Netzweite Früherkennung AKR-geschädigter Betonfahrbahndecken mit schnellfahrenden Messsystemen
(2024)
Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ist auch heute noch eines der weltweit größten Probleme für die Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken. Betroffen waren und sind auch zahlreiche Autobahnabschnitte in Deutschland. Zur Planung und Einleitung nachhaltiger Maßnahmen bedarf es einer möglichst frühzeitigen Feststellung von AKR-Schäden, welche anhand sogenannter Substanzmerkmale (Oberflächenschäden) erfolgen kann. Im Frühstadium einer AKR sind dies Verfärbungen und / oder feinste Rissbildungen. Im Prozess der netzweit und zyklisch durchgeführten messtechnischen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) ist eine Codierung von Verfärbungen bis dato nicht vorgesehen. Für eine Auswertung feinster Risse ist nicht sichergestellt, dass die eingesetzte Messtechnik den Anforderungen entspricht. Auch eine Systematik für die Bewertung von AKR-Schädigungen an Betonfahrbahnen ist über die Regelwerke der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) nicht definiert. Auf Grundlage der bis dato durchgeführten ZEB-Kampagnen lässt sich demnach eine belastbare Erhaltungs- und Finanzplanung in Bezug auf AKR-geschädigte Betonfahrbahnen nicht ableiten. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) war daher zu untersuchen, wie ein praxistaugliches Verfahren zur netzweiten Erfassung und Bewertung von AKR-bedingten Schäden im Frühstadium realisiert werden kann.
Vorgehen im Projekt:
Zur Erfassung von Substanzmerkmalen wurde zunächst ein schnellfahrendes Messsystem entwickelt, welches auf den in einer klassischen ZEB eingesetzten Verfahren basiert. Erweitert um zwei hochauflösende Oberflächenkameras in Kombination mit entsprechender Beleuchtungstechnik wurden statische und dynamische Testerfassungen durchgeführt. Dabei konnten sehr gute Resultate bei der Erkennung von feinsten Rissen (≥ 0,2 mm) erzielt werden. Andererseits zeigte sich, dass in den Oberflächenaufnahmen die AKR-spezifischen, dunkel-gräulichen Verfärbungen an Quer- und Längsfugen der einzelnen Betonplatten nur sehr bedingt bis gar nicht erkennbar sind. Für die Erfassung von Verfärbungen wurde daher in erster Linie auf die Frontkameraaufnahmen zurückgegriffen, wobei u.a. eine Abhängigkeit von den Lichtverhältnissen besteht. Zur Validierung der Erfassungstechnik wurden sechs Strecken auf Bundesautobahnen bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen befahren und die daraus codierten Schadensmerkmale mit den Ergebnissen zweier jahreszeitlich versetzten, in situ absolvierten Referenzerfassungen verglichen. Dies führte u.a. zu der Erkenntnis, dass die durch Inaugenscheinnahme erkannten Rissbreiten ≥ 0,1mm auch in den dynamisch erfassten Oberflächenbildern gut identifiziert werden können, womit die ursprünglichen Anforderungen an das Bildmaterial übertroffen wurden. Ebenso konnte vor Ort das Problem der Erkennbarkeit von Verfärbungen nachvollzogen werden. Spezielle, für die Codierung der AKR-Schädigungen notwendige, Substanzmerkmale wurden definiert und in einem Leitfaden für die Auswertung beschrieben. Die an hochauflösenden Bildschirmen durchgeführte Codierung stellte sich als vergleichsweise zeitaufwändig dar und erforderte eine hohe Konzentration und Disziplin der ausführenden Personen. Anders als zu Projektbeginn angenommen, ergab sich keine Möglichkeit aus den codierten Substanzmerkmalen oder deren Kombination direkt auf eine AKR-Schädigung zu schließen oder diese in eine Schadenskategorie zu überführen. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die Festlegung einer AKR-Schädigung und deren Kategorisierung weiterer Betrachtungen durch einen AKR-Experten und / oder AKR-Gutachter anhand weiterer Daten bedarf. Bei dem hierzu entwickelten Modell versucht ein Experte, auf Basis der durch Auswerter durchgeführten Codierung der definierten AKR-Substanzmerkmale, zunächst aufgrund der vorhandenen Bild- und Bestandsdaten (Baustoffe, Alter, Einbaubedingungen etc.) einen AKR-Verdacht abzuleiten oder eine Klassifizierung vorzunehmen. Ist dies nicht möglich, kann in einem weiteren Schritt ein Gutachter hinzugezogen werden. Um netzweite oder auch objektbezogene Daten zu untersuchten Strecken zielgerichtet verwalten und nutzen zu können, erscheint der Aufbau einer zentralisierten Datenbank empfehlenswert. Auf der Ebene eines Erhaltungsmanagements ließen sich diese Daten dann mit den Daten einer ZEB verschneiden.
Folgerungen:
Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass das entwickelte Verfahren zur Erfassung und Auswertung von Substanzmerkmalen einer im Frühstadium befindlichen AKR als Grundlage für die Klassifizierung von betroffenen Abschnitten eingesetzt werden kann. Eine direkte Einteilung in Schadenskategorien kann hieraus jedoch nicht vorgenommen werden. Diese ist in einem nachgelagerten Prozess durch Experten und eventuell Gutachter vorzunehmen. Das Erfassungs- und Auswerteverfahren könnte in das bestehende ZEB-Verfahren integriert werden, jedoch ergäbe sich dadurch ein deutlich höherer Zeit- und Kostenaufwand bei Erfassung, Auswertung und Datenverarbeitung. Ebenso scheint aufgrund der teilweise rasch voranschreitenden Entwicklung der AKR-Schädigungen ein Erfassungs-rhythmus ≤ 2 Jahren notwendig, was ebenso für zwei getrennte Verfahren spricht.
Entwurfsempfehlungen für Querschnittsbreiten von Über-/Unterführungsbauwerken ländlicher Wege
(2024)
Bei Neu-, Um- und Ausbaumaßnahmen von Fernstraßen in der Baulast des Bundes werden häufig Unter-/Überführungsbauwerke erstellt, wobei hierzu in bestehenden Richtlinien unterschiedliche Entwurfsgrundlagen existieren. Dies sind zum einen die „Richtlinien für den ländlichen Wegebau“ (RLW) und zum anderen die „Richtlinien für den Entwurf, die konstruktive Ausbildung und Ausstattung von Ingenieurbauwerken“ RE-ING Teil 2 Brücken.
Während die RLW 2016 nutzbare Fahrbahnbreiten von 4,50 m ausweisen, fallen diese in den RE-ING mit 4,00 m um 0,50 m schmaler aus. Außerdem schlagen die RLW 2016 insbesondere im Zuge langer Unterführungen vor, einen der beiden 1,00 m breiten Sicherheitsräume zu Lasten des anderen für zu Fuß Gehende/Radfahrende auf 1,50 m zu verbreitern. Nach den RLW 2016 ergibt sich damit eine Gesamtquerschnittsbreite von 6,50 m, während sich in den RE-ING durch die schmaleren Sicherheitsräume von nur 0,50 m eine Gesamtquerschnittsbreite von 5,00 m ergibt.
Das landwirtschaftliche Wegenetz wird teilweise von sehr breiten landwirtschaftlichen Maschinen befahren. Seitens der Vertreter der Landwirtschaft werden aufgrund möglicher Begegnungsfälle mit zu Fuß Gehenden und Radfahrenden, weitere Verbreiterungen der Querschnittsmaße gefordert, welche die bislang in den Richtlinien enthaltenen Werte noch übersteigen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes sollten daher, unter besonderer Berücksichtigung der Verkehrssicherheit und der Wirtschaftlichkeit sowie der Breitenanforderungen der aktuellen Fahrzeugflotte ländlicher Maschinen, empfohlene Querschnittsbreiten im Bereich von Unter-/Überführungsbauwerken ländlicher Wege ermittelt werden. Dabei wurden maßgebende Begegnungsfälle zwischen breiten landwirtschaftlichen Fahrzeugen und zu Fuß Gehenden / Radfahrenden berücksichtigt.
Eine Netzanalyse relevanter Bauwerke sowie der zugelassenen landwirtschaftlichen Fahrzeuge sowie die Einbeziehung lokaler Radrouten führte zur Festlegung eines Untersuchungskollektivs von 44 Bauwerken (26 Unter- bzw. 18 Überführungen) in drei Regionen.
Insgesamt wurden aus den an 533 Erhebungstagen aufgezeichneten ca. 3.990 Stunden Videomaterial, welches im Bereich der Unter-/Überführungsbauwerke aufgenommen wurde, ca. 4.500 zu Fuß Gehende, ca. 12.500 Rad Fahrende, ca. 16.500 Pkw, ca. 350 Lkw, ca. 625 sonstige Kfz und ca. 1.200 landwirtschaftliche Fahrzeuge erfasst.
Dabei ergaben sich 322 Begegnungen zwischen schwachen Verkehrsteilnehmenden und Pkw, 8 Begegnungen zwischen schwachen Verkehrsteilnehmenden und Lkw und 42 Begegnungen zwischen schwachen Verkehrsteilnehmenden und landwirtschaftlichen Fahrzeugen.
Grundsätzlich ist ein kooperatives Verhalten von zu Fuß Gehenden und Rad Fahrenden sowie dem landwirtschaftlichen Verkehr festzustellen. Es wurde beispielsweise beobachtet, dass Begegnungen mit sehr breiten Fahrzeugen häufig außerhalb der Bauwerke stattfinden.
Die genannten Begegnungen waren ausnahmslos als unkritisch einzustufen, Es ist daher auch kein Einfluss der Bauwerksbreite als maßgeblichem baulichen Charakteristikum für Gefährdungspotenziale erkennbar, auch nicht bei schmalen Bauwerken.
Weder aus den beobachteten Begegnungen zwischen Fuß- und Radverkehr mit landwirtschaftlichem Verkehr noch mit dem regulären Kfz-Verkehr lassen sich Erkenntnisse ableiten, dass auf Basis dieser Begegnungen Änderungen an den Fahrbahnbreiten im Regelwerk vorgenommen werden sollten.
Auch für eine generelle Verbreiterung von Bauwerken mit landwirtschaftlichem Verkehr aufgrund zunehmender Fahrzeugbreiten ergeben sich aus den Erhebungen keine Hinweise
Füllsysteme für Fugen in Betonfahrbahnen sind während ihrer Nutzungsdauer vielfältigen Beanspruchungen ausgesetzt. Daraus leiten sich erhöhte Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Gesamtsystems „Fuge“ ab. Neben jahreszeitlich schwankenden klimatischen Änderunge spielen insbesondere zyklische Beanspruchungen durch den überrollenden Verkehr sowie die Alterung der Fugenmassen eine maßgebliche Rolle.
Ziel dieses Forschungsprojekts war es, ein praxisorientiertes Prüfverfahren zu entwickeln, das zum einen das Gesamtsystem „Fuge“ bestehend aus Betonfugenflanke, Voranstrichmittel sowie der Fugenmasse umfasst und andererseits die maßgebenden Szenarien der in-situ-Beanspruchungen realistisch abbildet. Dazu wurden Systemprüfkörper bestehend aus Beton und Fugenfüllstoff definiert, an denen über die herkömmlichen Prüfungen am Füllstoff hinaus, statische Zug-/Scherversuche und zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche an neuen und künstlich gealterten Proben vorgenommen wurden. Diese Prüfungen wurden sowohl an Laborproben (Referenz) als auch an Systemprüfkörpern aus Bohrkernen von originären Bestandstrecken durchgeführt.
Die Untersuchungen zeigten u.a., dass die heiß verarbeitbaren Fugenmassen, mit Ausnahme der modifizierten Fugenmasse vom Typ N2+, infolge künstlicher Alterung erheblich versprödeten, d.h. bei deutlich reduziertem Dehnvermögen höhere Maximalspannungen aufwiesen. Dieser Effekt zeichnete sich auch bei den im dynamischen Scherrheometer ermittelten Phasenwinkeln und komplexen Schermoduln ab. Unter der Annahme eines exponentiellen Verlaufs der Alterung von heiß verarbeitbaren Fugenmassen, konnte für die künstliche Laboralterung ein simulierter Nutzungszeitraum von etwa 6 Jahren ermittelt werden. Für die kalt verarbeitbaren Fugenmassen erwies sich die für heiß verarbeitbare Fugenmassen herangezogene künstliche Alterung unter Druck und Temperaturbeanspruchung als nicht zweckmäßiges Verfahren.
Zur ersten Validierung der entwickelten Laborprüfverfahren wurde im BAB-Netz eine heiß und eine kalt verarbeitbare Fugenmasse über die ersten 21 Monate Nutzungsdauer intensiv beobachtet.
Unter Einbeziehung der Systemprüfungen an Labor- und in-situ-Proben wurde ein erster Bewertungsansatz entwickelt, mit dem, anhand wissenschaftlich orientierter Kenn- und Grenzwerte, Fugenmassen im nicht gealterten ebenso wie im künstlich gealterten Zustand bewertet werden können.