Abteilung Straßenbautechnik
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Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, sodass dann andere Baustoffe zur Herstellung der Erdbauwerke benötigt werden. Hierfür können Ersatzbaustoffe, wie Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte oder aufbereitetes Bodenmaterial verwendet werden, um natürliche Ressourcen zu schonen. Neben der bautechnischen Eignung der Ersatzbaustoffe spielt der Schutz von Boden und Grundwasser mittlerweile bei der Auswahl der Baustoffe eine wesentliche Rolle. Um diesen zu gewährleisten, ist bei Ersatzbaustoffen zu prüfen, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen in Boden und Grundwasser ausgetragen werden können. Die Bundesanstalt für Straßenwesen widmet sich diesem Themenbereich in der Forschungslinie "Die postfossile Gesellschaft: Verbesserte Nutzung endlicher Ressourcen im Straßenwesen". Das übergeordnete Ziel der verschiedenen Forschungsprojekte ist dabei, den Einsatz von Ressourcen zu optimieren, und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten. Aus Sicht des Straßenbauingenieurs reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßenbauwerk für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit vollkommen. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch unzureichend. Insbesondere sind dazu folgende Fragen offen: Wie viel Wasser gelangt in das Straßenbauwerk und wie viel Wasser durchsickert die Straßenböschung? Zum Schutz von Boden- und Grundwasser wurden im Erdbau mit Ersatzbaustoffen technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Mit diesen Bauweisen kann die Menge des Sickerwassereintrags in das Bauwerk reduziert und damit der Austrag an umweltrelevanten Inhaltsstoffen verringert oder sogar ganz vermieden werden. Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, eine belastbare Datengrundlage zur Sickerwassermenge zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Durch die ökonomisch und ökologisch optimierten Bauweisen soll das Potenzial für den Einsatz von Ersatzbaustoffe im Erdbau des Straßenbaus erhöht werden. In diesem Projekt "Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau " Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen" wird der Forschungsansatz der großmaßstäblichen Versuche verfolgt, mit dem Ziel die Wirksamkeit von TSM zu beurteilen. Hierzu wurden Lysimeter entwickelt und eine zugehörige Beregnungseinheit. Mit der Anlage wurde ein Instrument geschaffen, um unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus TSM und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 zu prüfen. Um klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, wird die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, sodass Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen durchgeführt werden können. Die Vorteile der Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen liegen in einer gut erfassbaren Wasserbilanz und der Möglichkeit, regelmäßig Wasserproben für die chemischen Untersuchungen zu gewinnen. Zu den Schwächen gehört, dass Umwelteinflüsse und Straßenabfluss nicht berücksichtigt werden und ggf. nicht erfassbare Randeinflüsse vorhanden sind. Zudem sind die Versuchsdauern lang und die Versuche sind betreuungsintensiv. Aufgrund der Abmessungen des Lysimeterkastens sind nicht alle TSM realisierbar. In dieser ersten Versuchsserie wurden ein bindiger und ein kiesiger Boden untersucht. Als TSM wurden eine Dränmatte, eine wasserabweisende Anspritzung mit Bitumen und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, sodass sich aus der Kombination von zwei Böden und drei Bauweisen insgesamt sechs Versuchsreihen ergeben. Die Lysimeterversuche wurden von September 2011 bis Dezember 2012 durchgeführt. Während der 15-wöchigen Versuchsreihe wurde jeden Tag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabflusses ermittelt. Das Sickerwasser wurde gemessen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse durchgeführt. Die wesentlichen Erkenntnisse zur Wirksamkeit der TSM sind: 1. trotz mehrfacher Bitumenanspritzung konnte für beide Böden die Sickerwassermenge nicht wesentlich reduziert werden und 2. die beste Wirkung hat die Bauweise kiesiger Boden mit Dränmatte erzielt. Dies ist erstaunlich, da diese Bauweise eigentlich nur für Baustoff mit geringer Durchlässigkeit vorgesehen ist. Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor bei den aufsummierten Frachtkurven ist die Sickerwassermenge, diese wird von der TSM beeinflusst. Es ist also möglich mit einer geeigneten TSM den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu verringern.
Ein funktionstüchtiges und qualitativ hochwertiges Fernstraßennetz ist für das Transitland Deutschland elementar. Im zusammenwachsenden Europa werden viele Güter über die Straße transportiert. Dabei verlaufen maßgebende transeuropäische Verkehrsachsen über das deutsche Fernstraßennetz. Es gilt, das Fernstraßennetz so auszulegen, dass die Belastungen aus dem Güterverkehr dauerhaft ertragen werden können. Grundlage für die Dimensionierung des Straßenaufbaus bilden dabei wissenschaftliche Erkenntnisse aus Untersuchungen zur Beschreibung des Baustoffverhaltens, sowie langjährige Erfahrungen beim Bau und der Nutzung von Straßenbefestigungen. Einen wichtigen Baustein für Untersuchungen zum Gebrauchsverhalten des gesamten Straßenaufbaus bilden zeitraffende Belastungsversuche im Maßstab 1:1. Dazu betreibt die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine Asphaltmodellstraße, die nach anerkannten Dimensionierungs- und Ausführungsregeln gebaut wurde. Für eine realitätsnahe, zeitraffende Belastung wurde der Mobile Load Simulator MLS30 durch die BASt beschafft. Diese Belastungseinrichtung stellt einen Meilenstein für die Dauerbelastung von Straßenkonstruktionen jeglicher Bauweisen im Großversuch dar. Durch den ersten Einsatz des Mobile Load Simulator MLS30 wurden wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen. Hierzu wurden Dehnungs-, Druckspannungs- und Temperatursensoren der instrumentierten Asphaltmodellstraße der BASt verwendet. Deutlich wurde das zueinander proportional Verhalten der Dehnungen und Druckspannungen zur Temperatur im Straßenaufbau. Die Sensoren detektierten neben der strukturellen Reaktion innerhalb des Belastungsbetriebes auch Veränderungen der Reaktion des Straßenaufbaus auf zerstörungsfreie Prüfungen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD). Weitere Erkenntnisse wurden bezüglich einer Überwachung des Mobile Load Simulator MLS30 gewonnen. Die im Versuchsfeld integrierten Sensoren konnten Veränderungen der Lasteinleitung detektieren. Zusätzlich wurden erste Erfahrungen zur Temperaturerhöhung durch den MLS30 gemacht. Die gewonnenen Erkenntnisse aus dem ersten Versuchsbetrieb werden bei zukünftigen Projekten in der Straßenbauforschung einfließen und die realitätsnahe Simulation von Verkehrsbelastungen weiter prägen. Mit Hilfe von ausgereiften Sensorkonzepten, entsprechender Messwerterfassung und Software, ist es möglich in Großversuchen das Gebrauchsverhalten von Straßenaufbauten zu analysieren. Seit der technischen Abnahme im Fruehjahr 2013 wurden durch den Mobile Load Simulator MLS30 rd. 4,8 Mio. Überrollungen auf Asphalt- und innovativen Betonaufbauten realisiert.
Viskositätsverändernde Zusätze im Asphalt werden seit mehr als 15 Jahren verwendet. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Zusätze sind die Temperaturabsenkung und die Verwendung als Verarbeitungshilfe, frühere Verkehrsfreigaben sind möglich, die Maschinentechnik wird geschont. An Beispielen werden diese Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt und Hinweise zum Umgang mit viskositätsveraenderten Asphalten gegeben.
Die Straßeninfrastruktur sieht sich immer größer werdenden Herausforderungen gegenübergestellt. Das Netz der Bundesfernstraßen wird immer älter bei gleichzeitig weiterhin stark ansteigendem Güterverkehrsaufkommen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, gilt es, eine dauerhafte Straßeninfrastruktur zur Verfügung zu stellen. Eine entscheidende Rolle wird dabei der bautechnischen und wirtschaftlichen Bewertung von Straßenbefestigungen zuteil, dabei ist der "Blick" in die Straßenkonstruktion selbst von maßgebender Bedeutung. "Was passiert in der Straße?", "Wie kann dies beschrieben werden?" sind dabei die Fragen, die es zu beantworten gilt. Über die Weiterentwicklung der bestehenden Mess-Sensorik eingebunden im Straßenaufbau sowie den Einsatz verschiedener möglichst zerstörungsfreier Messsysteme, zum Beispiel Georadarverfahren, sollen neue Ansätze verfolgt sowie Merkmale und Zustandsgrößen abgeleitet werden, die die strukturelle Substanz des Straßenaufbaus beschreiben. Darüber hinaus gilt es, neue Messverfahren sowie neue Ansätze zur Bewertung der strukturellen Substanz unter möglichst realistischen Umgebungsbedingungen zu erproben und zu validieren. Hierfür bieten sich großmaßstäbliche Untersuchungen unter zeitraffender Belastung an. Diese Möglichkeit bietet die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in ihrer Modellstraße mit der neuen Belastungseinrichtung, dem Mobile Load Simulator MLS10. Aktuelle Forschungsaktivitäten zu den genannten Forschungsschwerpunkten leisten somit einen wichtigen Beitrag, um den Herausforderungen über die wirtschaftliche Erhaltung und über die Bereitstellung einer dauerhaften Straßeninfrastruktur zu begegnen.
Die Straßenverkehrsinfrastruktur und der Straßenverkehr müssen sich künftig neuen Herausforderungen stellen, wie dem technologischen, demografischen und klimatischen Wandel. Im Hinblick auf den projizierten Klimawandel entwickelte die BASt eine Strategie zur "Adaptation der Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel (AdSVIS)". Diese Strategie soll dazu beitragen, die Verwundbarkeit des Straßenwesens gegenüber den negativen Folgen des Klimawandels durch Anwendung geeigneter Adaptationsmaßnahmen zu mindern. Um das Ziel zu erreichen, wurden vielfältige Projekte initiiert. Den zentralen Punkt der Anpassungsstrategie stellt dabei das Projekt "Risikoanalyse wichtiger Güter- und Transitverkehrsachsen unter Einbeziehung von Seehäfen (RIVA)" dar. Ziel dieses Projekts ist, eine Methodik für die Identifikation, Analyse und Bewertung der Risiken aus den projizierten Klimaänderungen zu entwickeln und an ausgewählten Streckenabschnitten im deutschen Teil des TEN-T (Transeuropäisches Netz - Transport) zu validieren. Durch dieses hierbei entwickelte und validierte Verfahren soll ferner das gesamte Bundesfernstraßennetz im Hinblick auf die klimabedingten Risiken untersucht und bewertet werden, mit dem Ziel, einen Aktionsplan für die erforderlichen Anpassungsmaßnahmen zu erstellen. Darüber hinaus befassen sich weitere Projekte des AdSVIS-Programms mit der Anpassung der maßgeblichen Regelwerke, beispielsweise mit der Überprüfung der Dimensionierungsansätze von Entwässerungseinrichtungen und Straßenbefestigungen. Gleichzeitig werden konkrete Anpassungsmaßnahmen entwickelt und erprobt.
Bitumen ist ein Erdölprodukt mit einer komplexen chemischen Zusammensetzung. Durch die Auswahl der zur Herstellung verwendeten Rohöle und die Art des Raffinerieprozesses werden die Zusammensetzung und die resultierenden chemisch-physikalischen Eigenschaften bestimmt. Für die Untersuchung von Bitumen steht heute eine Vielzahl von leistungsfähigen Methoden der modernen instrumentellen Analytik zur Verfügung. Das Hauptproblem bei der Analyse von Bitumen besteht in der Auftrennung des Stoffgemisches. Chromatographische Verfahren bieten generell die besten Voraussetzungen derartige Trennaufgaben zu bewältigen. So ermöglicht die TLC-FID-Methode die quantitative Bestimmung der Stoffgruppen der Aliphaten, Aromaten, Harze und Asphaltene. Dagegen ermöglicht die klassische Dünnschichtchromatographie, die in der Vergangenheit ausschließlich zum Nachweis von teerhaltigen Bindemitteln eingesetzt wurde, eine einfache und schnelle Möglichkeit eine chemische Charakterisierung von Bitumen in Form eines "Fingerprints" vorzunehmen. Dem Anspruch eine möglichst exakte und vollständige Beschreibung der chemischen Zusammensetzung von Bitumen zu erhalten, stehen Begrenzungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Schnelligkeit der Verfahren gegenüber. Dennoch ist es möglich, mit einem relativ begrenzten Aufwand wertvolle Informationen über die chemische Beschaffenheit zu erhalten.
Die Kenntnis über den tatsächlichen strukturellen Zustand einer Asphaltbefestigung wird im Hinblick der stets steigenden Verkehrsbelastung und für eine qualifizierte Erhaltungsplanung immer wichtiger. In dem vorliegenden Beitrag wird ein Ansatz vorgestellt, welcher darin besteht, zu einem beliebigem Zeitpunkt anhand von versuchstechnisch ermittelten Asphaltkennwerten und aufbauend auf diesen Ergebnissen die Restnutzungsdauer einer Asphaltbefestigung zu prognostizieren. Hierfür wurden aus bestehenden Asphaltbefestigungen, welche bereits langjährig unter Verkehr liegen, Asphaltproben entnommen und deren asphaltspezifischen Eigenschaften wie die Steifigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit versuchstechnisch bestimmt. Mit diesen Ergebnissen der Asphaltuntersuchungen im Labor und zusammen mit einem Prognoseverfahren in Anlehnung an die RDO Asphalt (FGSV 2009) besteht die Möglichkeit, Aussagen zu den voraussichtlichen Restnutzungsdauern von Asphaltbefestigungen geben zu können. Für die Optimierung dieser Vorgehensweise zur Prognose von Restnutzungsdauern wurde zu verschiedenen Zeitpunkten der gesamte Asphaltoberbau der Asphaltbefestigungen untersucht.
Für die rechnerische Dimensionierung der Betondecken im Oberbau von Verkehrsflächen für den Neubau sowie die Erneuerung nach RDO-Beton 09 ist die statische Spaltzugfestigkeit an der unteren beziehungsweise unteren und oberen Scheibe des Betonzylinders beziehungsweise Bohrkerns entsprechend der Vorgaben der AL Sp-Beton zu bestimmen. Aufgrund der unzureichenden Kenntnis der Präzision dieses Prüfverfahrens wurden mit einem breit aufgestellten Ringversuch die statistischen Kennwerte an Labor- und Bestandsbetonen unter Vergleichs- und Wiederholbedingungen auf der Grundlage des FGSV-Merkblatts über die statistische Auswertung von Prüfergebnissen ermittelt. Für eine möglichst gute statistische Absicherung nahmen an dem Ringversuch dreizehn erfahrene Prüfstellen teil. Zur Abdeckung des vielschichtigen Einsatzes des Prüfverfahrens erfolgte der Ringversuch an acht Prüflosen. Dabei berücksichtigen einerseits die Prüflose 1 und 2 mit den im Transportbetonwerk hergestellten Betonzylindern die Erst-/Eignungsprüfung und das darauf aufbauende Prüflos 3 mit Bohrkernen aus einer im Feldversuch hergestellten Fahrbahnplatte mit gleicher Betonrezeptur die Übereinstimmungskontrolle bei Neubaumaßnahmen. Andererseits findet der Einsatz des Prüfverfahrens bei der Restsubstanzbewertung von Betonfahrbahnplatten bei den Prüflosen 4 bis 7 mit den Bohrkernen aus vier in Waschbetonbauweise ausgeführten Fahrbahnplatten Berücksichtigung. Das zusätzlich aufgenommene Prüflos 8 mit einem Labormörtel dient der Herausarbeitung des Materialeinflusses auf die Präzision der Spaltzugfestigkeitsprüfung. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Präzision der in der AL Sp-Beton beschriebenen Spaltzugfestigkeitsprüfung mit einem Variationskoeffizienten von weniger als 10 % unter Wiederhol- und Vergleichsbedingungen hinreichend genau ist. Der geringe Unterschied zwischen den Variationskoeffizienten unter Wiederhol- und Vergleichsbedingungen lässt zusätzlich den Schluss zu, dass der Einfluss des unterschiedlichen Personals und der verschiedenartigen Prüftechniken bei den einzelnen Prüfstellen relativ gering ist. Die im Rahmen des Ringversuchs gewonnenen Erkenntnisse haben bereits partiell Eingang in die Normung gefunden.
Der Bewertung der strukturellen Substanz von Straßenaufbauten kommt im Rahmen einer wirtschaftlichen Erhaltungsplanung eine entscheidende Bedeutung zu. Die vorhandenen Zustandsdaten aus der regelmäßigen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) bieten hierfür eine gute Grundlage, beschränken sich allerdings auf die Bewertung von Oberflächeneigenschaften. Die Messung der Tragfähigkeit stellt daher einen wichtigen Baustein bei der Bewertung der strukturellen Substanz dar, ist allerdings bei den etablierten Messverfahren aufgrund der Messgeschwindigkeit und der damit gegebenenfalls verbundenen Behinderung des fließenden Verkehrs eher auf Objektebene einsetzbar. Mit dem im letzten Jahrzehnt entwickelten Traffic Speed Deflectometer (TSD) sind nun schnellfahrende Tragfähigkeitsmessungen möglich. Im Rahmen eines Pilotprojekts im Freistaat Bayern wurde die Anwendbarkeit des TSD im Vergleich zu anderen Messverfahren auf Bundesautobahnen, Bundesstraßen und Staatsstraßen untersucht.
Deutschland ist aufgrund seiner zentralen Lage eines der wichtigsten Transitländer im zusammenwachsenden Europa. Die Güter werden vor allem über die Straße verteilt und durch Deutschland transportiert. Für diese Funktion braucht es ein funktionstüchtiges und qualitativ hochwertiges Fernstraßennetz. Zuverlässige Kenntnisse über das spezifische Verhalten unter Verkehrsbelastung der jeweiligen Baustoffe und Konstruktion sind für eine Dimensionierung von Straßenaufbauten, aber auch zur Bewertung der strukturellen Substanz erforderlich. Neben Versuchen am jeweiligen Baustoff im Labor ist ein weiteres essenzielles Werkzeug die Untersuchung in Großversuchen. Dazu wurde an der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine instrumentierte Modellstraße mit Aufbauten gemäß den Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO) im Maßstab 1:1 gebaut und der Mobile Load Simulator MLS10 für die zeitraffende Belastung mit rollendem Rad in Betrieb genommen. Heute und in Zukunft sollen neben Forschungen zur Substanzbewertung vor allem innovative Asphalt- und Betonbauweisen untersucht werden. In dem Beitrag werden erste Erfahrungen mit dem MLS10 auf einem instrumentierten Straßenaufbau im Rahmen eines Dauerbelastungsversuchs an der Modellstraße vorgestellt.