Der dauerhafte Verbund einzelner Asphaltschichten ist eine wesentliche Voraussetzung für eine lange Nutzungsdauer von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt. Zur Herstellung eines ausreichenden Verbundes ist die Verwendung von Ansprühmittel notwendig. Das technische Regelwerk enthält hierfür entsprechende Empfehlungen zur Dosierung der Ansprühmittel je nach Art und Beschaffenheit der Unterlage. Die Festlegungen dazu basieren weitestgehend auf empirischen Erkenntnissen und auf Laboruntersuchungen, die in der Praxis nicht evaluiert worden sind. In der Baupraxis wurde inzwischen festgestellt, dass in einigen Fällen die Anforderungen an den Schichtenverbund trotz Verwendung von ausreichendem Ansprühmittel nicht erreicht werden. Hier sind die Kenntnisse über die Wechselwirkung zwischen dem Ansprühmittel nach Art und Menge einerseits und der Beschaffenheit der Unterlage (gefräst oder nicht gefräst), deren Temperatur, der Art der einzubauenden Schicht und des Wetters andererseits unzureichend. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist eine systematische Untersuchung des Einflusses der Applikation von Ansprühmittel auf die Güte des Schichtenverbundes der so zu verbindenden Asphaltschichten. Dabei soll neben der Art auch die Dicke des Ansprühmittels variiert werden und sowie die Art der Oberflächenvorbereitung. Basierend auf diesen Untersuchungen und den daraus gewonnenen Erkenntnissen sollen allgemeingültige Empfehlungen formuliert werden, die den Einsatz von Ansprühmittel und dessen Einfluss auf den Schichtenverbund charakterisieren. In einem ersten Schritt werden mithilfe einer nationalen und internationalen Literaturstudie die Grundlagen der verschiedenen Bereiche von Ansprühmittel und Schichtenverbund im Straßenbau erläutern. Durch die Darstellung bisheriger Erkenntnisse und Versuche des Einflusses von Ansprühmittel auf den Schichtenverbund wird festgestellt, welche Anforderungen an die Verwendung von Ansprühmittel im Straßenbau bestehen. Neben den Erkenntnissen zum Einfluss des Ansprühmittels wird aufgezeigt, welchen Einfluss der Schichtenverbund auf die Lebensdauer einer Asphaltbefestigung besitzt. Für die Analyse der Anwendung von Ansprühmitteln wurde diese zum einen in einem Laborversuch und zum anderen in Baumaßnahmen in situ untersucht. Für die Laborsimulation wurde von dem Projektpartner (Firma Esha Straße GmbH) eine Ansprühanlage hergestellt, wodurch Probekörper realitätsnah mit dem Ansprühmittel appliziert werden konnten. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass bei einer sorgfältigen Anwendung des Ansprühmittels der Schichtenverbund sehr gut ist. Gleiches haben die Ergebnisse aus den Baumaßnahmen gezeigt. Hierbei konnte außerdem beobachtet werden, dass bei einer falschen Anwendung oder dem Einfluss von Schmutz oder Wasser der Schichtenverbund beschädigt wird. Aus diesem Grund empfiehlt es sich die Unterlage ausreichend zu reinigen und den Einbau nur bei trockenen Bedingungen durchzuführen. Anhand der Erkenntnisse wurden für die verschiedenen Varianten Ansprühmengen empfohlen.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Grundlagen für ein Dimensionierungsverfahren zur Prognose der Nutzungsdauer von ungebundenen Pflasterbefestigungen geschaffen. Hierfür wurden sowohl umfangreiche Laborversuche zur Untersuchung des elastischen und plastischen Verformungsverhaltes von ungebundenen granularen Baustoffgemischen als auch umfangreiche Sensitivitätsuntersuchungen unter Anwendung der Finiten Elemente Methode sowie großmaßstäbliche Versuche an Pflasterbefestigungen durchgeführt. Die zur Berechnung von dimensionierungsrelevanten Beanspruchungszuständen erforderlichen Modellparameter wurden anhand von Ergebnissen aus Triaxialversuchen zu ermittelt. In Ergänzung zu den Triaxialversuchen wurde untersucht, ob die Beschreibung des elastischen und des plastischen Materialverhaltens mit dem zyklischen Ödometer- und dem CBR-Versuche möglich ist. Zur Kalibrierung und Bewertung des Berechnungsverfahrens wurden großmaßstäbliche Versuche im Otto-Mohr-Laboratorium der TU Dresden durchgeführt. Dafür wurden zwei Versuchsflächen mit unterschiedlichen Betonpflastersteinen hergestellt Zur Bewertung des Einflusses der versuchstechnisch untersuchten Materialien auf das Gesamtverhalten unterschiedlicher Pflasterbefestigungen wurden mittels der Finiten Elemente Software COMSOL Multiphysics umfangreiche Berechnungen durchgeführt. Neben einem nichtlinear elastischen Stoffmodell wurde außerdem eine Verfahrensweise zur Berechnung bzw. Prognose plastischer Verformungen implementiert. Es ist festzuhalten, dass die Berechnung dimensionierungsrelevanter Größen für die rechnerische Prognose der Nutzungsdauer von Pflasterbefestigungen mittels der Finiten Elemente Methode und unter Anwendung dreidimensionaler Berechnungsmodelle mit implementierten nichtlinear elastischen Stoffmodellen als praxistauglich hinsichtlich des erforderlichen Berechnungsaufwandes zu werten ist.

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens FE 05.0195 wurden eine Fallstudie, Feld- und Laboruntersuchungen, Berechnungen und Technikumsversuche durchgeführt, um den Einfluss von temporär auftretendem Grund- oder Schichtwasser auf die Böschungsstandsicherheit zu untersuchen. Ziel war es, anhand dieser Ergebnisse zum einen die maßgeblichen Einflüsse auf die Böschungsstandsicherheit zu erkennen, Empfehlungen für Erkundungsmaßnahmen aufzustellen sowie Empfehlungen für die Planung herauszuarbeiten. Die Datenbank, welche zur Fallstudie erstellt wurde, gibt als Schadensursache häufig eine dedizierte Scherfläche bzw. das Versagen auf einer meist bindigen, aufgeweichten Zone einer Schichtgrenze an. Dies deutet nicht nur auf ein temporäres Abfließen von Wasser auf Schichtgrenzen mit Durchlässigkeitsunterschieden hin, sondern auch auf eine gewisse Einwirkzeit des Wassers in der Böschung. Bei der Beschreibung größerer Schichtpakete hat sich im Zuge der Felduntersuchungen herausgestellt, dass es nicht ausreichend ist, die Begrifflichkeit „Wechsellagerung“ zu verwenden. Vielmehr wird eine feingliedrige Betrachtung der einzelnen Schichtglieder bzw. deren Erstreckung und Neigung erforderlich. Bei einigen der für dieses Forschungsvorhaben ausgewählten Projekte konnten auf diese Weise eine Wasserführung auf bindigen Schichtgliedern sowie korrespondierende Wasseraustritte aus der Böschung in Zusammenhang gebracht werden. Die Veränderung des Wassergehaltes und damit auch der Scherparameter in bindigen und an wasserführende Schichten angrenzenden Böden konnte sowohl in Labor- wie Technikumsversuchen bestätigt werden. So konnte beispielsweise infolge eines simulierten Wasseraufstaus in einer Schicht und des damit ausgelösten erhöhten Drucks auf die Andeckung stellenweise eine erhebliche Durchfeuchtung mit Anzeichen eines beginnenden Böschungsversagens festgestellt werden. Ferner konnten auch Effekte wie Ausschwemmung bzw. Erosion festgestellt werden. Die Berechnungen, bei denen verschiedene direkte und indirekte Einflüsse aus strömendem oder stauendem Wasser in wasserführenden Schichten untersucht worden sind, zeigen, dass eine Durchströmung von einzelnen Schichten einer Böschung nur zu einer mäßigen Verringerung der Standsicherheit führen. Ebenfalls haben geringfügige Abminderungen der Scherparameter nur einen untergeordneten Einfluss auf die Standsicherheit der Böschung und wirken sich erst bei großen Abminderungen aus. Zu einem deutlichen Einfluss auf die Standsicherheit kommt es jedoch bei einem Aufstau von Schichtwasser in einzelnen Horizonten, der zum Beispiel durch eine undurchlässige Böschungsandeckung ausgelöst werden kann und wird noch verstärkt, wenn es aufgrund von Durchnässungen zu einer Abnahme von Scherparametern kommt. Die Kombination aus numerischer Strömungsberechnung mit einer konventionellen Standsicherheitsberechnung dient somit zur Prognose von Standsicherheitsdefiziten unter Berücksichtigung von Schichtwasservorkommen. Auftretendes Grundwasser wird in der Geotechnik meist in Grundwassermessstellen oder über Tensiometer gemessen. Bei Vorhandensein von geschlossenen Grundwasservorkommen ist dies recht zuverlässig ausführbar, bei temporär auftretenden Schichtwasservorkommen sind jedoch grundsätzlich andere Anforderungen gegeben, da Höhenlage und Mächtigkeit zumeist unbekannt sind. Als Alternative zu den direkten Messverfahren können indirekte Messverfahren mit Feuchtemesssensoren eingesetzt werden. Indirekte Messverfahren messen nicht das Wasser selbst, sondern vom Wasser abhängige Substanzeigenschaften und bedürfen zur Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen gemessenem Signal und dem Wassergehalt einer Kalibrierung. Als geeignetes Verfahren ist das Mikrowellen-Verfahren anzusehen. Es hat sich jedoch im Zuge des Forschungsvorhabens herausgestellt, dass das Messverfahren für den angestrebten Einsatzzweck noch nicht marktreif vorliegt. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden abschließend Empfehlungen zur Erkundung aufgestellt, um kritische Baugrundkonstellationen ermitteln zu können. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um Aspekte wie die detaillierte Betrachtung von Wechsellagerungen, Ausführung großkalibriger Kernbohrungen, Untersuchungen der Veränderlichkeit des Gesteins, Abschätzung der Fließgefährdung. Ebenso wurden Empfehlungen erarbeitet, die wesentliche Aspekte benennen, welche im Rahmen der Planung zu berücksichtigen sind. Dabei sind insbesondere die Empfehlungen des Baugrundgutachtens sorgfältig auszuwerten. Die Ergebnisse der Standsicherheitsberechnungen sind mit dem geotechnischen Bericht zusammenzuführen. In den Standsicherheitsberechnungen sind die Porenwasserdrucklinien in möglichen Schichtwasserhorizonten zu berücksichtigen, ggf. werden Variationsrechnungen erforderlich.

Mit dem Ziel, weiterführende Erkenntnisse über die Möglichkeiten zur Dimensionierung von Straßenbefestigungen mit einer Kaltrecyclingschicht KRC zu erlangen, wurden im FE-Projekt 04 0329 Performance-Untersuchungen an Ausbauproben aus 10 Praxisstrecken (Bj 2003 – 2015) und an im Labor hergestellten Proben ermittelt und unter Anwendung aktueller Dimensionierungsaspekte bewertet. Vorrangig sollten solche KRC-Schichten betrachtet werden, die überwiegend mit bitumenhaltigem Bindemittel versehen wurden Die hieraus und aus ergänzenden Laboruntersuchungen gewonnen Erkenntnisse führten zu folgenden Erkenntnissen: • Die Schichten der untersuchten Praxisstrecken hatten überwiegend nur noch schwache bitumen-dominate Materialeigenschaften • Die Ausbauproben zeigten teilweise erhebliche optische und auch materialtechnologische Inhomogenitäten, die mit hoher Wahrscheinlichkeit auf den Herstellungsprozess in Situ zurückzuführen sind. Durch größere Sorgfalt (Auswahl der Maschinen und Optimierung der Arbeitsprozesse) sollte sich dies weitgehend vermeiden lassen. • Die im Labor hergestellten Probekörper für Performance-Untersuchungen können in Form von Bohrkernen aus Platten entnommen werden, die mittels Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellt wurden. Bei geringen Anteilen an hydraulischem Bindemittel kann eine verlängerte Lagerungszeit (14 Tage) bis zur BK-Entnahme erforderlich sein • Ein im europäischen Wissenschaftraum vorgeschlagener Dimensionierungsfaktor von 1,5 (Schichtdicke KRC/Schichtdicke Asphalttragschicht) lässt sich nach den vorliegenden Erkenntnissen sicher erreichen und kann mit entsprechenden rechnerischen Dimensionierungsnachweisen ggf. noch reduziert werden • Spaltzug-Schwellversuche zur Bestimmung von Kennwerten zur Beschreibung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens gemäß TP Asphalt-StB, Teile 24 und 26 können uneingeschränkt für die Prüfung von KRC-Baustoffen eingesetzt werden Bei gleicher Mischgutzusammensetzung sowie Herstellung und Prüfung in zwei Laboren waren die Ergebnisse der Performance-Untersuchungen zudem sehr gut miteinander vergleichbar • Mit zunehmender Lagerungsdauer erhöhen sich die Steifigkeiten (primär im hohen Gebrauchstemperaturbereich) und es verbessern sich die Ermüdungseigenschaften Die Ergebnisse lassen weiter vermuten, dass diese Entwicklung auch nach 180 Tagen noch nicht abgeschlossen ist. Mit Untersuchungen nach 28 Tagen wird das Potenzial einer KRC unterschätzt. • Es deutet sich ein brauchbarer Zusammenhang zwischen dem aus statischen Spaltzugversuchen berechneten E-Modul bei 5 °C und den dynamischen Steifigkeiten bei dieser Temperatur an Hierin könnte eine vergleichsweise einfache bauvertragliche Nachweisführung liegen Die umfassenden Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojektes konnten schlüssige und praxistaugliche Dimensionierungsgrundsätze belegen, mit denen kaltgebundene bitumen-dominanten Tragschicht in Zukunft zielsicher und wirtschaftlich als Tragschicht in einem Asphaltoberbau berücksichtigt werden können Da solche Schichten in besonderem Maße die Aspekte der Nachhaltigkeit und der Energieminimierung berücksichtigen, kann ein hohes Potenzial in der Anwendung gesehen werden, sodass eine zeitnahe Einbindung der Ergebnisse in das technische Regelwerk der FGSV empfohlen wird.

In diesem Projekt „FE 04.0303/2016/ORB“ wurden Methoden für die Dimensionierung und Analyse von flexiblen Straßenbefestigungen entwickelt und implementiert. Primär wurde das Programm flexCALC erstellt, das die rechnerische Dimensionierung (gemäß RDO Asphalt) und die Substanzbewertung (gemäß RSO Asphalt) auf Basis eines Finite-Elemente-Rechenkerns in einer einheitlichen Softwareplattform zusammenführt. Des Weiteren steht in dem modular strukturierten Programm ein Rechenkern auf Basis der Mehrschichtentheorie zur Verfügung. Dieser zeichnet sich durch seine enorme Geschwindigkeit aus, unterliegt jedoch verschiedenen geometrischen und materiellen Einschränkungen. Der durch der Fourier-Reihen unterstützte Rechenkern auf Basis Finite-Elemente-Methode ermöglicht gegenüber der Mehrschichtentheorie die Berücksichtigung anderer Geometrien und Randbedingungen. Beide Methoden gelten für linear-elastische Statik. Nichtlineare Materialmodelle und dynamische Effekte werden aufgrund ihrer Komplexität in der Dimensionierungspraxis bislang nicht berücksichtigt. Detaillierte Analysen erfordern allerdings deren Berücksichtigung, da die Ergebnisse unter idealisierten Annahmen stark von der Realität abweichen können. Daher wurde ein Finite-Elemente-Rechenkern mit rein polynomialen Ansatzfunktionen implementiert. Zur Auswahl stehen verschiedene Modelle für ungebundene, granulare Materialien und ein etabliertes Modell für viskoelastische Materialien. Zur Modellierung des Schichtenverbundes wurden verschiedene Konstitutivgesetze und die dazugehörige Elementformulierung implementiert. Außerdem ist ein expliziter Löser implementiert. Damit steht ein Werkzeugkasten bereit, der die Weiterentwicklung der Dimensionierung unterstützen wird. Besonderes Augenmerk wurde auf eine ausführliche Dokumentation sowie die Möglichkeit zur einfachen Weiterentwicklung und Wartbarkeit gelegt. Durch aufwändige Verifikationen wurde die Korrektheit der implementierten Algorithmen sichergestellt.

Die Dimensionierung der Dicke von Straßenbetondecken erfolgt neben den standardisierten Vorgaben gemäß RStO [N1] mittels rechnerischer Dimensionierung des Oberbaus gemäß RDO [N3]. Dabei werden den Straßenbetonklassen charakteristische Spaltzugfestigkeiten zugeordnet. Die Erfahrungen hinsichtlich des zielsicheren Erreichens der erforderlichen Spaltzugfestigkeit oder ihrer Beeinflussung bei der Wahl der einzusetzenden Ausgangsstoffe sowie weiterer verarbeitungstechnischer Parameter bei den konventionellen, aber auch neuartigen Betonfahrbahndecken sollten weiterentwickelt werden. Es bestand daher eine Notwendigkeit, im Rahmen einer breit angelegten Parameterstudie durch zielgerichtete Laboruntersuchungen ergänzende Erfahrungen zur Verarbeitung, Erreichung der erforderlichen Festigkeitswerte und der Dauerhaftigkeit für zu konzipierende Betonzusammensetzungen zu erlangen. Der Einsatz alternativer Ausgangsstoffe und das Anpassen verarbeitungstechnischer Parameter könnten ressourcenschonend und nachhaltig die Wirtschaftlichkeit und die Öko-Bilanz der Betonfahrbahndecken ohne Verlust von Dauerhaftigkeit und Leistungsfähigkeit erhöhen, besonders auch im Hinblick auf die Entwicklung von Betonfahrbahndecken, deren Oberflächen durch Grinding zur Lärmminderung und Erhöhung des Nutzungskomforts beitragen sollen. In umfangreichen, grundlegenden Untersuchungen mit aktuell praxisüblichen und modifizierten Mischungszusammensetzungen galt es, die Auswirkungen einzelner Ausgangsstoffe von Straßenbetonen auf die Spaltzugfestigkeit und die Dauerhaftigkeit zu quantifizieren. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen sollten Einflüsse auf die Betonzusammensetzungen definiert und Empfehlungen für die Praxis abgeleitet werden. In mehreren Arbeitsphasen wurden Betonprobekörper mit variierender Zusammensetzung der Ausgangsstoffe hergestellt, bis zu 91 Tage gelagert und geprüft. Weiterhin wurden die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Ausgangsstoffen, den damit konzipierten Mischungszusammensetzungen sowie deren Festigkeits- und Dauerhaftigkeitskennwerte detailliert untersucht und bewertet. Zusätzlich wurde der Einfluss unterschiedlicher Lagerungsbedingungen der Probekörper auf die erreichte Spaltzugfestigkeit untersucht. Auf Basis der theoretischen und labortechnischen Erkenntnisse wurde die vor- oder nachteilige Auswirkung von insgesamt neun betrachteten Variationsparametern identifiziert und gewichtet. Die im Labor ermittelte Spaltzugfestigkeit lässt sich demnach durch die Anpassung des Luftporengehaltes im Frischbeton und des w/z-Wertes sowie durch den Einsatz alternativer Zementarten deutlich beeinflussen. Durch die Untersuchung ausgewählter Dauerhaftigkeitskenngrößen konnte gezeigt werden, dass alle betrachteten Laborbetone die normativen Anforderungen an Luftporenkennwerte der Festbetone erfüllten sowie ein hohes Maß an Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen konnten. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse kann eine Empfehlung für die Praxis formuliert werden, wie Betonzusammensetzungen durch gezieltes Anpassen der untersuchten Variationsparameter beeinflusst werden können, um den Anforderungen an die Spaltzugfestigkeit in Abhängigkeit der Straßenbetonklasse gerecht zu werden.

Im Jahr 2018 wurden die Technischen Regeln für Arbeitsstätten ASR A5.2 „Anforderungen an Arbeitsplätze und Verkehrswege auf Baustellen im Grenzbereich zum Straßenverkehr – Straßenbaustellen“ veröffentlicht, um einen verbesserten Arbeitsschutz für Beschäftigte auf Straßenbaustellen zu erreichen. Diese beinhalten Vorgaben zu Arbeits- und Sicherheitsräumen, die sich in Abhängigkeit von Arbeitsstelle, Fahrzeugrückhaltesystem und Maßnahme ergeben. Zudem wurde im Jahr 2021 mit Aktualisierung der „Richtlinien für die verkehrsrechtliche Sicherung von Arbeitsstellen an Straßen“ die Mindestbreite von Behelfsfahrstreifen in Verkehrsführungen erhöht. Bei Berücksichtigung der Mindestbreiten aus beiden Regelwerken und unter Beachtung von Arbeits-breiten notwendiger Maschinen und Geräte herkömmlicher Bauweisen und -verfahren ist ein Aufrechterhalten des Verkehrs auf der betroffenen Fahrbahn bei einigen Regelquerschnitten nicht mehr möglich, sodass zur Durchführung der Arbeiten eine Vollsperrung der Fahrbahn bzw. Richtungsfahrbahn erforderlich wird. Konfliktbetrachtungen sollten zeigen, welche Maßnahmen an Betonfahrbahnen mit möglichst unveränderter Verfügbarkeit durchgeführt werden können bzw. welche Änderungen notwendig sind, um weitreichende Verkehrseinschränkungen aufgrund der Baumaßnahme zu vermeiden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine pauschale Betrachtung nicht möglich und vielmehr der jeweilige Querschnitt als Einzelfall zu betrachten ist. Die im Projekt gemachten Annahmen führten zu dem Ergebnis, dass Einschränkungen der Verfügbarkeit oftmals nicht zu vermeiden waren. Die Betrachtung alternativer Plattengeometrien kam zu dem Ergebnis, dass diese oftmals nicht zu einer Verbesserung der Situation beitragen. Die rechnerischen Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich alternative, insbesondere kleinere Plattengeometrien positiv auf Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Konstruktion auswirken. Die Fugenanzahl erhöht sich, die Belastungen des Fugensystems sind aber entsprechend geringer, sodass eine längere Nutzbarkeit erwartet werden kann. Der Einsatz von Schnellbeton verringert zwar die Gesamtdauer der Baumaßnahme, bringt jedoch gegenüber „Normalbeton“ keine weiteren Vorteile, da der für die anzusetzenden Arbeitsraumbreiten maßgebende Arbeitsschritt identisch ist. Durch den Einsatz von Fertigteilen, bei deren Einbau Arbeiten über den Fugen den maßgebenden Arbeitsschritt darstellen, kann ein Plattenaustausch in zwei Bauphasen teilweise noch erfolgen während bei Schnellbeton auch mit Längsteilung der Platte kein ausreichender Raum zur Verfügung steht. Fertigteile können daher dazu beitragen, Verkehrseinschränkungen zu reduzieren. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass pauschale Lösungen nicht möglich sind, da sich die Randbedingungen teilweise deutlich unterscheiden. Demnach ist es auch nur schwer möglich, Ergänzungen in den aktuellen Regelwerken vorzunehmen, ohne Parameter festzusetzen. Die nach den ASR A5.2 anzusetzenden Breiten sind nur dann anzuwenden, wenn sich auch tatsächlich Arbeiter in dem entsprechenden Bereich aufhalten. Werden Arbeiten automatisiert bzw. teilautomatisiert ausgeführt und ist kein Personal im Grenzbereich zum fließenden Verkehr notwendig, können Sicherheitsabstände und Arbeitsraumbreiten entfallen. Im Hinblick darauf sind in Zukunft Systeme zu entwickeln, die im Gefahrenbereich eingesetzt werden können. Somit würde mehr Breite der Fahrbahn für den Verkehr und den Arbeitsbereich zur Verfügung stehen. Die Verfügbarkeit von Streckenabschnitten und die Sicherheit auf Arbeitsstellen könnten somit verbessert werden.

Im Rahmen eines großmaßstäblichen Feldversuchs wurden 12 mechanisch verfestigte Geovliesstoffe aus PP-Stapelfasern drei verschiedener Hersteller hinsichtlich ihrer Robustheit gegenüber Einbaubeanspruchung in ihrer Funktion als Trennlage zwischen lockerem Untergrund und grobkörnigem Tragschichtmaterial überprüft. Auf vier Testfeldern wurden jeweils vier unterschiedliche Einbausituationen simuliert. Dazu wurden Tragschichtmaterialien aus rundkörnigem, sandigem Kies bis zu scharfkantigem, sandig, steinigem Kies eingesetzt. Die Beanspruchungen durch den Bauverkehr wurden anhand der sich einstellenden Spurrinnen aus Lkw-Überfahrten gesteuert. Zur schonenden Freilegung der Geovliesstoffe kam ein Saugbagger zum Einsatz. Alle Geovliesstoff-Proben wurden visuell auf Beschädigungen beurteilt und danach klassifiziert. Für die Bewertung der mechanischen Veränderungen wurde das Arbeitsvermögen und die daraus abgeleitete Schädigungsarbeit herangezogen. Einen Schädigungsgrad von weniger als 20 % konnte nur die Hälfte der getesteten Proben erreichen. Einem Schädigungsgrad von bis zu 50 % konnten nahezu alle Proben einhalten. Das derzeitige Klassifizierungssystem sollte die Anforderungen an geotextile Trennlagen verschärfen. Die alleinige Forderung einer Festigkeit ist nicht ausreichend. Die Geovlies-stoffe sollten nach dem Ausweichprinzip Beschädigungen vermeiden. Dazu ist es notwendig, dass auch die Verformbarkeit Berücksichtigung findet. Das Arbeitsvermögen gibt hierfür zusammen mit der Mindestdehnfähigkeit eine gute Grundlage. Vor diesem Hintergrund wurde ein Vorschlag für ein zeitgemäßes Klassifizierungssystem unterbreitet.

Die Wirtschaftlichkeit der Erhaltung Straßen ist ein Thema, das Wissenschaft und Praxis schon seit Langem beschäftigt. Insbesondere die Erstellung technisch sinnvoller und wirtschaftlich effizienter Erhaltungsprogramme für bestehende Straßen ist hierbei ein sehr wichtiger Punkt. Eine entscheidende Einflussgröße für die systematische Erhaltungsplanung ist vor allem auch die möglichst genaue Kenntnis bzw. Prognostizierbarkeit von zeitlichen Schadensverläufen, die wiederum originär auch auf materialseitige Kennwerte bzw. das mechanische Verhalten des Oberbaus (z.B. plastische Verformung, Ermüdung) zurückzuführen sind. Daher wurden in diesem Projekt für die Asphaltbauweise etablierte Methoden der Nutzungsdauerprognose (z.B. bezüglich Ermüdung des gebundenen Aufbaus) und der Schadensverlaufsprognose (z.B. Spurrinnenbildung) angewendet und mit verschiedenen Szenarien weiterentwickelt. Für die Betonbauweise wurden hingegen bestehende Verfahren auf Anwendbarkeit getestet und neue Entwicklungen bezüglich einer Nutzungsdauerprognose (Hazardfunktionen) eingesetzt. Bei einer betonschädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ist bisher eine systematische Erhaltungsplanung nicht möglich, da sich der Schadensverlauf nur sehr schwer prognostizieren lässt. Hierzu wurden materialseitige Untersuchungen (zerstörend/zerstörungsfrei) an AKR-geschädigten Fahrbahndeckenbetonen durchgeführt. Die Prognose der Restnutzungsdauer bei einer AKR-Schädigung ist daraus jedoch nicht auf direktem Wege möglich. Daher wurde eine Methodik zur Prognose der (Rest-)Nutzungsdauer auf empirischer Basis (Auswertung von ZEB-Daten) entwickelt. Aufbauend auf den beschriebenen Methoden zur Nutzungsdauerabschätzung von Asphalt- und Betonbauweisen wurden vergleichende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für Erhaltungsstrategien unter Berücksichtigung unterschiedlicher Annahmen und Szenarien mit der Software LCD2 angestellt

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, anhand von Laborversuchen praxisgerechte Anforderungen an den Polierwiderstand von feinen Gesteinskörnungen auszuarbeiten. Die Regelungen der TL Asphalt-StB 07/13 sehen beispielsweise die Übertragung des an der groben Gesteinskörnung ermittelten Polierwiderstandes auf die feine Gesteinskörnung vor, welches oftmals zu nicht zutreffenden Ergebnissen führt. Weiterhin dürfen nur Gesteinskörnungen eingesetzt werden, die der Kategorie PSVangegeben(42) entsprechen. Dies kann zum Ausschluss geeigneter Gesteinskörnungen führen. Die umfassende Analyse der vollständigen Bandbreite der relevanten feinen Gesteinskörnungen hinsichtlich des Einflusses der Polierresistenz auf das Griffigkeitspotenzial von Asphaltmischgut steht im Fokus dieses Forschungsvorhabens. Darüber hinaus sind Aspekte wie Dauerhaftigkeit, Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung und Verfügbarkeit von Rohstoffen von Bedeutung. Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte werden praxisgerechte Anforderung an den Polierwiderstand von feinen Gesteinskörnungen ausgearbeitet.

Eine der wichtigsten Grundlagen für die systematische Straßenerhaltung in Kommunen ist die Kenntnis des Straßenzustands und seiner zeitlichen Entwicklung. Im Rahmen des Erhaltungsmanagements wird in Deutschland der Zustand von Verkehrsflächen mittels periodisch durchgeführter Zustandserfassungen aufgenommen, die bspw. messtechnisch oder visuell erfolgen können. Im Ergebnis liegen Zustandsmerkmale auf sogenannten Auswerteabschnitten vor. Für die Aufstellung eines Bauprogramms sind daraus im ersten Schritt zustandshomogene Abschnitte zu bilden. Ziel des Forschungsprojektes war, ein praxisorientiertes, automatisch arbeitendes Verfahren zur Bildung zustandshomogener Abschnitte zu entwickeln (Segmentierungsverfahren) und damit ein Werkzeug zu schaffen, mit dessen Hilfe objektive Entscheidungen über die durchzuführenden Erhaltungsmaßnahmen unterstützt werden können. Da die Segmentierung jedoch ausschließlich auf den Zustandsdaten beruht, müssen bei der Aufstellung eines Bauprogramms regelmäßig von der jeweiligen Kommune noch eine Reihe weiterer praktischer Aspekte berücksichtigt werden, die zumeist Ortskenntnis erfordern. Insoweit ist das Resultat aus vorliegendem Verfahren als ein hilfreicher Baustein und objektiver erster Vorschlag für ein Bauprogramm zu betrachten. In einem ersten Schritt wurden aus der Literatur bekannte Segmentierungsverfahren analysiert. Dabei konnte insbesondere auch auf Erkenntnisse aus dem abgeschlossenen Projekt FE 29.0360/2014 „Verfahren zur Bildung und Beschreibung zustandshomogener Abschnitte und repräsentativer Kennzahlen für das Erhaltungsmanagement“ zurückgegriffen werden, in dem der Forschungsnehmer eine ähnliche Fragestellung bereits für Bundesfernstraßen betrachtet hatte. Darauf aufbauend wurde ein eigenes Segmentierungsverfahren entwickelt und erprobt, welches insbesondere eine grundlegend neue Herangehensweise an die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsmerkmalen beinhaltet. Die Verfahrensentwicklung und -verifikation wurde anhand der Netz- und Zustandsdaten von vier Beispielkommunen durchgeführt. Zu Beginn der Projektbearbeitung war es notwendig, eine eingehende Analyse der Daten hinsichtlich ihrer Konformität im Hinblick auf die Regelwerke durchzuführen, damit nachfolgend das Segmentierungsverfahren auf die jeweils gleiche Inputdatenstruktur aufsetzen konnte. Ein solcher Preprozessingschritt – vergleichbar mit dem Teilprojekt TP 0 bei der ZEB – ist generell zu empfehlen. Aus den so aufbereiteten Daten wurden Post-greSQL-Projektdatenbanken aufgebaut. Der Algorithmus zur Bildung zustandshomogener Abschnitte wurde in PostgreSQL entwickelt. Künftige Nutzer können das SQL-Script durch verschiedene Eingabeparameter, wie z. B. die Auswahl des Netzbereiches und die Mindestsegmentlänge, steuern. Das Verfahren segmentiert Abschnittsfolgen des Netzes fahrstreifenbezogen nach mehreren Zustandsmerkmalen, die auf Auswerteabschnitten fester Länge vorliegen. Die Abschnittsfolge wird dabei in Segmente eingeteilt, die möglichst zustandshomogen sind. Es wurde so konzipiert, dass die zu segmentierenden Zustandsmerkmale aus der Menge der verfügbaren Zustandswerte und Teilwerte frei wählbar sind. Jedem Segment werden als charakteristische Kennzahlen die Mittelwerte (oder andere Lageparameter wie der Median) der beteiligten Zustandswerte und eine Zustandsklasse zugeordnet. Darauf aufbauend kann jedem Segment eine Mängelklasse und eine geeignete Erhaltungsmaßnahme zugewiesen und damit Erhaltungsabschnitte abgeleitet werden. Es wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der Ideen verschiedener etablierter Verfahren aufgreift, aber letztendlich eine Eigenentwicklung darstellt. So wurde das Verfahren der kumulativen Summen mit dem Verfahren nach RÜBENSAM und SCHULZE verknüpft, die gefundenen Changepoints wurden mit einem Signifikanztest verifiziert und ggf. wieder eliminiert und das Kriterium der Mindestsegmentlänge wurde an geeigneter Stelle integriert. Zur initialen Glättung der Folge der Zustandsdaten wurde eine spezielle Glättungsmethode entwickelt. Eine komplett neue Herangehensweise wurde für die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsparametern gefunden. Die netzweit berechnete Segmentierung wurde durch zwei der beteiligten Beispielkommunen einer stichprobenhaften Prüfung unterzogen. Es zeigte sich, dass das Verfahren grundsätzlich korrekte und verwertbare Resultate liefert, die bei der Aufstellung eines Bauprogramms unterstützend eingesetzt werden können. Weitere Testrechnungen haben gezeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich auch für Straßen des überörtlichen Netzes eignet, da die Auswerteabschnittslänge (10 m/20 m/100 m) hier einen skalierbaren Faktor darstellt. Erweiterungen des Verfahrens bzgl. der Anzahl zu segmentierender Zustandsmerkmale sind möglich und für einen generellen Praxiseinsatz vermutlich auch notwendig. Diese Option sollte durch weitere umfängliche Beispielrechnungen und Vergleiche mit den Ergebnissen etablierter Verfahren verifiziert werden.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird das Programm ConCalc entwickelt, welches die RDO Beton 09 um simulationsbasierte Verfahren erweitert. Hierzu wird erstens die Deterministik auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) umgestellt, damit aktuell vorhandene Einschränkungen überwunden werden können. Zweitens wird eine Probabilistik im-plementiert, um Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnen zu können. In erster Linie werden die Lastfälle der RDO Beton 09 mit FE präzise nachgebildet, so dass eine Alternative zur klassischen Berechnung mit analytischen Lösungen bereitgestellt wird. Eine Parameterstudie stellte u. a. heraus, dass das den RDO Beton 09 zugrundeliegende Prinzip der Superposition von Verkehrs- und Temperaturlast nicht gilt. Daher sind zur Weiterentwicklung der RDO Beton 09 weitere Untersuchungen nötig. Die Modellierungsmöglichkeiten von ConCalc gehen weit über die der RDO Beton 09 hinaus und umfassen unter anderem: • Die Interaktion der Betonplatte mit der Unterlage mittels • Kontaktmechanik mit Volumenmodellen oder • zugfreier Winklerbettung. • Die Berücksichtigung von Dübeln und Ankern als Festkörper in Mehrplattenmodellen zur Analyse der Interaktion im Fugenbereich, sowie • die Abbildung nichtlinearer Temperaturverläufe. Neben den genannten Erweiterungen, bestehen mit der FEM nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur Weiterentwicklung. Zur Durchführung von Berechnungen unter Anwendung der probabilistischen Verfahrensweise werden bestehende Formulierungen zu probabilistischen Bewertungsansätzen implementiert. Unter Berücksichtigung variierender Eingangsgrößen, können somit Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnet werden. Da das Programm vornehmlich Forschungszwecken dienen soll, müssen Erweiterungen bzw. Änderungen einfach möglich sein. Daher ist ConCalc modular gestaltet und wird in vier Haupt- und mehrere untergeordnete Module unterteilt, die sich einzeln ersetzen lassen. Die Module kommunizieren nur über menschenlesbare Dateiformate, was die Wartbarkeit und Fehlersuche vereinfacht. Soweit möglich wird auf quelloffene und etablierte Softwarelösungen zurückgegriffen, um die zukünftige Anwendbarkeit und Updates zu gewährleisten. Diese Punkte sind für unkomplizierte und zukunftsfähige Weiterentwicklungen essentiell. Die nachfolgend beschriebenen Hauptmodule sind komplett skriptbar. Um der Erweiterbarkeit Rechnung zu tragen wird die Benutzeroberfläche zur Konfiguration der Berechnung flexibel und anwenderfreundlich mit eingebundenen Drop-Down-Menüs und ausgewählten Eingabefeldern in Excel gestaltet. Die grafische Oberfläche exportiert eine übersichtlich formatierte Eingabedatei für ConCalc im verbreiteten JSON-Format. Damit ist es ebenfalls möglich bei Bedarf die grafische Oberfläche zu umgehen und die Eingabedateien manuell oder geskriptet zu erstellen. Der in Matlab geschriebene Präprozessor erstellt Eingabedateien zur Geometrie- und Netzerstellung mittels GMSH. Die von GMSH exportierten Netzdaten werden anschließend vom Präprozessor u. a. um Randbedingungen und Materialdaten ergänzt um lauffähige Eingabedateien im Abaqus-Format zu erhalten. Der ebenfalls in Matlab geschriebene FE-Rechenkern liest die Eingabedaten, führt die Berechnung aus und schreibt Ergebnisdateien für den Postprozessor. Die implementierten Algorithmen wurden gründlich anhand analytischer und numerischer Referenzlösungen verifiziert. Ein wesentlicher Aspekt liegt in der Reduzierung der Rechenzeit von ConCalc. Dies ist insbesondere in Hinblick auf Sensitivitätsanalysen sowie die Anbindung der probabilistischen Verfahrensweise erforderlich. Zur Beschleunigung wurde ein Verfahren zur projektionsbasierten Modellreduktion implementiert. Neben der Optimierung der Rechenzeit für die Einzelrechnung besteht außerdem die Möglichkeit, verschiedene Berechnungen, voneinander gänzlich unabhängig, zu parallelisieren. Das Maß der Parallelisierbarkeit und der Reduzierung des Rechenaufwandes ist dabei von der verfügbaren Hardware und dem Bedarf an Genauigkeit abhängig. Die Visualisierung der Ergebnisse übernimmt ParaView, wofür Dateien im Visualization-Toolkit-Format geschrieben werden. Zur Dimensionierung und Bewertung wird die maximale Zugspannung identifiziert. Mit ConCalc steht ein Code zur Verfügung, der alle notwendigen Voraussetzungen für die Umstellung der RDO Beton auf ein FEM-basiertes Verfahren erfüllt. Aufgrund seines modularen Aufbaus und seiner numerischen Effizienz ist ConCalc für die Weiterentwicklung der RDO Beton und für Forschungszwecke geeignet. Darüber hinaus bietet ConCalc einen Code, mit dem erstmals FEM-Berechnungen mit der probabilistischen Methode durchgeführt werden können.

Für die Beurteilung der Frostsicherheit von ungebundenen Schichten im Straßenbau werden je nach Anwendungsgebiet die Kriterien aus unterschiedlichen Regelwerken herangezogen. Die diesen Kriterien hinterlegten Prüfmethoden sind auf Erfahrungen mit natürlichen Baustoffen abgestimmt und korrelieren nicht hinreichend mit den Materialveränderungen von Recycling-Baustoffen und industriellen Nebenprodukten in der Praxis. Daher wurde eine realitätsnahe Prüfmethode auf Basis österreichischer Erfahrungen entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden nun Bewertungskriterien für diese Prüfmethode erarbeitet. Zunächst wurden die in der Literatur als maßgeblich definierten Einflussgrößen auf die Frosthebung gezielt untersucht. Daraus ergab sich, dass der Frosthebungsparameter Maximale Frosthebung besonders für die Bewertung geeignet und die Parameter Bleibende Hebung und Hebungsgeschwindigkeit jeweils geeignet sind. Für die Entwicklung eines Bewertungskriteriums wurden zwei Ansätze verfolgt, von denen nur Ansatz A sich als zielführend herausstellte. Bei Bewertungsansatz A wurden die Flächen unter der Hebungskurve und die über der Kühlkopf-Temperaturkurve je Probe ermittelt und in Bezug gesetzt. Bewertungsansatz B wurde ursprünglich konzipiert, um Kennwerte aus dem Frosthebungsversuch und Materialkennwerte miteinander zu verknüpfen. Dieser Ansatz hat sich als nicht zielführend herausgestellt. Schlussendlich erzeugen die Überlagerungen der unterschiedlichen materialspezifischen Einflussfaktoren zu hohe Streuungen. Werden jedoch Materialgemische in Abhängigkeit ihrer Eigenschaften, z. B. hoher Feinanteil, im Labor gezielt zusammengesetzt, lässt sich dieser materialspezifische Einflussfaktor auf die Frosthebung überwiegend korrelieren. Eine Übertragung dieser Korrelationen auf heterogene Baustoffgemische aus der Praxis ist nicht möglich. Die Validierung des Bewertungskriteriums nach Ansatz A erfolgte mittels Frosthebungsdaten von RC-Baustoffgemischen aus der Praxis. Grundsätzlich liegt mit dem Frosthebungsversuch nun ein prozesssicheres Verfahren vor, mit dem das Frostverhalten von RC-Baustoffgemischen und industriellen Nebenprodukten praxisgerecht geprüft und bewertet werden kann. Damit ist eine Möglichkeit geschaffen, die Gebrauchseigenschaft Frostempfindlichkeit der Materialien besser zu beurteilen.