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Bewertungshintergrund für den Widerstand gegen Polieren von Gesteinskörnungen nach dem PWS-Verfahren
(2016)
In den Jahren ab 1959 wurde an der Technischen Universität Berlin von B. Wehner und seinem Assistenten K.-H. Schulze eine Prüfeinrichtung entwickelt, mit der die Polierresistenz von groben und feinen Gesteinskörnungen ermittelt werden konnte. Ende der 1990er Jahre waren die noch existierenden Prüfeinrichtungen nicht mehr gebrauchstauglich. Dies bewog 1999 dazu, einen modernisierten Nachbau unter Beibehaltung wesentlicher Maschinenparameter durchzuführen. Bei Vergleichsuntersuchungen stellte sich heraus, dass mit den Prüfeinrichtungen der 2. Generation ein abweichendes Messwerte-Niveau ermittelt wird. Um den aus einer Vielzahl von Forschungsarbeiten aufgestellten Bewertungshintergrund und die daraus abgeleiteten Anforderungswerte weiter nutzen zu können, musste dieser auf die neue Gerätegeneration übertragen werden. Durch Untersuchungen an unterschiedlichen Prüfkörnungen verschiedener Gesteine wurde der Erwartungsbereich für die Polierwerte PWS ermittelt und damit ein Bewertungshintergrund aufgestellt. Durch die Vergleichsuntersuchungen an den Rückstellproben aus der TU Berlin konnte für die Prüfkörnungen 8/11 und 0,2/0,4 mm eine direkte Übertragung von bestehenden Anforderungswerten auf die aktuelle Gerätegeneration vorgenommen werden. Die Unterschiede in den Messwerte-Niveaus zwischen den Gerätegenerationen konnten quantifiziert werden. Die Spreizung der Polierwerte bleibt trotz dieser Veränderung gleich. Um einen aktuellen Vergleich zwischen den Polierverfahren PWS und PSV herzustellen, wurden Gesteinskörnungen aus Lagerstätten aufgenommen, die auch in einer parallel laufenden PSV-Forschungsarbeit genutzt wurden. Für die 2. Gerätegeneration der Prüfanlage Wehner/Schulze wurde somit erstmalig ein Zusammenhang zum Polierverfahren PSV hergestellt. Es wird empfohlen, den bestehenden Anforderungswert für die Polierresistenz von feinen Gesteinskörnungen in Deckschichten aus Beton auf Grund der durchgeführten Untersuchungen anzupassen und die vorgeschlagenen Anforderungswerte für die groben Gesteinskörnungen durch eine Datensammlung abzusichern.
In der zukünftig vorgesehenen Systematik der Straßenerhaltung werden zur routinemäßigen Beobachtung und Beurteilung des Ebenheitszustandes auf unterschiedlichen Entscheidungsebenen geeignete Systeme zur Messung von Fahrbahnunebenheiten benötigt. Um die aus den Messungen resultierenden Ergebnisse vergleichbar zu machen, müssen Verfahren zur Beschreibung beziehungsweise Bewertung von Unebenheiten zur Verfügung stehen, die sich einheitlicher Entscheidungsgrundlagen bedienen und deren Ergebnisse dazu ineinander überführbar sind. Der Teil 1 der Gesamtaufgabe beschäftigt sich mit der Sammlung einer repräsentativen Anzahl von Zustandswerten für das Fahrbahnoberflächenprofil in Längsrichtung und mit dem Vergleich von Mess- und Beschreibungsverfahren für Unebenheiten des Längs- beziehungsweise des Querprofils. Im Teil 2 werden die theoretischen Grundlagen zur Beurteilung der Mess- und Beschreibungsverfahren gelegt, wobei die Betrachtung auf die Messung der Ebenheit im Längsprofil beschränkt werden sollte. Die theoretischen Untersuchungen ergaben, dass allein die folgenden Geräte sich zur Messung der Ebenheit im Längsprofil eignen: Analyseur Dynamique de Profil en Long (APL), Automatic Road Analyzer (ARAN) und High Speed-Road Monitor (HPM). Alle drei Geräte messen das Straßenlängsprofil und eignen sich zur Ermittlung der Spektralen Dichte der Profilhöhen Omega(Index 0 hoch 1), die zur Zeit die einzige Beschreibungsgröße ist, die die Längsebenheit charakterisieren kann. Um die gemessenen Spektralen Dichten bewerten zu können, wurde eine Bewertungsgröße für die Längsebenheit, der Spektrale Ebenheits-Index (SEI) entwickelt, mit dessen Hilfe auch die in Teil 1 gesammelten Ebenheitsdaten von 180 km bundesdeutschen Straßen zu einem ersten Bewertungshintergrund ausgewertet werden konnten. Mit der Einführung der Spektralen Dichte Phi(Index h)Omega als Beschreibungs- und der Schaffung des SEI als Bewertungsgröße für die Ebenheit ist die Voraussetzung für eine sachgerechte und aussagekräftige Charakterisierung für die Allgemeinunebenheit im Längsprofil gegeben. Darüber hinaus stehen repräsentative Zustandswerte der Ebenheit aus dem aktuellen Straßennetz der Bundesrepublik Deutschland zur Verfügung.
Im Rahmen der Erhaltung bestehender Straßen ist die Erfassung und Bewertung der Tragfähigkeit von großer Bedeutung. Zu deren Messung stehen statische, quasistatische und dynamische Verfahren zur Verfügung. Seit etwa 20 Jahren wird weltweit die dynamische Messmethode mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) angewendet. Die mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionen werden meistens unter vereinfachten Annahmen bezüglich der Last, der Materialgesetze für verschiedene Schichten und der dynamischen Effekte analysiert. Um einen Überblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu erhalten, wurde eine Literaturstudie durchgeführt, aus der sich folgende Gliederung ergab: - Arbeits- und Wirkungsweise des FWD, - Rückrechnungsmethoden, - Interpretierbarkeit der FWD-Messergebnisse, - Vergleich verschiedener Rückrechnungsprogramme, - Vergleich verschiedener FWD-Geräte, - Vergleich FWD mit anderen Messverfahren, - Sonstiges. Ein Ergebnis dieser Literaturstudie ist, dass eine theoretische Analyse des FWD-Verfahrens, wie sie in diesem Forschungsvorhaben durchgeführt wurde, noch nicht existiert. Darüber hinaus wurde das FWD-Verfahren detailliert mathematisch-physikalisch analysiert. Anhand der mathematisch-physikalischen Analyse des FWD-Verfahrens wird deutlich, das die E-Moduli elasto-statisch zurückgerechnet werden können. Allerdings kann die Dämpfung ab einer Deflexion von etwa größer gleich 0,4 mm die Messergebnisse des Falling Weight Deflectometer beeinflussen. Wie sich die Dämpfung auf die Messergebnisse auswirkt müsste analysiert werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersion zu keiner nennenswerten Verfälschung der Impulsform führt. Des weiteren wurden Deflexions-, Einsenkungs- und Krümmungsmessungen auf ehemaligen Untersuchungsstrecken und auf Strecken aus den jungen Bundesländern durchgeführt. Anhand der Messergebnisse auf ehemaligen Untersuchungsstrecken wurden die Schicht-E-Moduli zurückgerechnet und interpretiert. Hierzu wurden folgende Programme verwendet: - Mehrschichtenprogramm, - FWD-Rückrechnungsprogramm, - PROBE90-Programm und - Finite-Element-Programm. Zur Überprüfung der Rückrechnungsergebnisse erfolgten Asphalt-E-Modul-Bestimmungen im Labor.
Bei Statistischen Vorbeifahrt-Messungen werden die Geräusche vieler einzelner Fahrzeuge während der Vorbeifahrt gemessen, um die akustische Qualität der Straße zu bestimmen. Dies ist im dichten Verkehr oft nicht mehr möglich, da sich die Geräusche zu stark überlappen. Statt der Verwendung nur eines Mikrofons soll hier der Einsatz von Mikrofonarrays mit 6, 10 und 20 Mikrofonen zur Trennung der Geräusche von verschiedenen Fahrzeugen untersucht werden, um auch im dichten Verkehr messen zu können. Für die Extrahierung der gesuchten Pegel wurde als Referenz ein Verfahren zur Quellentrennung (SIA) eingesetzt. Ein zweites Verfahren (BeamSolve) wurde im Rahmen des Projekts entwickelt. Die Pegel eines einzelnen Fahrzeugs ließen sich auch dann noch vom folgenden Fahrzeug trennen, wenn die Lücke zwischen den Fahrzeugen deutlich unter einer Fahrzeuglänge lag. Abweichungen zur Referenzmessung der einzelnen Fahrzeuge (Pkw und Lkw) ergeben sich systematisch durch die Mittelung des Pegels über mehrere Mikrofonpositionen, was den Maximalpegel um 0,6 Dezibel senkt und als Korrekturfaktor berücksichtigt werden kann. Das SIA-Verfahren liefert im Mittel eine weitere Unterschätzung dieses Pegels um minus 0,2 Dezibel bei einer Streubreite von plus minus 0,2 Dezibel. Das neue BeamSolve-Verfahren liefert im Mittel einen Pegel der 0,8 Dezibel unter dem SIA-Verfahren liegt, also insgesamt 1,6 Dezibel unter den Referenzpegeln mit einem Mikrofon. Die Streuung beträgt dabei plus minus 0,6 Dezibel, wenn 20 Mikrofone verwendet werden. Während das SIA-Verfahren schon mit 6 Mikrofonen stabile Ergebnisse liefert, sind für das BeamSolve 20 Mikrofone vorteilhaft. Damit stehen nun Messverfahren zur Verfügung, mit denen auch im dichten Verkehr die Statistische Vorbeifahrt-Messung angewendet werden kann.
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes waren geeignete kontinuierlich messende Verfahren zur kontinuierlichen Bewertung der Griffigkeit von Fahrbahnmarkierungen aufzuzeigen und mögliche Zusammenhänge zwischen diesen kontinuierlichen Verfahren und den Ergebnissen des SRT-Pendelverfahrens herzuleiten. Hierdurch sollten die Grundlagen für eine kontinuierliche Messung der Griffigkeit von Fahrbahnmarkierungen, insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Ausschreibung von Baumaßnahmen in Form von Funktionsbauverträgen oder ÖPP-Projekten, erarbeitet werden. Diesbezüglich wurden auf Grundlage einer Literaturrecherche drei kontinuierliche Griffigkeitsmesssysteme in die Untersuchungen einbezogen - das ViaFriction, der GripTester und das SKM-Messsystem. Um Vergleichswerte mit dem Standardbewertungsverfahren herleiten zu können, wurden drei verschiedene Markierungsmaterialien (Farbe, Kaltplastik und Folie) mit verschiedenen Griffigkeitsstufen auf einer Teststrecke appliziert und anschließend mit den kontinuierlichen Messsystemen sowie dem SRT-Pendelgerät hinsichtlich der Griffigkeit bewertet. Hierbei konnte eine Griffigkeitsspanne von 35 bis 75 SRT-Einheiten realisiert werden. Als Ausgangspunkt der Untersuchungen dienten Vorversuche, die die erforderlichen Randbedingungen für eine kontinuierliche Bewertung der Griffigkeit von Fahrbahnmarkierungen definierten und die Grundlage für die anschließenden Hauptversuche bildeten. Betrachtet wurden hierbei der Einfluss der Markierungsbreite, der Messgeschwindigkeit sowie der Markierungsart (durchgängig oder nicht-durchgängig) auf die sogenannte "Erfassungsgüte", d. h. die Qualität der Markierungsüberfahrt, der kontinuierlichen Verfahren ViaFriction und GripTester. Von einem Einsatz des SKM-Messfahrzeuges im Rahmen der Vorversuche wurde in Abstimmung mit dem Auftraggeber abgesehen. Die Ergebnisse der Vorversuche zeigten, dass sowohl bei dem ViaFriction als auch bei dem GripTester die Qualität der Messungen durch die gleichen Faktoren beeinflusst wird. Demgemäß wurde ersichtlich, dass die Erfassungsgüte der Messungen von der Markierungsbreite abhängt. Eine Abhängigkeit von der Messgeschwindigkeit konnte im Rahmen der Vorversuche nicht nachgewiesen werden. Dies konnte allerdings in weitergehenden Untersuchungen auf einer längeren Messstrecke im Rahmen der späteren Hauptversuche nachgewiesen werden. Weiterhin wurde ersichtlich, dass gültige Messungen auf nicht-durchgängigen Fahrbahnmarkierungen unter Berücksichtigung notwendiger Übergangsbereiche beim Übergang zwischen Straßenoberfläche und Fahrbahnmarkierung und der Aufzeichnungsfrequenz der Messverfahren nicht bzw. lediglich bei reduzierter Messgeschwindigkeit realisiert werden konnten. Im Rahmen der Hauptversuche konnten anhand von Vergleichsuntersuchungen mit dem SRT-Pendelverfahren und den drei kontinuierlich messenden Verfahren (ViaFriction, GripTester und SKM) Vergleichswerte für die Einhaltung der Mindestgriffigkeit von 45 SRT-Einheiten gemäß ZTV M 02 bzw. 50 SRT-Einheiten als "Übergabewert" gemäß dem Diskussionspapier "Leitfaden funktionale Anforderungen an Fahrbahnmarkierungen" [FASA 2010/Juni; 2010] hergeleitet werden. Dies bildet die Grundlage für eine "mitschwimmende" Bewertung der Griffigkeit von Fahrbahnmarkierungen unter Verkehr. Weiterhin wurden für jedes kontinuierlich messende Verfahren und für jede Messgeschwindigkeit "μ-Vertrauensbereiche", "μ-Unschärfebereiche" und "μ-Verwerfungsbereiche" unter Berücksichtigung der Messabweichungen der Verfahren definiert. Hierdurch ließe sich zukünftig der Umfang notwendiger SRT-Messungen für die Bewertung des Griffigkeitszustandes von Fahrbahnmarkierungen auf ein Minimum reduzieren. Lediglich im "Unschärfebereich" sind ergänzende SRT-Messungen durchzuführen, um die Aussagen der kontinuierlichen Messungen zu präzisieren. Im Vertrauens- oder Verwerfungsbereich sind demgegenüber derartige ergänzende Messungen nicht erforderlich. Als Ergebnis der jetzigen Untersuchungen ist zusammenfassend festzuhalten, dass sich die in die Untersuchungen einbezogenen kontinuierlichen Messsysteme grundsätzlich für die kontinuierliche Messung der Griffigkeit von Fahrbahnmarkierungen als geeignet erwiesen haben. Dennoch wird zum jetzigen Zeitpunkt empfohlen, die kontinuierliche Bewertung der Griffigkeit von Fahrbahnmarkierungen nicht allein für die Griffigkeitsbewertung von Markierungen in der Praxis heranzuziehen, sondern ergänzend zu dem SRT-Pendelverfahren einzusetzen. Vielmehr wird dazu geraten, vorab die zugrunde liegende Datenbasis auszuweiten, indem weitere Markierungsmaterialien sowie zusätzliche Griffigkeitsstufen betrachtet werden. Im Hinblick auf den zunehmenden Einsatz von Strukturmarkierungen oder Agglomeraten erscheint auch die Bewertung der Griffigkeit von derartigen Fahrbahnmarkierungen mit kontinuierlich messenden Verfahren als sinnvoll.
Zur Zustandsbeurteilung von Brückenfahrbahnplatten ist es wichtig, die Feuchte und den Salzgehalt des bewehrten Betons zu kennen. Üblicherweise wird die Versalzung mittels Potenzialmessung bestimmt und durch Laboranalyse von Proben verifiziert. Diese Methode erfordert aber das Entfernen des Fahrbahnbelags. Um eine zerstörungsfreie Bestimmung des Betonzustandes und des Salzgehaltes des Betons mit einem fahrzeugbasierten Messsystem von der Fahrbahn aus durchführen zu können, wurde eine Kombinationsmethode aus Georadar und Magnetfeldmessung entwickelt. Ermittelt man die komplexe Dielektrizitätskonstante (DK) des Baustoffs im Mikrowellen-Bereich, so ist es möglich, über entsprechende Kalibrationskurven seine Feuchte und seinen Salzgehalt abzuleiten. Mit einem 1 GHz-Bodenradar wird die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Fahrbahnoberfläche bis zur oberflächennahen Bewehrung bestimmt. Die Tiefe dieser Bewehrungsstähle wird unabhängig durch eine magnetische Gleichfeld-Methode ermittelt. Nach Aufmagnetisierung werden mehrere Gradientenkomponenten des statischen magnetischen Feldes der Bewehrungsbügel gemessen und daraus die Bügeltiefe berechnet. Diese magnetische Tiefenbestimmung ist unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften der dazwischen befindlichen Materialien. Durch Vergleich der Radar-Laufzeit mit der magnetisch gemessenen Tiefe lässt sich der Realteil der effektiven DK des überdeckenden Betons bestimmen. Die Analyse der reflektierten Radar-Amplitude erlaubt eine Abschätzung des Salzgehaltes. Zusätzlich wurde ein dielektrischer Resonator für die Feuchte- und Salzgehaltmessung von Baustoffen entwickelt, der aus einer zylindrischen Mikrowellenkeramik hoher DK in einem halboffenen Metallgehäuse besteht. Aus der Messung der Resonanzfrequenz und der Güte beim Aufbringen des Resonators auf den Baustoff lässt sich sein Feuchte- und Salzgehalt ableiten. Die an Beton-Probekörpern bekannter Feuchte und Versalzung durchgeführten experimentellen Untersuchungen bestätigten die Erwartungen. Ein Radar-Magnet-Messwagen wurde entwickelt und auf zwei Brückenbauwerken erfolgreich erprobt. Die effektive komplexe DK konnte gut bestimmt werden.