Permeable pavements : hydraulic and mechanical investigations

Lu, Guoyang; Oeser, Markus (Thesis advisor); Grabe, Jürgen (Thesis advisor); Wang, Dawei (Thesis advisor)

Aachen : Institut für Straßenwesen (2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Mitteilungen Straßenwesen, Erd- und Tunnelbau 68
Seite(n)/Artikel-Nr.: V, 174 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Herkömmlicherweise werden Straßenbefestigungen als versiegelte Strukturen konstruiert, um das Eindringen von Wasser in die Struktur zu verhindern, wo es zu Schäden kommen kann. Einhergehend mit dem rasanten Städtewachstum und industriellem Wachstum, wird auch eine Zunahme von versiegelten Flächen beobachtet. Dies beeinträchtigt die natürliche Rückhaltekapazität der städtischen Gebiete jedoch erheblich. Um den natürlichen Wasserkreislauf wiederherzustellen und dem Risiko städtischer Überschwemmungen entgegenzuwirken, können durchlässige Deckschichten eingesetzt werden. Während eines Niederschlagsereignisses kann Wasser schnell durch die Deckschicht in den Untergrund eindringen. Dies entlastet die städtischen Entwässerungsanlagen und führt Niederschlagswasser wieder dem natürlichen Wasserkreislauf zu. Eine hohlraumreiche Fahrbahnstruktur, wie z.B. Fahrbahnen aus offenporigem Asphalt (PA) und durchlässigem Beton (PC), die auf einer weitgestuften Gesteinskörnung Verteilung basieren, ist derzeit die praktikabelste und effektivste Methode, um eine hohe Durchlässigkeit sicherzustellen. Poröse Strukturen tragen neben der hohen hydraulischen Leitfähigkeit auch zur Reduzierung der Verkehrslärmemissionen, durch Absorption akustischer Energie, bei. Allerdings führt die offenporige Kornstruktur zu einer mechanisch schwächeren Fahrbahnstruktur. Die geringere Beständigkeit der porösen Struktur gegenüber Schubbelastungen wird als Hauptursache für die hohe Anfälligkeit für Kornausbrüche gesehen. Die allgemeine Dauerhaftigkeit sowie das geringe Adhäsionsvermögen von offenporigen Asphaltfahrbahnen stellen die kritischsten Hindernisse dar, die eine flächendeckende Anwendung durchlässiger Fahrbahnen einschränken. Aufgrund der Entwicklung neuartiger Polyurethan-gebundener durchlässiger Asphaltgemischen (PUPM) ist die Anwendung von vollständig durchlässigen Fahrbahnstrukturen (FPP) in großem Maßstab eine reale Möglichkeit geworden. Zudem führt die Anwendung solcher Materialien erhebliche Umweltvorteile für die Verkehrsinfrastruktur mit sich bringt. Allerdings hat der Sättigungsgrad einen erheblichen Einfluss auf die mechanische Performance und die Dauerhaftigkeit von FPP. Aufgrund der offenporigen Struktur des durchlässigen Fahrbahnmaterials (PPM) dringt der Oberflächenabfluss durch die Fahrbahnoberfläche in den Untergrund ein. Eine durch Hydro-Mechanische Wechselwirkung hervorgerufene Schädigung stellt einer der wichtigsten Mechanismen, die für eine verkürzte Lebensdauer verantwortlich sind. Die durch zykliche dynamische Fahrzeugbelastung erzeugten Porenwasserdrücke können die Materialfestigkeit erheblich verringern. Die Entstehung und der Abbau des Porenwasserdrucks werden bezüglich der Tragfähigkeit als kritische Prozesse gesehen. Ein Großteil der Forschung zur Substanzschädigung durchlässiger Fahrbahnen verfolgt phänomenologische Ansätze, während die zugrunde liegenden Mechanismen größtenteils noch ungeklärt bleiben. Um die feuchtigkeitsbedingten Schädigungsmechanismen vollständig zu verstehen, sind umfassende Untersuchungen der Materialeigenschaften, der hydraulischen Eigenschaften, des mechanischen Verhaltens und numerische Untersuchungen von FPP erforderlich. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die mechanischen und funktionellen Eigenschaften von PUPM zu charakterisieren, indem anwendbare Normen und modifizierte Testmethoden kombiniert werden. Die Wasserverteilung als auch die Strömungseigenschaften in vertikaler und horizontaler Richtung werden quantitativ in PUPM untersucht. Die Auswirkung des hydraulischen Gefälles und des Asphaltmischguts auf den Durchfluss werden charakterisiert. Sowohl Labor- als auch In-situ-Untersuchungen werden durchgeführt, um das Verhalten durchlässiger Straßenbefestigungen unter verschiedenen Belastungszuständen zu bewerten. Zuletzt wird eine numerische Untersuchung durchgeführt, um den grundlegenden Schädigungsmechanismus von FPP auf der Basis des neuartigen PUPM-Materials zu erklären. Diese Arbeit liefert einen wichtigen Grundstein für die Anwendung von PU-Bindemittel in durchlässigen Straßenbefestigungen, indem ein tiefgründiges Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen in PUPM bereitstellt. Untersuchungen zu den hydraulischen Eigenschaften von PPM weisen eindeutig darauf hin, dass das Darcy-Gesetz bei der Analyse des gerichteten Wassertransports in PPM keinen passenden Ansatz darstellt. Basierend auf den Porenmikrostrukturen werden modifizierte Strömungsmodelle entwickelt, die mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Labor- und In-situ-Messungen führten zu der Feststellung, dass der akkumulierte Porenwasserdruck mit der Anzahl der Belastungszyklen zunimmt und sich mit zunehmender Sättigung für jede Schicht erhöht. Diese Ergebnisse tragen zu einem umfassenden Verständnis der Spannungszustände in FPP bei und geben wichtige Hinweise auf die entsprechenden Abbaumechanismen von Porenwasserdruck. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen wurde ein modifiziertes spannungs-abhängiges, feuchtigkeitsempfindliches, kreuzanisotropes, elastisches (SMAE) Modell erfolgreich als Stoffmodell eingeführt, um die hydromechanische Wechselwirkung in ungebundenem Granulat (UGB) widerzuspiegeln. Basierend auf den Vorhersagen für den Spannungszustand der ungebundenen Schichten wird ein optimierter Schichtenaufbau für FPP mit einer PUPM-Deckschicht vorgeschlagen. Weitere FEM-Analysen wurden auf Grundlage des SMAEP Modells durchgeführt, um das neue Konzept zu prüfen. Die Ergebnisse prognostizieren eine Verringerung der Zugspannungen in der Tragschicht mit der Tiefe und eine Erhöhung der Druckspannung von der Mitte zur Oberkante der ungebundenen Schicht; diese Zustände sind für das FPP-System vorteilhaft. Um die Materialeigenschaften und den Schädigungsmechanismus des FPP-Systems besser zu verstehen, werden weitere Untersuchungen empfohlen. Das Stoffmodell für PUPM und das Bruchverhalten sind Inhalte, die durch weitere Studien im Detail untersucht werden sollten. Eine umfassende Analyse der hydraulischen Eigenschaften anhand der Morphologie der dreidimensionalen (3D) Porenstruktur wird dringend empfohlen. Für weitere Untersuchungen des Dilatanzverhaltens der ungebundenen Schichten, wird ein theoretisches Modell, basierend auf Hypoplastizität, empfohlen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, die Methode der Lebenszyklusanalyse (LCA) theoretisch und experimentell zu modifizieren.

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