Zur Bestimmung der Hohlräume verdichteter, hohlraumarmer

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Bilumcn
6/1962
Zur Bestimmung der Hohlräume verdichteter,
hohlraumarmer Asphaltmischungen
Dr. 11.Sc h m i d t und Dipl.-Ing. W. von
10h.lI: VI. bt.'smältlgt'n sich rnll dem heule
kehr bt'sondE'n dkulE'n Jlohltilumproblem In
gt>n. D.bt'i werden die bekannten Methoden
einander gl;'genObergeslellt
und die fuge
Ver'.hr","
1'Ine Beremnung dE'I lIohJrlume
erlauben.
aul StnftE'n mit sdlwerem V"".
hohh.umlJrmf'n Asphallmlutlun.
lut Bt'sllmmung der Hohlrllume
unleuumt,
ob dJe aufgezl"lglen
mll .u"reldlf'nde-r
Genauigkeit
Hohlraumarme Asphaltmisdlungen,
wie sie für Sandasphalt und Asphaltbeton verwendet werden, sollen
nam der Verdichtung noch einen bestimmten Anteil an
Hohlräumen aufweisen, d. h. die Hohlräume der verdidlteten Mineralmischung
dürfen nicht vollständig
durch Bitumen ausgefüllt sein. Solche Mischungen bestehen daher nicht nur aus Mineralstoffen und Bitumen,
sondern auch aus Hohlräumen, die mit Luft gefüllt sind.
Bitumengehalt, Hohlräume der Mineralmischung und
Hohlräume der Asphaltmischung stehen in Wedlselbeziehung und beeinflussen zugleich das Verhalten der
Asphdltdecke auf der Straße. Asphaltbetonmischungen
mit zu geringen Hohlräumen werden Mängel in der Stabilität aufweisen, zum Verformen und Schieben neigen
und glatte Decken ergeben. Uberschreiten dagegen die
Hohlräume ein bestimmtes Maß, so ist mit erhöhtem
Verschleiß und verringerter Lebensdauer der Asphaltdecke zu rechnen. Die Bestimmung der Hohlräume verdichteter Asphaltmischungen
ist daher eine wichtige
Prüfmaßnahme für die Beurteilung ihrer Brauchbarkeit
im Straßenbau.
Methoden zur Bestimmung der Hohlräume
von Asphaltmischungen
Vor einer Diskussion der Methoden zur Bestimmung der
Hohlräume ist eine Klärungder Frage angebracht, welche
Hohlräume einer verdichteten Asphaltmischung er faßt
werden sollen. Es sind hier zu untersmeiden:
a) Die Hohlräume im Innern der MincraJteilchen, die
nimt von außen zugänglidl sind.
b} Die Hohlräume innerhalb der Mineralteilchen, die vor
der Umhüllung mit Bitumen von außen zugänglim,
nach der UmhüJlung aber nur teilweise durch Bitumen
ausgefüllt und in der verdichteten Asphaltmischung
von außen nicht zugänglich sind.
c} Die Hohlräume zwischen den einzelnen Mineralteilchen, die nidJ.t vollständig durch Bitumen ausgefüJlt
und die in der verdidlteten AsphaJtmischung von
außen zugänglim sind.
d) Hohlräume, die innerhalb des Mörtels aus Bitumen
und Füllstoffen eingeschlossen und in der verdidlteten
AsphaltmisdJ.ung von außen nicht zugänglich sind.
Die unter a) und b) aufgeführten Hohlräume zählen nimt
zu den eigentlichen Hohlräumen einer verdichteten hohlraumarmen Asphaltmischung, da sie für deren Verhalten
ohne Bedeutung sind. Normalerweise handelt es sich
hier nur um die unter c) aufgeführten Hohlräume, während die Hohlräume unter d) nur bei MisdJ.ungen mit
hohem ßitumengehaIt oder im Zustand der Uberfettung
auftreten. Bei der Bestimmung der Hohlräume kommt
es darauf an, daß nur die für das Verhalten der AsphaltmisdlUng "wirksamen ~ Hohlräume unter c} und d) erfaßt werden. Hierbei sollen unter .•wirksamen" Hohlräumen die Hohlräume verstanden werden, die die
der We p p en. Hamburg
Bindemittelabstimmung
und damit das Verhalten der
Mischungen auf der Straße beeinflussen. Hohlräume,
wie sie gemäß a} und b) definiert sind, werden allerdings
nur bei porösen und absorptiven Gesteinen eine Rolle
spielen.
Für die Bestimmung der Hohlräume
Methoden eingebürgert:
haben sich zwei
1. Die direkte Bestimmung der Hohlräume über die
Wasseraufnahme im Vakuum. Auf diese Weise werden allerdings nur die unter c) aufgeführten Hohlräume erhalten.
2. Die BeredInung der Hohlräume aus dem Raumgewicht
(Raumwimte) des Probekörpers und dem scheinbaren
spezifischen Gewicht( Rohwichte) der Asphaltmischung
nach der Formel
Hohlräume
in R.'/n = 100 (I ----_~ Raumgewidlt
)
scheinb. spez. Gewicht
Hierbei werden auf jeden Fall die unter c) und dl
definierten Hohlräume ermittelt. Daneben können in
den beremneten Hohlräumen auch die unter a) und b)
aufgeführten Hohlräume enthalten sein, sofern nicht
das für die Berechnung der •.wirksamen" Hohlräume
..maßgebende" scheinbare speziftsme GewidIt der
AsphaltmisdlUng verwendet wird.
Aus den oben geschilderten Unterschieden zwismen den
heiden Methoden ergibt sich, daß die über die Wasseraufnahme ermittelten Hohlräume einer verdichteten
Asphaltmischung höchstens gleich, jedoch meist geringer sein werden als die berechneten Hohlräume. Außerdem ist zu beachten, daß den Nachteilen der Wasseraufnahme (zeitraubend, keine Erfassung der Hohlräume
unter d), nicht anwendbar bei grobporigen Probekörpern
und bei Hohlräumen über J 0 0/0) erhebliche Mängel der
BeredInungsmethode
gegenüberstehen.
So kann eine
direkte Bestimmung des "maßgebenden" sdIeinbaren
spezifischen Gewichtes der AsphaItmischung nach den
Normenvorschriften nicht vorgenommen werden, da die
DIN 1996 und auch der Vorschlag tür die Neufassung
vom November J960 kein derartiges Prüfverfahren enthalten. Nach DIN 1996 ist vielmehr nur eine Berechnung
des scheinbaren spezifisdJ.en Gewichtes (Rohwichte) der
Asphaltmischung aus dem scheinbaren spezifischen Gewidl.t der Mineralmasse, dem spezifischen Gewicht des
Bitumens und der Zusammensetzung
der Asphaltmischung vorgesehen. In den berechneten Wert für das
scheinbare spezifische Gewicht der Asphaltmischung
gehen daher sämtlidIe Fehler der Einzeluntersuchungen
ein.
Sofern es sich um AsphaItmischungen handelt, die im
Laboratorium gemismt wurden und bei denen das spezifische Gewicht (Dichteverhältnis) des reinen Bitumens
sehr genau vorher bestimmt werden kann, dürften die
oben erwähnten FehlermögJichkeiten gering sein, solange ein dichtes Gestein als Mineralmasse verwendet
wird. Bei Mischgutproben unbekannter Zusammensetzung erscheint dieser Weg dagegen umständlidl und
fehlerhaft. Er ist sogar nicht möglich, wenn es sich um
Schmidt/v.
d. Weppen:
Zur Bestimmung
der Hohlräume
verdichteter,
Asphaltmischungen mit porösen oder absorptiven Gesteinen handelt. Auch wenn man davon ausgeht,. daß
absorptive Gesteine eine geringe Rolle im Straßenbau
spielen, darf nicht übersehen werden, daß mehr oder
weniger poröse Hochofenschlacken allgemein anerkannte und vorzüglidt bewährte Mineralstoffe für Asphaltdecken darstellen. Eine genaue Berechnung der Hohlräume von Asphaltmischungen unabhängig von der Art
des Minerals ist dagegen möglich, wenn eine direkte
Bestimmung des scheinbaren spezifischen Gewichtes der
Asphaltmischung vorgenommen wird.
Bestimmung des sdleinbaren spezifischen Gewidltes
von Asphaltmischungen
Es wurde schon darauf hingewiesen, daß die DIN 1996
kein Verfahren zur direkten Bestimmung des scheinbaren spezifischen Gewichtes (Rohwichte) von Asphaltmischungen enthält. Es werden jedom für diesen Zweck
brauchbare Methoden angewandt, die auch in der literatur beschrieben sind:
a) Bestimmung
mit Hilfe
des
F 1as eh e n - Py k no mete r s
Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Abwandlung von U 64 der DIN 1996. Es gestattet die Prü.
fung gröberer Asphaltmischungen mit einem Größtkorn bis 45 mm, wie sie im Asphallstraßenbau
verwendet werden. Als Pyknometer dient-eineSteilbrustnasche mit SdJ.liffaufsatz. Im Gegensatz zu der Vorschrift U 64 werden alle Messungen auf 'der Waage
durchgeführt. Eine genaue Beschreibung des Verfahrens ist aus der Literatur zu entnehmen 1.3). Als Meßflüssigkeit dient Benzol, jedoch können auch andere
Lösungsmittel verwendet werden.
b) Bestimmung
mit Hilfe des
Luftpyknometers
Eine schnelle und einfache Bestimmung der Rohwichte
von Asphaltmischungen kann mit dem Luftpyknometer durchgeführt werden. Dieses Gerät ist ursprüng.
lich für die Untersuchung von Bodenproben in der
Bundesanstalt für Straßenbau entwickelt worden. Einzelheiten über die Durchführung der Prüfung sind
inzwischen veröffentlicht worden ~).
Beide Verfahren werden aurn. für die Bestimmung des
scheinbaren spezifischen Gewichtes von Mineralstoffen
benutzt. Wie aus Tab. I ersichtlich, stimmen die Werte
für die Rohwichte nach beiden Verfahren bei dichten
Gesteinen gut überein, während bei Schlacke starke
Schwankungen zu beobachten sind.
Ähnlich liegen die Verhältnisse, wenn an Stelle der reinen Gesteine Mineralgemische herangezogen werden,
wie sie für Asphaltmischungen im Straßenbau zur Anwendung kommen. In Tab. 2 sind die Ergebnisse der Bestimmung der Rohwichte von 3 verschiedenen Mineralmischungen für splittreichen Asphaltfeinbeton mit jeweils 55 Gew.Basaltsplitt,
KalksteinspliU
oder
'I,
Tab. 1. Rohwichte verschiedener
Gesteine
Stahl. Natur' Basalt- Kalkstein- Sdlladtenkugeln sand splitt
splitt"J
splltt
Reinwichte
Rohwichte mit
Flasdlen-Pyknometer
Rohwimte mit
Luftpyknometer
7,82*) 2.66
3,01
2,68
2.99
7.81
2.64
3.00
2.68
2.60
7,82
2.65
3,01
2,71
2,75
"I 8f'rE'dlnet ""' Weldlkdlhtein
hohlraumarmer
Asphaltmischungen
127
Tab. 2. Rohwichte von l\Iineralmischungen
Asphaltfeinbeton
für splittreichen
Art d('s Splitles in der Mischung
Basalt Kalkstein"l Sdllddr.e
Rohwichte mit Flasdlen-Pyknometer
Rohwichte mit Luftpyknometer
2.90
2.92
2.74
2.76
2.68
2,80
") Dichter KalkstE.'insplitl
Tab. 3.
Rohwichte \'on Asphaltmischungen.
direkte Bestimmung am l\Iischgut
All des Spliltes In
jer Asphaltmisdlung
Basalt
fetl mager
Rohwichte des Mischgutes
2,61 2,69
mit Flaschen-Pyknometer
Rohwichte des Mischgules
. 2,61 2.68
mit Luftpyknometer
ermittelt durch
Kalkstein
fett mager
Schlacke
Jetl mager
2,50 2.56
2,45 2,50
2,48 2.54
2,43 2,50
Schlackensplitl der Kornfraklion 2/12 mm aufgeführt.
Auch in diesem Falle stimmen die Meßwerte bei den
Mischungen mit Basalt und Kalkstein nach bei den Ver.
fahren ausreichend überein, während bei der Schlacke
Abweichungen auftreten.
Aus beiden Tabellen ist außerdem zu entnehmen, daß
die Ergebnisse im Luftpyknometer immer elwas höher
als im Flaschen-Pyknometer liegen. Offensichtlich werden bei der Bestimmung mit dem Luftpyknometer sämtliche von außen zugängliche Hohlräume erfaßt, während
bei dem Verfahren mit dem Flaschen-Pyknometer
das
verwendete Lösungsmittel diese Hohlräume nicht restlos füllt, wie es dUrn weitgehend für das Bindemittel zutrifft. Das Flaschen-Pyknometer liefert daher bei Mineralstoffen Werte, die der ••maßgebenden"
Rohwichte
mehr entsprechen als die Ergebnisse mit dem Luftpyknometer. Besonders deutHch sind die Unterschiede bei porösen Gesteinen, wie bei der hier verwendeten Schlacke.
Bei den weiteren Versuchen wurden die in Tab.2 verwendeten Mineralmischungen mit B 80 umhüllt und die
Rohwichte der Asphaltmischungen bestimmt. Die Bindemittelmenge wurde dabei in 2 Stufen variiert und jeweils
so bemessen, daß die obere Grenze (fett) und die untere
Grenze (mager) erreidlt wurde.
Im Gegensatz zu den Untersuchungen an den reinen Gesteinen stimmen die Ergebnisse bei den Asphaltmischungen auch bei Verwendung von Schlackensplitt ausreichend überein (Tab. 3). Auffällig ist allerdings, daß
abweichend von den Beobachtungen bei nackten Gesteinen die Meßwerte mit dem Luftpyknometer meist etwas
niedriger als mit dem Flaschen.Pyknometer liegen. Offensichtlich sind diese Unterschiede darauf zurückzuführen,
daß beim Luftpyknometer geringe Lufteinschlüsse im
Mischgut in den Meßwert eingehen. Dieser Mangel
könnte dadurch behoben werden, daß beim Luflpyknometer eine genau abgemessene Menge an Lösungsmittel
benutzt wird.
Stark vonderUntersudumgsmethode
abhängige und von
den direkt bestimmlen ''''erten abweirnende Ergebnisse
für die Rohwichte der Asphaltmischungen
können dagegen auftreten, wenn eine Berechnung aus der Rohwichte der Mineralmischung und dem Dichleverhältnis
des Bitumens vorgenommen wird (Tab. 4). Während bei
den Basalt- und Kalksteinmischungen die Abweichungen
noch teilweise innerhalb der zulässigen Grenzen liegen,
zeigen die Werte für die SchlackcnmisdlUngen unzulässige Schwankungen. Hierbei sind die Meßwerte mit dem
Luftpyknometer besonders stark abweichend.
128
Bitumen
Tab. 4. Rohwichte \'on Asphaltmischun~en, berechnet aus
der Rohwicbte der ::\lineralmischun2 und dem nichte\'crhältnis des Bitumens
Ar! dl'" ~pJiIlf's in
dl'c AsphdllmisolUllU
Basalt
leU magt'!
Kdlkslein
fl'lt
m.n{Jt'r
SchldlKC
I('lt Illdgl'C
Rohwichte des Misdlgutes
mit Flaschen-Pyknometer
2,58 2,68
2.48 2.56
2,43 2,54
Rohwichle
des Misch.gules
mit Luftpyknometer
2,62
2,50
2,52
2,71
2.57
2,64
Berechnung oder Bestimmung der Hohlräume?
Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Hohlräume von Asphaltbetonmischungen
nach den z. Z. gültigen Vorschriften über die Wasseraufnahme am nor.
rnengemäß verdichteten Probewürfel ermittelt werden
müssen. Ein Ersatz der Wasseraufnahme
durch eine
Beremnung der Hohlräume kann erst erfolgen, wenn
geeignete Methoden zur Verfügung stehen, die eine
Ermittlung der ..wirksamen" Hohlräume einer verdichteten Asphaltmischung unabhängig von der Art des
verwendeten Minerals gestalten. Da die Berechnung der
Hohlräume mit Hilfe des Raumgewkntes am Probekörper und der Rohwichle der Asphaltmischung erfolgt, ist
die Frage der Ermittlung der Hohlräume eng mit einer
ausreichend genauen Bestimmung der Rohwidlte und
des Raumgewichtes
verknüpft. Die Bestimmung des
Raumgewichtes nach DIN 1996bereitet keine besonderen
Schwierigkeiten. Dagegen ist bei der Ermittlung der
Rohwimte mit Problemen zu rechnen, die bereits behandelt wurden.
Zur weiteren Klärung der Frage einer möglichen Berechnung der Hohlräume wurden aus den in Tab. 3 untersuchten Mischungen Probewürfel nach DIN 1996 hergestellt und an diesen die in Tab. 5 aufgeführten Werte
für Raumgewicht und Wasseraufnahme
festgestellt.
Tab.5 enthält außerdem vier verschiedene Werte für die
berechneten Hohlräume der verdichteten Asphaltfeinbetonmischungen. Aus den Ergebnissen können folgende
Schlüsse gezogen werden:
a) Bei Asphaltmischungen mit dichten Gesteinen besteht
eine ausreichend genaue Ubereinstimmung zwischen
Wasseraufnahme und den berechneten Hohlräumen,
wobei eine direkte Bestimmung der Rohwichte am
Mischgut vorzuziehen ist.
b} Bei Asphaltmischungen mit porösen Gesteinen, wie
z. B. bei den im Straßen bau verwendeten Hochofen-
Tab. 5. n'asseraurnahme
und berechnete
\'on Asphaltmismungen
Art dr-s Splitl('s in
d('r ASJlhdltmisrllung
Raumgewidlt
Wasseraufnahme
Hohlräume heredlnet
Hohlräume beredtnet
Hohlräume berechnet
Hohlräume beredlnet
R.nlo
I) R.'/Q
t) R.%
¥) R.%
J) R.'/ll
Hohlräume
Bd~~11
rell nl<l.gcr
Klllklitein
1t"t1mclgt"r
2,55
1,9
2,3
2,1
1,0
3,1
2,44
1,5
2,3
1,7
1,9
2,6
11 Auf Grund der Rohwldltt! dm Mhdlgut
2,48
7,4
7,7
7,6
7,6
8,6
6/1962
2,40
5,5
6,3
5,8
6,4
6,7
Sfhl<l{it('
lett ffidqcr
2,33 2,26
3,0
9,3
4,9
9,8
4,1
9,8
4,1
11,2
7,3
14,5
Im FIII~dlen.Pyknometer.
tJ Auf Grund der Rohwidlte öm Misdtgut im Luftpyknomeler.
'1 Auf Grund der Ro~widltp IIn der Minerlllmhchung im FI"lidlen.Pyknomelt"L
~I Auf Grund der Rohwidtt(' (In dpr MinNlllmi ••<.llung im Luftpyknometer.
schlacken, kann eine Berechnung der Hohlräume über
die Rohwichte des Minerals zu Fehlwerten führen.
Dagegen erscheint eine Beremnung der Hohlräume
auch. in diesem Falle möglich, wenn die Rohwidlte
direkt am Mischgut bestimmt wird.
Es wäre somit festzustellen, daß mit dem Flaschen.Pyknometer-Verfahren eine geeignete Methode zur Bestimmung der ~maßgebenden" Rohwichte von Asphaltmischungen zur Verfügung steht, sofern die Untersuchung direkt am Mischgut durdlgeführt wird. Unter
der Voraussetzung, daß man dieses Verfahren in die
Normenvorschriften aufnimmt, wäre damit eine Berern.
nung der .•wirksamen" Hohlräume verdirnteter Asphaltmisrnungen unabhängig von der Art der verwendeten
Mineralstotfe möglid1.
Es ist anzunehmen, daß die hier behandelten Schwierigkeiten hinsichtlidl einer Berechnung der Hohlräume bei
Asphaltbetonmischungen
sich auch durm eine direkte
Bestimmung der Rohwichte der Mineralmisdtung in dem
zur Anwendung kommenden Bitumen als Medium umgehen ließen. Ein derartiges Verfahren wurde in den
USA bereits im Jahre 1953 vom Corps of Engineers entwickelt und vom Highway Research Board veröffentlichl'),
SdJrlltlum:
1) P. J. Se r a f in:
.MellSurempnl or Maximum Theoretlul
SfJecUlc Gravity
of a Bituminous Mixture by Solvent Immersion .• Proc. A.A.P.T., Vol. 23,
S.460 (1954).
t) W. Milu S h 11gen:
.Zur Bt"stimmung des l>fJ£OzifisdlenGewidlte~ bitumi.
nöser MasSt"ll.- Bitumen, S. 65 (1%0).
3) .LlIIboratoriumsbudl. fur den A~ph.,lhtr""enbllu
mit EBANO-Bitumen .•
ESSO A_G., Bilumen.Abtl'ilung.
1961.
~J .Method or Test ror Delerminlltion oi Bulk-Impregnett"d Specific Gravlly
or Aggrli'gate 'or lise in Bituminouli Paving Mixturt"s .• High •••.
dy Rli'st"lI.rch
BOllrd, BuH. 105, S. 39 (1955,.