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Weiterführende Untersuchungen zur Beurteilung des Adhäsionsverhaltens zwischen Bitumen und Gestein
(2017)
Die Dauerhaftigkeit der Straßen hängt maßgeblich vom Haftverhalten zwischen dem Bitumen und der Gesteinskörnung ab. Seit Jahrzehnten wird das Haftverhalten unterschiedlicher Gesteine und Bitumen mit diversen Prüfverfahren untersucht. Eine Quantifizierung der Einflussfaktoren konnte bisher nicht erreicht werden, jedoch hat das Gestein nach den Ergebnissen des AiF-Forschungsprojektes IGF 16639N einen größeren Einfluss auf die Adhäsion als das Bitumen [RADENBERG et al., 2014]. Im Rahmen dieses Projektes soll die Komponente Gestein genauer untersucht werden und der Einfluss der verschiedenen Gesteinseigenschaften auf die Adhäsion quantifiziert werden. Ein Fokus der Forschungsaufgabe ist dabei, zu untersuchen, ob der Parameter Zeta-Potential dazu dienen kann, die Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gesteinsaggregaten zu beschreiben. Aus der Literatur geht hervor, dass niedrige Potenzialdifferenzen zwischen Bitumen und Gestein auf eine gering wirksame adhäsive Bindung / elektrostatische Wechselwirkung hindeuten und z.B. bei gleichsinniger Ladung sogar zur gegenseitigen Abstoßung von Gesteinsoberfläche und Bitumenmolekülen führen. Die Untersuchungen von [LABIB, 1992] zeigen, dass Bitumenemulsionen negative Zeta-Potentiale aufweisen. Bei den Rolling-Bottle-Versuchen konnte ein signifikanter Einfluss der Gesteinseigenschaften insbesondere des Zeta-Potentials und des Ca-Anteils der löslichen Salze auf den Umhüllungsgrad festgestellt werden. Der Schüttelabriebversuch hat sich mit den hier gewählten Randbedingungen als ungeeignet für die Quantifizierung möglicher Einflussfaktoren erwiesen. Ebenso konnten mit der Tropfenkonturanalyse weder Einflüsse aus den Gesteinseigenschaften noch aus den Bitumeneigenschaften als maßgeblich quantifiziert werden. Dennoch kann grundsätzlich eine Aussage über das Haftverhalten zwischen Bindemittel und Gestein getroffen werden. Weiterhin kann die Wirkung von Wasser auf das Haftverhalten messtechnisch erfasst werden. Die Versuche zur Haftgrenztemperatur zeigen, dass der pH-Wert des Wassers einen Einfluss auf die Haftgrenztemperatur (HGT) ausübt. Mit abnehmenden pH-Wert sinkt bei dem Diabas und der Grauwacke das Zeta-Potential (Betrag). Je höher das Zeta-Potential (Betrag) ist, desto geringer ist die Haftgrenztemperatur.
Das Projekt "RIVA" ist das Herzstück im AdSVIS-Forschungsprogramm. Im Zentrum von RIVA steht die Bewertung von Risiken des Klimawandels für das Bundesfernstraßennetz. Ein Risiko wird dabei als Funktion von Ursache und Wirkung verstanden. Das aus dem Klimawandel erwachsene Risiko für die Straßenverkehrsinfrastruktur wird durch ein hierarchisches Indikatorenmodell beschrieben und besteht aus vier Dimensionen: Klima, Vulnerabilität, Technische Wirkung und Kritikalität. Die entwickelte Methodik ermöglicht eine netzweite Risikoanalyse/-bewertung basierend auf regionalisierten Klimadaten und standardisierten Daten der Straßenverkehrsinfrastruktur. Komplexe Ursache-Wirkungs-Ketten (UWK) dienen der systematischen Erfassung typischer durch das Klima verursachter Schäden/Einschränkungen, aus welchen Schadensbildkategorien (SBK) abgeleitet werden. Die SBK ist die zentrale Bewertungseinheit der RIVA-Methodik und vereint typische durch ein bestimmtes Klimaereignis induzierte Schadensbilder eines Risikoelementes. Es wurden insgesamt 35 SBK (u.a. für Brücken, Tunnel, Fahrbahnen, Entwässerung, Verkehrsteilnehmer) bestimmt. Das für die beispielhafte Betrachtung entwickelte Pilotwerkzeug verwendet regionalisierte Klimaprojektionen für vier Betrachtungszeiträume. Die Bewertung erfolgt nach Streckenabschnitten. Damit lassen sich Risiken im Netz abschnittsgenau verorten, den wichtigsten Elementen der Straßeninfrastruktur zu- und nach ihrem grundsätzlichen Charakter einordnen. Die RIVA-Methodik ermöglicht eine Klassifizierung von Klimarisiken. Es lassen sich besonders gefährdete Streckenabschnitte im Netz identifizieren und erforderliche Maßnahmen priorisieren. RIVA leistet einen wichtigen Beitrag zur Diskussion von Anpassungsstrategien für die Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel und ermöglicht eine effektive Entscheidungsfindung, um künftige Auswirkungen des Klimawandels auf die Infrastruktur zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Ein funktionstüchtiges und qualitativ hochwertiges Fernstraßennetz ist für das Transitland Deutschland elementar. Im zusammenwachsenden Europa werden viele Güter über die Straße transportiert. Dabei verlaufen maßgebende transeuropäische Verkehrsachsen über das deutsche Fernstraßennetz. Es gilt, das Fernstraßennetz so auszulegen, dass die Belastungen aus dem Güterverkehr dauerhaft ertragen werden können. Grundlage für die Dimensionierung des Straßenaufbaus bilden dabei wissenschaftliche Erkenntnisse aus Untersuchungen zur Beschreibung des Baustoffverhaltens, sowie langjährige Erfahrungen beim Bau und der Nutzung von Straßenbefestigungen. Einen wichtigen Baustein für Untersuchungen zum Gebrauchsverhalten des gesamten Straßenaufbaus bilden zeitraffende Belastungsversuche im Maßstab 1:1. Dazu betreibt die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine Asphaltmodellstraße, die nach anerkannten Dimensionierungs- und Ausführungsregeln gebaut wurde. Für eine realitätsnahe, zeitraffende Belastung wurde der Mobile Load Simulator MLS30 durch die BASt beschafft. Diese Belastungseinrichtung stellt einen Meilenstein für die Dauerbelastung von Straßenkonstruktionen jeglicher Bauweisen im Großversuch dar. Durch den ersten Einsatz des Mobile Load Simulator MLS30 wurden wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen. Hierzu wurden Dehnungs-, Druckspannungs- und Temperatursensoren der instrumentierten Asphaltmodellstraße der BASt verwendet. Deutlich wurde das zueinander proportional Verhalten der Dehnungen und Druckspannungen zur Temperatur im Straßenaufbau. Die Sensoren detektierten neben der strukturellen Reaktion innerhalb des Belastungsbetriebes auch Veränderungen der Reaktion des Straßenaufbaus auf zerstörungsfreie Prüfungen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD). Weitere Erkenntnisse wurden bezüglich einer Überwachung des Mobile Load Simulator MLS30 gewonnen. Die im Versuchsfeld integrierten Sensoren konnten Veränderungen der Lasteinleitung detektieren. Zusätzlich wurden erste Erfahrungen zur Temperaturerhöhung durch den MLS30 gemacht. Die gewonnenen Erkenntnisse aus dem ersten Versuchsbetrieb werden bei zukünftigen Projekten in der Straßenbauforschung einfließen und die realitätsnahe Simulation von Verkehrsbelastungen weiter prägen. Mit Hilfe von ausgereiften Sensorkonzepten, entsprechender Messwerterfassung und Software, ist es möglich in Großversuchen das Gebrauchsverhalten von Straßenaufbauten zu analysieren. Seit der technischen Abnahme im Fruehjahr 2013 wurden durch den Mobile Load Simulator MLS30 rd. 4,8 Mio. Überrollungen auf Asphalt- und innovativen Betonaufbauten realisiert.
Ziel des Forschungsauftrages war es zu untersuchen, inwieweit auf aufgehellten bituminösen Deckschichten wegen des zu erwartenden geringeren Kontrastes die Erkennbarkeit einer Markierung beeinträchtigt wird. Bei der Durchführung des Forschungsauftrages erwies es sich als vorteilhaft, in die Untersuchung zum Vergleich herkömmliche dunkle bituminöse Deckschichten und Zementbetondecken einzubeziehen. Am Tage ergaben sich im allgemeinen auf allen drei Deckenarten erkennbarkeitsweiten von mehr als 75 m. Nur auf neuen, sehr hellen Zementbetondecken kommt es gelegentlich zu Erkennbarkeitsweiten von weniger als 50 m. 75 m können erreicht werden, wenn die Markierung im Neuzustand einen Leuchtdichtefaktor von mindestens 0,60 aufweist. Bei Nacht wurde nur der Fall des Fahrens bei Kfz-eigener Beleuchtung untersucht, da die Bedingungen des nächtlichen Fahrens bei ortsfester Straßenbeleuchtung im wesentlichen den Bedingungen bei Tag gleichen. Es werden Kurvenscharen für die Erkennbarkeitsweite bei fahren mit Kfz-eigener Beleuchtung bei trockener, feuchter und nasser Fahrbahn hergeleitet. Nachts ist bei trockener Fahrbahn die Erkennbarkeit auf Zementbeton am geringsten, bei feuchter und nasser Fahrbahn auf aufgehellten bituminösen Deckschichten. Die Unterschiede sind jedoch meist nicht groß. Die Aufhellung von bituminösen Deckschichten führt kaum zu Einbußen der Erkennbarkeit darauf verlegter Markierungen. Für einen Markierungsstreifen der Abmessung 0,15 m x 6 m ergeben sich im Bereich des Leuchtdichtekoeffizienten der Markierung r.l = 50 - 200 mcd/qm lx bei trockener und feuchter Fahrbahn erkennbarkeitsweiten von 50 - 100 m. Für die lichttechnisch besten der zur Zeit in der Erprobung befindlichen profilierten Markierungen ergeben sich für einen Markierungsstreifen der gleichen Abmessung bei nasser Fahrbahn etwa 50 - 85 m Erkennbarkeitsweite.
Ansätze zur Bewertung der Restsubstanz und insbesondere der Restnutzungsdauer von Asphaltschichten basieren in der Regel auf Ermüdungshypothesen. Allen Modellen liegt das mit unterschiedlichen Laborverfahren ermittelte Ermüdungsverhalten von Asphaltprobekörpern zugrunde. Im Rahmen dieses Projektes sollte der Effekt der Materialermüdung an Asphaltschichten nachgewiesen werden, die bereits über den Nutzungszeitraum der RStO 86/89 von 20 Jahren hinaus dem Klimageschehen und der Verkehrsbelastung ausgesetzt waren. Dazu wurde ein E-Modul-Vergleich zwischen Asphaltproben aus der äußeren Radspur - dem "belasteten Bereich" - und der Fahrstreifenmitte - dem "unbelasteten Bereich" - durchgeführt. Es wurden 17 Straßen (Bundesstraßen, Landstraßen) mit jeweils 500 m Länge aus dem ehemaligen Forschungsvorhaben der BASt "Langzeitbeobachtungen an ausgewählten Streckenabschnitten" in die Untersuchungen einbezogen. Insgesamt wurden 1320 Probekörper aus der Deck- und Tragschicht der entnommenen Bohrkerne hergestellt und an ihnen mittels Zweipunkt-Biegeversuch der absolute E-Modul bestimmt. Die Auswertung ergab, dass sich beim absoluten E-Modul nach 27 Jahren Verkehrsbelastung keine einheitliche Tendenz zwischen belastetem und unbelastetem Bereich abzeichnete. Genauso häufig wie an Probekörpern aus dem belasteten Bereich ein kleinerer E-Modul bestimmt wurde, galt dies auch umgekehrt, und zwar für die Deckschicht als auch für die Tragschicht gleichermaßen. Häufig war auch kein Steifigkeitsunterschied zwischen beiden Bereichen feststellbar. Diese Ergebnisse werden durch parallel durchgeführte Deflexionsmessungen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) bestätigt. Eine Abschätzung oder gar Bestimmung der Restnutzungsdauer von verkehrsgerecht dimensionierten flexiblen Straßenbefestigungen erscheint derzeit nicht möglich. Die Ergebnisse deuten an, dass die Nutzungszeiträume für nach den RStO ausgelegten und ausgeführten Fahrbahnbefestigungen wesentlich länger anzusetzen sind. Die Ermüdung von Asphaltschichten kann dennoch nicht ausgeschlossen werden. Nach den durchgeführten Untersuchungen muss davon ausgegangen werden, dass die Ermüdung in Straßenbefestigungen andersartig und in wesentlich längeren Zeiträumen als bisher angenommen verläuft und geeignetere Übertragungsfunktionen für Ergebnisse aus Laboruntersuchungen auf das Gebrauchsverhalten entwickelt werden müssen. Als ausschlaggebendes Verhaltenskriterium für schwerer belastete Asphaltbefestigungen erweist sich die Spurrinnenbildung. Hieraus kann die Notwendigkeit einer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Asphaltdecke gegenüber der Spurrinnenbildung abgeleitet werden. Die Notwendigkeit, die Schicht-Konstruktions-dicken von Fahrbahnbefestigungen zu erhöhen, konnte nicht nachgewiesen werden.
Mit Hilfe der Datenbestände von 7 Städten werden die Grundlagen für eine praxisgerechte Weiterentwicklung des Bewertungsverfahrens für den messtechnisch erfassten Zustand von Innerortsstraßen mit den erforderlichen Normierungsfunktionen, den Ziel-, Warn- und Schwellenwerten und maßgeblichen Funktionsklassen erarbeitet. Für die Auswerteabschnitte ergab sich eine Länge von 10 m als sinnvoll, aus der problemlos Zustandsindikatoren auch für längere Abschnitte ermittelt werden können. Die bisher verwendeten Zustandsindikatoren für die Längsebenheit, Querebenheit und Substanz werden auf ihre Brauchbarkeit untersucht und verbesserte beziehungsweise neue Indikatoren mit den dazugehörigen Normierungsfunktionen vorgeschlagen. Für die Griffigkeit standen keine Analysedaten zur Verfügung. Hier konnte für die Festlegung von Ziel-, Warn- und Schwellenwerten auf entsprechende Normierungsfunktionen für Außerortsstraßen zurückgegriffen werden. Weiterhin werden Vorschläge für die Verknüpfung zum Gebrauchs-und Substanzwert erarbeitet. Für die Relativierung der Anforderungen an den Zustand von Asphaltfahrbahnen werden zwei Funktionsklassen für die Straßenkategorien "Hauptverkehrs-/verkehrs-/Sammelstraßen" (FK 1) und "Anlieger-/Wohnstraßen" (FK 2) vorgeschlagen. Weiterhin wird eine dritte Funktionsklasse für Pflasterstraßen eingeführt. Ihre unterschiedlichen Normierungsfunktionen gewährleisten bei gleichen Zustandsausprägungen eine unterschiedliche Einstufung der Dringlichkeit von Maßnahmearten. Die Untersuchungsergebnisse sind zusätzlich in Form eines Arbeitspapiers aufbereitet.
An fünf Forschungseinrichtungen wurden statische und dynamische Versuche durchgeführt, um mit den Ergebnissen ein neues Stoffmodell für Asphalt zu validieren. Zur Untersuchung des Verformungswiderstandes wurden neben Triaxialversuchen mit dynamischer Radialspannung auch Versuche in dem Spurbildungsgerät durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden durch Spurbildungsversuche an Ausbauplatten im Großmaßstab mit praxisgerechten Reifen ergänzt. Das Ermüdungsverhalten wurde mittels einaxialer Zug-Schwell-Versuche sowie dynamischer Spaltzugversuche untersucht. Sowohl die dynamischen Spaltzugversuche als auch die einaxialen Zug-Schwell-Versuche sind geeignet, das Ermüdungsverhalten von Asphalt zu untersuchen. Die aus einer Versuchsstraße entnommenen Probekörper wiesen große Unterschiede im Hohlraumgehalt auf, die zu relativ hohen Streuungen der Ergebnisse der Versuche führten. Die Zug-Schwellversuche wurden bei Temperaturen zwischen "15 -°C, -2,5 -°C sowie +10 -°C und die Spaltzugversuche bei "5 -°C, +5 -°C und +20 -°C durchgeführt. Durch Variationen der Prüfbedingungen in den dynamischen Spaltzugversuchen wurde festgestellt, dass das Aufbringen einer Unterlast zur Simulation kryogener Unterspannungen zu einer deutlichen Reduzierung der Resistenz gegenüber Ermüdung führt. Weiterhin konnten Einflüsse durch verschiedene Lastimpuls- und Lastpausenlängen auf das Ermüdungsverhalten nachgewiesen werden. Bei der Ermittlung der statischen Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls wurden unterschiedliche Aussagen der beiden Versuchsarten festgestellt. Der unterschiedliche Spannungszustand in den Versuchen hat einen großen Einfluss auf die ermittelten Parameter. Mit dem an Hand der Ergebnisse der axialen Zug-Schwell-Versuche validierten Stoffmodell konnte der komplexe Beanspruchungszustand im Spaltzugversuch erfolgreich simuliert werden.