In Deutschland werden Verkehrsflächenbefestigungen größtenteils auf der Grundlage empirisch gewonnener Erkenntnisse dimensioniert und ausgeführt. Die Dimensionierung der Dicken der gebundenen und ungebundenen Schichten von Straßenbefestigungen erfolgt unter Anwendung der RStO 12. Des Weiteren wird das Gebrauchsverhalten der Baustoffgemische dieser Schichten indirekt über ihre Zusammensetzung und einige wenige leistungsbezogene Prüfverfahren beschrieben. Da die Beanspruchung der Straßenbefestigungen in Deutschland aufgrund der Verkehrsentwicklung in den nächsten Jahren weiter zunehmen wird, reichen die traditionellen Prüfverfahren der indirekten Ansprache der Asphalteigenschaften jedoch nicht mehr aus, das Performance-Verhalten von im Straßenbau eingesetzten Asphalten zuverlässig prognostizieren zu können. Um dennoch die noch vorhandenen Ressourcen (z. B. Bitumen) effizienter zu nutzen, den Verkehrsteilnehmern ein weitgehend sicheres und dauerhaftes Verkehrsnetz zu bieten, weniger Verkehrsstaus aufgrund von Erhaltungs- bzw. Erneuerungsmaßnahmen von Straßen und der damit verbundenen Beeinträchtigung der Mobilität zu erzeugen, ist es von großer Bedeutung, die einzelnen Konstruktionsschichten von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt ihrer Beanspruchung entsprechend zu konzipieren. Die daraus resultierende Notwendigkeit weiterführender Untersuchungen definiert das Ziel dieser Arbeit. Das Ziel besteht darin, Kenntnisse über die Auswirkungen der Veränderung der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf die Ermüdungsbeständigkeit von Asphaltbefestigungen zu erlangen. Während bisher durchgeführte Forschungsvorhaben zum Einfluss der Zusammensetzung auf das Ermüdungsverhalten von Asphalten bei der Bewertung dieser Eigenschaft nur die Lastwechselzahl bei bestimmten Beanspruchungsgrößen (z. B. Spannung) herangezogen haben, bei der das Versagen eines Probekörpers (z. B. Bruch) eintritt, sollen die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen das gesamte Spektrum an möglichen Belastungen aus Verkehr und Temperatur, welche auf eine Asphaltbefestigung einwirken können, berücksichtigen. Zunächst erfolgt eine theoretische Einführung zum Material- und Ermüdungsverhalten von Asphalt, den in Deutschland angewendeten analytischen Verfahren der Dimensionierung von Ver-kehrsflächenbefestigungen aus Asphalt sowie eine Zusammenfassung bisheriger Forschungsarbeiten zum Einfluss der Zusammensetzung von Asphaltgemischen auf ihr Steifigkeits- und Ermüdungsverhalten (dimensionierungsrelevante Materialeigenschaften). Weiterhin werden die erforderlichen statistischen Analysen zur Auswertung der Ergebnisse zum Einfluss der Variation der Asphaltzusammensetzung in ihren Wirkungen auf diese Materialeigenschaften geschildert. Es werden die zu untersuchenden Asphaltvarianten, die Bestimmung des Ermüdungs- und Steifigkeitsverhaltens mit dem Spaltzug-Schwellversuch und die Festlegungen für die Durchführung der rechnerischen Dimensionierung einer fiktiven Asphaltbefestigung erläutert. Im Hauptteil der Arbeit werden die Ergebnisse der Variation der Zusammensetzung der untersuchten Asphaltgemische auf die versuchstechnisch ermittelten dimensionierungsrelevanten Materialeigenschaften, dargestellt. Die Ergebnisse der Dimensionierungsberechnungen unter Verwendung der versuchstechnisch ermittelten Materialeigenschaften zeigten, dass die Ermüdungsbeständigkeit von Asphaltbefestigungen erheblich durch die Zusammensetzung von Asphalttragschichtgemischen beeinflusst wird. / In Germany, pavement structures are commonly designed based on empirical knowledge. The thickness design of the bound and unbound pavement layers in Germany is currently chosen using the empirical design guideline RStO 12. Furthermore, the performance of the materials used in the pavement structure is described indirectly through the composition, and the results of defined performance-based test methods. Because the traffic volume in Germany will increase in future, the traditional testing methods (indirect testing methods) to describe the asphalt properties are no longer sufficient to be able to predict the performance of asphalt mixes used in pavements reliable. In order to use the still existing resources (e.g. bitumen) efficiently, to offer users a mostly safe and sustainable transport network, to minimize traffic congestion resulting from maintenance and renewal measures of pavements and the associated impact of mobility of the users, is required to design the pavement layers according to their stress and strain condition in the pavement. For this reason, the thesis aims to gain knowledge about the impact of the change in the asphalt mix composition on the fatigue resistance of asphalt pavements. Research projects previously conducted have used the influence of the mix composition on the fatigue behavior of asphalt the number of load cycles at certain loading parameters (e.g. stress) only in which the failure of a test specimen (e.g. failure) occurs. However, the tests conducted in this research covered the entire range of possible traffic loads and temperature conditions, which can act on a asphalt pavement in reality. Firstly, a theoretical introduction regarding the material and fatigue behavior of asphalt mixes and the German analytical design method for asphalt pavements are presented. In addition, a summary of previous research on the influence of the asphalt mix composition in terms of stiffness and fatigue behavior as well as the design relevant material properties is given. Furthermore, the statistical analyzes necessary to evaluate the results in dependence on the variation of the asphalt mix composition and their effects on these material properties are described in detail. The asphalt mixes investigated, the procedure to determine the fatigue and master curve using the results of indirect tensile tests and the analytical design procedure for a “fictive“ asphalt pavement structure are explained in detail The main part of the dissertation presents the influence of the asphalt mix composition on the design relevant material properties which were determined experimentally using the results of appropriate laboratory tests. The results of the pavement design analysis taking into the material properties which were determined using the result of laboratory tests showed, that the fatigue resistance of asphalt pavements is significantly affected by the composition of asphalt basecourse.

Für die Ermittlung der Ermüdungsfunktion sowie der E-Modul-Funktion sind in den europäischen Normen verschiedene Versuchsarten vorgesehen. In Deutschland werden bisher der Einaxiale Zugschwellversuch und der Spaltzugschwellversuch angewandt. Diese vergleichsweise einfachen Versuche können das Ermüdungsverhalten eines Asphaltgemisches in situ nur mit Einschränkungen (z.B. hinsichtlich des vorherrschenden Spannungszustandes) wiedergeben. Der Triaxialversuch mit Zug-/Druckschwellbelastung kann zur realitätsnahen Untersuchung des Ermüdungsverhaltens (Ermüdungsfunktion in Verbindung mit der E-Modul-Funktion) angewandt werden, da neben der frei wählbaren Zugbeanspruchung zusätzlich beliebige Druckbeanspruchungen normal zur Zugspannung auf den Probekörper aufgegeben werden können. Aufgrund der aufwändigen Versuchsdurchführung findet der Versuch bisher nur in der Forschung Anwendung. Die für die Dissertation ausgewerteten Daten umfassen die Ergebnisse von Einaxialen Zugschwellversuchen, Spaltzugschwellversuchen und Triaxialversuchen mit Zug-/Druckschwellbelastung an insgesamt sechs verschiedenen Asphaltgemischen. Die Einflüsse aus dem Hohlraumgehalt, der Belastungsfrequenz sowie der Mischgutart und -sorte auf das Ermüdungsverhalten konnten herausgearbeitet werden. Weiterhin gelang aus den Ergebnissen aller Versuchsarten die Aufstellung von Ermüdungsflächenfunktionen in Abhängigkeit von Dehnungsanteilen infolge verschiedener Spannungskomponenten (mehraxialer Spannungszustand) unter Berücksichtigung der in den Probekörpern der verschiedenen Ermüdungsversuche auftretenden Spannungskombinationen Zug- zu Druckspannung. Die Gültigkeit der ermittelten Ermüdungsflächenfunktion für andere, über die in den angewendeten Versuchsarten hinausgehende Spannungskombinationen muss mit Hilfe geeigneter (noch zu entwickelnder) Versuche überprüft werden.

Mit dem Einzug numerischer Verfahren zur Dimensionierung von Verkehrskonstruktionen, im Speziellen für Asphaltbefestigung, werden charakteristische Materialkenngrößen benötigt. Des Weiteren wird mit der fortschreitenden Entwicklung von FEM-Programmen, die in Zusammenhang mit Strukturanalysen und Simulationsrechnungen ihren Einsatz finden, die Kenntnis detaillierter Materialkennwerte essentiell. Dass Asphalte mit ihrem charakteristischen Materialverhalten eine Temperatur- und Frequenzabhängigkeit aufweisen, ist anerkannter Stand von Wissenschaft und Technik. In Bezug auf weitere Einflussgrößen existieren nur sehr begrenzte Erkenntnisse. Im Besonderen gilt dies für Abhängigkeiten der Materialkenngrößen von aus der äußeren Beanspruchung resultierenden Spannungszuständen in der Asphaltbefestigung. Ein wesentliches Ziel der Arbeit war die Untersuchung von möglichen Spannungsabhängigkeiten der charakteristischen Materialkenngrößen von Asphalt. In diesem Zusammenhang wurden auch Fragestellungen zu anisotropen Effekten im Materialverhalten aufgegriffen. Die Untersuchungen erfolgten an zwei ausgewählten Asphaltdeckschichtmaterialien, die sich in ihrer Zusammensetzung und granularen Struktur grundlegend voneinander unterscheiden. Zum einen wurden ein Splittmastixasphalt (SMA11S mit PmB 25/55-55A) und zum anderen ein offenporiger Asphalt (PA8 mit PmB 40/100-65A) in das Versuchsprogramm aufgenommen. Die Ansprache des Materialverhaltens erfolgte versuchstechnisch mittels uniaxialer und triaxialer Versuche. Im Ergebnis der Untersuchungen zur Anisotropie von Asphaltmaterialien konnte festgestellt werden, dass die in der Regel gerichtete Verdichtung von Asphalt anisotrope Materialeigenschaften nach sich zieht, unabhängig von der Kornform der verwendeten Gesteinskörnungen und der Ausprägung der Mörtelphase. Des Weiteren war ein wesentliches Ergebnis, dass Asphaltmaterialien in weiten Bereichen der Gebrauchstemperatur ein ausgeprägtes spannungsabhängiges Materialverhalten aufweisen. Erst bei sehr tiefen Temperaturen nähert sich das Materialverhalten von Asphalt einem linear elastischen Festkörperverhalten an. Die granulare Struktur des Asphaltmaterials sowie die Ausprägung der Mörtelphase und der damit verbundenen Bindemittelfilmdicken haben maßgebenden Einfluss auf die Art und Größe der charakteristischen Materialeigenschaften sowie auf die Auswirkungen der jeweiligen Spannungsabhängigkeiten. Als Schlussfolgerung bzw. Ausblick der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen bleibt festzuhalten, dass für die Erweiterung der Kenntnisse des grundlegenden Materialverhaltens von Asphalt weiterführende Untersuchungen speziell in Bezug auf die Eigenschaften der Einzelbestandteile sowie deren Wechselwirkungen innerhalb der Asphaltstruktur essentiell sind. / Characteristic material parameters especially for asphalt pavements are required due to the introduction of numerical pavement design methods. Furthermore, the continuous development of FEM programs, which are used for structural analysis and simulation calculations, also requires the knowledge of detailed material properties. It is state of the art that asphalt shows a significant temperature and frequency dependent behavior. The knowledge regarding additional impact parameters is very limited. This is especially valid for the stress dependency of the material parameters resulting from the stress state within the asphalt pavement based on the external loads. The main aim of this work was the investigation of the possible stress dependencies of the characteristic material parameters of asphalt. In this context, questions related to the anisotropic effects of the material behavior have also been taken up. Two asphalt surface layer materials, which have significant differences in the material composition and the granular structure were investigated in this context. On the one hand a stone mastic asphalt (SMA11S with PmB 25/55-55A) and on the other hand a porous asphalt (PA8 with PmB 40/100-65A) were included in the testing scheme. Uniaxial and triaxial tests were selected to determine the material behavior at the laboratory. Within the determination of the anisotropic material behavior of asphalt, it could be proven that the usually vertical compaction direction during the compaction process effects anisotropic material properties. This behavior can be determined independent from the particle shape, the used aggregate material and the specification of the asphalt mastic. Another essential result is, that asphalt materials show a significant stress dependent material behavior in a wide range of the performance temperature. Only on very low temperatures the material behavior of asphalt can be assumed to be linear elastic. The granular structure of asphalt material as well as the specification of the asphalt mastic and the thickness of the binder between the particles have a significant influence on the type and size of the characteristic material properties and the effect of stress dependency. Finally, it can be concluded, that it is essential to investigate the material behavior of each ingredient and their interaction within the asphalt structure to expand the knowledge regarding the fundamental material behavior of asphalt.

Die Arbeit dient der numerischen Simulation der Spurbildung in Asphaltstraßen und der Herstellung widerstandsfähiger Asphaltmischungen. Zur Modellbildung musste die physikalisch-mechanische Ursache der bleibenden Verformungen bei hohen Temperaturen geklärt werden. Im Gegensatz zu bisher existierenden Stoffmodellen ist in dieser Arbeit das Verhalten teilgesättigter granulerer Stoffe unter zyklischer Belastung als die Grundlage der Untersuchung gewählt worden. Diese zeigen bei entsprechend hoher Sättigung der Hohlräume des mineralischen Korngerüsts unter zyklischer Scherbeanspruchung und bei gleichzeitigem Druck das Phänomen der „zyklischen Mobilität”. Die Erklärung dafür ist die Verdichtungsneigung des Korngerüstes und die Inkompressibilität des Porenfluids, wodurch Porenüberdrücke entstehen. Zyklische Mobilität bedeutet den Abfall der Steifigkeit. Durch die Zunahme der Dehnungsamplituden infolge zyklischer Scherbelastung und der Irreversibilität des granularen Materials verursacht dieses Verhalten die erhöhte Spurbildungsneigung. Die richtige Modellwahl konnte durch systematische experimentelle Ergebnisse belegt werden. Die monotonen triaxialen Kompressionsversuche beweisen die Barotropie und Pyknotropie der Steifigkeit, der Festigkeit und der Dilatanz des mineralischen Korngerüstes. Durch Kompression unter zyklischem Scheren wird die Existenz eines optimalen Bitumengehalts bewiesen, bei welchem die höchste Dichte des Kornegerüstes erreicht werden kann. Bei Mischungen über dem optimalen Bindemittelgehalt wird der Porenfluidüberdruck durch Druckmessungen im Mörtel nachgewiesen. Für den Strassenbauasphalt ist erstmalig zur numerischen Simulation das aus Karlsruhe stammende, mit der „intergranularen Dehnung” erweiterte hypoplastische Stoffgesetz herangezogen worden. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Bestimmung der hypoplastischen Stoffparameter und die Überprüfung des gewählten Stoffgesetzes durch Nachrechnung von zyklischen Einfachscherversuchen und Triaxialversuchen. In einer selbstentwickelten Torsionszelle wird durch unmittelbare Messung gezeigt, dass der Bitumengehalt über dem Optimum die Schubsteifigkeit verringert. Die Triaxialversuche beweisen die Möglichkeit des Eintretens der zyklischen Mobilität und dadurch die extreme Neigung zur Spurbildung. Diese Messungen beweisen die praktische Bedeutung des optimalen Bitumengehaltes. Das positive Ergebnis der Überprüfung des genanntes Stoffgesetzes liefert die theoretische Unterstützung der experimentellen Ergebnisse. Diese können als Grundlage einer neuen Perspektive in der rechnerischen Prognose sowie beim Entwurf und bei der Herstellung von Asphaltmischungen dienen.