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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
Genaue Kenntnisse über die Verteilung von Streustoffen auf der Fahrbahn und deren Wirkungszeiten sind Voraussetzungen für einen sparsamen Streustoffeinsatz. Die Kenntnis des zeitlichen Verlaufes der Wirkung von Tausalzen auf der Fahrbahn schafft die Möglichkeit, Wiederholungsstreuungen erst dann durchzuführen, wenn das aus Sicht der Verkehrssicherheit notwendig ist. Dabei ist besonders wichtig, die Zusammenhänge mit der Zahl der Fahrzeugüberfahrten und Niederschlagsereignisse zu erkennen. In einigen Ländern wurden dazu in der Vergangenheit Untersuchungen durchgeführt. Problematisch war dabei immer, dass die Salzmengenmessungen nur während Sperrungen der Fahrbahn durchgeführt werden konnten. Der Aufwand der manuellen Messungen beschränkte die Zahl der Messtage erheblich. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die auf der Fahrbahn wirksamen Salzmengen über zwei Winterperioden auf dem kompletten Querschnitt einer zweistreifigen Autobahn zu erfassen. Dazu wurden Fahrbahnsensoren eingesetzt, die durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit und der Wasserfilmdicke die Salzmenge auf der Fahrbahn ermitteln können. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche Labortests an zwei Sensorfabrikaten durchgeführt, um deren Messgenauigkeit festzustellen. Nach Auswahl des Fabrikates wurden insgesamt 12 Sensoren bei Kilometer 29,8 der Autobahn A 4 Richtung Görlitz eingebaut. Das Messfeld wurde von Dezember 2006 bis April 2008 betrieben und lieferte während der Winterperioden etwa 8 Millionen Daten über den Fahrbahnzustand. Parallel dazu wurden die Aufzeichnungen von cirka 210 Streuungen ausgewertet, die im Rahmen des planmäßigen Streudienstes im Bereich des Messfeldes durchgeführt wurden. Diese Daten wurden außerdem mit den Wetterdaten und den Daten einer naheliegenden Verkehrszählstation kombiniert. Ergänzend zu den Messungen mit den Fahrbahnsensoren wurden einzelne Analysen mit dem Streustoff-Aufnahmegerät der Firma ESG durchgeführt. Dabei werden auf der Fahrbahn vorhandene Restsalzmengen komplett aufgenommen und analysiert. Aus den Analysen konnten folgende Erkenntnisse abgeleitet werden: - Der Streustoff wird aus den Rollspuren sehr schnell verdrängt. Eine geringe, verbleibende Salzmenge ist jedoch zumeist ausreichend, um gefährliche Glätte zu verhindern. - Bei präventiver Feuchtsalzstreuung auf trockene oder leicht feuchte Fahrbahn kommt nur ein geringer Teil des ausgestreuten Salzes zur Wirkung, soweit nicht innerhalb kurzer Zeit Niederschlag fällt. - Präventive Streuungen müssen sehr zeitgenau, möglichst nicht mehr als 60 Minuten vor einem erwarteten Glätteereignis durchgeführt werden. - Bei Feuchtsalzstreuung auf feuchte Fahrbahn gehen in Abhängigkeit von der Streudichte und weiterer Faktoren nur cirka 25 bis 50 % des ausgebrachten Salzes in Lösung. Der restliche Teil des Salzes wird in Randbereiche verfrachtet, ohne zur Glättebekämpfung beizutragen. - Die durch Niederschläge reaktivierten Restsalzmengen liegen 24 Stunden nach der Streuung bei 0,5 bis 1,5 g/m2. - Salzanteile aus einer reinen Solestreuung werden deutlich langsamer von der Fahrbahn verdrängt. - Mit Solestreuung könnten bei erwarteter Reifglätte und überfrierender Nässe erhebliche Salzeinsparungen erzielt werden. - Fahrbahnsensoren haben bei der Feststellung der Restsalzmengen und der Gefriertemperatur bei dem derzeitigen technischen Entwicklungsstand unter Praxisbedingungen erhebliche Unsicherheitsfaktoren. - Unter dem Aspekt, dass Fahrbahnsensoren an den jeweils kritischen Stellen angeordnet werden sollten, sprechen die Erkenntnisse der Untersuchung dafür, die Fahrbahnfeuchte und die Gefriertemperatur in der Rollspur festzustellen. Zusätzlich ist noch eine Messung der Fahrbahntemperatur außerhalb der Rollspuren zu empfehlen. Es muss jedoch noch untersucht werden, welcher Fahrstreifen bei 3-streifigen Fahrbahnen mit Sensoren bestückt werden sollte.
In einem Kurzabriss wird über ein Forschungsvorhaben berichtet, das zum Ziel hat, geeignete Maßnahmen zur Heizung von Straßenbrücken zwecks Glättevermeidung im Winter zu entwickeln. Das Projekt wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen betreut und durch die RWTH Aachen und die Universität der Bundeswehr München bearbeitet. Es ist bekannt, dass Brückenfahrbahntafeln eher vereisen als die angrenzende Strecke und damit ein erhöhtes Sicherheitsrisiko für den Verkehrsteilnehmer bilden. Bisher wird diesem Gefahrenpotenzial durch ein Frühwarnsystem mit vorsorglichem Streudienst oder in einigen besonders gefährdeten Bereichen durch Taumittelsprühanlagen begegnet. Die Salzstreuung bringt jedoch Nachteile für die Dauerhaftigkeit der Brücken und für die Umwelt mit sich. Eine intelligente Beheizung der Fahrbahntafeln mit Nutzung der Geothermie bildet eine umweltschonende Variante zur Vermeidung von Glättebildungen auf Brücken. Wird die Geothermie auch im Sommer betrieben, so könnte die Fahrbahnplatte gekühlt und damit der Bildung von Spurrinnen entgegengewirkt werden. In europäischen Nachbarländern gibt es bereits ausgeführte Pilotprojekte der Brückenheizung, bei denen jedoch eine vollständige Freihaltung von Eis vorgenommen wird. Bei dem vorgestellten Forschungsvorhaben soll hingegen das Vereisungsverhalten auf der Brücke dem der Strecke angepasst werden. Dies erfolgt mittels einer neu entwickelten Mess-, Steuerungs- und Regelungsanlage, die die meteorologischen und bauwerksspezifischen Randbedingungen berücksichtigt und gleichzeitig den Energieaufwand minimiert. Nach durchgeführten Laboruntersuchungen wurde das System auf einem Freigelände mit gutem Erfolg getestet. Im nächsten Schritt wird im Rahmen der Erneuerung einer Straßenbrücke im Zuge der B 208 über den Elbe-Lübeck-Kanal ein Pilotprojekt durchgeführt.