620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Bindemitteldesign für Asphaltstraßen : Definition eines chemisch-rheologischen Anforderungsprofils
(2018)
Das Ziel dieses Projekts war das Auffinden von Zusammenhängen zwischen den chemischen Bitumeneigenschaften und dem rheologischen Verhalten, dem Alterungsverhalten sowie dem Haftverhalten des Bindemittels. Zum Erreichen dieses Ziels wurden zwölf Bitumenproben in unterschiedlichen Alterungszuständen und vier Gesteinsproben mit verschiedenen chemischen, rheologischen, physikalischen und haftbetreffenden Methoden untersucht. Bei der Gegenüberstellung der Prüfergebnisse konnte eine Vielzahl an bilateralen Korrelationen zwischen den einzelnen Kennwerten gefunden werden. Zusätzlich zu diesen bilateralen Zusammenhängen wurden weiterhin mithilfe von multiplen Regressionsanalysen Linearkombinationen erstellt, die durch eine kombinierte Berücksichtigung der Gehalte und der Molmassenmittelwerte Mn der SARA-Fraktionen die Beschreibung und Prognose einer Vielzahl von Kennwerten ermöglicht. Zu diesen Kennwerten zählen neben den rheologischen Prüfgrößen, wie dem Erweichungspunkt, der Nadelpenetration sowie dem komplexen Schermodul |G*| und dem Phasenwinkel δ, auch die Alterungsindices dieser Prüfgrößen. Somit können anhand der SARA-Fraktionen im nicht gealterten Zustand Aussagen über das Alterungsverhalten der Bitumen getroffen werden. Neben der Rheologie und dem Alterungs-verhalten ist zudem eine Beschreibung des Haftverhaltens möglich, wobei neben den SARA-Fraktionen als Gesteinskennwerte weiterhin der Siliziumdioxidgehalt sowie der isoelektrische Punkt zu berücksichtigen sind. Zudem konnte durch die Umstellung der gefundenen Linearkombinationen ein synthetisches Bindemitteldesign abgeleitet werden, sodass durch die Vorgabe der angestrebten rheologischen, alterungsbedingten und haftungsbedingten Kennwerte die zum Erreichen dieser Kennwerte erforderlichen Gehalte der SARA-Fraktionen ermittelt werden können.Dies ermöglicht die Modifizierung von Bitumenzusammensetzungen, um eine gezielte Beeinflussung der Bindemitteleigenschaften zu erreichen.
Im Hinblick auf die prozessbezogenen Beiträge nicht-motorischer Partikelemissionen durch Abriebs- und Aufwirbelung existieren derzeit lediglich Studien, die an stark belasteten Innerortsstraßen oder in Tunneln durchgeführt wurden. Für die Emissionen von Autobahnen konnten die so gewonnenen Ergebnisse daher nicht ohne Weiteres als repräsentativ für die wesentlich häufiger anzutreffende Situation frei angeströmter Autobahnabschnitte betrachtet werden. Um diese Wissenslücke zu schließen, wurden im vorliegenden Projekt an der Autobahn A61 für mehr als 1 Jahr Luv-Lee Messungen durchgeführt. Mittels der NOx-Tracer-Methode wurden die in Tabelle 16 des Berichtes wiedergegebenen partikelmassen-bezogenen Emissionsfaktoren (EFs) ermittelt. Die EFs für PM10 sind mit Ergebnissen anderer Studien aus Deutschland beziehungsweise der Schweiz gut vergleichbar, während sich für die PM1-10-Fraktion geringere EFs ergaben, als aktuell angenommen. Mittels der Positiv-Matrix-Faktorisierung konnten neben den motorischen Emissionen vier nicht-motorische Quellfaktoren identifiziert und quantifiziert werden. Dabei zeigte sich neben einem deutlichen Einfluss durch Tausalzausbringung insbesondere die Relevanz von Bremsabrieb Diese Ergebnisse bestätigen somit auch für freiliegende Autobahnabschnitte die Signifikanz der nicht-motorischen Partikelemissionen für die PM10-Emissionen.
Es wurde eine Datenauswertung von Schadstoffgehalten in Bankettmaterial an 840 Proben und 40 Parametern durchgeführt. Bei getrennter Betrachtung der Straßentypen zeigen sich Autobahnen als die am stärksten belasteten Straßen. Hier ist für Blei, Cadmium, Kupfer und Zink sowohl bei den Feststoffgehalten als auch bei den Eluatgehalten ein deutlicher Unterschied zu den deutlich weniger belasteten Bundes-, Landes- und Kreisstraßen zu sehen. Die Vorsorgewerte vieler Stoffe sind an Autobahnen deutlich häufiger überschritten. Bei den anderen Schwermetallen tritt dieser Unterschied nicht in Erscheinung. Die Feststoffgehalte der organischen Schadstoffe PAK, MKW, PCB und EOX überschreiten häufig die Vorsorgewerte. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass 95% der Eluatkonzentrationen von Blei, Zink und Cadmium ebenso wie von Chlorid, Sulfat, Cyanid, Arsen, Nickel, Chrom und Quecksilber die Geringfügigkeitsschwellen und Prüfwerte für Sickerwasser unterschreiten. Bei Kupfer dagegen wird die Geringfügigkeitsschwelle auch bei niedrigen Verkehrsstärken oft überschritten, und bei den Autobahnen liegen mehr als 50% der Messwerte oberhalb des Z0/Z0*-Wertes für die uneingeschränkte Verwertung von Bodenmaterial. Über 90% der Kupfer-Eluatwerte unterschreiten jedoch den derzeit gültigen Prüfwert der Bodenschutzverordnung. Auf Anregung des UBA wurden Säulenversuche mit feldfrischem Bankettmaterial durchgeführt. Es ist vorgesehen, diese Methode zukünftig zur Bewertung der löslichen Schadstoffanteile in Böden und mineralischen Abfällen anzuwenden. Die Versuche zeigten eine sehr starke Bindung der PAK und aller Schwermetalle außer Kupfer an das Bankettmaterial. Die Geringfügigkeitsschwellen der LAWA werden von allen Stoffen außer Kupfer eingehalten. Eine vergleichende Auswertung von Labor- und Felduntersuchungen zur Reinigungsleistung von Straßenbankettböden und Entwässerungseinrichtungen zeigte für MKW, PAK und alle Schwermetalle sehr guten Rückhalt der eingetragenen Konzentrationen und Frachten mit Wirkungsgraden von 70 bis 95%. Kupfer erreichte in Sandböden nur einen Fracht-Wirkungsgrad von 50 %, die Konzentrationen im Sickerwasser überschritten jedoch nicht die Prüfwerte der Bodenschutzverordnung. Anhand dieser Informationen wurden problematische Stoffe in Bankettmaterial identifiziert. Das sind Kupfer, polychorierte Biphenyle (PCB) und extrahierbare halogenierte Kohlenwasserstoffe (EOX). Die Recherche möglicher Ursachen ergab, dass der Abrieb von kupferhaltigen Bremsbelägen die Hauptquelle für hohe Kupfergehalte und wahrscheinlich auch für die hohen eluierbaren Anteile im Bankett ist. Er ist nach Angaben des UBA und der EU-Kommission auch eine Hauptquelle für Kupferemissionen insgesamt. Eine vergleichbar eindeutige Quelle konnte für die hohen PCB- und EOX-Konzentrationen mancher Bankettproben nicht gefunden werden. Das belastete Material emittiert nicht, sondern bindet weiterhin Schadstoffe. Die partikulären Stoffe im Straßenabfluss tragen zum Erhalt der Schadstoffbindungsfähigkeit in den Banketten bei. Insofern steht einer weiteren Verwendung oder Verbleib im Bankett durch Umlagerung lediglich die umstrittene Einstufung als zu entsorgender Abfall entgegen, nicht jedoch die Funktionsfähigkeit in Bezug auf die Reinigungsleistung. Quellen und Rückhalthaltevermögen des Banketts für PCB und EOX sollten geprüft werden. Die Emissionen von Kupfer aus dem Straßenverkehr sollten deutlich gesenkt werden.
Der Reifenabrieb ist eine der mengenmäßig größten Quellen für Staubemissionen des Straßenverkehrs. Das betrifft vor allem sedimentierbaren Staub, aber auch Feinstaub, diesen in sehr viel geringeren Mengen. Menge, Qualität und Herkunft der Stoffeinträge in den Straßenseitenraum sollten genauer bestimmt werden, um Ansätze für Minderungsmaßnahmen zu zeigen. Für die entstehende Menge an Reifenabrieb lagen verschiedene Schätzungen vor, über die Schadstoffgehalte gab es bisher nur wenige Informationen, insbesondere zu anderen Metallen als Zink. Es wurden aufgrund von Markenverteilung, Größen, Einsatzbereich und Zustand 65 Pkw-Reifen der Jahre 1980 bis 2003 ausgewählt. Die Gewinnung der Reifenproben erfolgte mit einer Reifenschälmaschine. In Anlehnung an eine Methode zum Aufschluss von Bitumen wurde von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine stark oxidierende rückstandsfreie Aufschlussmethode entwickelt. Die Elemente Al, As, Cr, Cu, Fe, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, V und Zn wurden aus der Aufschlusslösung mittels Optischer ICP-Emissionsspektrometrie (ICP-ÖS) quantitativ bestimmt, Cd mit Graphitrohr-Atomabsorptionsspektrometrie (AAS). Die Massenanteile der Hauptkomponenten der Proben wurden mit einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) nach DIN 51006 bestimmt. Die Auswertung ergibt, dass wie vermutet Zink in teilweise sehr hohen Konzentrationen eingesetzt wird, aber auch, dass Cadmium und Blei im Vergleich zum verbreiteten Elementverhältnis Cd/Zn und Pb/Zn in Reifenmaterial mit geringeren Anteilen vorkommen. Dementsprechend sind die hier erstmals ermittelten emittierten Cadmiumfrachten aus Reifenabrieb geringer als zu erwarten war. Kupfer- und Bleiemissionen aus Reifenmaterial wurden nach Literatur- und Herstellerangaben als problematisch eingeschätzt. Dies kann anhand der vorliegenden Messungen und Abschätzung der emittierten Mengen nicht bestätigt werden. Ebenso wurden keine bedenklichen Emissionen der anderen untersuchten Elemente gefunden. Der zeitliche Verlauf der Konzentrationen von Zink und Cadmium in den Reifenlaufflächen bildet mit einer seit den 1980er Jahren leicht sinkenden Tendenz die Bemühungen um geringere Zinkemissionen ab. Im Zeitverlauf sinkende Rußanteile und steigende Glührückstände zeichnen den zunehmenden Einsatz neuer Füllermaterialien wie Silica nach. Auf Basis der Gesamtabriebmenge von 111.420 Tonnen pro Jahr in Deutschland kann die Freisetzung von circa 1.530 Tonnen leichtflüchtiger Substanzen und 22.000 Tonnen flüchtiger Substanzen pro Jahr abgeschätzt werden. Den größten Massenanteil machen die Gummi- und Polymeranteile mit etwa 43.000 Tonnen und Ruß mit etwa 38.000 Tonnen aus. Die emittierte Metallmenge von 1.375 Tonnen pro Jahr besteht hauptsächlich aus Zink. Die hier abgeschätzte Zinkemission von 1.205 Tonnen pro Jahr und Cadmiumemission von 180 kg pro Jahr aus sedimentierbaren Stäuben basiert auf der ermittelten Reifenabriebmasse von 111.420 Tonnen pro Jahr. Diese Masse beinhaltet Lkw- und Pkw-Abrieb, dieser beträgt jedoch nur etwa die Hälfte. Die wenigen Angaben zur Zusammensetzung des Reifenabriebs von Lkw-Reifen lassen um 60 - 80 Prozent höhere Konzentrationen an Blei und Zink erwarten, sodass die Abschätzung an der Untergrenze der tatsächlichen Emissionen liegt. Die Rolle der Ruß- und Gummibestandteile der Abriebe als organischer Bestandteil der Straßenrandböden sollte näher untersucht werden. Es sollte vor dem Hintergrund der EU-Wasserrahmenrichtlinie geklärt werden, ob Bankette und straßennahe Böden sowie die im Straßenbauregelwerk vorgesehenen Entwässerungseinrichtungen auch für bisher wenig untersuchte Stoffe eine ausreichende Reinigungsfunktion haben.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) führt im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) die Eignungsprüfung für Straßenmarkierungssysteme durch. In zunehmendem Maß werden Straßenmarkierungsfolien als vorgefertigte Markierungssysteme zur Prüfung vorgelegt. Die BASt hat ein Prüfkonzept zur Identifizierung eignungsgeprüfter Foliensysteme auf Basis moderner analytischer Verfahren entwickelt. Das Ziel ist, der auftraggebenden Stelle die Identitätsüberprüfung von Straßenmarkierungsfoliensystemen zum eignungsgeprüften Urmuster zu ermöglichen.
Untersuchungen an in situ gealterten Kunststoffdichtungsbahnen aus Abdichtungen von Straßentunneln
(2011)
Tunnel in Spritzbetonbauweise werden in der Regel mit einem Abdichtungssystem aus Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) gegen das anstehende Bergwasser abgedichtet. Zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit aber auch der Verkehrssicherheit (z.B. Gefahr der Glatteisbildung in undichten Tunneln) müssen die Tunnelabdichtungen aus KDB dabei über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerks von in der Regel 100 Jahren zuverlässig Ihre Funktion erfüllen. An der Entwicklung von Prüfverfahren zum Nachweis dieser Nutzungsdauer wird zurzeit national und international intensiv geforscht. Zur Verifizierung und Kalibrierung dieser Prüfverfahren können Untersuchungen an in situ gealterten KDB-Proben aus bestehenden Straßentunneln sehr nützlich sein. Im vorliegenden Beitrag werden erste Ergebnisse der Untersuchungen zu Materialeigenschaften von ausgebauten KDB Proben aus älteren Straßentunneln vorgestellt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden bereits zahlreiche Materialproben aus bestehenden Straßentunneln, die aktuell bautechnisch nachgerüstet werden, entnommen und untersucht. Bei der Entnahme der KDB-Proben wurde parallel auch die Bergwassertemperatur gemessen und an Bergwasserproben der Chemismus analysiert. Soweit möglich wurden die Produktdaten des Anlieferungs- bzw. Einbauzustandes beim Hersteller oder Bauherrn recherchiert, um so die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften durch die in situ Alterung bewerten zu können. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften nach Alterung wurden mit den Anforderungen damals gültiger und aktueller Regelwerke verglichen.
Zur Erhöhung des Verformungswiderstandes von Asphaltbefestigungen ist eine Vielzahl von Produkten entwickelt worden, welche dem Bitumen erst an der Mischanlage zugegeben werden können. Da deren Praxisverhalten aber oftmals noch nicht hinreichend bekannt ist, wurde auf einem Streckenabschnitt der BAB 1 bei Euskirchen eine Versuchsstrecke zur Erprobung der Additive eingerichtet. Fazit nach vier Jahren Nutzungsdauer ist, dass die untersuchten Produkte in Verbindung mit einem nicht-modifizierten Straßenbaubitumen grundsätzlich als vergleichbare Bindemittelalternative verwendbar sind. Die separate Zugabe an der Mischanlage hat jedoch i. a. einen höheren Aufwand zur Folge, so dass der Einsatz sich insbesondere für Sonderanwendungen (z. B. Kleinmengen oder Mischgut mit höherer Modifizierung) eignet. Für die Anwendungen wird eine objektbezogene, aussagekräftige erweiterte Eignungsprüfung als zwingend notwendig angesehen. Bei großflächigen Anwendungen sollte aufgrund der noch nicht eindeutig dokumentierten gleichmäßigen Verteilung der Produkte und des noch fehlenden quantitativen Nachweises den gebrauchsfertigen PmB der Vorzug gegeben werden. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die Erprobungsfelder zwar in einem Autobahnabschnitt der Bauklasse SV liegen, die Verkehrsbelastung aber noch deutlich unter den besonders hoch belasteten Autobahnabschnitten in Nordrhein-Westfalen liegt. Auf der Erprobungsstrecke ist somit die Gefahr einer vergleichsweise schnellen Spurrinnenbildung nicht besonders hoch.
Bei der weiteren Erprobung des Bohrverfahrens an Brückenbauwerken traten praktische Schwierigkeiten an einzelnen Gerätekomponenten auf, so dass insbesondere die Bohrkrone hinsichtlich ihrer Schnittleistung, der Bohrantrieb und die Schneideigenschaften und das Verschleissverhalten der Diamantbohrkrone hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit überarbeitet werden mussten. Zur Beurteilung der Betonqualität im oberflächennahen Bereich ist zusätzlich eine Kleinverpressanlage zum Verpressen der Kleinbohrkerne mit einem Spezialharz entwickelt worden. Die verpressten und ausgehärteten Proben werden in Scheiben geschnitten, und die Schnittflächen können dann unter dem Mikroskop beobachtet, angesprochen und fotografiert werden. Die Dichtheit der Betondeckung ist ein wesentliches Kriterium für die Korrosionswahrscheinlichkeit der Bewehrung. Auf der Grundlage des Zustandes der Bohrkerne lässt sich recht gut auf die Eigenschaften und Qualität des Betons hinsichtlich der Bindung des Zuschlages in der Zementsteinmatrix und der Festigkeit sowie auf die Intensität der Nachbehandlung schließen. Wenn man in Betonen unterschiedlicher Nachbehandlungs-Qualität mit jeweils demselben Bohrgerät und unter den jeweils selben Bedingungen Kleinbohrkerne zieht, erhält man bei gut nachbehandelten und dichten Betonen überwiegend ungestörte Proben. Bohrkerne aus nicht beziehungsweise schlecht nachbehandeltem Beton zerfallen in der Regel in mehrere Einzelteile. Im Zustand der Karbonatisierung ist die Dichtheit der beiden Teilschichten der Passivierung nicht mehr gegeben, weil die Passivierungsschicht "löchrig" wurde. Die Korrosion des Stahls beginnt. Durch pH-bedingte Fehlstellen in der Passivierung ergibt sich eine Abhängigkeit des chloridinduzierten Korrosionsfortschrittes. Bei der Betrachtung der Bewehrungskorrosion infolge Chloridbelastung sind sowohl die Betondeckung und deren Dichtigkeit als auch die chemische Grenzflächensituation des Stahls zu berücksichtigen. Ist die Betondeckung bis zur Passivierungsschicht karbonatisiert, erhöht sich aufgrund der "undichten" Passivierungsschicht die Korrosionsgeschwindigkeit infolge Cl-Eindringens. Somit ist also die chloridinduzierte Korrosion sowohl vom Cl-Gehalt im Beton als auch vom pH-Wert des Betons abhängig; je höher der pH-Wert ist, desto geringer ist selbst bei hohen Chloridgehalten das Korrosionsrisiko. Ein ausreichend dichter Beton, der nicht stark austrocknen kann, verhindert den beschriebenen Korrosionsablauf zusätzlich, weil er mögliche Feucht/Trocken-Wechsel an der Passivierungsgrenzfläche reduziert. Bei diesem Vorgang wird aus dem neutralen trockenen Metallsalz bei der Befeuchtung eine Säure (Aquosäurenbildung) mit zusätzlichem Korrosionspotenzial. Zusätzlich wird die Bilden von Eisenoxyd aus dem Eisenchlorid durch die Sauerstoffdiffusionsreduzierung des dichten Betons sehr stark herabgesetzt beziehungsweise vollständig unterbunden.
Das MES-93 ist ein Merkblatt für die Entnahme von Strahlschuttproben an korrosionsgeschützten Stahlbauten vor erforderlichen Ausbesserungs- oder Erneuerungsmaßnahmen. Sie gilt in Verbindung mit ZTV-KOR 92. Der Bericht enthält den Anwendungsbereich des Merkblattes, die Anforderungen an den Auftragnehmer für die Entnahme von Strahlschuttproben nach MES-93, die zu beachtenden Schwerpunkte bei der Durchführung der Arbeit, die zu erstellende Dokumentation sowie die zu beachtenden Normen und sonstigen Regelwerke.