620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Asphaltfahrbahnen sind im Winter extremen Belastungen durch Frost-Tauwechsel und den Einsatz von Taumitteln ausgesetzt. Diese Beanspruchungen können zu einer starken Schädigung vor allem der Asphaltoberfläche führen. Die derzeit geltenden Anforderungen an die Gesteinskörnungen hinsichtlich des Widerstandes gegen Frost-Tausalzbeanspruchung sind empirisch begründet. Die sich in der Praxis einstellenden Veränderungen der Fahrbahnoberfläche – vor allem durch die Einwirkung von Frost-Tauwechseln in Verbindung mit Taumitteln – können derzeit aufgrund eines fehlenden Prüfverfahrens im Labor nicht nachgestellt werden.
Mit den Erkenntnissen aus den Untersuchungen wurde der Entwurf einer „Arbeitsanleitung zum CDF-Asphalt-Verfahren“ erarbeitet, auf den bei weiteren Versuchen zurückgegriffen werden kann.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Frostempfindlichkeit der untersuchten Asphaltproben – ausgedrückt mit der Oberflächenabwitterung – im Wesentlichen von den im Asphalt eingesetzten Gesteinskörnungen abhängt und nicht von den Randbedingungen beim Versuch bzw. der Vorbehandlung der Proben.
Mit dem CDF-Asphalt-Verfahren sollte ein Bewertungshintergrund aufgebaut werden, in den auch die Frost-Tausalzwerte der Gesteinskörnungen mit einfließen müssen. Nur so wird es möglich sein, genauere Differenzierungen zwischen einzelnen Gesteinskörnungen anstellen zu können. Nach derzeitigem Stand bestätigen die Ergebnisse die geltenden Anforderungen an die Gesteinskörnungen; Gesteinskörnungen mit anforderungsgerechten Eigenschaften im Frost-Tau¬salzversuch führen auch im Asphaltversuch zu geringen Oberflächenabwitterungen. Für das CDF-Asphalt-Verfahren kann ein Orientierungswert von 200 g/m² angesetzt werden. Die Präzisionsdaten sind zu ermitteln.
Das CDF-Asphalt-Verfahren kann auch zur Bewertung bereits beanspruchter Verkehrsflächen herangezogen werden. Welchen Einfluss die Versuche auf die Performance-Eigenschaften des Asphaltes haben, kann nicht abgeschätzt werden.
Die „Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung“ ist das zentrale Instrument zur nachhaltigen Gestaltung der Energiewende und hat die Förderung innovativer Antriebe und alternativer Kraftstoffe sowie den Aufbau der notwendigen Infrastruktur zum Ziel. Derzeit wird der Straßenverkehr klar durch Benzin- und Diesel-betriebene Fahrzeuge dominiert. Die jährlich wachsende Zahl an Fahrzeugen und ansteigende Fahrleistungen ziehen dabei einen stetig anwachsenden Energiebedarf nach sich. Der Verkehrssektor trägt somit einen erheblichen Beitrag zu den Treibhausgasemissionen bei. Die Dekarbonisierung des Straßenverkehrs durch die Etablierung klimafreundlicher Alternativen als Ersatz zu erdölbasierten Kraftstoffen ist daher eine Grundvoraussetzung für die Erreichung der Klimaschutzziele. Der Einsatz von Fahrzeugen mit neuen alternativen Antriebstechnologien, allen voran Elektro, aber auch Wasserstoff sowie verstärkt LNG und CNG, wird in Zukunft rasch zunehmen. Hinzu kommt die zunehmende Urbanisierung und daraus resultierend die verstärkte Verlagerung des Verkehrs in den Untergrund. Bestehende Empfehlungen und Regelwerke zur Tunnelsicherheit, sowie Methoden zur Risikobewertung beschränken sich bislang jedoch ausschließlich auf Ereignisse im Zusammenhang mit Fahrzeugen mit konventionellen Antriebsformen. Um auch in Zukunft das bestehende Sicherheitsniveau halten zu können, sind die Auswirkungen von Ereignissen in Straßentunneln unter Beteiligung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben zu ermitteln und zu bewerten. Ziel des Projekts war daher die Auswirkungen von Leckagen, Kollisionen und Fahrzeugbränden mit dem Schwerpunkt alternativer Antriebstechnologien auf die Sicherheit der Tunnelnutzer zu analysieren, die risikoanalytische Bewertungsmethodik von Straßentunneln entsprechend zu adaptieren und gegebenenfalls erforderliche Anpassungen von Anforderungen an Straßentunnel abzuleiten. Basierend auf der durchgeführten Grundlagenanalyse bzw. der prognostizierten Entwicklungen für 2030 und 2040 bezüglich möglicher alternativer Antriebe im Fahrzeugkollektiv wurden maßgebliche repräsentative Ereignisbäume entwickelt. Diese stellten die Grundlage für die weitere risikoanalytische Untersuchung dar, wobei die Häufigkeiten an den einzelnen Verzweigungspunkten, wo immer möglich, entsprechend der allgemeinen Straßentunnelrisikoanalyse, teils aber auch aufgrund von Expertenabschätzungen oder Erkenntnissen aus anderen Forschungsprojekten, getroffen wurden. Zur Abschätzung der Ausmaßermittlung der aus den Ereignisbäumen resultierenden Schadensszenarien wurden numerische Methoden, numerische Strömungsmodelle, Evakuierungsmodelle, Wirkungsmodelle oder auch analytische Modelle eingesetzt. Die Risikoanalyse wurde für einen zuvor definierten Vergleichstunnel einmal entsprechend einem Vergleich der Risiken für maximale Anteile der Antriebsarten, einmal für den prognostizierten Verkehrsmix und einmal im Zuge einer Sensitivitätsanalyse (maximal involvierte Menge an alternativem Energieträger – maximales Schadensaumaß), durchgeführt. Entsprechend der Untersuchung mit der Annahme, dass alle Antriebsarten zu 100% in den einzelnen Fahrzeugtypen verbaut sind, ergibt sich für den betrachteten Vergleichstunnel keine relevante Gesamtrisikoerhöhung durch alternative Antriebe. Bezogen auf die reinen Brand- und Explosionsrisiken, zeigt sich jedoch ein zum Teil deutlicher Risikoanstieg durch gasbetriebene Fahrzeuge. Für den betrachteten Vergleichstunnel spielen diese zwar dennoch absolut gesehen keine Rolle, für andersartige Vergleichstunnel, mit grundsätzlich höherem Brandrisiko, kann eine relevante Erhöhung des Gesamtrisikos aber nicht ausgeschlossen werden. Ergebnisse für den Verkehrsmix bzw. dem Mix der Antriebsarten entsprechend der Prognosedaten weisen für den betrachteten Vergleichstunnel ebenso keine Erhöhung des Gesamtrisikos gegenüber dem Risiko des momentanen Verkehrsmix auf. Brand- und Explosionsrisiko sind zwar absolut gesehen für den Vergleichstunnel nicht relevant, könnten sich aber für die prognostizierten Anteile der alternativen Antriebe deutlich erhöhen. Aufgrund fehlender Erfahrungen aus realen Ereignissen und weil die Beteiligung mehrerer Tanks nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann, wurde zusätzlich eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, in der die Beteiligung des gesamten Tanksystems angenommen wurde. Dies führte ausschließlich bei den Explosionsszenarien zu einer Erhöhung des Schadensausmaßes.
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens, welches zurückliegende gravitative Massenbewegungen auf Basis hochauflösender digitaler Höhendaten erfasst und klassifiziert sowie die einzelnen Prozesse in Form geeigneter Werkzeuge für das Geoinformationssystem Esri ArcGIS bereitstellt. Für die Erfüllung dieses Forschungsziels wurde zunächst eine Literaturanalyse durchgeführt und darauf aufbauend die grundlegende Vorgehensweise abgeleitet.
Durch die Berechnung von morphologischen Parametern auf Basis der digitalen Höhenmodelle wurden die charakteristischen Oberflächeneigenschaften bekannter Massenbewegungsprozesse ermittelt und mit deren Hilfe unter Einsatz von Machine-Learning-Algorithmen und einer objektbasierten Herangehensweise die generelle Machbarkeit des Verfahrens getestet sowie verschiedene Trainingsszenarien erstellt und der Modellaufbau optimiert.
Zur Anwendung kamen die Verfahren der Künstlichen Neuronalen Netze sowie der Zufallswälder. Die Durchführung erfolgte bundeslandweit für Nordrhein-Westfalen und Sachsen in Versionen mit 2 m und 5 m Pixelgröße. Nach Abschluss der Berechnungen wurden die Unterschiede der Modellergebnisse hinsichtlich der Machine-Learning-Verfahren sowie der Auflösung herausgearbeitet und beurteilt, wobei teils signifikante Unterschiede erkennbar wurden. Dies spiegelt sich vor allem in Lage und Anzahl der ermittelten Objekte wider, bezogen auf den kleinmaßstäblichen Bereich werden jedoch prinzipiell die gleichen Regionen ausgewiesen.
Weiterhin erfolgte eine Attributierung der ermittelten Flächen bezüglich Größe, Position, Hangneigung, Geologie und Landnutzungsart sowie die Kennzeichnung potentiell stark betroffener Straßenabschnitte. Der darauf aufbauende Abgleich auf Plausibilität ergab, dass sich im Durchschnitt ca. ein Fünftel der Objekte in anthropogenen Bereichen befindet. Unter Einbeziehung geologischen Gegebenheiten konnten weiterhin potentielle aktive Sturzgebiete identifiziert werden.
Gegenwärtig verwendete Verfahren zur Substanzbewertung von Asphaltfahrbahnen beruhen vorwiegend auf der Analyse des Oberflächenzustandes, weshalb seit langer Zeit neue Verfahren, die eine zutreffendere Bewertung der Substanz ermöglichen, erforscht werden. Insbesondere Verfahren die auf der Messung der Tragfähigkeit der Straßenkonstruktion basieren stellen einen zentralen Forschungsgegenstand dar. Dabei beruht das Prinzip der Tragfähigkeitsbewertungen darin, über die gemessenen Einsenkungen unter definierter Belastung, Aussagen über die Steifigkeit des Gesamtaufbaues zu ermöglichen. Aus diesen Kennwerten können Aussagen zum Tragverhalten der Fahrbahnbefestigung abgeleitet werden. Es bleibt jedoch weiterhin offen, inwieweit klimatisch bedingte Faktoren wie die Fahrbahntemperatur das Tragverhalten im Verhältnis zu der verkehrlichen Beanspruchung beeinflusst und welche Auswirkungen dies auf die Ergebnisse der Tragfähigkeitsmessungen haben kann.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Versuchsstrecke mit einer definiert geschädigten Asphalttragschicht angelegt, welche mit einem Monitoringsystem zur Überwachung von verschiedenen Fahrbahnkenngrößen ausgestattet wurde. Im Rahmen von turnusmäßigen zerstörungsfreien Tragfähigkeitsmessungen konnte unter Berücksichtigungen der bekannten klimatischen, verkehrlichen und strukturellen Randbedingungen der Zustand des fortgeschrittenen Substanzverlustes der Versuchsstrecke dokumentiert und bewertet werden.
Darüber hinaus wurden diese Erkenntnisse bei der Entwicklung eines Strukturmodells zur Bewertung der Tragfähigkeitsmessungen als Grundlage für die Validierung verwendet. Dieses Modell wurde verwendet, um verschiedene Aspekte der Wirkung des Substanzverlustes auf das Tragverhalten der Fahrbahn zu untersuchen. Hieraus konnte ein Bewertungshintergrund für Tragfähigkeitsmessungen und den verschiedenen Mechanismen des Substanzverlustes sowie der einwirkenden klimatischen Rahmenbedingungen abgeleitet werden.
Ziel des Forschungsprojektes ist, die derzeitige Regelausführung von Betonfahrbahndecken als Wasch-beton weiter hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Neben der Griffigkeit ist hier be-sonders die Verbesserung der Lärmminderung auch bei stark ausgeprägter Makrotextur zu nennen. Er-reicht wird dies durch horizontales Schleifen der oberen Kornkappen, was zu einer Angleichung der Kon-taktflächen zum Reifen und einer akustisch günstigen Reduktion der Gummideformation am Reifen führt. Bezüglich der Griffigkeit wird erwartet, dass durch die so erhöhte Kontaktfläche zum Reifen die Polierin-tensität je Flächenelement der Kontaktfläche reduziert wird. Daraus sollte in der Folge eine dauerhaft hö-here Griffigkeit resultieren. Im Rahmen von Laborversuchen wird untersucht, welche Oberflächeneigen-schaften sich auf Basis dreier ausgewählter Waschbetonrezepturen erreichen lassen. Hierbei werden zwei Rezepturen mit Ausfallkörnung mit einer Rezeptur mit stetiger Sieblinie verglichen. Geprüft wird, welche Schleiftiefen in Abhängigkeit von der Ausbürsttiefe technisch sinnvoll umsetzbar sind und welche Textur- und Griffigkeitseigenschaften sich dabei einstellen. Hierzu werden die Griffigkeits- und Texturwerte vor und nach Polierbeanspruchung sowohl der ungeschliffenen Waschbetonoberfläche wie auch der ge-schliffenen optimierten Textur miteinander verglichen. Die Erprobung unterschiedlicher Diamantwerkzeuge gibt Auskunft darüber, inwieweit die Zusammensetzung der Diamantseqmente der Schleifwerkzeuge Ein-fluss auf die Griffigkeit nimmt. Anschließend wird die so optimierte Schleiftechnik auf drei Waschbeton-abschnitten mit besonders hoher Textur erprobt und die Veränderung der akustischen Eigenschaften und der Griffigkeit untersucht.
Mit der Umsetzung des Allgemeinen Rundschreibens Straßenbau ARS Nr. 11/12 und den ergänzenden Ausgaben der TL Asphalt-StB 07/13 und der ZTV Asphalt-SB 07/13 wurden erweiterte Prüfvorgaben an Bindemittelproduzenten und Asphaltmischguthersteller bezüglich der Produktüberwachung sowie an Straßenbaubehörden bezüglich der Kontrollprüfungen festgelegt.
Diese umfassen die Prüfung des Erweichungspunktes Ring und Kugel und der Nadelpenetration sowie Prüfungen mit dem Dynamischen Scherrheometer (inkl. MSCR-Prüfung) und mit dem Biegebalkenrheometer (BBR) an vier verschiedenen Straßenbaubitumen und drei Polymermodifizierten Bitumen. Teilweise werden diese Prüfungen zusätzlich an den kurzzeit- und langzeitgealterten Bindemitteln durchgeführt.
Die Prüfdaten wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes über die Jahre 2013 bis 2015 gesammelt. Dazu wurde eine Datenbank mit einem entsprechenden Webserver eingerichtet.
Neben den Bindemitteldaten wurden von den Mischgutherstellern die gemäß den TL Asphalt-StB 07/13 als „ist anzugeben“ gekennzeichneten Asphaltkennwerte proportionale Spurrinnentiefe, Hohlraumausfüllungsgrad und dynamische Stempeleindringtiefe beschafft.
Anschließend wurden die Daten einer statistischen Analyse unterzogen, mit der eine hohe Übereinstimmung der Ergebnisse der Untersuchungsjahre 2014 und 2015 belegt werden konnte.
Für die verschiedenen Prüfergebnisse wurden unterschiedliche Bewertungsansätze verfolgt.
Es wurden systematische Änderungen der Bindemitteleigenschaften durch die Kurzzeit- und die Langzeitalterung anhand der Änderung des Erweichungspunktes Ring und Kugel und der Nadelpenetration festgehalten.
Die BBR-Prüfdaten wurden anhand der Temperaturen TS300 und Tm0,3 bewertet.
Die DSR-Ergebnisse zeigen ein hohes Potential zur Differenzierung der Straßenbaubitumen auf. Hier konnten mit Hilfe der Äquisteifigkeitstemperatur und des entsprechenden Phasenwinkels Erfahrungswerte in Abhängigkeit von der Bitumensorte formuliert werden.
Für die Asphaltkennwerte proportionale Spurrinnentiefe, Hohlraumausfüllungsgrad und dynamische Stempeleindringtiefe wurden ebenfalls Erfahrungswerte formuliert.
Das derzeitige Standardlösemittel für die Bindemittelextraktion aus Asphaltmischgut ist Trichlorethen (Tri), dessen Verwendung jedoch bis 2023 befristet ist. Als Alternative wird das Lösemittel Tetrachlorethen (auch Perchlorethylen, kurz Per) bereits seit 2020 in der Werkseigenen Produktionskontrolle problemlos angewendet. Mit dem kürzlich abgeschlossenen Projekt FE 07.0301 wurde der Nachweis der Gleichwertigkeit von Per und Tri bei der Extraktion und Rückgewinnung geschaffen. Als letzter Schritt der Umstellung erfolgt mit diesem Projekt eine Erhebung von Daten, um die Präzision der Verfahren zu bestimmen. Damit kann der universelle Einsatz des Lösemittels in das Deutsche Regelwerk übernommen werden und Per steht auch für Kontrollprüfungen zur Verfügung.
Zur Ermittlung der Streumaße wurden 7 Mischgutsorten (AC 11 D S, SMA 8 S, AC 32 T N, AC 16 B S, PA 8, 2 x MA 8 S) mit unterschiedlichen Bindemitteln hergestellt und in 13 Laboren mittels Per extrahiert, das rückgewonnene Bindemittel analysiert und die Korngrößenverteilung bestimmt. Als Streumaße wurden die Spannweite der Einzelwerte, die Wiederholgrenze r und die Vergleichgrenze R ermittelt.
Für die folgenden Merkmale wurden im Ringversuch Streumaße berechnet:
• Bindemittelgehalt,
• Kenngrößen der Korngrößenverteilung,
• Erweichungspunkt Ring und Kugel am rückgewonnen Bindemittel,
• Elastische Rückstellung am rückgewonnenen Bindemittel (nur Polymermodifizierte Bindemittel) und
• Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren BTSV am rückgewonnenen Bindemittel.
Zusätzlich erfolgt im ISBS-Labor die Rückgewinnung mittels Trichlorethen als Referenz und für drei Asphaltsorten (AC 16 B S, PA 8 und ein MA 8 S) wurde das frische, das RTFOT-gealterte und das rückgewonnene Bindemittel mittels erweiterter Bitumenprüfungen untersucht, um mögliche Veränderungen oder Auffälligkeiten zu erkennen. Die Auswertung des Ringversuchs ergab folgende Ergebnisse:
• Für den Bindemittelgehalt liegen Wiederhol- und Vergleichpräzision im Wesentlichen unterhalb der Kennwerte der TP Asphalt, Ausnahme: Vergleichgrenze SMA 8 S und PA 8.
• Bei der Korngrößenverteilung bestätigen Füller-, Fein- und Sandanteil die Streumaße der TP Asphalt-StB.
• Beim Splittanteil werden die Streumaße im Wesentlichen bestätigt, Ausnahme: Vergleichgrenze AC 16 B S und Wiederholgrenze AC 32 T N.
• Die ermittelten Streumaße für den Grobkornanteil liegen alle deutlich unterhalb der Kennwerte der TP Asphalt-StB.
• Für den Überkornanteil werden die Anforderungen der TL Asphalt-StB bzw. ZTV Asphalt-StB statistisch abgesichert.
Bei den Bitumenprüfungen können die viskositätsveränderten Bitumen in die Aus-wertung einbezogen werden, da Ihre Ergebnisse keine Auffälligkeiten zeigen. Weiterhin beziehen sich die Streumaße der Prüfverfahren auf frische Bitumen. Die hier ermittelten Streumaße der Bitumenprüfverfahren liegen generell um einen Faktor von ca. 2 höher.
• Beim Erweichungspunkt Ring und Kugel können die Ergebnisse durch die Angaben der EN 12697-3 bestätigt werden, jedoch liegt die hier ermittelte Vergleichgrenze R höher.
• Bei der Elastischen Rückstellung können die ermittelten Streumaße als plausibel angesehen werden.
• Für das BTSV können die Streumaße der Polymermodifizierten Bitumen als plausibel angesehen werden, jedoch liegen die Streumaße der Straßenbaubitumen nahe des Bereichs der Polymermodifizierten Bitumen.
• Für den im BTSV ermittelten Phasenwinkel existieren keine Angaben zur Präzision. Mit dem Faktor von ca. 2 bei rückgewonnenen Bitumen ergibt sich hier als Abschätzung für die Wiederhol- und Vergleichgrenze: r = 0,59 ° und R = 2,88 °.
Die Ergebnisse der zusätzlichen Bitumenprüfungen lassen eindeutig erkennen, dass die Bitumeneigenschaften nach Rückgewinnung mit Per praktisch gleichzusetzen sind mit den Bitumeneigenschaften nach Rückgewinnung mit Tri und teilweise mit den Eigenschaften des mittels RTFOT kurzzeitgealterten Bitumen.
Im Wesentlichen bestätigen die hier ermittelten Streumaße die bisher in den Regelwerken angegebenen Verfahrenspräzisionen. Die in einigen Fällen verhältnismäßig hohe Vergleichpräzision kann der teilweise noch fehlenden Routine bei der Extraktion und Destillation zugeschrieben werden und sollte sich in Zukunft wieder minimieren. Änderungen im Regelwerk bzgl. der Streumaße werden nicht als notwendig angesehen. In allen Regelwerken, welche auf Tri Bezug nehmen, können diese Passagen gelöscht und Per als Lösemittel zur universellen Benutzung frei gegeben werden.
Damit kann ein nahtloser Übergang von den Extraktionen mit Trichlorethen auf Tetrachlorethen erfolgen, so dass die Qualitätssicherung weiterhin auf einem hohen Niveau betrieben werden kann.