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Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke im AKR-Kontext: Ursachenanalyse mit innovativer Prüftechnik
(2019)
Die AKR-Schadensevolution von Betonfahrbahndecken ist in der Anfangsphase durch eine Dunkelfärbung der Oberfläche im Fugenbereich gekennzeichnet. Es wird vermutet, dass eine erhöhte Durchfeuchtung der Betonrandzone ursächlich für diese Erscheinung ist. Vor diesem Hintergrund wurde exemplarisch eine Fahrbahnplatte eines repräsentativen Bundesautobahnabschnitts systematisch mit verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik vor Ort untersucht. Die Ergebnisse der zunächst erfolgten großflächigen Durchmusterung mit Radar zeigen, dass in den Bereichen mit einer Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke erhöhte Laufzeiten der Radarimpulse zwischen der Oberfläche und der Rückseite der Betonfahrbahndecke auftreten, was auf eine erhöhte integrale Durchfeuchtung der Betonfahrbahndecke schließen lässt. Vertiefend durchgeführte NMR-Feuchtemessungen in der Betonrandzone zeigen eine gute Korrelation zwischen erhöhtem Feuchtegehalt und der dunkel gefärbten Fahrbahnoberfläche. Die Ergebnisse beider zerstörungsfreien Prüfmethoden lassen den Schluß zu, dass die Betonfahrbahndecke in der Nähe des Fugenkreuzes eine höhere Durchfeuchtung als im Bereich der Querscheinfuge aufweist. Die geringste Durchfeuchtung besitzt die Betonfahrbahndecke in der Plattenmitte. Die mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren ermittelten Befunde stimmen prinzipiell gut mit den punktuell mittels Darr-Wäge-Verfahren an Bohrmehlproben gewonnenen Ergebnissen überein.
Die Ermittlung einer voraussichtlichen Restnutzungsdauer von Verkehrsbefestigungen und somit der Abschätzung des Eingreifzeitpunkts für eine grundhafte Erneuerung ist ohne die Kenntnis der strukturellen Substanz nur sehr unzureichend zu bewerkstelligen. Mit Vorliegen des Entwurfs zu den "Richtlinien zur Bewertung der strukturellen Substanz des Oberbaus von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise" (RSO Asphalt) ist zwar ein hierfuer nutzbares Verfahren verfügbar, allerdings basiert dieses auf der Analyse von Laborversuchen an den aus Streckenabschnitten zu entnehmenden Bohrkernen, wodurch eine netzweite Anwendung nicht praktikabel ist. Um trotzdem einen umfassenden Einsatz zu ermöglichen und eine deutliche Verbesserung gegenüber bisherigen Verfahren herbeizufuehren, können aber begründete Annahmen zu den Materialkennwerten getroffen werden. Alle weiteren Eingangsdaten des Verfahrens decken sich mit denen des bisherigen. Deren Vollständigkeit und Plausibilität muss zukünftig mehr Bedeutung zugemessen werden.
Die Straßeninfrastruktur sieht sich immer größer werdenden Herausforderungen gegenübergestellt. Das Netz der Bundesfernstraßen wird immer älter bei gleichzeitig weiterhin stark ansteigendem Güterverkehrsaufkommen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, gilt es, eine dauerhafte Straßeninfrastruktur zur Verfügung zu stellen. Eine entscheidende Rolle wird dabei der bautechnischen und wirtschaftlichen Bewertung von Straßenbefestigungen zuteil, dabei ist der "Blick" in die Straßenkonstruktion selbst von maßgebender Bedeutung. "Was passiert in der Straße?", "Wie kann dies beschrieben werden?" sind dabei die Fragen, die es zu beantworten gilt. Über die Weiterentwicklung der bestehenden Mess-Sensorik eingebunden im Straßenaufbau sowie den Einsatz verschiedener möglichst zerstörungsfreier Messsysteme, zum Beispiel Georadarverfahren, sollen neue Ansätze verfolgt sowie Merkmale und Zustandsgrößen abgeleitet werden, die die strukturelle Substanz des Straßenaufbaus beschreiben. Darüber hinaus gilt es, neue Messverfahren sowie neue Ansätze zur Bewertung der strukturellen Substanz unter möglichst realistischen Umgebungsbedingungen zu erproben und zu validieren. Hierfür bieten sich großmaßstäbliche Untersuchungen unter zeitraffender Belastung an. Diese Möglichkeit bietet die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in ihrer Modellstraße mit der neuen Belastungseinrichtung, dem Mobile Load Simulator MLS10. Aktuelle Forschungsaktivitäten zu den genannten Forschungsschwerpunkten leisten somit einen wichtigen Beitrag, um den Herausforderungen über die wirtschaftliche Erhaltung und über die Bereitstellung einer dauerhaften Straßeninfrastruktur zu begegnen.
Die temperierte Straße
(2013)
Eine temperierte Straße? Bei genauerer Betrachtung weist die Vision einer temperierten Fahrbahnoberfläche überzeugende Vorteile auf und ist technisch bereits heute umsetzbar, wie eine Reihe von Projekten weltweit belegt. Im Rahmen der vorgestellten Machbarkeitsstudie wurden die Möglichkeiten und Grenzen einer Fahrbahntemperierung untersucht. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Asphalt- und Speicherkonzepte sowie der in Deutschland vorherrschenden geologischen und klimatischen Randbedingungen erfolgte eine Auswertung der Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit eines energetischen Gesamtsystems aus Fahrbahn, Speicher und Gebäude. Die Studie stellt die Rahmenbedingungen für eine Realisierung einer solchen Anlage dar. In vorangegangenen Forschungsvorhaben wurde deutlich, dass sich mit einer Fahrbahnheizung, abgesehen vom volkswirtschaftlichen Nutzen, aus der gesteigerten Verkehrssicherheit nur ein geringer betriebswirtschaftlicher Nutzen aus eingesparten Winterdiensteinsätzen erzielen lässt. Im nächsten Schritt wurde daher der Nutzen einer Kühlung der Fahrbahndecke im Sommer, die sich insbesondere bei Asphaltdeckschichten als vorteilhaft erweist, in die Betrachtung einbezogen. Bei den zugehörigen thermodynamischen Simulationen zeigte sich ein erheblicher Energieüberschuss in der Jahresbilanz. Daher war es nur folgerichtig, für diese Energie mögliche Abnehmer zu suchen. Im Gegensatz zu den erst im Verlauf des Nutzungszeitraums entstehenden Einsparungen aus der Kühlung der Fahrbahnoberfläche können aus einem solchen Verkauf erneuerbarer Energie ganz konkret und kurzfristig Einnahmen generiert werden. Es zeigt sich, dass mit der ganzjährigen Klimatisierung angrenzender Gebäude zwar Einnahmen erzielt werden können, die Wirtschaftlichkeit aber durch die Kosten für die Speicherung bestimmt wird. Letztlich scheint die Umsetzung einer solchen Anlage immer dann wirtschaftlich darstellbar, wenn die geologischen, klimatischen und topografischen Rahmenbedingungen eine effiziente Speicherung der Energie zulassen.
Die Polierresistenz der Gesteine beeinflusst nach dem Stand der Forschung maßgeblich die Griffigkeit einer Fahrbahnoberfläche. Diese Gesteinseigenschaft wird in Europa seit langem und im weit überwiegenden Teil der Fälle mit dem so genannten Polished Stone Value (PSV) beschrieben und in Deutschland nach den DIN EN 1097-8 ermittelt. Als Prüfmittel sind für das Verfahren ein Kontrollgestein und Poliermittel aus Naturkorund vorgeschrieben, die genau spezifiziert und aus England zu beziehen sind. Nachteilig ist bei dem Prüfverfahren die unregelmäßige Verfügbarkeit und die Inhomogenität der Prüfmittel, die im Wesentlichen aus der europaweiten Anwendung des Verfahrens resultieren. Als Alternative zu dem englischen Kontrollgestein wurde bereits 2007 ein nationales Kontrollgestein ergänzend in die Technischen Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen (TP Gestein-StB) Teil 5.4.1 aufgenommen. Die Frage nach der Möglichkeit des Ersatzes des Poliermittels und auch der Auswirkung seines Einsatzes auf die Präzision bei der Ermittlung des PSV wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts untersucht. Zusammengefasstes Ergebnis ist, dass das alternativ eingesetzte Poliermittel aus Quarz für das Prüfverfahren geeignet ist und eine mindestens vergleichbare Präzision der Prüfergebnisse erwartet werden kann. Aufgrund der abweichenden Polierwirkung des Poliermittels und der abweichenden Polierresistenz des nationalen Kontrollgesteins ist jedoch die Berechnungsformel anzupassen, um den langjährigen Bewertungshintergrund und die daraus resultierenden Anforderungen in den Regelwerken beibehalten zu können. Die Vorgehensweise, die Überlegungen und das Ergebnis des Forschungsprojekts sind in dem Artikel dargestellt.
Die Art der in Deutschland durchzuführenden Qualitätskontrollen und Prüfverfahren wurde bisher in den ZTV-M 84 beschrieben. Diese Vorschrift wird teilweise durch die Europäische Norm "Fahrbahnmarkierungen - Qualitätskontrolle" ersetzt werden. Weil über die Anwendung der in der EN verankerten Prüfverfahren noch keine Erfahrungen vorliegen, hat diese dreiteilige Norm den Status einer Europäischen Vornorm (DIN ENV), deren Anwendung freiwillig ist. Nach spätestens 3 Jahren wird entschieden, ob die Vornorm in eine verpflichtende Europäische Norm (DIN EN) umgewandelt wird. Die in der ZTV-M 84 enthaltenen Prüfungsarten (zum Beispiel Eignungs-, Eigenüberwachungs- und Kontrollprüfungen) werden weitgehend unverändert in die ZTV-M 98 übernommen. Die Prüfverfahren werden jedoch in der Europäischen Norm behandelt. Teil 1 der Norm beschreibt die Bedingungen der Probenahme und der Prüfungen an rückgestellten Proben. Teil 2 beschäftigt sich mit der Beschreibung eines Qualitätssicherungssystems, in dem die Qualitätsziele während und nach der Applikation festgelegt werden. Teil 3 beinhaltet die Durchführung von Prüfungen an ausgeführten Fahrbahnmarkierungen. Es wird nach ausführlichen und eingeschränkten Prüfverfahren sowie Merkmalsinspektionen unterschieden. Das ausführliche Prüfverfahren ist nur unter Zuhilfenahme von dynamischen Messmethoden anwendbar. Die Wahl des geeigneten Verfahrens richtet sich im wesentlichen nach dem Wert der zu prüfenden Markierung und dem finanziellen Aufwand für die Prüfung. Bei einigen der in der EU beschriebenen Prüfverfahren wird bezweifelt, ob sie sich zur Prüfung von Fahrbahnmarkierungen in der Praxis eignen.
Damit Fahrbahnmarkierungen tagsüber und bei Nacht unter möglichst allen Wetterbedingungen gut erkennbar sind, müssen sie einen hohen Leuchtdichtekontrast zur Fahrbahn aufweisen. Dies wird durch Zugabe von circa 8 bis 15 Prozent Titandioxid in das Markierungsmaterial erreicht. Dieses Material zeichnet sich durch einen hohen Weißgrad, hohe Deckkraft auch bei dünnschichtigen Markierungen, Resistenz gegen ultraviolette Strahlen und gute chemische Beständigkeit aus. Titandioxid kann nicht durch andere, preiswertere Materialien gleichwertig ersetzt werden. Deshalb kommt der Bestimmung des Titandioxidanteils in Markierungsstoffen im Rahmen der Urmusterprüfung, die Teil der gesamten Eignungsprüfung von Markierungssystemen ist, eine große Bedeutung zu. Die bisher verwendete Analysemethode nach Rahm weist Schwächen auf und ist nur beschränkt anwendbar. Es wird über ein neues Titrationsverfahren berichtet, mit dem der Titandioxidgehalt präzise und reproduzierbar ermittelt werden kann.
Im "Europäischen Komitee für Normung" ("Comité Européen de Normalisation", CEN) wird zur Zeit die Bewertung der Längsunebenheit von Straßen im europäischen Rahmen festgelegt. Dabei wird der Spektralen Dichte eine herausragende Bedeutung zugemessen. Neben der Definition der Spektralen Dichte werden Methoden zur Reduzierung von Fehlereinflüssen (langwellige Trends, begrenzte Profillänge) erläutert. Die Glättung des Rohspektrums erfolgt dabei nach einem ISO-Normenentwurf ("International Standardisation Organisation"). Der aus der Spektralen Dichte ermittelte Kennwert "Unebenheitsmaß" wird dem Abnahmeprinzip: "4 mm unter der 4-m-Latte" gegenübergestellt. Die "Welligkeit", ein Maß für das Amplitudenverhältnis von langwelligen zu kurzwelligen Anteilen im Profil wird als "fraktale Dimension" der Chaostheorie erkannt. Damit wird die Abschätzung der Rauheitsamplitude einer Straße ermöglicht. Neben dem wünschenswerten Einsatz der Spektralen Dichte bei der Abnahme neuer oder erneuerter Straßen wird diese Kenngröße in der "Zustandserfassung und -bewertung" (ZEB) auf dem Bundesfernstraßennetz in Deutschland schon eingesetzt. Für das derzeitig in der Entwicklung befindliche "Management der Straßenerhaltung" (MSE) bildet das "Unebenheitsmaß" eine Zustandsgröße, die Aufschluss über die Entwicklung der Fahrbahnbefestigung - auch der Substanz - gibt. Weitere Unebenheitsindikatoren zum Beispiel für periodische Unebenheiten und Einzelhindernisse sind noch in der Entwicklung.
Der Weg von der 4 m-Richtlatte zur modernen Messtechnik ist vorgezeichnet. Sowohl im nationalen als auch im europäischen Rahmen wird über Konzepte nachgedacht, zukünftig nicht nur die Zustandserfassung von Straßen, sondern auch für die Kontrollprüfung im Zuge der Abnahme sowie für die Gewährleistungsüberprüfung moderne Messverfahren auf der Basis von Längsprofilen einzusetzen und aussagekräftige Bewertungsmethoden anzuwenden. Erste Ansätze messtechnischer Entwicklungen wurden vorgestellt. Auf der Grundlage dieser Erfassungstechnik lassen sich zukünftig Abnahme und Gewährleistungswerte für längsprofilbezogene Zustandsgrößen formulieren.
Betonfahrbahndecken, die gemäß ZTV Beton 78 mit Stahlbesenquerstrich hergestellt wurden, zeichneten sich durch eine besonders hohe Anfangsgriffigkeit aus. Sie brachten jedoch je nach Dicke und Konsistenz des Oberflächenmörtels stärkere Reifenrollgeräusche mit sich. Daher wurden 1987 auf der A 7 bei Großburgwedel Versuche mit dem Ziel durchgeführt, leisere Oberflächentexturen zu entwickeln. Dies gelang bei gleichzeitig hohem Griffigkeitsniveau durch den Einsatz eines seitlich pendelnden Längsglätters und das abschließende Abziehen des frischen Betons mit einem Jutetuch. Diese Oberflächenausführung wurde 1991 in die ZTV Beton aufgenommen und für die Berechnung der Schallemissionen von Straßen mit einem Bonus von D(Index StrO) gleich minus 2 dB(A) versehen. Sie gilt auch heute noch als Standardausführung, wobei für die Herstellung der Betondecken in aller Regel Gleitschalungsfertiger eingesetzt werden. Neuere Untersuchungen der BASt zeigen, dass es möglich ist, das Reifenrollgeräusch auf Betondecken noch weiter zu reduzieren. Beispielhaft werden hierzu Ergebnisse von einer Versuchsstrecke auf der B 56 bei Düren vorgestellt, bei der verschiedene Längsstrukturen und ein Waschbeton zur Anwendung kamen.