620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Nachstreumittelgemische von Fahrbahnmarkierungen sind sicherheitsrelevante Bestandteile der Straßenausstattung. Für ausreichende Funktionalität und Dauerhaftigkeit bestehen Anforderungen an deren Partikelgrößenverteilung sowie Form-, Transparenz- und Oberflächeneigenschaften. Ein Ziel dieser Forschungsarbeit war es, eine optimierte granulometrische Kennzeichnung durch Adaption eines digital-optischen Messverfahrens zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel bestand darin, chemisch-analytische Verfahren zur Analyse von Beschichtungen auf derartigen Partikeln zu entwickeln. Das Ergebnis der Forschungsarbeit soll einen Beitrag zur Weiterentwicklung des Untersuchungs- und Qualitätssicherungsinstrumentariums innerhalb des technischen Regelwerkes liefern. Grundlage der Verfahrenserarbeitung und -validierung stellten repräsentative handelsübliche Nachstreumittelgemische und deren Ausgangsmaterialien für Fahrbahnmarkierungen des Typs 1 und 2 dar. Es konnte gezeigt werden, dass digital-optische Messverfahren differenzierendes Potenzial mit höherer Präzision zur verbesserten granulometrischen Kennzeichnung derartiger Materialien aufweisen. Die Rückführbarkeit auf das konventionelle Siebverfahren ist herstellbar. Mittels quantifizierbarer Form- und Transparenzparameter bietet die Methodik auch weiterführende Optionen zur Gütekennzeichnung in Anlehnung an die DIN EN 1423. Eine identifizierende Kennzeichnung von Partikelgemischen mit direkter Rückführbarkeit auf mechanische und lichttechnische Gebrauchseigenschaften ist mit der neuen Methodik möglich. Darüber hinaus wurde eine Mess- und Auswertemethodik auf Basis der Form- und Transparenzkennwerte erarbeitet, mit deren Hilfe eine nachträgliche Differenzierung bzw. Separation der Einzelphasen in der Mischungszusammensetzung eines Nachstreumittelgemisches ermöglicht wird. Die Ergebnisse wurden jeweils aus Relativvergleichen der Einzeluntersuchung aller beteiligten Materialien und dem fertigen Nachstreumittelgemenge abgeleitet. Es wird empfohlen, sowohl die Reflex- als auch Griffigkeitsmittelgemenge sowie das entsprechende Nachstreumittelprodukt einzeln unter Erfassung aller Form- und Transparenzparameter zu kennzeichnen. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Methodik weiteres Gütesicherungspotenzial aufweist. Auch die erarbeiteten Analyseverfahren zur Kennzeichnung von Oberflächenbeschichtungen (TOF-SIMS; Headspace-GC/MS; HTD-GC/MS) sind jeweils Relativverfahren, das heißt, es werden für eine Zuordnung vorab Referenzproben von beschichtetem und nicht beschichtetem Nachstreumittel respektive eine Referenz des Coatings benötigt. Eine sehr vorteilhafte weitere Analyseoption kann von einem oberflächenanalytischen Untersuchungsansatz (Zeta-Potenzial) erwartet werden. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen Optionen für verbesserte Gütesicherheit auf. Sie liefern wissenschaftlich-technische Grundlagen für die entsprechende Weiterentwicklung des technischen Regelwerkes.
In dem Projekt "Kornformbeurteilung mit dem optischen Partikelmessgerät Camsizer-®" sollte geprüft werden, inwieweit es möglich ist, Brech- und Natursande der Korngröße 0,063 bis 2 mm zu unterscheiden und charakteristische Kornformmerkmale zu bestimmen. Dafür wurden neben konventionellen Prüfverfahren, wie die Korngrößenverteilung und der Fließkoeffizient, Messungen mit dem optischen Messgerät "Camsizer-®" der Firma Retsch Technology durchgeführt. Mit dem Messgerät ist es möglich die Partikelverteilung als auch die Kornform von trockenen und rieselfähigen Schüttgütern festzustellen. Zur Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist es jedoch erforderlich die Genauigkeit des Prüfverfahrens zu überprüfen. Dafür wurden die Richtigkeit und die Präzision der Messungen überprüft. Zur Einschätzung der Richtigkeit des Messverfahrens wurden die mittlere Partikelverteilung der "Camsizer-®"-Messung und die konventionelle Sieblinie nach DIN EN 933-1 als Bezugsgröße gewählt. Es konnte an Hand von vier Sandproben eine zufriedenstellende Übereinstimmung festgestellt werden. Zur Einschätzung der Präzision des Messverfahrens wurden die Übereinstimmung der Partikelverteilung und die Formparameter der Sphärizität je Teilprobe betrachtet. Die festgestellte Übereinstimmung war groß. Daher ist die Genauigkeit des Prüfverfahrens positiv einzuschätzen. Die Hauptuntersuchungen wurden an 69 Brech- und Natursandproben durchgeführt. Als Bewertungsgrundlage wurde zunächst der Fließkoeffizient ermittelt und die Korngrößenverteilung nach DIN EN 933-1 bestimmt. Mit dem optischen Messgerät wurden vier Teilproben je Sand gemessen. Aus den Einzelwerten der Teilprobe wurden die mittlere Partikelverteilung bzw. für die Formparameter der Sphärizität, der Symmetrie oder des Breiten-/Längenverhältnisses die "kennzeichnenden Formkenngrößen" bestimmt. Die Prüfergebnisse wurden statistisch unter Beachtung von Messunsicherheiten ausgewertet. Die Partikelmessungen mit dem optischen Partikelmessgerät zeigen, dass es möglich ist, anhand von Formparametern und der Partikelgrößenverteilung, Kornformeigenschaften von feinen Gesteinskörnungen festzustellen. Es ist jedoch nicht möglich, eindeutige Unterscheidungsmerkmale zwischen Brech- und Natursand festzulegen. Da sich in der Praxis Brechsande für den Einsatz im Asphalt bewährt haben, ist für die Praxis von Interesse, bei welchen Parametern es sich um zweckmäßige Einflussgrößen handelt und wie die unterschiedlichen Formkenngrößen sich in Gemischen aus Gesteinskörnungen, Asphalten oder Betonen auswirken.
Zur Untersuchung des Tragverhaltens von Pflasterbefestigungen und ihrer möglichen Optimierung wurden Großversuche an einer Straßenprüfmaschine sowie Laborversuche sowohl unter dynamischer als auch statischer Beanspruchung durchgeführt. Neben einer Modifizierung von Druckschwell- und Spreizversuchen wurde auch ein neues Verfahren - der Pflasterscherversuch - entwickelt, mit dem der horizontale Verschiebungswiderstand von verdichteten Pflasterdecken mit vergleichsweise geringem Aufwand ermittelt werden kann, indem das Pflaster auf der Bettung unter kontinuierlicher Erfassung des Kraft-Verformungsverhaltens abgeschert wird. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen konnte der Einfluss der einzelnen Komponenten einer Pflasterdecke - Pflastersteine, Bettung, Fugen und Verband - auf deren vertikalen Verformungs- und horizontalen Verschiebungswiderstand ermittelt werden. Insgesamt wurde festgestellt, dass die Tragfähigkeit einer Pflasterbefestigung maßgeblich durch die Steifigkeiten der einzelnen Schichten beeinflusst wird. Um die Steifigkeit der Pflasterdecke selbst zu erhöhen, sind Mineralstoffe mit hohem Scherwiderstand und ausreichender Kornfestigkeit zu verwenden (beispielsweise gebrochene Gemische der Körnung 0/8 mm) und die Bestandteile der Pflasterdecke so zu kombinieren, dass eine möglichst große Verbundwirkung zwischen den einzelnen Pflastersteinen entsteht. Dem gegenüber wird die Standfestigkeit bei horizontaler Beanspruchung größtenteils durch eine ausreichende Einbettung der Pflastersteine in das Bettungsmaterial (zum Beispiel mit einer Bettung der Körnung 0/5 mm) und einen möglichst hohen Reibungswiderstand zwischen den Mineralstoffen von Bettung und Fuge einerseits und den Pflastersteinen andererseits sowie eine lastverteilende Anordnung der Steine positiv beeinflusst. Um den Aufbau einer Pflasterdecke im jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren, können im Rahmen von Voruntersuchungen der vertikale Verformungswiderstand von Bettungs- und Fugenmaterialien vereinfachend mit einem Druckschwellversuch unter behinderter Seitendehnung sowie der horizontale Verschiebungswiderstand einer Decke mit dem neu entwickelten Pflasterscherversuch überprüft werden.
Zur Untersuchung des Tragverhaltens von Pflasterbefestigungen und ihrer möglichen Optimierung wurden Großversuche an einer Straßenprüfmaschine sowie Laborversuche sowohl unter dynamischer als auch statischer Beanspruchung durchgeführt. Neben einer Modifizierung von Druckschwell- und Spreizversuchen wurde auch ein neues Verfahren - der Pflasterscherversuch - entwickelt, mit dem der horizontale Verschiebungswiderstand von verdichteten Pflasterdecken mit vergleichsweise geringem Aufwand ermittelt werden kann, indem das Pflaster auf der Bettung unter kontinuierlicher Erfassung des Kraft-Verformungsverhaltens abgeschert wird. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen konnte der Einfluss der einzelnen Komponenten einer Pflasterdecke - Pflastersteine, Bettung, Fugen und Verband - auf deren vertikalen Verformungs- und horizontalen Verschiebungswiderstand ermittelt werden. Insgesamt wurde festgestellt, dass die Tragfähigkeit einer Pflasterbefestigung maßgeblich durch die Steifigkeiten der einzelnen Schichten beeinflusst wird. Um die Steifigkeit der Pflasterdecke selbst zu erhöhen, sind Mineralstoffe mit hohem Scherwiderstand und ausreichender Kornfestigkeit zu verwenden (beispielsweise gebrochene Gemische der Körnung 0/ 8 mm) und die Bestandteile der Pflasterdecke so zu kombinieren, dass eine möglichst große Verbundwirkung zwischen den einzelnen Pflastersteinen entsteht. Demgegenüber wird die Standfestigkeit bei horizontaler Beanspruchung größtenteils durch eine ausreichende Einbettung der Pflastersteine in das Bettungsmaterial (zum Beispiel mit einer Bettung der Körnung 0/5 mm) und einen möglichst hohen Reibungswiderstand zwischen den Mineralstoffen von Bettung und Fuge einerseits und den Pflastersteinen andererseits sowie eine lastverteilende Anordnung der Steine positiv beeinflusst. Um den Aufbau einer Pflasterdecke im jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren, können im Rahmen von Voruntersuchungen der vertikale Verformungswiderstand von Bettungs- und Fugenmaterialien vereinfachend mit einem Druckschwellversuch unter behinderter Seitendehnung sowie der horizontale Verschiebungswiderstand einer Decke mit dem neu entwickelten Pflasterscherversuch überprüft werden
Es wurde nach aktueller Literatur zum Thema recherchiert und diese beschafft. Insbesondere wurden die für die Aufgabenstellung relevanten Dokumente der Arbeitsgruppe "Particle Measurement Programme" (PMP) ausgewertet. Das Suchergebnis bestand aus ca. 200 Literaturhinweisen. Davon wurden anhand der Titel und der Kurzfassungen die im Literaturnachweis des Hauptberichtes aufgeführten Publikationen ausgewählt und ausgewertet. Die wesentlichen Ergebnisse in komprimierter Form können wie folgt dargestellt werden: Neben den Auspuffemissionen nehmen beim Verkehr die Partikelemissionen infolge der Abriebe sowie der fahrzeuginduzierten Aufwirbelung, also die Nicht-Abgas Partikelemissionen, eine entscheidende Rolle ein. Häufig werden diese auch als Aufwirbelungs- und Abriebemissionen (AWAR) bezeichnet. Die Abriebe können dabei als direkte Emissionen wirken aber auch durch eine Zwischendeposition das Aufwirbelungspotenzial erhöhen. Die ausgewerteten Literaturen zeigen zudem auf, dass sehr komplexe Abhängigkeiten für die Partikelgrößen und die Menge emittierter Partikel infolge der Abriebe beobachtet wurden. Es sind verschiedene Tracersubstanzen für Reifen- und Bremsabrieb bekannt. Kupplungsabrieb scheint keine Relevanz zu haben. Toxikologische Untersuchungen weisen auf gesundheitliche Wirkungen der Abriebe hin, ohne dass es nach Ansicht der Autoren derzeit einen direkten (kausalen) Nachweis gibt. Es werden Reifenabrieben geringere nachteiligere Gesundheitseffekte zugesprochen als anderen Partikelanteilen (vor allem durch Dieselpartikel). Es wurde u.a. eine qualitative tabellarische Übersicht über die verfügbaren Messmethoden zur AWAR Messung erstellt. In dieser Tabelle wurden für die Bewertung jeweils die bestmöglichen Anwendungen zu Grunde gelegt. Zusammenstellungen von Partikelmessungen mit entsprechender Quellenangabe werden ebenso gegeben wie Bandbreiten von Partikelemissionsfaktoren.
Teil 1: Literaturauswertung: Da zur Zeit kein einheitliches Untersuchungskonzept zur Bestimmung des Einflusses der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten besteht, wurde eine Literaturstudie durchgeführt und mit dem Ziel ausgewertet, wissenschaftlich abgesicherte und eindeutige Erkenntnisse herauszuarbeiten. Die Literaturstudie erfolgte nach einem einheitlichen Schema z.B. hinsichtlich der Zielsetzung der Untersuchungen, der Art der Prüfung, der Art der Mischgutsorte, der Art der Asphaltzusammensetzung, der Art und Herkunft der Mineralstoffe, der Kornverteilung, des Bindemittelgehaltes etc. Da sich nur vier relevante Veröffentlichungen mit Asphalten aus Kiesedelsplitten auseinandersetzen und sich 14 auf Asphalttragschichten beziehen, wurde nach der Erfahrungssammlung aus dem bisherigen Stand der Prüfverfahren und Untersuchungsmethodik ein zielgerichtetes Konzept für eine Laboruntersuchung vorgeschlagen, die es ermöglichen soll, den Einfluss der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten zu quantifizieren und wissenschaftlich abzusichern. Es wurde festgestellt, dass dieser Einfluss bisher in keiner Literaturstelle wissenschaftlich haltbar und eindeutig beantwortet wurde. Es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass alle Einflussgrößen so genau erfasst und beurteilt werden können, dass daraus zielsicher auf die Standfestigkeit eines Asphaltes geschlossen werden kann. Was zur zielsicheren Herstellung von standfesten Asphalten fehlt, ist nicht das Mehr an gebrochener Oberfläche, sondern ein Prüfverfahren und die dazugehörigen Anforderungswerte, mit denen im Rahmen der Eignungsprüfung eine zuverlässige und praxisorientierte Beurteilung der Standfestigkeit von Asphalt möglich ist. Damit sollten auch Baustoffe und Baustoffgemische bestimmter Herkunft oder Zusammensetzung auf deren Eignung zur Herstellung standfester Asphalte zielsicher beurteilt werden können. Teil 2: Einfluss des Rundkornanteils auf die Scherfestigkeit von Gesteinskörnungen: Die Untersuchungen sollen zur Klärung beitragen, inwieweit Edelsplitte aus gebrochenem Kies mit unterschiedlichen Bruchflächenanteilen verwendet werden können, ohne die Verformbarkeit von Asphaltschichten wesentlich zu beeinflussen. Die Untersuchung wurde auf die bodenmechanische Fragestellung ohne Berücksichtigung des Einflusses des Bindemittels beschränkt. Verwendet wurden ungebrochene und gebrochene Terassenkiese vom Oberrhein, die im wesentlichen aus Quarzen, verschiedenen Kalksteinen, Kieselschiefern, Sandsteinen, kristallinen Gesteinen und dichten kieseligen Gesteinen bestehen. Es sind an Versuchsreihen mit unterschiedlich zusammengesetzten Korngemischen Dreiaxial- und CBR-Versuche bei verschiedenen Bruchflächenanteilen durchgeführt worden, um Beziehungen zwischen Druckspannungen bzw. CBR-Werten und Bruchflächenanteilen zu ermitteln. Für eine Versuchsreihe ist zudem die Beziehung zwischen dem Reibungswinkel j und dem Bruchflächenanteil bestimmt worden. Alle vier für die Überprüfung des Einflusses der Bruchflächen auf die Festigkeit von Korngemischen durchgeführten Versuchsreihen führen zu vergleichbaren ähnlichen Ergebnissen. Dreiaxialversuche wie auch CBR-Versuche zeigen mit zunehmendem Bruchflächenanteil ein Ansteigen der Druck- bzw. der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert, der im Bereich des Bruchflächenanteils von 50 % bis 75 % liegt. Größere Anteile an Bruchflächen ergeben bei gleichen Versuchsbedingungen keinen Anstieg der Festigkeitswerte. Diese Aussage gilt ausschließlich für die untersuchten ungebundenen Mineralgemische bei vergleichbaren Versuchsbedingungen. Inwieweit ein Bindemittel z.B. Bitumen, diese Erkenntnisse beeinflussen könnte, ist nur durch eine ergänzende Forschungsarbeit zu beantworten.
Luftverunreinigungen durch Partikel tragen zur Trübung der Atmosphäre und somit zu Sichtminderung bei, zeichnen sich aber ebenso durch ihr gesundheitliches Schadenspotenzial aus. Die EU-Richtlinie 1999/30/EG über Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft gibt daher seit 01.01.2005 für Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner 10 Mikrometer (PM10) einen Jahresmittelgrenzwert von 40 Mikrogramm/m3 und einen Tagesmittelgrenzwert von 50 Mikrogramm/m3 vor. Letzterer darf an maximal 35 Tagen pro Jahr überschritten werden. Zu den Partikelquellen, die durch menschliche Aktivitäten hervorgerufen werden, zählen insbesondere industrielle Prozesse wie Verbrennung und mechanische Zerkleinerung, Hausbrand, Landwirtschaft und Verkehr. Partikel können jedoch auch natürliche Ursachen haben wie zum Beispiel Pollen, Pilzsporen, Saharastaub, Vulkanasche oder Seesalzaerosole. Um zu erfahren, wie sich die Schadstoffbelastung durch Partikel an Bundesautobahnen entwickelt, wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen seit mehreren Jahren an zwei Standorten eine kontinuierliche Messwertaufnahme von Partikeln PM10 durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen werden vorgestellt. Um die an den Autobahnstandorten gemessenen Partikelkonzentrationen einordnen zu können, wird ein kurzer Vergleich mit den in zwei Büroräumen aufgezeichneten Innenraumkonzentrationen gegeben. Es zeigt sich, dass die Einhaltung der geforderten Grenzwerte an beiden stark frequentierten BAB-Standorten bisher keine Probleme aufwarf.
Das von der Generaldirektion (DG) XII der Kommission der EU geförderte Projekt umfasst drei Teile: (1) Eine Literaturstudie über mechanische Prüfungen an Gesteinskörnungen, die ergab, dass bei der Festigkeit der Los Angeles-Versuch als Referenzverfahren für Widerstand gegen Zertrümmerung geeignet ist. (2) Eine Serie von Ringanalysen (1993 bis 1997), die 20 Prüfverfahren zu 21 Eigenschaften von Gesteinskörnungen umfasste, unter Beteiligung von rund 50 europäischen Prüfstellen. Zu 19 Ringanalysen wurden ausführliche Berichte erstellt, die eine Beschreibung des Ringversuchs, eine statistische Auswertung einschließlich Versuchsergebnissen und die gewonnenen Präzisionsangaben enthielten. Die Berichte schlugen für einige Verfahren Verbesserungen vor und ermöglichten jeder teilnehmenden Prüfstelle, die eigene Leistung zu kontrollieren. Ein Ringversuch zur Petrographie wurde beschreibend ausgewertet. Ein Überblick über die Prüfverfahren mit dem Versuch einer Wertung ihrer Präzision wurde gegeben: Verfahren mit zufriedenstellender Genauigkeit wurden ebenso aufgezeigt wie solche, bei denen noch Schwierigkeiten vorhanden sind. Faktoren, die zur Streuung der Ergebnisse beitragen, wurden diskutiert und mögliche Verbesserungen vorgeschlagen. (3) Eine Studie über Probenahme unter unterschiedlichen Bedingungen untersuchte den Probenahmefehler, der durch Schwankungen der Produktion sowie durch die Probenahme selbst verursacht wird. 22 Probenahmen, von Transportbändern und verschiedenartigen Halden, die meisten in der Praxis vorkommenden Fälle umfassend, wurden durchgeführt. Die Proben unterschieden sich in Größtkorn, Kornabstufung und Art der Gesteinskörnung. An ihnen wurden insgesamt 575 Siebungen und 958 Ausleseversuche ausgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass, wenn der Probenahmefehler den Fehler des Prüfverfahrens nicht überschreiten soll, Sammelproben aus mindestens 15 Einzelproben bestehen sollten. Im Falle der Probenahme vom Band, die zu bevorzugen ist, stellt eine große Einzelprobe eine annehmbare Alternative dar, sofern die Produktion die Zusammensetzung der Körnung gut kontrolliert.