Optimierung der Zusammensetzung Offenporiger Asphalte zur Verbesserung des Nutzungsverhaltens
(2023)
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Verbesserung des Nutzungsverhaltens Offenporiger Asphalte durch eine gezielte Optimierung der Zusammensetzung. Dazu wurde systematisch der Einfluss der Mischgutzusammensetzung in Hinblick auf das Alterungsverhalten Offenporiger Asphaltdeckschichten untersucht. Die Mischgutzusammensetzung wurde anhand von Kornform, Kornanteilen der einzelnen Kornklassen sowie Mastixzusammensetzung variiert.
Die Bewertung der akustischen Eigenschaften der verschiedenen PA-Varianten wurde anhand des Strömungswiderstandes und des Schallabsorptionsgrades überprüft. Zudem wurden ausgewählte PA-Varianten bezüglich der zu erwartenden bautechnischen Dauerhaftigkeit überprüft.
40 Sieblinienvarianten wurden theoretisch aus den Lieferkörnungen abgeleitet und mittels computerbasierter Modellberechnung der zu erwartende Hohlraumgehalt der PA-Varianten ermittelt. Das Ergebnis der computerbasierten Modellberechnung zeigt, dass diese noch keine zielsichere Vorhersage des experimentell ermittelten Hohlraumgehaltes ermöglicht. Durch die Variation der Sieblinie konnten große Unterschiede der akustischen Eigenschaften der PA-Varianten nachgewiesen werden, wohingegen ein eindeutiger Einfluss auf den Kornverlust PL nicht festgestellt werden konnte.
Die Variation der Kornform hatte in dem hier geprüften Rahmen keinen eindeutigen Einfluss auf den Hohlraumgehalt und auf die akustischen Eigenschaften der PA-Varianten.
Die Variation der Mastixkomponente zeigte deutliche Einflüsse auf den Hohlraumgehalt, den Schallabsorptionsgrad und auf den Kornverlust PL.
Die Ergebnisse und die Differenzierbarkeit der Oberflächenverschleißprüfung vor und nach Alterung sollten kritisch hinterfragt werden.
Insgesamt konnten durch die Ergebnisse der Untersuchungen Optimierungspotentiale aufgezeigt werden. Durch gezielte Variation der Sieblinie und der Mastixzusammensetzung können die akustischen Eigenschaften und die Nutzungsdauer Offenporiger Asphalte verbessert werden.
Die im folgenden Bericht dargelegten Ergebnisse aus den Jahren 1986 bis 1993 sind vor dem Hintergrund und den Randbedingungen der Untersuchungen auf den offenporigen Asphaltdeckschichten auf Außerortsstraßen zu sehen. Weiterentwicklungen in der Straßenbautechnik, Änderungen an den Kraftfahrzeugen und Änderungen des Verhaltens der Verkehrsteilnehmer erfordern, die Versuchsergebnisse zu überdenken; dies gilt insbesondere, weil die offenporigen Asphaltdeckschichten, die den Untersuchungen zugrunde lagen, Ende der 80er Jahre entsprechend dem damaligen Stand der Technik konzipiert und gebaut wurden. Der Ergebnisbericht beruht auf Untersuchungen mit den damals geltenden Randbedingungen des Verkehrs, der Verkehrsmischung und den hierbei verursachten Lärmemissionen. Diese Bedingungen gelten heute nicht mehr in demselben Umfang. So lassen die aus Lärmmessungen sich ergebenden Pegelanstiege auf Deckschichten mit langjährig bewährten Bauweisen vermuten, daß die Geräuschemissionen der Pkw angestiegen sind. Die Frage, in welchem Umfang der Pegelanstieg auf Eigenschaftsänderungen der Deckschichten zurückzuführen ist bzw. durch den Anstieg der Pkw-Geräuschemissionen verursacht wird, läßt sich zur Zeit nicht genau beantworten. Die Untersuchungen haben nicht die erwarteten Ergebnisse hinsichtlich der Lärmwirksamkeit und der bautechnischen Nutzungsdauer hervorgebracht. Aus den Untersuchungen wurden jedoch Erkenntnisse zur Auswahl der Baustoffe, zur Zusammensetzung der Baustoffgemische (Kornform, Bindemittelqualität, Hohlraumgehalt) und zur Herstellung der Deckschichten im Hinblick auf Verbesserungen der bautechnischen Nutzungsdauer und dauerhaften Lärmwirksamkeit gewonnen. Beim Bau offenporiger Asphaltdeckschichten werden die gewonnenen Erkenntnisse bereits umgesetzt. Zur gezielten Weiterentwicklung der lärmmindernden Wirksamkeit von Deckschichten sind ergänzende Untersuchungen zur Abschätzung und Trennung der Lärmerzeugungsmechanismen erforderlich.
Durch die 2005 im deutschen Bundes-Immissionsschutzgesetz [BImSchG] verpflichtend umgesetzte EU-Umgebungslärmrichtlinie kommt lärmmindernden Bauweisen eine zunehmende Bedeutung zu. Der PMA hat solche lärmmindernden Eigenschaften, die über die Beschaffenheit der Oberflächentextur entstehen [BECKENBAUER, 2008]. Er gilt als selbstverdichtend und lässt durch seine überwiegend dichte Struktur neben seinen lärmtechnischen Vorzügen auch eine längere Nutzungsdauer erwarten. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die nachhaltige und wirtschaftliche Optimierung der Bauweise PMA anhand der prozesssicheren Ansprache seiner besonderen Materialeigenschaften. Dieses Gesamtziel sollte durch die Entwicklung und/oder Anpassung einer Prüfsystematik erreicht werden, mit der eine zielsichere Mischgutoptimierung erzeugt wird. Die temperaturabhängige Mörtelsteifigkeit wurde hierbei besonders betrachtet, um den Effekt der Mörtelsedimentation und somit die selbstverdichtende Wirkung beim Einbau hinreichend prozesssicher zu erreichen. Durch gezielte Untersuchung der Mörtelkomponente konnte eine Kenngröße der Mörtelsteifigkeit analysiert werden, welche Auskunft über die zu erwartende Sedimentation und die damit verbundene selbstverdichtende Wirkung gibt. Kenngröße hierfür ist die Ausflussmenge nach 20 Sekunden, die im Ausflussviskosimeter bei einer Prüftemperatur von 160 °C und 180 °C zu ermitteln ist. Als bewertungsrelevante Probekörper erwiesen sich Bohrkerne aus Asphaltprobeplatten. Hierzu wurde ein Herstellungsablauf entwickelt, welcher es ermöglicht eine homogene Ausprägung der zwei Phasen des PMA über die gesamte Fläche des Probekörpers zu gewährleisten. Als maßgebendes Prüfverfahren zur Beurteilung des Verformungswiderstandes wurde die dynamische Stempeleindringtiefe an Bohrkernen unter seitlicher Einspannung in einen Edelstahl Zylinder und Prüfung auf der hohlraumreichen Seite herausgearbeitet.
Im Rahmen des Konjunktur-Pakets II beteiligt sich der Bund mit Finanzhilfen an der Lärmsanierung kommunaler Straßen. Grundlagen für die Förderung ist das "Gesetz zur Umsetzung von Zukunftsinvestitionen der Kommunen und Länder". Nach diesem Gesetz werden Investitionen im Bereich der kommunalen Straßen ausdrücklich auf Maßnahmen des Lärmschutzes beschränkt. In jedem Einzelfall muss die Lärmsituation verbessert werden und diese Verbesserung möglichst konkret dargelegt werden. Problematisch ist aber, dass es derzeit keine Straßenoberflächen gibt, denen eine lärmmindernde Wirkung bei innerorts üblichen Geschwindigkeiten zugewiesen ist. Geeignete Messverfahren zur Bestimmung der Minderungspegel stehen bereits zur Verfügung. An Verfahren zur Bewertung und Klassifizierung von Straßenoberflächen wird derzeit noch gearbeitet. Gleichwohl sind bereits vielversprechende Straßenoberflächen bekannt, die vermutlich als lärmarm (Minderung mindestens 2 dB(A)) klassifiziert werden können, wenn ein umfangreiches Messprogramm die Klassifizierung dieser Beläge rechtfertigt. Die RLS-90 werden derzeit überarbeitet. Insbesondere die Emissionsannahmen sind nach fast 20 Jahren veraltet und bedürfen einer Aktualisierung. Um zukünftigen Entwicklungen bei der Geräuschemission Rechnung tragen zu können, soll in den neuen RLS statt auf eine Tabelle mit Korrekturwerten DStrO auf ein Verfahren verwiesen werden, mit dem neue Werte ermittelt werden können. Dabei sollte auch eine Aufteilung nach Motor- und Antriebsgeräusch bzw. Reifen-Fahrbahn-Geräusch sowohl von Pkw als auch von Lkw vorgenommen werden.
Im Vorhaben wurde das Verhalten von offenporigen Fahrbahnbelägen in Bezug auf brennbare Flüssigkeiten im Vergleich zu dichten Fahrbahnoberflächen untersucht und analysiert inwieweit die speziellen Eigenschaften von offenporigen Asphalten Auswirkungen auf die Sicherheitsannahmen für risikobasierte quantitative Untersuchungen für Tunnel oder teilgeschlossene Bauwerke aufweisen. Hierzu wurden umfangreiche Versuche an großflächigen Versuchsplatten (80 x 80 cm) mit Deckschichten aus offenporigem Asphalt (PA) und Splitt-Mastix-Asphalt (SMA) sowie ergänzende CFD-Berechnungen durchgeführt. Die Ermittlung des Durchfluss- und Ausbreitverhaltens erfolgte bei konstanter Flüssigkeitsaufgabe auf die Versuchsplatten und Fassung der an den Plattenseiten austretenden Flüssigkeit in Messzylindern. Über diese wurde für die verschiedenen Deckschichten das zeitliche und räumliche Ausbreitungsverhalten analysiert. Die Ermittlung des Einflusses einer Oberflächenneigung erfolgte durch Variation der Ableitversuche mit zwei unterschiedlichen Plattenneigungen. Die Ermittlung des Brandverhaltens erfolgte in zwei Schritten. In einer ersten Versuchsreihe wurden auf die Platten verschiedene zuvor definierte Kraftstoffmengen aufgegeben und anschließend gezündet, so dass bei Brandbeginn beim SMA ein übersättigter und beim PA, je nach Aufgabemenge ein übersättigter, gesättigter oder teilgesättigter Asphalt vorlag. In der zweiten Versuchsreihe erfolgte während des Abbrands ein kontinuierlicher Benzinzufluss. Die Analyse der umfangreichen Daten aus den Versuchsreihen ermöglichte die Bereitstellung detaillierter Eingangsgrößen für die CFD-gestützte Modellierung und Validierung des zeitlichen und räumlichen Ausbreitungs- und Abbrandverhaltens für die betrachteten Fahrbahnoberflächen. In der sich anschließenden Wirkungsanalyse wurden die sich aus der Modellierung ergebenden Auswirkungen der unterschiedlichen Fahrbahnoberflächen (PA und SMA) ermittelt und unter Anwendung des Verfahrens für die Bewertung der Sicherheit von Straßentunneln miteinander verglichen. Der quantitative Sicherheitsvergleich zeigte, dass offenporige Asphaltbeläge in Einhausungs- und Tunnelbauwerken unter risikoorientierten Gesichtspunkten nicht ungünstiger als dichte Fahrbahnbeläge einzustufen sind.
Ein aktuelles Problem der modernen Zeit stellt der zunehmende Verkehrslärm aufgrund kontinuierlich steigender Verkehrsdichten dar. Der Fokus primärer Schallschutzmaßnahmen liegt auf der Lärmminderung in unmittelbarer Nähe der Schallquelle. In der vorliegenden Arbeit wurden die physikalischen Effekte zur Geräuschminderung von Dünnschichtbelägen untersucht. Dazu wurden akustische Messungen gemäß DIN EN ISO 11819-1 sowie Messungen der Fahrbahneigenschaften (Texturprofil, Schallabsorptionsgrad und effektiver spezifischer Strömungswiderstand) an 14 Messstrecken durchgeführt. Für die Fahrbahnbeläge: AC 8, SMA 8, SMA/LA 8, DSK 5, DSH-V 5 und PMA 5, wurden je zwei Messstrecken ausgewählt und untersucht. Diese waren in relativ gutem Zustand und zum Zeitpunkt der Messung nicht älter als vier Jahre. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Literaturangaben. Die größte Pegelminderung von 6,3 dB wurde für einen DSH-V-Belag bestimmt. Der Vergleich der Fahrbahneigenschaften zeigt für jeden Belagstyp charakteristische Eigenschaften. Dennoch konnte durch einen Vergleich der akustischen Messergebnisse mit den Fahrbahneigenschaften kein alleiniger Parameter gefunden werden, der einen Rückschluss auf die Minderung der Geräuschentwicklung zulässt. Dennoch wurde seitens der Autoren der Versuch unternommen, qualitative Aussagen zur Herstellung geräuschmindernder Fahrbahnbeläge zu treffen. Mit Hilfe der Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche als Eingangsparameter für das SPERoN-Modell wurde der Schallimmissionspegel seitlich der Straße für sechs verschiedene Reifentypen bestimmt und mit den Messergebnissen verglichen. Bei sieben der 14 Messstrecken zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung für alle sechs Reifentypen. In vier Fällen zeigte mindestens ein Reifen eine gute Übereinstimmung. Für die verbleibenden drei Fälle musste eine unzureichende Übereinstimmung festgestellt werden. Die Ursache für die teilweise starken Abweichungen konnte innerhalb dieses Forschungsprojekts jedoch nicht geklärt werden.
Offenporige Asphaltdecken
(1996)
In der Bundesrepublik Deutschland wurden von 1986 bis 1993 offenporige Asphaltdeckschichten systematisch erprobt. Im Rahmen dieser Erprobung wurden Deckschichtdicke, Bindemittelsorte, Bindemittelmenge, Zusätze, Größtkorn, Mischgutzusammensetzung und Hohlraumgehalt variiert. Beobachtet und gemessen wurden die Veränderung des Zustandes und der lärmmindernden Wirkung. Bei der zusammenfassenden Bewertung der Ergebnisse wird über die Bautechnik (Materialuntersuchungen, Verformungsbeständigkeit, Griffigkeitsverhalten, Wasserdurchlässigkeit), über die Lärmtechnik (lärmmindernde Wirkung, Zusammenhang zwischen bautechnischer Nutzungsdauer, Hohlraumgehalt und Lärmminderung) und über die betriebstechnischen Belange (Winterdienst, Reinigung) berichtet.
Durch die Variation verschiedener Fahrbahnoberflächen und Reifen sollte mit Hilfe akustischer Messungen der Einfluss der Fahrbahntextur auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch untersucht und quantitativ beschrieben werden. Weiter sollten bautechnische Hinweise und Empfehlungen zur Enwicklung geräuschmindernder Fahrbahnoberflächen auf der Grundlage optimaler Texturparameter ausgearbeitet werden. Es wurden 41 dichte und 5 offenporige Fahrbahndecken aus Asphalt und Beton sowie eine elastische Deckschicht eingebaut und mit 16 Pkw- und 3 Lkw-Reifen dem Test unterzogen. Über die gewonnenen Erkenntnisse wird kurz berichtet.
Der Problematik des Verkehrslärms kommt in den letzten Jahren verstärkt Bedeutung zu. Bei den Bestrebungen zur Reduzierung der Geräuschemission von Reifen und Fahrzeug müssen auch die Straßenoberflächen einen Beitrag leisten. Beim Einsatz von lärmmindernden Asphaltdeckschichten muss zwischen dichten und offenen Oberflächen unterschieden werden. Offenporige Asphaltdeckschichten zeigen nach wie vor die höchste lärmtechnische Wirksamkeit, aber auch dichte Walzasphalte haben eine tendenziell günstige Oberflächengestalt. Auch die Weiterentwicklung der Bauweise Gussasphalt zeigt, dass hier gegenüber den alten, grobkörnigen Oberflächen deutliche Fortschritte erreicht wurden. In der Zukunft liegt die Praxis-Umsetzung einer mit Hilfe von theoretischen Modellen entwickelten lärmtechnisch optimalen Gestalt der Straßenoberfläche.
Im Rahmen des Verkehrsforschungsprogramms "Mobilität und Verkehr" wurde von 2001 bis 2003 das Verbundprojekt "Leiser Straßenverkehr - Reduzierte Reifen-Fahrbahn-Geräusche" bearbeitet. Das Augenmerk der Bearbeitung lag auf der Optimierung der Komponenten des geräuscherzeugenden Gesamtsystems Fahrzeug-Reifen-Fahrbahn-Fahrbahnübergang, insbesondere für Pkw-Reifen. Die Ergebnisse dieses Projekts, wie auch weitere europäische Erkenntnisse, waren eine Basis für die Konzeption des Nachfolgeprojekts "Leiser Straßenverkehr 2". Die im Jahr 2005 mit 10 Partnern begonnenen Arbeiten lassen sich den Teilverbünden Leise Reifen, Leise Straßen und Erfolgskontrolle zuordnen. Die Schwerpunkte der Arbeiten liegen auf der Entwicklung leiser Lkw-Reifen und der integralen Verbesserung offenporiger Deckschichten. Die Entwicklung eines numerischen Reifenmodells mit Fahrbahnkontakt, mit dem Ziel der rechnergestützten Entwicklung auch akustisch optimierter Reifen, wird fortgesetzt. Hinzu kommt die akustische Optimierung der Fahrbahnübergänge. Die Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis in Form von Erprobungsstrecken und der Herstellung akustisch optimierter Reifen stellt einen wichtigen Teil des Konzepts dar. Hier sind insbesondere drei Bundesländer und Industrieunternehmen eingebunden. Die Gesamtarbeiten sollen 2008 abgeschlossen sein. In diesem Beitrag werden Zwischenergebnisse aus den einzelnen Teilverbünden vorgestellt.