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.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Adhäsion und die bisherigen Veröffentlichen über die Anwendung von thermodynamischen Messverfahren zur Untersuchung der adhäsiven Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gestein zusammenfassend dargestellt. Die mit Hilfe des Kontaktwinkelmessverfahrens gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften von Bitumen- und Gesteinsoberflächen sowie die Spreiteigenschaften von Bitumen in direktem Kontakt mit Gesteinsoberflächen werden vorgestellt. Darüber hinaus werden die Eigenschaften von zur Verbesserung der Haftung verwendeten Additiven mit Hilfe dieser Methoden untersucht. Die empirische "Rolling Bottle Prüfmethode" wird derzeit als ein mögliches Verfahren zur messtechnischen Ansprache der Adhäsion diskutiert. Im Einzelnen sind folgende Ergebnisse festzuhalten: 1. Die Kontaktwinkel-Messmethode ist geeignet, um die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Gesteins- und Bitumenoberflächen messtechnisch zu erfassen. Nach einer geeigneten Probenpräparation ist es möglich, Informationen über die Oberflächenenergie und Polarität von Gesteinsoberflächen und von Bitumen zu gewinnen. 2. Durch Anwendung einer Hochtemperaturmesszelle kann die Benetzbarkeit von Gesteinsoberflächen durch Bitumen direkt gemessen werden. Die Messungen sollten möglichst bei einer Temperatur gleicher Viskosität (Äquiviskositätstemperatur) durchgeführt werden, um sicher zu stellen, dass das Spreitverhalten unterschiedlicher Bitumen ausschließlich auf die physikalisch-chemische Wechselwirkung mit der Gesteinsoberfläche zurückzuführen ist und nicht auf die unterschiedliche Viskosität der Bindemittel. 3. Um eine Gesteinsart hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften mit Hilfe der Kontaktwinkelmessungen charakterisieren zu können, muss eine größere Anzahl an Gesteinsproben präpariert und gemessen werden. Nur über eine repräsentative Auswahl und statistische Betrachtung lässt sich ein entsprechender Kennwert ermitteln. Diese Vorgehensweise ist umso wichtiger, je inhomogener die Gesteinsart beschaffen ist. 4. Bei den im Straßenbau verwendeten Gesteinen handelt es sich sehr häufig um Plutonite und Vulkanite. Die Untersuchungen zeigen, dass die üblicherweise im Straßenbau eingesetzten Gesteinsarten hinsichtlich ihrer thermodynamischen Oberflächeneigenschaften messbare Unterschiede aufweisen. Die niedrigste Oberflächenenergie weist Kalkstein auf und die höchste Oberflächenenergie besitzen Taunusquarzit beziehungsweise Gabbro. Generell besteht die Tendenz, dass mit steigendem Siliziumdioxidgehalt die Oberflächenenergie zunimmt. Die Unterschiede sind allerdings weniger groß als erwartet. So können die Unterschiede innerhalb derselben Gesteinsart größer sein als zwischen verschiedenen Gesteinsarten. Die in der Praxis festgestellten deutlichen Unterschiede hinsichtlich der Hafteigenschaften ähnlicher Gesteine, sind offenbar weniger thermodynamisch begründet, sondern vielmehr auf Unterschiede in der Mikrotextur der gebrochenen Gesteinsoberflächen zu-rückzuführen. 5. Der Rolling-Bottle-Test simuliert zeitraffend die schädigende Wirkung von Wasser und mechanischer Abrasion auf die Haftung des Bitumens am Gestein. Während der Beanspruchung überlagern sich somit mehrere physikalische Effekte, die die isolierte Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung erschweren. Die Kontaktwinkelmessmethode ist eine relativ einfache und schnelle Methode, um die adhäsiven Eigenschaften von Gesteinen und Bitumen auf thermodynamischer Grundlage zu charakterisieren. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass ausschließlich die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen messtechnisch erfasst werden und andere Einflussparameter die Messung nicht beeinträchtigen. Dieser Vorteil stellt allerdings auch einen Nachteil dar, da zum Beispiel Rauigkeit und Mikrotextur der Gesteinsoberflächen die Stärke der adhäsiven Wechselwirkung durchaus beeinflussen. Die Methode der Kontaktwinkelmessung ist auch auf gealterte Bitumenproben anwendbar. Generell besteht ein erheblicher Einfluss der feinen Gesteinspartikel auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bitumens. Bei der Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung wird dieser Einfluss bisher nicht berücksichtigt. Es besteht somit eine Informationslücke, die durch geeignete Experimente geschlossen werden sollte.rnrn
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.
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.
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.
Graffiti sind ein unübersehbares Problem in unserer bewohnten Umwelt. Graffitischmierereien finden sich auf allen Materialien, wobei insbesondere poröse Untergründe Schwierigkeiten bei deren Beseitigung bereiten. Um Baustoffoberflächen besser zu schützen und von Graffiti leichter reinigen zu können, wurden in den vergangen Jahren Prophylaxesysteme (Anti-Graffiti-Systeme, AGS) entwickelt. Für die Beurteilung der Funktionalität und Verwendbarkeit dieser Anti-Graffiti-Systeme wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in Zusammenarbeit mit mehreren Prüfinstituten eine Technische Prüfvorschrift und Technische Lieferbedingungen (TP/TL-AGS) erarbeitet. Die TP/TL-AGS gilt hierbei nur für die Beurteilung von AGS auf Betonuntergründen. Die Zielstellung der vorliegenden Studie war es zu sondieren, ob die existierenden TP/TL-AGS auch allgemein für AGS auf Mauerwerksoberflächen bestehend aus Naturstein oder Ziegel- beziehungsweise Klinkeroberflächen, die an Bauwerken im Bundesfernstraßenbereich vorhanden sind, angewendet werden können. Weiterhin sollten die Funktionalität und Effektivität der AGS in Abhängigkeit von den Eigenschaften der verschiedenen Substrate untersucht werden. Es sollte herausgearbeitet werden, welche kritischen Parameter für die Funktionalität eines AGS verantwortlich sind. Es wurden insgesamt neun unterschiedliche Natursteine ausgewählt. Zusätzlich wurden Probekörper aus Klinkermauerwerk hergestellt. Dazu wurden Klinkerfliesen auf einen Beton aufgeklebt und mit Zementmörtel ausgefugt. Als Anti-Graffiti-System wurden ein AGS1-2 (nichtschichtbildendes, permanentes System) und ein AGS2 (temporäres System) verwendet. Neben den eigentlichen Untersuchungen an den Verbundkörpern wurden die Substrate auf ihre stoffliche Zusammensetzung und ihre physikalische Eigenschaften charakterisiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass die Funktionalität der beiden AGS stark von der Art des Substrates abhängt. Stark poröse Untergründe, die große mittlere Porenradien aufweisen, lassen sich auch mit AGS schwerer reinigen als dichte Substrate mit kleinen mittleren Porenradien. Weiterhin spielt die Oberflächenrauheit der Substrate eine wichtige Rolle. Allerdings hat hier die Art des AGS ebenfalls einen starken Einfluss auf die Reinigungswirkung. Beim permanenten System war ein klarer Einfluss der Oberflächenrauheit zu erkennen, der beim temporären System nicht sichtbar war. Es zeigte sich jedoch, dass die Funktionalitätsprüfung von AGS1-2 und AGS2 auf den Substraten gut durch die Prüfung auf dem Betongrundkörper abgebildet werden könnten. Das heisst, die Ergebnisse des Betongrundkörpers zur Funktionalität waren im Wesentlichen mit den Ergebnissen der Natursteinsubstrate zu vergleichen, die bei den Reinigungen als schwieriger eingestuft wurden. Weiterhin war der Einfluss der Farbänderungen im Bereich dessen, was auch bei den Betonprüfkörpern eintrat. Die nach TL-AGS angegebenen Grenzwerte wurden nur in wenigen Fällen etwas überschritten. Anders verhielten sich die Glanzdaten infolge der Beschichtung mit dem AGS2. Es trat bei einigen Substraten eine erhebliche Erhöhung der Glanzwerte auf, die beim mit AGS2-beschichteten Beton nicht beobachtet wurden. Aufgrund der Ergebnisse kann geschlossen werden, dass die Prüfung der Funktionalität eines AGS auf einem Betongrundkörper nach TP-AGS durchaus als "schlechtester Fall" eines Substrats auch repräsentativ für eher problematisch zu reinigende Natursteine ist. Bei den Glanzdaten müsste allerdings ein anderer Ansatz erfolgen, da die eher leichter zu reinigenden dichten Substrate in der Regel auch eine, zum Teil sehr starke Erhöhung des Glanzgrades beim Auftrag einer Prophylaxeschicht zur Folge haben, die bei einem Betonsubstrat nach TP-AGS nicht auftritt. Die Dauerhaftigkeit der Graffitiprophylaxe auf den unterschiedlichen Substraten wurde im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen aus Zeitgründen nicht berücksichtigt.
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.
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.
Passive Schutzeinrichtungen aus Stahl werden vor Korrosion durch Verzinken geschützt. Bis 2008 handelte es sich ausschließlich um Stückverzinkung. Im Jahr 2008 hat das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung bis auf Widerruf dem Einsatz von Schutzplankenholmen aus bandverzinkten Stahl zugestimmt. Der Beitrag beschreibt das Verhalten von Zinküberzügen an der Atmosphäre, die Unterschiede zwischen Stück- und Bandverzinkung für Konstruktionsteile, die Grundlage der Zustimmung zum Einsatz von bandverzinkten Schutzplankenholmen und die Auswertung eines Freibewitterungsversuches mit bandverzinkten Schutzplankenholmen nach 9 Jahren.
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.