbitumengehalt und effektivem Bindemittelgehalt:

Absorption: Bitumenbindemittel wird in die durchlässigen Poren der Gesteinskörnung aufgenommen. Das Volumen des absorbierten Bindemittels (V_ba) steht nicht zur Umhüllung der Gesteinsoberflächen zur Verfügung. Die Absorption wird aus der Differenz zwischen der Raumdichte (Gsb) und der effektiven Dichte (Gse) der Gesteinskörnung berechnet:

Gse = Gmm × (100 — Pb) / (100 — Gmm × Pb / Gb)

V_ba = (100 — Pb) / (100) × (Gse — Gsb) / (Gse × Gsb)

Eine höhere Absorption — typisch für Sedimentgesteine wie Kalksteine und Sandsteine — reduziert den für die Umhüllung verfügbaren effektiven Bindemittelgehalt, was einen höheren Gesamtbitumengehalt erfordert, um die gleiche Filmdicke zu erreichen.

Abfluss: In Mischungen mit sehr hohem Bindemittelgehalt oder offenem Korngerüst kann das Bindemittel während der Produktion, des Transports und des Einbaus aus der Mischung abfließen. Dies wird kontrolliert, indem ein maximaler VMA festgelegt wird, oberhalb dessen die Mischung das Bindemittel während der Handhabung nicht halten kann. Das Phänomen ist am bedeutendsten bei Splittmastixasphalt (SMA) und porösen Asphaltmischungen, bei denen Fasern oder Polymermodifikatoren zugesetzt werden, um den Bindemittelabfluss zu verhindern.

Der VMA-Bindemittelgehalt-Zielkonflikt

Der VMA bestimmt die Bindemittelkapazität der Mischung — den maximalen Bindemittelgehalt, der unter Beibehaltung des Sollluftporengehalts zugegeben werden kann. Wenn das Korngerüst einen VMA von 14,0 % erzeugt und die Sollluftporen 4,0 % betragen, beträgt die Bindemittelkapazität 10,0 % des Volumens. Zur Umrechnung in Gewichtsprozente müssen die Dichten des Bindemittels und der Gesteinskörnung berücksichtigt werden.

Eine Mischung mit zu niedrigem VMA kann das für eine ausreichende Filmdicke benötigte Bindemittel nicht aufnehmen. Wenn der erforderliche VMA für die Sollfilmdicke 14,0 % beträgt und der gemessene VMA nur 12,5 % ist, müsste die Mischung entweder: (a) den effektiven Bindemittelgehalt erhöhen (was die Luftporen unter den akzeptablen Bereich reduzieren und Bluten verursachen würde), oder (b) einen niedrigeren Bindemittelgehalt akzeptieren (was eine Filmdicke unterhalb der Dauerhaftigkeitsschwelle erzeugen würde). Beide Optionen ergeben eine unannehmbare Mischung.

Eine Mischung mit zu hohem VMA erfordert überschüssiges Bindemittel, um die Hohlräume zu füllen, was die Materialkosten erhöht und möglicherweise während des Baus ein weiches Mischungsverhalten verursacht. Während die Bindemittelkosten für eine verbesserte Dauerhaftigkeit gerechtfertigt sein können, können Mischungen mit hohem VMA unwirtschaftlich sein und eine verminderte Stabilität aufweisen, wenn das Korngerüst zu offen ist.

Auswirkungen eines niedrigen VMA

Ein niedriger VMA — definiert als VMA unter dem für die NMAS und den Sollluftporengehalt festgelegten Mindestwert — ist einer der schwerwiegendsten Mängel im Asphaltmischungsentwurf und in der Produktion. Die Folgen zeigen sich sowohl unmittelbar während des Baus als auch langfristig während der Nutzungsdauer der Befestigung.

Bluten und Ausspülen

Wenn eine Mischung einen VMA unter dem Mindestwert aufweist, ist der für das Bitumenbindemittel verfügbare Raum unzureichend. Wird der Bindemittelgehalt auf dem zur Umhüllung der Gesteinskörnungen erforderlichen Niveau gehalten, sinkt der Luftporengehalt unter das akzeptable Minimum (typischerweise <2,0 %). Unter Verkehrsbelastung wird die Befestigung durch die Passage von Fahrzeugen oder Flugzeugen weiter verdichtet. Die Gesteinskörnungen werden enger zusammengedrückt, und das überschüssige Bindemittel wird aus der Mischung auf die Befestigungsoberfläche gedrückt.

Dieses Phänomen wird als Bluten (auch Ausspülen genannt) bezeichnet. Das Bindemittel sammelt sich an der Oberfläche und bildet einen glänzenden, bindemittelreichen Film, der die Griffigkeit erheblich verringert. Auf Flugplatzstartbahnen stellt Bluten eine kritische Sicherheitsgefahr dar — der Verlust der Reibung bei Nässe kann zu Aquaplaning von Flugzeugen führen. ICAO Annex 14 verlangt, dass Startbahnflächen ausreichende Reibungseigenschaften aufweisen, und Bluten wird als ein Zustand genannt, der sofortige Korrekturmaßnahmen erfordert.

Bluten wird bei Zustandserfassungen visuell als dunkle, glänzende Oberfläche mit sichtbarer Bindemittelansammlung beobachtet. In schweren Fällen bildet das Bindemittel einen durchgehenden Film über der Oberfläche, der die für die Wasserableitung und die Reibung zwischen Reifen und Befestigung erforderliche Makrotextur beseitigt. Die Befestigung wird bei Nässe rutschig und kann ein Verschleppen von Bindemittel auf angrenzende Befestigungen aufweisen.

Spurrinnenbildung

Ein niedriger VMA steht in direktem Zusammenhang mit Spurrinnenbildung — der bleibenden Verformung der Befestigung in den Radspuren. Der Mechanismus ist zweifach:

Verdichtungsspurrinnen: Wenn die Mischung einen unzureichenden VMA aufweist, können sich die Gesteinskörnungen unter Verkehr nicht umlagern, da die Zwischenkornhohlräume bereits minimiert sind. Die weitere Verdichtung unter Verkehr führt dazu, dass sich die Körner in den verbleibenden Hohlraum verschieben, was zu einer Abwärtsbewegung der Befestigungsoberfläche führt. Diese Art der Spurrinnenbildung ist gekennzeichnet durch eine Vertiefung in der Radspur ohne begleitende Aufwölbung an den Seiten.

Scherfließ-Spurrinnen: Wenn die Mischung einen niedrigen VMA aufweist und der Bindemittelgehalt hoch genug ist, um den begrenzten Hohlraum zu füllen, wirkt das Bindemittel als Schmiermittel zwischen den Gesteinskörnungen. Unter den durch die Verkehrsbelastung ausgeübten Scherspannungen kann das Korngerüst der seitlichen Bewegung nicht widerstehen, und die Mischung fließt aus der Radspur heraus. Diese Art der Spurrinnenbildung ist gekennzeichnet durch eine Vertiefung in der Radspur mit erhöhten Schultern an den Seiten.

Beide Spurrinnenmechanismen werden durch hohe Temperaturen beschleunigt — die Bindemittelviskosität nimmt ab, was den Widerstand der Mischung gegen bleibende Verformung verringert. Die Superpave-Bindemittelspezifikation (AASHTO M320) adressiert dies, indem sie verlangt, dass der Bindemittel-Spurrinnenparameter (G*/sinδ) bei der hohen Befestigungs-Entwurfstemperatur Mindestwerte erreicht. Allerdings kann selbst das beste Bindemittel einen grundlegend unzureichenden VMA nicht ausgleichen — das Korngerüst muss ausreichend Verzahnung und innere Reibung bieten, um dem Scherfließen zu widerstehen.

Das Asphalt Institute stellt fest: „Wenn der VMA nicht ausreichend ist, treten zwei mögliche Probleme auf: (A) Wenn genug Asphalt zur Umhüllung der Gesteinskörnung zugegeben wird, führen niedrige Luftporen und Bluten die Folge. (B) Wenn nicht genug Asphalt zugegeben wird, ist eine geringe Dauerhaftigkeit die Folge."

Geringe Dauerhaftigkeit und vorzeitige Alterung

Ein niedriger VMA führt entweder zu dünnen Bindemittelfilmen oder niedrigen Luftporen — beides verringert die Dauerhaftigkeit der Befestigung:

Dünne Bindemittelfilme setzen das Bitumenbindemittel einer beschleunigten Alterung aus. Die dem Sauerstoff, der ultravioletten Strahlung und dem Wasser ausgesetzte Bindemitteloberfläche ist im Verhältnis zum Bindemittelvolumen größer. Das Bindemittel oxidiert schneller und wird härter und spröder. Die Mischung verliert an Flexibilität und entwickelt Risse unter thermischen und Verkehrsbelastungen. Die NCAT-Studie von Kandhal und Chakraborty zeigte, dass eine Filmdicke unter 9 Mikrometern nach sowohl kurzzeitiger als auch langzeitiger beschleunigter Alterung zu signifikant höheren Alterungsindizes (Viskositätsverhältnis, komplexer Modulverhältnis) führte.

Abrieb — der fortschreitende Verlust von Gesteinskörnungen von der Befestigungsoberfläche — ist eine direkte Folge dünner Bindemittelfilme. Das Bindemittel bietet nicht genügend Haftung, um die Gesteinskörnung unter der mechanischen Einwirkung des Verkehrs an Ort und Stelle zu halten. Abrieb beginnt als Verlust von Feinkorn (Feinanteilen) und schreitet zum Verlust von Grobkorn fort, wodurch eine raue, löchrige Oberfläche entsteht, die die Zerstörung weiter beschleunigt.

Feuchtigkeitsschäden (Stripping): Dünne Bindemittelfilme sind anfälliger für Feuchtigkeitsschäden, da das Wasser leichter in den Bindemittelfilm eindringen und die Gesteinsoberfläche erreichen kann. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit an der Bindemittel-Gestein-Grenzfläche verdrängt das Bindemittel (ein Phänomen, das als Stripping bezeichnet wird), was zu Haftungsverlust und strukturellem Versagen der Befestigung führt. Der Zugfestigkeitsverhältnis-Test (TSR) (AASHTO T283) misst die erhaltene Festigkeit nach Feuchtigkeitskonditionierung — Mischungen mit niedrigem VMA und dünnen Bindemittelfilmen weisen typischerweise niedrigere TSR-Werte auf.

Rissbildung

Mischungen mit niedrigem VMA entwickeln vorzeitig Ermüdungsrisse, da das gealterte, spröde Bindemittel wiederholten Zugdehnungen nicht standhalten kann. Die Ermüdungslebensdauer (Anzahl der Lastwiederholungen bis zur Rissbildung) steht in direktem Zusammenhang mit der Bindemittelfilmdicke und dem effektiven Bindemittelgehalt. Das Mechanistisch-Empirische Bemessungsverfahren für Befestigungen (MEPDG) verwendet den effektiven Bindemittelgehalt als einen der Eingabeparameter für das Ermüdungsriss-Vorhersagemodell. Eine Reduzierung des effektiven Bindemittelgehalts um 0,5 % (nach Volumen) kann die Ermüdungslebensdauer um 30 % bis 50 % reduzieren.

Niedertemperatur- (thermische) Rissbildung wird ebenfalls durch einen niedrigen VMA verstärkt. Das gealterte Bindemittel hat eine höhere Steifigkeit bei niedrigen Temperaturen und kann thermische Spannungen nicht mehr so effektiv abbauen. Die Befestigung entwickelt in regelmäßigen Abständen Querrisse — der Abstand entspricht dem Temperaturabfall unter die kritische Rissbildungstemperatur des Bindemittels. In kalten Klimazonen ist die thermische Rissbildung eine Hauptursache für Befestigungsversagen, und ein ausreichender VMA (der einen ausreichenden Bindemittelgehalt und eine ausreichende Filmdicke gewährleistet) ist die primäre Mischungsentwurfsmaßnahme gegen diese Schädigung.

Auswirkungen eines hohen VMA

Während ein niedriger VMA in den meisten Mischungsentwurfssituationen das Hauptproblem darstellt, erzeugt auch ein übermäßig hoher VMA unerwünschte Mischungseigenschaften.

Wirtschaftliche Auswirkungen

Ein hoher VMA erfordert einen höheren Bitumenbindemittelgehalt, um den größeren Hohlraum zu füllen und den Sollluftporengehalt zu erreichen. Für eine typische dichtgestufte HMA-Mischung erfordert jede Erhöhung des VMA um 1,0 % etwa 0,6 % bis 0,8 % zusätzlichen Bitumenbindemittelgehalt (bezogen auf das Gesamtmischungsgewicht). Da Bitumenbindemittel die teuerste Komponente von HMA ist (typischerweise 400 bis 700 $ pro Tonne gegenüber 10 bis 20 $ pro Tonne für Gesteinskörnung), sind die Kostenauswirkungen erheblich. Für eine Mischung mit 19,0 mm NMAS, einem Mindest-VMA von 13,0 % und einem typischen Bindemittelgehalt von 5,0 % würde eine Erhöhung des VMA auf 16,0 % etwa 6,5 % bis 7,0 % Bindemittel erfordern — eine Steigerung der Bindemittelkosten um 30 % bis 40 %.

Baubedingte Probleme

Mischungen mit hohem VMA zeigen während des Baus ein Verhalten, das den Einbau und die Verdichtung erschwert:

Weiche Mischung: Die Mischung kann unter den Verdichtungswalzen instabil sein — sie bewegt und schiebt sich, anstatt sich zu verdichten. Das Bindemittel wirkt in dem übermäßig offenen Korngerüst als Schmiermittel, und die Walzenüberfahrten verursachen seitliche Verschiebungen anstelle einer vertikalen Verdichtung. Dieses weiche Verhalten ist im mittleren Temperaturbereich (90 °C bis 120 °C) am stärksten ausgeprägt, wo die Bindemittelviskosität einen kritischen Wert erreicht.

Bindemittelabfluss: In Mischungen mit sehr hohem VMA kann das Bindemittel während der Lagerung im Silo, während des Transports und während des Einbaus aus der Gesteinskörnung abfließen. Bindemittelabfluss führt zu einer ungleichmäßigen Mischung — der untere Teil der Ladung kann bindemittelreich sein, während der obere Teil bindemittelarm ist. Diese Variabilität führt zu Abnahmeprüfungsfehlern und lokalen Befestigungsschäden.

Leistungsbezogene Bedenken

Ein hoher VMA kann den strukturellen Beitrag der Mischung verringern:

Verminderte Stabilität: Das offene Korngerüst hat weniger Zwischenkornkontakt und eine geringere innere Reibung. Unter Verkehrsbelastung können sich die Gesteinskörnungen umlagern, was zu bleibender Verformung führt. Dies unterscheidet sich von der durch niedrigen VMA verursachten Spurrinnenbildung — die Spurrinnenbildung bei hohem VMA ist eher durch Konsolidierung als durch Scherfließen gekennzeichnet.

Höhere Durchlässigkeit: Mischungen mit hohem VMA und entsprechend hohen Luftporen (>7 %) sind durchlässiger für Luft und Wasser. Wassereintritt beschleunigt Feuchtigkeitsschäden (Stripping) und Frost-Tau-Schäden. Lufteintritt beschleunigt die Bindemitteloxidation. Die Beziehung zwischen Durchlässigkeit und Luftporen ist eine Potenzfunktion — die Durchlässigkeit steigt exponentiell an, wenn die Luftporen etwa 6,5 % bis 7,0 % überschreiten.

Ein hoher VMA kann korrigiert werden, indem die Kornabstufung in Richtung der maximalen Dichtelinie (der Linie im 0,45-Potenz-Diagramm, die den Ursprung mit der maximalen Korngröße verbindet) angepasst wird. Die Zugabe von Zwischenkorngrößen füllt die Zwischenkornhohlräume und reduziert den VMA auf den Zielbereich.

VMA und Gesteinseigenschaften

Die Gesteinseigenschaften — Kornform, Kantigkeit, Oberflächentextur und Kornabstufung — sind die grundlegenden Bestimmungsfaktoren des VMA. Das Korngerüst legt den minimal erreichbaren VMA für eine gegebene Verdichtungsenergie fest, und der Entwerfer muss Gesteinskörnungen und Abstufungen auswählen, die einen VMA erzeugen, der die Mindestanforderung erfüllt oder übertrifft.

Kornform, Kantigkeit und Oberflächentextur

Kantige, gebrochene Gesteinskörnungen mit rauen Oberflächentexturen erzeugen einen höheren VMA, da die Körner mit größerem Zwischenkornhohlraum verzahnen. Die kantigen Flächen verhindern, dass die Körner in die engste Packungsanordnung gleiten. Runde, ungebrochene Gesteinskörnungen (wie natürliche Kiese) erzeugen einen niedrigeren VMA, da die glatten Oberflächen eine engere Packung mit weniger Zwischenkornhohlraum ermöglichen.

Superpave spezifiziert Konsensus-Gesteinseigenschaften, die den VMA direkt beeinflussen:

Grobkornkantigkeit (CAA) — AASHTO T335: Gibt den Mindestprozentsatz der Grobkornkörner (Rückstand auf dem 4,75-mm-Sieb) mit einer oder mehreren mechanisch gebrochenen Flächen an. Die Anforderung hängt von der Verkehrsbelastung ab:

Höhere CAA-Anforderungen erhöhen den VMA um 1 % bis 3 % im Vergleich zu runden Gesteinskörnungen, bieten mehr Raum für Bindemittel und verbessern die Spurrinnenbeständigkeit durch verstärkte Kornverzahnung.

Feinkornkantigkeit (FAA) — AASHTO T304 (Methode A): Misst den unverdichteten Hohlraumgehalt der Feinkornfraktion (Durchgang durch das 2,36-mm-Sieb). Ein höherer Hohlraumgehalt zeigt kantigere, weniger runde Körner an:

Höhere FAA-Werte erhöhen den VMA, indem sie ein kantigeres Feinkorngerüst erzeugen, das der Verdichtung widersteht.

Flache und längliche Körner — ASTM D4791: Gibt den maximalen Prozentsatz der Grobkornkörner mit einem Längen-zu-Dicken-Verhältnis über einem bestimmten Wert (typischerweise 3:1 oder 5:1) an. Die Superpave-Anforderung beträgt maximal 10 % bei einem Verhältnis von 5:1.

Flache und längliche Körner reduzieren die Verarbeitbarkeit und können während der Verdichtung Orientierungsprobleme verursachen, die die VMA-Gleichmäßigkeit beeinträchtigen. Die Anforderung stellt sicher, dass die Gesteinskörnungen auf konsistente, vorhersagbare Weise packen.

Kornabstufung

Die Kornabstufung ist die direkteste Steuerungsmöglichkeit für den VMA. Die maximale Dichtelinie im 0,45-Potenz-Diagramm stellt die Abstufung dar, die den minimalen VMA erzeugt — je näher die Abstufung dieser Linie kommt, desto dichter packen die Gesteinskörnungen mit dem geringsten Zwischenkornhohlraum. Die Entfernung von der maximalen Dichtelinie (entweder gröber oder feiner) erhöht den VMA.

Das Superpave-System spezifiziert Kontrollpunkte und eine Sperrzone im 0,45-Potenz-Diagramm. Die Sperrzone ist ein Band entlang der maximalen Dichtelinie, das die Abstufung nicht durchlaufen sollte — das Durchlaufen der Sperrzone neigt dazu, eine Mischung mit unzureichendem VMA zu erzeugen. Das Konzept der Sperrzone wurde auf der Grundlage von Forschungsergebnissen eingeführt, die zeigten, dass Abstufungen, die diese Zone durchlaufen, Mischungen mit geringer Spurrinnenbeständigkeit und niedrigem VMA erzeugen.

Die Sperrzone war jedoch umstritten. Die NCAT-Forschung und mehrere staatliche Straßenbauämter haben festgestellt, dass die Sperrzone nicht universell anwendbar ist — einige Mischungen, die die Zone durchlaufen, verhalten sich akzeptabel, während andere, die die Zone vermeiden, dennoch einen niedrigen VMA aufweisen. Die Sperrzone wurde in einigen Behördenspezifikationen (einschließlich der FAA) als Anforderung gestrichen, bleibt jedoch in AASHTO M323 als Empfehlung bestehen.

Der praktische Ansatz zur Erzielung eines ausreichenden VMA durch Abstufungskontrolle ist:

• Gröbere Abstufungen (unterhalb der maximalen Dichtelinie im 0,45-Potenz-Diagramm) erzeugen einen höheren VMA, da die größeren Körner mehr Zwischenkornhohlraum schaffen
• Feinere Abstufungen (oberhalb der maximalen Dichtelinie) erfordern mehr Bindemittel, um die gleiche Filmdicke zu erreichen, da die Gesamtoberfläche größer ist
• Ausfallkörnungen (Überspringen von Zwischenkorngrößen) erzeugen den höchsten VMA, da die fehlenden Fraktionen zusätzlichen Hohlraum schaffen

Splittmastixasphalt (SMA) ist ein extremes Beispiel für eine Ausfallkörnung, die gezielt eingesetzt wird, um einen hohen VMA (typischerweise 17 % bis 19 %) zu erzeugen, um einen hohen Bindemittelgehalt (6,0 % bis 7,0 %) mit Fasern oder Polymermodifikatoren zur Verhinderung von Abfluss aufzunehmen.

Mineralfüller (Durchgang 0,075 mm)

Die Fraktion unter 0,075 mm (Mineralfüller) hat einen überproportionalen Einfluss auf den VMA. Füller erhöht die Gesamtoberfläche der Gesteinskörnung exponentiell — eine Zunahme des Materials unter 0,075 mm um 1 % kann die Oberfläche um 10 % bis 15 % vergrößern. Diese vergrößerte Oberfläche erfordert zusätzliches Bindemittel, um die gleiche Filmdicke beizubehalten, was wiederum einen höheren VMA erfordert, um das zusätzliche Bindemittel aufzunehmen.

Füller füllt jedoch auch die Zwischenkornhohlräume zwischen den größeren Gesteinskörnungen und reduziert so den VMA. Der kombinierte Effekt hängt von der Füllerart, der Feinheit und den Packungseigenschaften ab. Als allgemeine Regel gilt: Eine Erhöhung des Füllergehalts über etwa 4 % bis 6 % reduziert den VMA, während eine Verringerung des Füllers unter diesen Bereich den VMA erhöht.

Das Staub-zu-Bindemittel-Verhältnis (Prozentsatz des Durchgangs durch 0,075 mm geteilt durch den effektiven Bindemittelgehalt, als Dezimalzahl ausgedrückt) wird in Superpave (AASHTO M323) zur Kontrolle dieses Effekts angegeben. Der empfohlene Bereich liegt für die meisten Mischungen bei 0,6 bis 1,2. Ein Verhältnis unter 0,6 zeigt einen unzureichenden Füller für den Bindemittelgehalt an, während ein Verhältnis über 1,2 auf überschüssigen Füller hinweist, der den VMA reduzieren und eine trockene, spröde Mischung erzeugen kann.

VMA bei Flugplatzmischungsentwürfen

Flugplatzasphaltmischungen werden aufgrund der höheren Reifendrücke, schwereren Lasten und kritischen Sicherheitsanforderungen des Flugbetriebs nach strengeren volumetrischen Anforderungen entworfen als Straßenmischungen.

FAA P-401 und P-403 Anforderungen

Die FAA legt die HMA-Anforderungen für Flugplätze in AC 150/5370-10 (Standard-Spezifikationen für den Bau von Flugplätzen), Position P-401 (Heißasphaltbefestigung) und Position P-403 (Werksmischbefestigung) fest. VMA-Anforderungen sind zentral für diese Spezifikationen.

Für Marshall-entworfene Mischungen mit 75-Schlag-Marshall-Verdichtung (die traditionelle FAA-Anforderung) gelten folgende Mindest-VMA-Werte bei 4 % Luftporen:

Für Mischungen, die mit dem Superpave-Gyratorverdichter (SGC) entworfen wurden, akzeptiert die FAA die Mindest-VMA-Anforderungen der AASHTO M323, wenn der SGC validiert wurde, um volumetrische Eigenschaften zu erzeugen, die der 75-Schlag-Marshall-Verdichtung auf dem Soll-Gyrationsniveau entsprechen. Der Bericht 05-06 des Airport Asphalt Pavement Technology Program (AAPTP) validierte die äquivalenten Gyrationsstufen für Flugplatz-HMA — die Anzahl der Gyrationen, bei denen der SGC die gleiche Dichte und den gleichen VMA erzeugt wie der 75-Schlag-Marshall-Hammer.

Die FAA verlangt außerdem, dass der VMA während der Produktion auf oder über dem festgelegten Mindestwert liegt. Die Produktionsabnahmekriterien legen fest, dass der VMA als gleitender Durchschnitt von vier Proben zu überwachen ist und keine einzelne Probe mehr als 1,0 % unter dem Mindestwert liegen darf, ohne dass eine Untersuchung und Korrekturmaßnahme erfolgt.

ICAO-Überlegungen

Die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) gibt keine direkten VMA-Anforderungen vor, verweist jedoch über das Aerodrome Design Manual, Teil 3 — Befestigungen (Doc 9157) auf nationale Normen (FAA, AASHTO, nationale Spezifikationen). Der Übergang zur ACR-PCR-Methode (Aircraft Classification Rating — Pavement Classification Rating) im Jahr 2020, die eine geschichtete elastische Analyse für die Befestigungsfestigkeitsklassifizierung verwendet, hat Auswirkungen auf den Mischungsentwurf, da die in der Strukturanalyse angenommene Mischungssteifigkeit vom Bindemittelgehalt und den Luftporen abhängt, die beide durch den VMA gesteuert werden.

Kritische Bedeutung des Flugplatzmischungsentwurfs

Flugplatz-HMA-Mischungen arbeiten unter Bedingungen, die die VMA-Kontrolle kritischer machen als bei Straßenmischungen:

Die Reifendrücke moderner Flugzeuge können 1,5 MPa (220 psi) überschreiten, verglichen mit 0,7 bis 0,9 MPa bei LKW-Reifen auf Straßen. Diese hohen Reifendrücke konzentrieren die Spannung in den oberen 50 bis 75 mm der Befestigung, was die Eigenschaften der Deckschichtmischung — einschließlich VMA und effektivem Bindemittelgehalt — für die Leistungsfähigkeit entscheidend macht.

Kanalisierter Verkehr auf Start- und Rollbahnen konzentriert die Belastung in schmalen Radspuren, was die Anzahl der Lastaufbringungen pro Flächeneinheit erhöht. Ein einziger Flugzeugüberflug übt das 1,5- bis 3-fache der Last eines Straßen-LKW aus, und die Belastung ist entlang der Startbahnmittellinie genau kanalisiert.

Beständigkeit gegen Kraftstoffverschüttungen erfordert, dass Flugplatzdeckschichtmischungen einen ausreichenden Bindemittelgehalt (gesteuert durch VMA) aufweisen, um der Lösungsmittelwirkung von Kerosin zu widerstehen. Mischungen mit niedrigem VMA und dünnen Bindemittelfilmen sind anfälliger für Kraftstoffschäden, was zu Oberflächenzerfall in Flugzeugabstellflächen und Betankungsbereichen führt.

Sicherheitskritische Griffigkeit erfordert, dass die Mischung nicht blutet (was direkt mit unzureichendem VMA zusammenhängt). Die FAA schreibt Griffigkeitsprüfungen neuer HMA-Oberflächen vor (gemäß AC 150/5320-6G), und Bluten ist eine Ursache für nicht bestandene Griffigkeitsprüfungen, die Korrekturmaßnahmen erfordern.

VMA-Prüfung und Qualitätskontrolle

Die VMA-Bestimmung während der Produktion ist ein integraler Bestandteil von HMA-Qualitätskontroll- und Qualitätssicherungsprogrammen (QC/QA).

Laborprüfung

Der VMA von werksseitig hergestelltem HMA wird durch Prüfung von verdichteten Probekörpern bestimmt, die aus Proben hergestellt werden, die im Werk oder am Fertiger entnommen wurden. Die Prüfsequenz ist:

1. Probenahme der Mischung gemäß AASHTO T168 (Probenahme von bituminösen Asphaltmischungen)
2. Verdichtung der Probekörper im Superpave-Gyratorverdichter (SGC) nach AASHTO T312 (ASTM D6925) auf die Sollanzahl von Gyrationen (Ndesign)
3. Bestimmung der Raumdichte der verdichteten Probekörper (Gmb) nach AASHTO T166 oder T331
4. Bestimmung des Bitumenbindemittelgehalts (Pb) nach AASHTO T308 (Verbrennungsofen)
5. Bestimmung der maximalen theoretischen Dichte (Gmm) nach AASHTO T209 an der unverdichteten Mischung
6. Berechnung des VMA mit der Formel: VMA = 100 — (Gmb × (100 — Pb) / Gsb_jmf), wobei Gsb_jmf die Raumdichte der gesamten Gesteinskörnung aus dem Mischgutrezept ist

Produktionstoleranzen

Während der Produktion wird erwartet, dass der VMA um den Zielwert des Mischgutrezepts (JMF) schwankt. Die typischen Abnahmekriterien sind:

• Durchschnittlicher VMA von vier aufeinanderfolgenden Proben: muss auf oder über dem festgelegten Mindestwert liegen
• Einzelner VMA-Prüfergebnis: darf bis zu 1,0 % unter dem Mindestwert liegen, bevor eine Untersuchung erforderlich wird
• Maximaler VMA: Es wird typischerweise keine Obergrenze festgelegt, aber Mischungen, die etwa 18 % VMA überschreiten, sollten auf Abstufungsänderungen oder Konsistenzprobleme untersucht werden

Faktoren, die den VMA während der Produktion beeinflussen

Abstufungsänderungen sind die häufigste Ursache für VMA-Schwankungen während der Produktion. Änderungen der Gesteinsquelle, des Brecherbetriebs oder der Haldenbewirtschaftung können die Abstufung verändern. Die kritischen Siebe für die VMA-Kontrolle sind:

• 4,75-mm-Sieb (Nr. 4): Änderungen dieser Fraktion wirken sich direkt auf die Grob-Fein-Korn-Trennung und die Packung des Zwischenkorngerüsts aus. Eine Zunahme des Durchgangs durch das 4,75-mm-Sieb um 2 % (die Abstufung wird feiner) kann den VMA um 0,5 % bis 1,0 % reduzieren.
• 0,075-mm-Sieb (Nr. 200): Die Fraktion unter 0,075 mm (Füller) hat die dramatischste Auswirkung auf den VMA. Eine Zunahme des Füllers um 0,5 % kann den VMA um 0,3 % bis 0,6 % reduzieren.

Bitumenabsorption nimmt zu, wenn die Lagerzeit im Werk verlängert oder die Produktionstemperatur erhöht wird. Die Forschung von Chadbourn et al. (Minnesota DOT, 2000) dokumentierte, dass drei von zehn Bauprojekten eine VMA-Abnahme von 1,9 % oder mehr zwischen Mischungsentwurf und Feldproduktion aufwiesen, was auf hohe Anlagentemperaturen (über 170 °C) und lange Lagerzeiten (über 12 Stunden) zurückgeführt wurde. Die erhöhte Absorption reduzierte den effektiven Bindemittelgehalt, was wiederum den VMA verringerte. Die Forschung kam zu dem Schluss, dass die Begrenzung der Anlagentemperaturen auf unter 165 °C und die Begrenzung der Silo-Lagerzeiten auf 8 Stunden oder weniger den VMA-Verlust während der Produktion minimierten.

Kornzerfall — das Zerbrechen von Gesteinskörnungen während der Handhabung, Trocknung und Mischung — erzeugt zusätzliche Feinanteile. Eine Studie der zehn Minnesota-Projekte ergab, dass eine Zunahme des Materials unter 0,075 mm um 0,3 % bis 0,8 % während der Produktion mit VMA-Abnahmen von 0,5 % bis 1,5 % verbunden war. Kornzerfall ist am bedeutendsten bei weicheren Gesteinsarten (Kalksteine, Sandsteine) und wenn der Trommelmischer bei erhöhten Temperaturen arbeitet.

Korrekturmaßnahmen bei niedrigem VMA

Wenn der VMA der werksseitig hergestellten Mischung unter die Mindestanforderung fällt, werden die folgenden Korrekturmaßnahmen in der Reihenfolge steigender Kosten und Komplexität ergriffen:

1. Überprüfung der Gsb-Werte: Überprüfen, ob die Gsb der verwendeten Gesteinskörnungen mit den Entwurfswerten übereinstimmt. Wenn sich Gsb geändert hat (aufgrund einer Änderung der Gesteinsquelle oder der Steinbruchwand), den VMA mit der korrekten Gsb neu berechnen.
2. Anpassung der Kornabstufung: Wenn die Abstufung in Richtung der maximalen Dichtelinie abgedriftet ist (zu dicht geworden), die Kaltzufuhranteile anpassen, um die Abstufung gröber zu machen (weg von der maximalen Dichtelinie). Dies ist die häufigste und effektivste Korrektur.
3. Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts der Gesteinskörnungen, um die Menge der im Trommelmischer erzeugten Feinanteile zu verringern.
4. Senkung der Produktionstemperatur der Anlage, wenn erhöhte Temperaturen eine verstärkte Absorption verursachen.
5. Verkürzung der Lagerzeit im Silo, wenn eine verlängerte Lagerung eine verstärkte Absorption verursacht.
6. Erhöhung des VMA durch Zugabe von Grobkornanteil und Reduzierung von Zwischen- und Feinkorn.
7. Wechsel der Gesteinsquelle, wenn die aktuelle Gesteinskörnung dauerhaft einen VMA unter dem Mindestwert erzeugt.

VMA und Befestigungsleistung

Der Zusammenhang zwischen VMA und langfristiger Befestigungsleistung wurde durch zahlreiche Feldstudien, Laboruntersuchungen und Leistungsmodellierungen nachgewiesen.

Feldstudien

Das Long-Term Pavement Performance (LTPP)-Programm, 1987 von der FHWA im Rahmen des Strategic Highway Research Program ins Leben gerufen, hat Daten von über 2.000 Befestigungsprüfabschnitten in ganz Nordamerika gesammelt. Die Analyse der LTPP-Datenbank hat durchweg gezeigt, dass Abschnitte mit einem VMA unter der Mindestanforderung Folgendes aufweisen:

• 30 % bis 50 % mehr Ermüdungsrisse bei vergleichbaren Verkehrsbelastungen
• 2 bis 3 mal höhere Abriebraten
• 40 % bis 60 % höhere Spurrinnenraten in heißen Klimazonen
• Signifikant höhere thermische Rissdichten in kalten Klimazonen

Die NCAT-Teststrecke in Auburn, Alabama — eine 2,7 km lange geschlossene Kreislaufanlage für beschleunigte Befestigungsprüfung — hat mehrere Forschungszyklen zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen volumetrischen Eigenschaften und Leistung durchgeführt. Wichtige Erkenntnisse speziell zum VMA sind:

• Abschnitte, die mit einem VMA von 0,5 % bis 1,0 % unter dem Mindestwert entworfen wurden (aber die Luftporenanforderungen erfüllten), entwickelten nach 5 bis 7 Millionen äquivalenten Einzelachslasten (ESALs) messbare Ermüdungsrisse, während Abschnitte, die den Mindest-VMA erfüllten, auch nach über 10 Millionen ESALs rissfrei blieben
• Die Bindemittelfilmdicke in den Abschnitten mit niedrigem VMA betrug 6,5 bis 7,5 Mikrometer, verglichen mit 9,5 bis 10,5 Mikrometern in den Abschnitten mit ausreichendem VMA — was mit den NCAT-Erkenntnissen zur Filmdickenschwelle übereinstimmt

Leistungsvorhersagemodelle

Moderne Befestigungsbemessungsverfahren integrieren VMA als Eingabeparameter für die Leistungsvorhersage:

Der AASHTO Mechanistisch-Empirische Befestigungsbemessungsleitfaden (MEPDG) verwendet den effektiven Bindemittelgehalt (abgeleitet aus VMA und Luftporen) in den folgenden Leistungsmodellen:

• Ermüdungsrissmodell: Die zulässige Anzahl von Lastwiederholungen bis zur Ermüdungsrissbildung ist eine Funktion der Zugdehnung der Mischung, des HMA-Moduls (der vom Bindemittelgehalt und den Luftporen abhängt) und des Bindemittelgehalts nach Volumen. Eine Reduzierung des effektiven Bindemittelgehalts um 0,5 % (durch VMA-Reduzierung) verringert die prognostizierte Ermüdungslebensdauer um etwa 30 % bis 40 %.
• Spurrinnenmodell: Das strukturelle Spurrinnenmodell verwendet das HMA-Modul, das vom Bindemittelgehalt und dem Alterungsgrad abhängt. Mischungen mit einem VMA unter dem Mindestwert haben höhere Alterungsraten, was zu einer höheren Steifigkeit und einem anderen Spurrinnenverhalten führt — typischerweise verstärkte Rissbildung anstelle von Spurrinnen, was die Schadensart verschiebt, anstatt sie zu beseitigen.

Die FAA FAARFIELD Flugplatzbefestigungs-Bemessungssoftware verwendet das Mischungsmodul als Bemessungseingabe. Flugplatz-HMA-Mischungen, die nach den Mindest-VMA-Anforderungen entworfen wurden, haben einen höheren effektiven Bindemittelgehalt, was zu einem niedrigeren Modul bei hohen Temperaturen und einem höheren Modul bei niedrigen Temperaturen führt. Das Modul wird direkt in der geschichteten elastischen Analyse verwendet, um kritische Spannungen und Dehnungen unter Flugzeugbelastung zu berechnen.

Beziehung zu anderen volumetrischen Eigenschaften

VMA, Luftporen (V_a) und mit Bitumen gefüllte Hohlräume (VFA) bilden den vollständigen Satz volumetrischer Eigenschaften, die die verdichtete Mischung beschreiben:

VFA = 100 × (VMA — V_a) / VMA

Für eine Mischung mit 14,0 % VMA und 4,0 % Luftporen: VFA = 100 × (14,0 — 4,0) / 14,0 = 71,4 %

Der VFA gibt an, wie viel Prozent des verfügbaren Hohlraums (VMA) mit effektivem Bindemittel gefüllt sind. Die Superpave-Spezifikationen (AASHTO M323) verlangen, dass der VFA je nach Verkehrsbelastung innerhalb festgelegter Bereiche liegt:

Der VFA dient als Kontrolle des VMA — wenn der VMA auf dem Mindestwert liegt und der Bindemittelgehalt 4 % Luftporen ergibt, liegt der VFA innerhalb des festgelegten Bereichs. Wenn der VMA zu hoch ist, kann der VFA zu niedrig sein (unter 65 %), was darauf hindeutet, dass die Luftporen im Verhältnis zum Bindemittelgehalt zu hoch sind, selbst wenn der gesamte Luftporengehalt akzeptabel ist.

Kornabstufung und Kornkantigkeit

Die Wechselwirkung zwischen Gesteinseigenschaften und VMA wird durch die folgenden Entwurfsprinzipien zusammengefasst:

Kantige Gesteinskörnungen erhöhen den VMA — eine Mischung, die mit 100 % gebrochenem Kalkstein entworfen wurde, hat typischerweise einen 1,5 % bis 3,0 % höheren VMA als eine identische Abstufung mit ungebrochenem Kies. Dieser höhere VMA ermöglicht einen höheren Bindemittelgehalt und eine verbesserte Dauerhaftigkeit.

Maximale Dichteabstufung minimiert den VMA — die 0,45-Potenz-Kurve im Abstufungsdiagramm stellt die theoretische Maximaldichte dar. Die Entfernung von dieser Linie in beide Richtungen (gröber oder feiner) erhöht den VMA.

Ausfallkörnung maximiert den VMA — das absichtliche Weglassen von Zwischenkorngrößen erzeugt die höchsten VMA-Werte. Dies ist das Prinzip, das bei Splittmastixasphalt (SMA) und porösen Asphaltmischungen angewendet wird.

Der Feinanteil bestimmt den praktischen VMA-Bereich — die Fraktion unter 0,075 mm hat die höchste Oberfläche pro Gewichtseinheit. Eine Zunahme des Materials unter 0,075 mm um 1 % erhöht die Oberfläche um 15 % bis 30 % und verringert den VMA typischerweise um 0,3 % bis 0,8 %.

Praktische Bedeutung für die Befestigungsinspektion

Bei Zustandserfassungen nach ASTM D5340 (Flugplatz-PCI) oder ASTM D6433 (Straßen-PCI) weisen die folgenden Schäden auf mögliche VMA-bezogene Mängel hin:

• Bluten (Ausspülen): Steht in direktem Zusammenhang mit einem zu niedrigen VMA, um den Bindemittelgehalt aufzunehmen. Das Bindemittel wird unter Verkehrsverdichtung an die Oberfläche gedrückt.
• Spurrinnenbildung: Kann durch niedrigen VMA (Verdichtungsspurrinnen oder Scherfließen) oder hohen VMA (Konsolidierungsspurrinnen) verursacht werden. Die Spurrinnenform und das Vorhandensein oder Fehlen von Bluten leiten die Diagnose.
• Abrieb: Verlust von Gesteinskörnungen von der Oberfläche. Typischerweise verursacht durch dünne Bindemittelfilme, die aus einem für den erforderlichen Bindemittelgehalt zu niedrigen VMA resultieren.
• Ermüdungsrisse (Netzrisse): Vorzeitige Ermüdungsrisse in den Radspuren stehen im Zusammenhang mit der Bindemittelalterung durch dünne Filme, selbst eine Folge von niedrigem VMA.
• Thermische Risse: Querrisse in regelmäßigen Abständen. Beschleunigt durch Bindemittelalterung durch dünne Filme in Mischungen mit niedrigem VMA.

Wenn diese Schäden beobachtet werden, sollten die Mischungsentwurfs- und Produktionsaufzeichnungen auf VMA-Konformität überprüft werden. Eine Felduntersuchung kann die Entnahme von Bohrkernen für die labortechnische Messung der Luftporen vor Ort, des effektiven Bindemittelgehalts und des VMA zur Bestätigung der Diagnose umfassen.

Fazit

Hohlräume im Mineralstoffgemisch (VMA) ist der wichtigste volumetrische Parameter im Asphaltmischungsentwurf und in der Qualitätskontrolle. Er bestimmt den maximal erreichbaren Bindemittelgehalt, steuert die Luftporenstruktur, legt die Bindemittelfilmdicke fest und bestimmt das Gleichgewicht zwischen Dauerhaftigkeit und Stabilität. Ein ausreichender VMA ist eine notwendige Bedingung für die langfristige Befestigungsleistung — ohne ihn kann keine Kombination aus hochwertigem Bindemittel, gut abgestufter Gesteinskörnung und ordnungsgemäßer Bauausführung eine Befestigung hervorbringen, die den kombinierten Auswirkungen von Verkehr, Klima und Zeit widersteht. Die von AASHTO, dem Asphalt Institute und der FAA festgelegten Mindest-VMA-Anforderungen basieren auf grundlegenden volumetrischen Prinzipien und jahrzehntelanger Felderfahrung. Die Einhaltung dieser Anforderungen ist für die Herstellung dauerhafter, langlebiger Asphaltbefestigungen für Straßen und Flugplätze unerlässlich.