Diese Arbeit behandelt das Tieftemperaturverhalten von flexiblen Straßenkonstruktionen, die mit Heißmischgut aus Asphalt hergestellt wurden. Es wird eine neue Methodik entwickelt, mit deren Hilfe die maßgeblichen Beanspruchungsmechanismen bei der Beurteilung des Widerstands von Asphaltmischgütern gegen Tieftemperaturreißen berücksichtigt werden. Diese Methodik umfasst Experimente an Asphalten und die numerische Modellierung von flexiblen Fahrbahnaufbauten. Zunächst wird die Rissbildung in Asphaltdeckschichten bei tiefen Temperaturen untersucht. Als besonders kritische thermische Beanspruchung der Straße wird dabei ein Abkühlprozess bei Temperaturen um den Gefrierpunkt und darunter identifiziert. Durch den verhinderten thermischen Schrumpf werden Zugspannungen (kryogene Spannungen) in der Asphaltbefestigung induziert, welche unter extremen Bedingungen so groß werden können, dass die lokal vorhandene Zugfestigkeit überschritten und Rissbildung initiiert wird. Gleichzeitig zur Temperaturbeanspruchung ist die Straße der Schwerverkehrsbelastung ausgesetzt. Aufgrund der ansteigenden Steifigkeiten der gebundenen Schichten bei abnehmender Temperatur, nehmen auch die durch die Verkehrsbelastung induzierten mechanogenen Spannungen zu. In Überlagerung mit der thermischen Beanspruchung ist somit die Gefahr des Erreichens eines kritischen Spannungszustands noch früher gegeben, und die Gefahr der Rissbildung ist deutlich erhöht. Das Maximum der kritischen Spannungen tritt dabei nicht in der Radspur auf, sondern in einem Abstand von 30 cm bis 90 cm von der Lasteinleitungsstelle. Das Verhalten von Asphalt im tiefen und mittleren Temperaturbereich wird anhand einer Vielzahl von statischen und dynamischen Laborprüfungen untersucht. Dabei werden unterschiedliche Größenskalen des Baustoffs Asphalt angesprochen, von mikroskopischen Bindemittel- und Fülleruntersuchungen bis zu makroskopischen zyklisch-dynamischen Prüfungen an Asphaltprobekörpern. Die Versuchsergebnisse verdeutlichen insbesondere folgende Zusammenhänge: Die Bindemittel- und Mastixuntersuchungen mit dem 'Bending Beam Rheometer' und aus dem 'Direct Tension Test' zeigen, dass die Kriechsteifigkeit und die Kriechnachgiebigkeit signifikant von Bindemitteltyp abhängen. Weiterhin zeigt sich, dass die Füllermenge zwar die Kriechsteifigkeit nicht aber die Kriechnachgiebigkeit beeinflusst. Eine zunehmende Füllermenge bewirkt ein Ansteigen der Zugfestigkeit und einen Wandel vom duktilen Bruch zum Sprödbruch. Die statischen Abkühl- und Zugfestigkeitsprüfungen am Splittmastixasphalt ergeben, dass die wichtigsten Einflussparameter auf das Tieftemperaturverhalten der Bindemitteltyp, der Hohlraumgehalt und das Bitumen/Füller-Verhältnis sind und dass die Bindemittelmenge eine eher untergeordnete Rolle spielt. In der Arbeit wird ein numerisches Modell eines flexiblen Straßenaufbaus entwickelt. Es berücksichtigt möglichst realitätsnah die geometrischen Randbedingungen und die Schichteigenschaften der ungebundenen Schichten und des Untergrunds und intergriert ein Modell zur Berücksichtigung des Temperaturübergangs und der Temperaturverteilung im Straßenkörper. Darüber hinaus werden das Kriechverhalten der eingesetzten Asphaltmischgüter, die temperaturabhängigen Steifigkeitseigenschaften der Schichten und die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien simuliert. Die Temperaturabhängigkeit der Eingangsparameter wird durch ein rheologisches Modell (Power Law Modell) abgebildet. In dieser Arbeit wird erstmals für zyklisch dynamische Prüfungen die Rissanfälligkeit eines Mischguts über die Ermüdungsdehnung und die Ermüdungsenergie beurteilt. Wegen der Darstellung der Versuchsergebnisse in Form einer Energiebilanz ist es nun möglich, das Ermüdungsverhalten und die Rissbeständigkeit unabhängig von Temperatur und Belastungsgeschichte während des Versuchs zu beurteilen.

This study treats the low-temperature behavior of flexible road constructions made of hot mix asphalt. A new procedure is developed, which allows to consider the relevant damage mechanisms needed for evaluation of the resistance of asphalt mixtures to low-temperature cracking. This methodology covers both experimental methods at asphalt mixtures and the numeric modelling of flexible road constructions. At the rather beginning, the study focuses on crack mechanisms in asphalt surface layers at low temperatures. Critical temperature conditions are referred to a cooling process starting from temperatures around the freezing point or below. As thermal shrinkage relaxation is prevented, tensile stresses (cryogenic stress) are induced into the asphalt layer, which can potentially exceed the local tensile strength and may initiate cracking. At the same time, the pavement is exposed to heavy traffic loading. Due to the increasing stiffness of the bound layers at decreasing temperature, these layers suffer from the increased stresses induced by traffic. Moreover, in superposition with thermal stresses, a critical tensile stress state is reached more easily, which will also increase the danger of cracking. It should be noted that the maximum of the critical tensile stress does not occur in the wheel track but in a distance of 30 cm to 90 cm from the location of loading. The behavior of asphalt mixtures in the low and intermediate temperature regime is studied in the context of this work on the basis of various static and dynamic laboratory tests. Thereby, different observation scales for the asphalt material are addressed, from microscopic asphalt binder and filler analysis to macroscopic cyclic dynamic testing on asphalt mix specimens. As a result of the test program, the following most important conclusions can be drawn: The asphalt binder tests and mastic tests with the bending beam rheometer and by use of the direct tension test show that the creep stiffness and the creep compliance are depending significantly on the type of bitumen. Furthermore, it shows that the filler quantity affect the creep stiffness, but not the creep compliance. An increasing filler quantity causes a higher tensile strength and a change from ductile to brittle failure. The results of the static tests on asphalt mix specimens of stone mastic asphalt indicate that the most important parameters influencing low-temperature performance are the type of asphalt binder, air void content and bitumen to filler ratio, thereby the bitumen quantity plays a minor role. In the study a numeric model of a flexible pavement structure is developed. This model considers as close to reality as possible the geometrical boundary conditions and the layer characteristics of the unbound layers and the sub grade and integrates a model for the consideration of the temperature transition and the temperature distribution in the pavement. Moreover, the creep behavior of the assigned asphalt mixtures, the temperature-dependent stiffness characteristics of the layers and the thermal dilatation coefficient are important inputs. The temperature dependency of the input parameters is considered in a rheological model (power law model). Within the frame of this study it is recommended to assess in cyclic dynamic tests the susceptibility of an asphalt mixture to low-temperature cracking by use of the fatigue strain and the fatigue energy. Because test results are represented by test parameters that are based on an energy balance approach, it is now possible to assess the fatigue behavior and the crack resistance independently from the temperature conditions and the load history applied during the test.