Anwendungsmöglichkeiten und erste Ergebnisse aus Pilotstudien zur Photokatalyse an Straßenbauwerken
(2015)
Zur Frage, ob photokatalytisch aktive Oberflächen im Straßenbau eine Lösung des Stickoxidproblems darstellen können, stellt der Beitrag erste Ergebnisse aus Pilotstudien zu TiO2-Anwendungen vor. Diese betreffen die Untersuchung einer Lärmschutzwand mit TiO2-Beschichtung (A1, Niedersachsen), eine photokatalytisch aktive Straßenoberfläche (NOxer(R)-Belag, B433 in Hamburg, Decke mit Ti02-haltiger Zementschlämme, derzeit noch in Auswertung) sowie einen Tunnel (Tunnelkassetten mit TiO2-Matten im Tunnel Rudower Höhe in Berlin, A113, fortgeführt in Bezug auf die Untersuchung der Haltbarkeit der Kassettensysteme). Ausführlich dargestellt werden die Untersuchungen zur Beschichtung der Lärmschutzwand an der Al mit Titandioxid-haltiger Suspension, den zugehörigen forschungsbegleitenden Studien, sowie den Ergebnissen in Bezug auf die NO2-Minderungsrate. Die bisher durchgeführten Auswertungen haben NO2-Minderungen von einstelligen Prozentzahlen ergeben. Die Entwicklung der Minderungsraten lässt vermuten, dass photokatalytische Suspensionen zum Teil mehrere Monate benötigen, um sich frei zu brennen und die aktiven TiO2-Partikel an die Oberfläche treten zu lassen. Schon die Lärmschutzwand allein bewirkt eine deutliche Verminderung der NO2-Konzentrationen im direkten Hinterland durch Verfrachtung der Luftschadstoffe in höhere Luftschichten.
Der Beitrag befasst sich vor dem Hintergrund der kontrovers diskutierten Zwischenhaftung bei der Ausführung von Korrosionsschutzsystemen fuer Stahl- und Stahlverbundbrücken mit einer Abfrage bei den Bundesländern zu Schäden am Korrosionschutz bei Systemen nach Blatt 87 und Blatt 94 der ZTV-ING, Teil 4, Abschnitt 3. Auslöser für die Abfrage waren Schadensfälle mit grossflächigen Ablösungen der Deckbeschichtung aus Polyurethan, die nach einer Zwischenreinigung auf die Werksbeschichtung aus Epoxidharz aufgebracht worden war. Der Zeitraum zwischen der Beschichtung im Werk und dem Aufbringen der Deckbeschichtung auf der Baustelle kann zwischen einigen Wochen oder Monaten bis - in Ausnahmefällen - zu mehreren Jahren liegen. Mit der Abfrage bei den Straßenbauverwaltungen der Bundesländer sollte herausgefunden werden, ob Schäden aufgetreten sind - und wenn ja - in welchem Umfang. In die Umfrage einbezogen sind die 16 Obersten Straßenbauverwaltungen sowie die DEGES. Gemeldet wurden insgesamt 648 Stahl- und Stahlverbundbrücken, davon 46 mit Schäden am Korrosionsschutz. Die Schadensquote liegt demnach bei 7 Prozent. Es zeigte sich, dass die Enthaftung der Deckbeschichtung unterschiedliche Ursachen haben kann, insbesondere Nichteinhaltung des Sicherheitsabstands zwischen Objekt- und Taupunkttemperatur und unzureichende Reinigung der Zwischenbeschichtung. Ein grundlegendes, systembedingtes Zwischenhaftungsproblem kann nach den bisherigen Umfrageergebnissen nicht bestätigt werden. Sehr wohl sollte jedoch wegen der Schadensquote von 7 Prozent den Ursachen der aufgetretenen Schäden weiter nachgegangen werden.
Zu den Maßnahmen der Erhaltung des Korrosionsschutzes von Stahlbauten zählen die Ausbesserung, die Teilerneuerung und die Vollerneuerung. Das Ziel dieses Projektes ist es, die vorhandenen Erfahrungen zur Teilerneuerung zusammenzutragen und ausgewählte Maßnahmen im Hinblick auf ihre Bewährung fachtechnisch zu bewerten. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist nicht Gegenstand dieses Projektes. Im Rahmen des Projektes wurden Teilerneuerungsmaßnahmen der Korrosionsschutzbeschichtungen unter fachtechnischen Aspekten auf ihre Bewährung untersucht. Als Kriterium für die Bewertung von Teilerneuerungsmaßnahmen wurde die Standzeit der teilerneuerten Beschichtung bis zum Erreichen der typischen Zustände für die Entscheidung "Vollerneuerung" nach RI-ERH-KOR festgelegt. Eine Teilerneuerungsmaßnahme gilt als bewährt, wenn eine Standzeit von mindestens 20 Jahren erreicht wird. Teilerneuerungsmaßnahmen zur Erhaltung des Korrosionsschutzes haben sich aus fachtechnischer Sicht bewährt. Sie werden weiterhin unter Beachtung der RI-ERH-KOR zur Anwendung empfohlen.
Vorgestellt werden Vorgehensweise, Datenaufbereitung, Modellaufbau und Ergebnisse des BASt-Projekts "Numerische Simulation der Stickoxidminderung durch photokatalytische Oberflächen an Verkehrswegen". Die Vorteile des Konzepts liegen in der Berücksichtigung von Zeitreihen (Eingangsdaten, Ausbreitungsrechnung) und in der Tatsache, dass die Depositionsgeschwindigkeit als zeitlich variable Eingangsgröße bei der Modellierung berücksichtigt wurde. Die Ergebnisse liegen entsprechend als Zeitreihen vor (Jahres- oder Tagesgänge können untersucht werden). Es ergab sich eine Minderung der NO2-Belastung um maximal knapp 1.5% im Nahbereich der Lärmschutzwand. Wesentlicher Faktor bei der Wirksamkeit photokatalytischer Oberflächen ist die Interaktion zwischen Gesamtbelastung und Depositionsgeschwindigkeit im Tagesverlauf.
Duplexsysteme, eine Kombination aus verzinktem Stahl und einer organischen Beschichtung, finden als langlebiger, praktisch wartungsfreier Korrosionsschutz verbreitet Anwendung an Brücken, Schildern, Pfosten und Geländern. In jüngerer Zeit werden vermehrt Roststellen an solchen Systemen beobachtet. Betroffen sind Bereiche, in denen entweder konstruktiv bedingt oder durch Verletzung der Beschichtung die Feuerverzinkung freiliegt. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) untersuchte im Rahmen eines Forschungsprojektes die Ursachen, um die Gefahr eines vorzeitigen Versagens von Bauteilen auszuschließen.
Vorgestellt werden Ergebnisse aus der Untersuchung "Vergleich verschiedener Modellierungsprogramme zur Berechnung von Luftschadstoffen". Die Untersuchung wurde begleitend zu der Pilotstudie "NO2-Reduktion an Ti02-dotierten Lärmschutzwänden (LSW) an der A1" durchgeführt. Projektziel war der Vergleich von drei Ausbreitungsmodellen sowie die Auswahl eines geeigneten Modells für ein zu entwickelndes Online-Monitoring-System. Es wurde festgestellt, dass sich die Modellergebnisse infolge der Umsetzung kleinräumiger Details unterscheiden sowie dass alle Modelle lediglich geringe NOx-Minderungen in Folge der katalytischen Oberflächenbeschichtung anzeigen. In den numerischen Modellen wird die photokatalytische Wirkung der Ti02-beschichteten Lärmschutzwand über einen Depositionsprozess berücksichtigt. Unter Berücksichtigung der Hintergrundbelastung und der NOx-NO2-Umwandlung würde sich die Wirkung des Katalysators im Maximum auf weniger reduzieren. Die Messungen zeigten keine eindeutige Wirkung bezüglich der Immissionskonzentrationen im Bereich der beschichteten beziehungsweise unbeschichteten LSW an.
Am Beispiel einer real ausgeführten Verbundbrücke als Referenzbauwerk werden hier im Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse drei Varianten des Korrosionsschutzes untersucht. Über den gesamten Lebenszyklus dieser integralen Autobahnüberfuehrung wird eine Ökobilanz erstellt, die Lebenszykluskosten sowie die externen Effekte (Umweltwirkungen aus Fahrzeugbetrieb, Fahrzeugbetriebskosten und Verspätungskosten) ermittelt und für die drei Varianten verglichen. Dabei ist eine herkömmliche organische Beschichtung, die während des Lebenszyklus zweimal erneuert wird mit einer Feuerverzinkung zu vergleichen. Betrachtet wird als weitere Variante in den Analysen eine Feuerverzinkung, bei der nach 66 Jahren das Aufbringen einer organischen Beschichtung erfolgt. Im Rahmen der Ökobilanz werden sechs Wirkungskategorien ausgewiesen. Bei Ausführung der Feuerverzinkung ergeben sich Einsparungen über den gesamten Lebenszyklus im Vergleich zur organischen Beschichtung. Die Umweltwirkungen aus dem Herstellungsprozess der Feuerverzinkung sind in der Ökobilanz deutlich sichtbar und demnach nicht zu vernachlässigen. Allerdings können diese erhöhten Auswirkungen in der Herstellung durch Einsparungen während der Nutzungsphase kompensiert werden. Die Berechnungen der Lebenszykluskosten zeigen, dass sich bereits für die Herstellungskosten eine Reduzierung durch den Einsatz einer Feuerverzinkung ergibt. Darüber hinaus sind bei der Variante der Feuerverzinkung weniger eingreifende Instandhaltungsmaßnahmen während der Nutzugsphase notwendig, so dass in Bezug auf die Lebenszykluskosten die Feuerverzinkung die absolut geringsten Kosten aufweist. Die externen Effekte können einerseits in die Ökobilanz integriert und andererseits über einen Monetarisierungsansatz als externe Kosten ausgewiesen werden. Die durch Baumaßnahmen verursachten Eingriffe in den Verkehr (geänderte Geschwindigkeiten) lassen gegenüber der Normalstrecke veränderte Schadstoffausstöße und Treibstoffverbräuche entstehen. Diese Emissionen verursachen für die hier untersuchten Varianten Umweltwirkungen, die in der Größenordnung der Emissionen des Brückenbauwerks bzw. auch darüber liegen. Bei der Berechnung von Fahrzeugbetriebskosten und Verspätungskosten übersteigen auch diese die Lebenszykluskosten des Brückenbauwerks in allen Varianten. Im Vergleich mit einer organischen Beschichtung ergeben sich für die untersuchte Referenzbrücke über den Lebenszyklus reduzierte externe Effekte für die Feuerverzinkung, gefolgt durch das Duplexsystem. Zusammenfassend ergibt sich für die hier untersuchte Referenzbrücke die Variante der Feuerverzinkung als die Lösung, die den größten Beitrag zu nachhaltigen Entwicklung leistet. Da es sich um eine Referenzbrücke mit klar definierten Randbedingungen handelt, ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Brückenbauwerke nicht ohne Weiteres gegeben. So kann bei einem geringeren durchschnittlichen täglichen Verkehr (DTV) die Bedeutung der externen Effekte stark zurückgehen. Die Ergebnisse sind damit als einzelfallbezogen einzustufen.
Verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität in Städten waren bisher bei der Verminderung von Stickoxiden nur bedingt erfolgreich. Interessant ist, ob der Einsatz der Photokatalyse hier weiterhelfen kann. Photokatalytische Anwendungen wurden schon in einigen Pilotstudien untersucht, zum Beispiel an Straßen beziehungsweise Modell-Canyons sowie in Tunneln. Teilweise wurden international sehr positive Ergebnisse erzielt, geichzeitig liegen aus anderen internationalen Projekten Ergebnisse unterhalb der Messgenauigkeit vor. Die vorgestellten Ergebnisse werden anhand verschiedener Variablen betrachtet und die erwartbare Atmosphärenrelevanz diskutiert. Zusammengefasst wird, dass basierend auf bekannten Feldmessungen für die Photokatalyse eine mittlere NOx-Reduktion von nur wenigen Prozent (in Hauptstraßenschluchten) zu erwarten ist. Dieses Potenzial muss mit anderen Maßnahmen verglichen werden (Kosten/Nutzenanalyse). Materialien müssen vor ihrem Einsatz in der Atmosphäre sorgfältig auf ihre Aktivität untersucht werden. Erfüllen die Oberflächen die Voraussetzungen, um als aktiv eingestuft zu werden, ist ihr Einsatz zur Luftreinhaltung klar zu empfehlen.
Innerhalb eines mehrere Projekte umfassenden Pilotprogramms sollte das Stickoxid-Minderungspotential von Titandioxid unter Realbedingungen an verschiedenen Bauwerken hoch frequentierter Verkehrswege untersucht werden. Die vorgelegte Studie beschreibt die durchgeführten Arbeiten an einer Lärmschutzwand, auf deren Oberfläche eine TiO2-Suspension appliziert wurde. Die Untersuchungen fanden an der A 1 zwischen den Anschlussstellen Osnabrück-Nord und Osnabrück-Hafen statt. Das betrachtete Untersuchungsgebiet umfasste eine Länge von ca. 2 km. Die 6-streifige Autobahn ist in diesem Abschnitt auf beiden Seiten mit einer Lärmschutzwand eingefasst, auf die im September 2011 auf einer Länge von 1 km beidseitig eine TiO2-haltige Suspension im Airless-Verfahren aufgetragen wurde. Die beschichtete Fläche beträgt ca. 25.000 m2. Ein 1 km langes Teilstück ohne Suspension diente im Zuge der Untersuchung als Referenzfläche. Vor dem Einsatz der photokatalytischen Materialien mussten zunächst mehrere Voruntersuchungen durchgeführt werden. Hierzu zählten z. B. Modellrechnungen und Schalluntersuchungen, um auszuschließen, dass die für die Lärmschutzwand gewählte TiO2-Suspension die akustischen Eigenschaften des offenporigen Wandmaterials beeinflusst. Darüber hinaus fanden verschiedene projektbegleitende Untersuchungen statt, wie z. B. Bodenanalysen, Bewitterungen von Prüfkörpern oder eine Nitratbilanzierung des Abflusswassers an der Lärmschutzwand. Die Hauptuntersuchungen haben NO2-Minderungen von einstelligen Prozentzahlen ergeben. Dabei waren die höchsten Minderungsraten auf der Ostseite der Autobahn zu beobachten, auf der sich die Schadstoffe durch die vorherrschende Queranströmung vermutlich über längere Zeiträume an der photoaktiven Wand aufhalten konnten als auf der Westseite. Unterstützt wird diese Beobachtung durch die projektbegleitenden Modellrechnungen. Die Entwicklung der Minderungsraten in Verbindung mit den Bewitterungsuntersuchungen über die Jahre der Messdatenaufnahme hinweg lässt vermuten, dass photokatalytische Suspensionen zum Teil mehrere Monate benötigen, um sich frei zu brennen und die aktiven TiO2-Partikel an die Oberfläche treten zu lassen. Kontraproduktiv wirken hier in Straßennähe sicher auch die verkehrsbedingten Verunreinigungen auf den photoaktiven Oberflächen. Messungen mit Passivsammlern in mehreren Entfernungen zur Autobahn zeigten darüber hinaus, dass eine Lärmschutzwand alleine schon eine deutliche Verminderung der NO2-Konzentration im direkten Hinterland des Bauwerks ergibt. Jedoch handelt es sich hierbei nicht – wie bei der Photokatalyse – um einen Abbau oder eine Umwandlung des NO2, sondern nur um eine Verfrachtung der Schadstoffe in höhere Luftschichten und dortige Verdünnung in sauberer Luft.
Anhänge: 1a) NEUNHÄUSERER; DIEGMANN: Numerische Simulation der Stickoxidminderung durch photokatalytische Oberflächen an Verkehrswegen (FE 89.234/2009/AP).
1b) SCHNEIDER; TURHAN; PELZER; NIEDERAU; RAU; HÜFTLE: Vergleich verschiedener Modellierungsprogramme zur Berechnung von Immissionen von Luftschadstoffen (FE 02.305/2009/ERB).
1c) HÜLSEWIG: Untersuchungen zur Depositionsgeschwindigkeit von NO (FE 89.282/2013).
1d) KÜHNE; NICOLAI:Einsatz von Titandioxid zur Reduzierung der Stickoxidbelastung an Straßen – Erfassung von Nitratgehalten (FE 02.288/2007/LRB).
1e) SCHEIDT; BLÖß; AMRHEIN: Projekt-begleitende Untersuchung zur Auslagerung von Prüfkörpern und deren Analyse auf die Entwicklung der photokatalytischen Aktivität einer TiO2-Suspension zum AP-Projekt TiO2-PilotstudieA1 (FE 89.0276/2012).
1f) HÜBEN, M.: „Wirksamkeit des photokatalytischen Stickoxid-Abbaus an beschichteten Bauwerks-Prüfkörpern“, Schlussbericht zum (FE 07.241/2011/LRB).
1g) RAUPACH; SCHULTE HOLTHAUSEN: Prüfung möglicher Einflüsse von Titandioxidbeschichtungen auf Betonoberflächen (FE 89.0241/2009/AP).
Fußplatten sind Konstruktionsteile aus Stahl, die der Verankerung von Stahlschutzplanken auf Brücken dienen. Zum Schutz vor Korrosion werden sie feuerverzinkt. Seit Anfang 2000 gehen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) vereinzelt Meldungen über vorzeitige Kantenkorrosion solcher Fußplatten ein. Im Rahmen dieses Projektes wurden Dokumentationen über die Bauwerke erstellt, an denen Kantenkorrosion an Fußplatten der BASt gemeldet wurden. Einige Fußplatten wurden Untersuchungen im Labor unterzogen. Korrosion von Fußplatten breitet sich in der Regel von den Kanten aus, wobei meistens die verkehrzugewandten Kanten betroffen sind. Die Ursachen hierfür sind komplex. Zweifelsohne spielen korrosive Belastung durch Chloride aus den tauenden Streustoffen und Ansammlungen von Straßensedimenten eine wesentliche Rolle. Trotz dieser starken Korrosionsbelastung bleiben Fußplatten an den Bundesautobahnen in der Regel jahrzehntelang rostfrei. In seltenen Fällen tritt eine vorzeitige Korrosion an Fußplatten auf. Als Auslöser dafür werden Unregelmäßigkeiten im Aufbau des Zinküberzuges vermutet. Die Ursache dafür konnte nicht ermittelt werden. Beim Auftreten von Kantenkorrosion an Fußplatten wird empfohlen, die betroffenen Flächen mechanisch von Rost zu befreien und mit einem zinkstaubhaltigen Reparaturbeschichtungsstoff nach DIN EN ISO 1461 zu beschichten. In gravierenden Fällen ist der Austausch der Fußplatten in Betracht zu ziehen.