620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Bei der Entwicklung moderner Pkw werden erhebliche Anstrengungen unternommen, die Fahrerarbeitsplätze nach ergonomischen Gesichtspunkten zu gestalten. Bei Krafträdern finden diese Kriterien nur bedingt Anwendung. Die unzureichende ergonomische Gestaltung des Motorrad-Fahrerplatzes wurde am Institut für Kraftfahrwesen Aachen bereits vor etwa 20 Jahren umfassend untersucht, dabei wurden jedoch die Spiegelanordnung und das rückwärtige Sichtfeld nur am Rande analysiert. Die vorliegende Arbeit soll nun diesen Fragestellungen genauer nachgehen. Einleitend wird in einem ersten Arbeitsschritt der durch Literatur und aktuelle Gesetzgebung repräsentierte Stand der Technik bei Spiegelanordnungen untersucht. In einem zweiten Schritt werden mit einer geeigneten objektiven Messmethodik die seitlichen und rückwärtigen Sichtfelder von Kraftradfahrern ermittelt. Hierzu werden die am Markt angebotenen Fahrzeuge in die Klassen Tourenkrafträder, Sport-/Rennsportkrafträder, Geländekrafträder/Enduro, Chopper und Roller unterteilt. Aus jeder dieser Kategorien werden mindestens zwei repräsentative Fahrzeuge ausgewählt und auf die gegebenen Sichtverhältnisse hin untersucht. Zur Abschätzung der Abhängigkeit des rückwärtigen Sichtfelds von der Fahrerstatur werden diese Untersuchungen nacheinander mit zwei verschiedenen großen Fahrern (5 %-Frau und 95 %-Mann) mit typischer Motorrad-Schutzbekleidung auf der institutseigenen Teststrecke durchgeführt. Die Analyse ergibt, dass bei allen Fahrzeugen der Sichtwinkel bei circa 20 Grad liegt. Zur ausreichenden Erfassung des Verkehrs ist dieser Bereich zu gering; seitlich hinter dem Motorrad befindliche Fahrzeuge können nicht erkannt werden. Um einen vollständigen Überblick über das Verkehrsgeschehen zu erlangen, ist ein Schulterblick unerlässlich, der jedoch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten problematisch ist. In einem weiteren Schritt wird eine Lasermesspuppe entwickelt, mit der es möglich ist, die rückwärtigen Sichtverhältnisse anhand einer reproduzierbaren Prüfmethode zu untersuchen. An einem variablen Versuchsträger werden anschließend verschiedene Spiegelpositionen und -arten, darunter auch asphärische Spiegel, auf ihr Einsatzpotenzial hin untersucht. Diese Messungen werden zum einen mit der Lasermesspuppe und, zur Erlangung einer objektiven Vergleichsmöglichkeit, nach Angaben des Fahrers durchgeführt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden Verbesserungsvorschläge zur Spiegelanordnung sowie Mindestanforderungen an zukünftige Spiegelauslegungen formuliert. Die universelle Tauglichkeit des Lasermessverfahrens zur Anwendung bei verschiedenen Kraftradtypen wird anhand einer breiten Auswahl überprüft. Dieses Verfahren und die Erkenntnisse aus den vorhergehenden Arbeitsschritten dienen schließlich als Grundlage für einen Änderungsvorschlag zur Überarbeitung der aktuellen Gesetzesvorlage.
Es ist zu beobachten, dass trotz einer Abnahme der Zahl der Verletzungen und der Verletzungsschwere der Insassen bei Pkw-Unfällen Halswirbelsäulen (HWS)-Distorsionen, speziell im unteren Geschwindigkeitsbereich häufiger auftreten. Neben anderen Faktoren werden auch veränderte Beschleunigungs- und Verzögerungsimpulse, die im Crashfall auf die Insassen wirken, als möglicherweise ursächlich für die Entstehung von HWS-Distorsionen angesehen. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, welchen Einfluss konstruktive Veränderungen, die durch Versicherungseinstufungstests bedingt werden, auf die Beschleunigungs- und Verzögerungsimpulse im Fahrzeuginnenraum haben. Versuche zum Fußgängerschutz wurden einvernehmlich nicht durchgeführt, da die Fahrzeuge noch nicht konsequent nach Fußgängerschutzkriterien konzipiert werden. Die Untersuchungsmethode lässt sich gliedern in: - Analyse von internationalen Versicherungssystemen und Analyse der aus den Versicherungseinstufungstests resultierenden Veränderungen von Fahrzeugstrukturen; - Durchführung und Analyse von eigenen Aufprallversuchen mit Fahrzeugteilstrukturen und vergleichende Analyse von Vollfahrzeugversuchen der Versicherungswirtschaft; Zusammenführen der getätigten Schritte. Bei der Ersteinstufung eines Pkw in die Vollversicherung dient der Versicherungseinstufungstest des RCAR/AZT (Prüfgeschwindigkeit 15 km/h) zur Bestimmung der Schadenshöhe und damit zur Einstufung in eine Typklasse. In vielen weiteren Staaten dienen dieser oder ähnliche Tests zur Bewertung der Reparaturfreundlichkeit von Pkw. Um bei einem Versicherungseinstufungstest den Schaden möglichst gering zu halten, haben nahezu alle Neufahrzeuge Querträgersysteme mit kostenarm wechselbaren Absorptionselementen, die die Crashenergie gezielt auf kurzem Weg aufnehmen. Durch die neu EG-Richtlinie 2003/102/EG zum Fußgängerschutz müssen zukünftig hinter der Stoßfängeraußenhaut und vor dem massiven Querträger weiche Schäume untergebracht werden. Der Bauraum für Querträger und Energieabsorptionselemente wird dadurch weiter eingeschränkt. Diese Anforderungen veranlassen die Hersteller dazu, die Energieabsorptionselemente steifer zu gestalten, um einen effektiven Energieabbau bei kurzen Stopplängen zu gewährleisten. Durch diese Maßnahmen wird zwar der Insassenschutz bei Frontalaufprallen im Hochgeschwindigkeitsbereich verbessert, es werden aber zugleich höhere Innenraumverzögerungen (schnellerer Anstieg, höhere mittlere Verzögerung) bei Crashs im gesamten Geschwindigkeitsbereich erzeugt. Eine durchgeführte Korrelation zwischen konstruktiven Veränderungen am Fahrzeug und empirisch bestimmten Verzögerungsverläufen zeigte, dass eine günstigere Einstufung in der Fahrzeugvollversicherung nicht zwangsläufig höhere Verzögerungsimpulse für den Innenraum bedingen muss. Bei der Analyse von 172 Crashversuchen des Allianz Zentrums für Technik mit Neufahrzeugen aus den Jahren 1992 bis 2003 zeichnen sich aber statistisch bedeutsame ßnderungen in den Verzögerungsverläufen über die Prüfjahre ab: - Anstieg der Verzögerung wird steiler; - Mittelwert der Verzögerung wird grösser; - Zeitdauer bis zum Auftreten der maximalen Verzögerung wird kürzer; - dynamische Gesamtdeformation wird kleiner. Die steife Auslegung der für den Versicherungseinstufungstest relevanten Crashteile verbessert den Insassenschutz bei Hochgeschwindigkeitscrashs. Wenn es sich aber durch weitere Untersuchungen bestätigt, dass höhere Verzögerungs- beziehungsweise Beschleunigungsimpulse die Auftretenswahrscheinlichkeit von HWS-Verletzungen im Niedriggeschwindigkeitsbereich vergrößern, so sollten gezielt Maßnahmen zur Verringerung dieser Verletzungsrisiken ergriffen werden. Dazu gehören die weitere Optimierung der Sitzstrukturen einschließlich der Kopfstützen und die Entwicklung adaptiver Crashstrukturen, die dem Crashfall angepasste Kraft-Weg-Kennlinien ermöglichen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden wesentliche Grundlagen für eine zukünftige Kooperation zwischen dem öffentlichen Verkehrsmanagement und privaten Navigationsdiensteanbietern vorbereitet und entsprechende Maßnahmen zur Gewährleistung der Interoperabilität zwischen öffentlichem Verkehrsmanagement und individuellen Navigationsdiensten erarbeitet. Ein Ergebnis ist das vorgeschlagene "Strategische Konzept". Dieses basiert auf einer Darstellung von Potenzialen einer Kooperation und einer hieraus entwickelten zweckmäßigen Abstufung der Kooperationstiefe und der Integration von Verkehrsmanagement-Strategien in einen Navigationsdienst. Dabei stellen die öffentlichen Infrastrukturbetreiber abgestimmte dynamische Strategierouten als Bestandteil situationsbezogener öffentlicher Strategien bereit. Die privaten Navigationsdienstanbieter beziehen die öffentlichen Strategierouten in das individuelle Routing mit ein, wobei der Grad der Verbindlichkeit der Einbeziehung abhängig von der gewählten Ebene der Strategiekooperation ist. Parallel dazu wurde mit dem erarbeiteten "Technischen Konzept" der technische Weg der Erschließung von Leitempfehlungen aus den Systemen des strategischen Verkehrsmanagements zur Bereitstellung an individuelle Navigationsdienste konzipiert und praktisch validiert. Die grundsätzliche Eignung des erarbeiteten technischen Konzeptes auf Basis einer weiter entwickelten DATEX II-Extension zum strategischen Routing konnte so nachgewiesen werden. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass eine Kooperation in entsprechender Ausprägung ein großes Nutzenpotenzial für beide Seiten aufweist und bereits ohne einen sehr großen technischen Aufwand ein wirkungsvolles Ergebnis erzielt werden kann.
Im Rahmen der wissenschaftlichen Begleitung zum Feldversuch mit Lang-Lkw ist auch eine Untersuchung zu den Sicherheitsauswirkungen im Zusammenhang mit Überholvorgaengen gegen ueber Lang-Lkw durchgeführt worden. Wegen geringer Fallzahlen in der 1. Untersuchung zu Beginn wurde eine 2. Untersuchung gegen Ende des Feldversuchs durchgeführt. Wegen der geringen Anzahl an diesem Feldversuch teilnehmender Lang-Lkw, vor allem aber auch wegen des vorrangigen BAB-Einsatzes von Lang-Lkw und fehlender nennenswerter Streckenabschnitte auf Landstraßen, werden im Rahmen des FE-Vorhabens ausschließlich Messungen bzw. Beobachtungen durchgeführt, die vom Lang-Lkw selbst ausgehen. Mit ihnen wird das Annäherungs-, Ausscher-, Vorbeifahrt- und Einscherverhalten bei Überholvorgängen gegen über Lang-Lkw auf Landstraßen und Autobahnen erfasst. Auch aus den Analysen von über 543 UEberholungen gegen ueber Lang-Lkw (382) bzw. Vergleichs-Lkw (161) in der zweiten Untersuchungsphase lassen sich keine Indizien für ein erhöhtes Risiko beim Überholen von Lang-Lkw erkennen, auch wenn mittlerweile beide Lkw-Arten gleich schnell fahren. Die Verteilung der bei einem Teil dieses Kollektivs aus vollständigen Radar- und Videodaten ermittelten Sicherheitsabstände bei Überholungen von Lang-Lkw ist gegen ueber denen bei Vergleichs-Lkw bei allen relevanten Teilkollektiven günstiger. Auch höhere Beschleunigungen und kürzere Überholwege lassen vermuten, dass sich die Überholenden der Randbedingungen der längeren Lkw bewusst sind und darauf entsprechend reagieren. Da ein generelles Überholverbot für eigene Überholungen durch Lang-Lkw auf BAB zu mehr Doppel- und Mehrfach überholungen f ührt, bei der rechnerisch zu erwartenden Reduzierung von Lkw-Fahrten durch den Einsatz von Lang-Lkw sich die Anzahl der Ausschervorgänge aber nicht vergrössern würde, erscheinen die aufgrund von Mehrfach überholungen möglichen negativen Konsequenzen eines Überholverbots für Lang-Lkw auf Autobahnen grösser als die beabsichtigten Vorteile.
Für das Forschungsvorhaben wurden Performance-Kennwerte in den Phasen der Asphaltmischgutkonzeption, Asphaltmischgutproduktion und nach dem Asphalteinbau an 21 Baumaßnahmen für die Asphaltdeck-, -binder- und -tragschicht systematisch erfasst und ausgewertet. Als Performance-Kennwerte dienten die Ergebnisse aus den Prüfungen zur Steifigkeit, zum Widerstand gegen Kälterissbildung, zum Ermüdungs- und Verformungs-widerstand sowie zur Griffigkeitsentwicklung. Die Untersuchungen lieferten wichtige Erkenntnisse und Tendenzen bei einzelnen Performance-Kennwerten, die bereits jetzt für zwei methodische Ansätze zur Festlegung künftiger vertragsrelevanter Anforderungen genutzt werden konnten: Einerseits wurde ein Vorschlag für eine spezifische Kategorisierung von Performance-Kennwerten innerhalb der europäischen Normung aufgezeigt, andererseits konnte mit Hilfe multipler linearer Regressionsanalysen ein möglicher Weg zur Abschätzung von Performance-Kenngrößen der fertigen Schicht aus der Erstprüfung aufgezeigt werden, sodass Anforderungswerte vorab definiert werden können. Zudem zeigte sich, dass, auch wenn im Wesentlichen die Ergebnisse der konventionellen Asphaltkontrollprüfungen die Anforderungen der ZTV Asphalt erfüllen, es nicht sichergestellt ist, dass Nutzungsdauern von mindestens 30 Jahren erreicht werden können. Dies resultiert im Wesentlichen aus den Unterschieden der Performance-Kenngrößen der drei Phasen, vor allem der Ermüdungsversuche. Deshalb wurden für die Modifikation des Sicherheitskonzeptes für die rechnerische Dimensionierung zwei Ansätze vorgestellt. Es erscheint aber zwingend erforderlich, dass durch weitere Untersuchungen die erstellte Datenbank ergänzt wird. Zudem sollten die im Projekt untersuchten Strecken einer weiteren Beobachtung unterzogen werden, um den Prozess der Alterung erfassen zu können. Damit kann auch eine Validierung des Dimensionierungsverfahrens erfolgen.
Ziel des Forschungsvorhabens war es zu untersuchen, ob in verschiedenen Prüfstellen mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellte Asphalt-Probeplatten gleiche Eigenschaften aufweisen, damit z.B. verträgliche Ergebnisse für Performance-Prüfungen ermittelt werden können. Dazu wurde in 12 Prüfstellen ein Verfahrens-Audit durchgeführt, um eine einheitliche Vorgehensweise bei der Herstellung dieser Platten zu gewährleisten. Anschließend wurden aus verschiedenen Asphaltvarianten WSV-Platten hergestellt und an daraus gewonnenen Probekörpern umfangreiche Performance-Prüfungen durchgeführt. Die ermittelten Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist WSV-Platten mit verträglicher Raumdichte in unterschiedlichen WSV-Geräten sowie verschiedenen Prüfstellen herzustellen. Die Ergebnisse der Spurbildungs-, Druck-Schwell- und Zugversuche haben gezeigt, dass die WSV-Platten trotz ähnlicher Raumdichten nicht zwangsläufig verträgliche Ergebnisse im Versuch aufweisen und sich daher in verschiedenen Prüfstellen keine vergleichbaren Ergebnisse für diese Versuche ermitteln lassen. Lediglich bei den Abkühl- und Spaltzug-Schwellversuchen konnten verträgliche Ergebnisse erzielt werden. Für keine der ermittelten Kenngrößen der Performance-Prüfungen ließen sich Zusammenhänge mit der Raumdichte ermitteln. Somit lässt sich die Größe der Ergebnisse bei den Versuchen nicht auf unterschiedliche Größen der Raumdichten der Probekörper zurückführen. Da sich trotz geringer Unterschiede in den Raumdichten nur in ausgewählten Performance-Untersuchungen Unterschiede zeigen, ist davon auszugehen, dass die Streuungen in den Performance-Untersuchungen vornehmlich auf die Sensitivität dieser Versuche zurückzuführen sind. Das Verfahren zur Herstellung von Probekörpern für Performance-Prüfungen aus WSV-Platten scheint aufgrund der Gesamtheit der ermittelten Kenngrößen (Raumdichte, etc.), deren Aussehen, den Erkenntnissen aus dem Verfahrensaudit sowie der Performance-Prüfungen das richtige Verfahren zu sein.
Steigende Transportleistungen im Straßenverkehr stehen derzeit stagnierenden Investitionen in die Straßeninfrastruktur gegenüber. Aus der dadurch erhöhten Verkehrsdichte auf Bundesautobahnen folgt zwangsläufig, dass es zunehmend schwerer wird, die für Unterhaltungs- und Instandsetzungsarbeiten erforderlichen Fahrstreifensperrungen vorzunehmen, ohne dabei massive Störungen im Verkehrsablauf hervorzurufen. Daher war das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens, neue Empfehlungen zur Planung und Organisation von Arbeitsstellen kürzerer Dauer im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Stauvermeidung zu geben. Inhalt des ersten Teils ist die Erarbeitung praxisverwertbarer und standardisierter Maßnahmen zur Stauvermeidung für den Regelbetrieb in Autobahnmeistereien. Neben der Auswertung bereits vorhandener Forschungsergebnisse erfolgt auch ein Abgleich mit den internationalen Regelwerken zur Sicherung von Arbeitsstellen. Mit Hilfe von Feldversuchen werden die betrieblichen und verkehrlichen Auswirkungen solcher Maßnahmen erfasst und Hinweise für ihren Einsatz im Alltagsbetrieb gesammelt. In einem zweiten Teil werden die erhobenen Verkehrsdaten aus den Feldversuchen für die Berechnung der Reisezeitverluste an Arbeitsstellen kürzerer Dauer genutzt. Über ein mikroskopisches Simulationsmodell erfolgt eine Erweiterung der Datenbasis, ohne die negativen Konsequenzen von zusätzlichen Feldversuchen in Kauf nehmen zu müssen. Anschließend dient ein makroskopisches Simulationsmodell zur Ermittlung der auftretenden Zeitverluste im Vergleich der Fälle mit und ohne Einsatz von Maßnahmen zur Staureduktion. Der dritte und letzte Teil der Untersuchung führt die Ergebnisse zusammen und nimmt, auf der Grundlage einer Systematik zur objektiven Bewertung von Maßnahmen zur Staureduktion, eine Analyse und Beurteilung vor. Sie ist die Basis der am Schluss gegebenen organisatorischen Detail- und übergeordneten Strategieempfehlungen.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, Möglichkeiten einer ökonomisch tragfähigen energetischen Verwertung von Grünabfällen (Grasschnitt, Gehölzschnitt und Bankettschälgut) aus dem Straßenbetriebsdienst aufzuzeigen, zu diskutieren und Empfehlungen abzuleiten. Dazu wurden unter Berücksichtigung der stoffstromspezifischen, technischen, organisatorischen, rechtlichen, ökologischen und förderpolitischen Randbedingungen geeignete Verwertungswege dargestellt. Diese wurden hinsichtlich ihrer Kostenstrukturen grundlegend analysiert und bewertet. Zusätzlich wurde modellhaft für mehrere Straßenmeistereien, die günstige Ausgangsbedingungen für eine energetische Nutzung des Straßenbegleitgrüns aufwiesen, untersucht, wie und unter welchen Randbedingungen mögliche Konzepte einer energetischen Nutzung der anfallenden Grünabfälle (Einzellösungen, Verbundlösung, Kooperation mit Dritten etc.) wirtschaftlich tragfähig umgesetzt werden können. Datengrundlage bildeten die aus dem Straßenbetrieb erwarteten wie auch von der energetischen Nutzung geforderten Brennstoffmengen und -qualitäten, welche auf Literaturangaben, vielfältigen Umfragen sowie stichprobenartigen Laboruntersuchungen für Bankettschälgut beruhten. Die energetische Verwertung von Gehölzschnitt in meistereieigenen oder externen Biomasseanlagen stellt eine ökonomische Alternative gegenüber der bisherigen Entsorgung dar. Für Grasschnitt ist dies nur in Gemeinschaftsanlagen mehrerer Meistereien und unter optimalen ökonomischen Randbedingungen wirtschaftlich. Weiterhin fehlen für die externe Nutzung von Grasschnitt praktische und wissenschaftliche Erfahrungen mit diesem Material. Bankettschälgut ist für eine energetische Nutzung ungeeignet. Im Ergebnis erhalten die betroffenen Einrichtungen eine Unterstützung und Hilfestellung zur zeitnahen Umsetzung möglicher Konzepte einer energetischen Nutzung von Grünabfällen.
Ziel des Projektes "Griffigkeitsprognose an offenporigen Asphalten (OPA)" ist die Weiterentwicklung und Optimierung der angewendeten Messverfahren sowie die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Griffigkeitsprognose für offenporige Asphalte (OPA). Mit Ersterem sollen vor allem Erfahrungen mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM) auf offenporigen Asphalten zur Definition und Verbesserung entsprechender bauvertraglicher Regelungen gewonnen werden, während die anderen Messverfahren dazu dienen, die Verhältnisse "ins Labor" zu holen. Im Rahmen des ersten Teilprojektes "Bestandsaufnahme an vorhandenen Strecken" wurden Strecken zur Untersuchung ausgewählt, die bereits mehrere Jahre unter Verkehr lagen. Auf den Strecken wurden SKM-Messungen (Seitenkraftmessverfahren) sowie SRT-Messungen (Skid Resistance Tester) durchgeführt. Hinsichtlich der Ergebnisse der SRT-Werte wird deutlich, dass die Polierresistenz des Gesteins für die resultierende Griffigkeit der Fahrbahnoberfläche eine zentrale Rolle spielt. Die durchgeführten Untersuchungen zur Geschwindigkeitsabhängigkeit bei SKM-Messungen haben, im Gegensatz zu den Ergebnissen der dichten Beläge, bei den offenporigen Asphalten keine beziehungsweise eine nur sehr geringe Geschwindigkeitsabhängigkeit ergeben. Im Weiteren wurden Bohrkerne entnommen, an denen Messungen und Untersuchungen zur Griffigkeitsprognose mit dem Prüfverfahren nach Wehner/Schulze sowie Texturmessungen durchgeführt werden konnten. Bei den Ergebnissen der Griffigkeitsprognose zeigt der Vergleich der PWS-Werte mit den PSV der eingesetzten Gesteine eine deutlich erkennbare, den PSV entsprechende Reihung. Außerdem deuten die Ergebnisse eindeutig darauf hin, das bei einer Griffigkeitsprognose mit 90.000 Überrollungen Ergebnisse erzielt werden, die deutlich jenseits der Beanspruchungen aus achtjähriger Verkehrsbelastung liegen. Demzufolge ist davon auszugehen, dass eine maximale Überrollungsanzahl von 180.000 Überrollungen für eine Griffigkeitsprognose in jedem Fall ausreichend sein sollte. Die bei SKM-Messungen beobachtete geringe Geschwindigkeitsabhängigkeit des OPA kann durch die PWS-Werte bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf den Bohrkernen nicht bestätigt werden. Dies kann an dem gegenüber SKM-Messungen deutlich größeren Wasserüberschuss bei Messungen mit der Wehner/Schulze-Anlage liegen. Fahruntersuchungen (Bremsversuche) wurden auf dem Versuchsgelände der BASt in Sperenberg sowie auf einer mit OPA erneuerten Landesstraße durchgeführt. Asphaltbeläge mit einem hohen Mörtelanteil wie der Gussasphalt und der dichte Asphaltbeton, die dem Reifen eine größere Berührungsfläche bieten, haben einen um ca. 10 % höheren mittleren Reibungskoeffizienten als OPA und SMA, bei denen der Reifen vornehmlich über die Flächen des Größtkorns abrollt und dadurch die Berührungsflächen geringer und demzufolge die Reibungskräfte kleiner werden. Ergänzend zur messtechnischen Erfassung erfolgten auch Untersuchungen zur Entwicklung des Unfallgeschehens. Dabei ist sowohl auf den untersuchten OPA-Strecken als auch auf den zum Vergleich ausgewählten Kontrollstrecken eine rückläufige Unfallentwicklung eingetreten. Das Unfallgeschehen hat sich zwar nicht auf allen OPA-Strecken rückläufig entwickelt, dennoch zeigt sich bei Zusammenfassung aller OPA-Strecken, dass diese Deckschichten in der Summe keinen negativen Einfluss auf das Unfallgeschehen haben. Der zweite Teil "Neue Baumaßnahmen" des Projektes "Griffigkeitsprognose an offenporigen Asphalten (OPA)" ist in Teilen bereits durchgeführt, beispielsweise die Fortführung der Untersuchungen zur Griffigkeitsprognose, Messungen der Textur an Bohrkernen sowie eventuell Wiederholungsmessungen in situ und weitere SKM-Messungen.
Im Zuge von Nachrüstungsarbeiten konnten Kunststoffdichtungsbahnproben (KDB) aus fünf deutschen Straßentunneln entnommen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 15.461/2008/ERB "Materialeigenschaften von Kunststoffdichtungsbahnen bestehender Straßentunnel" beauftragte das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die ausgebauten KDB-Proben systematisch zu untersuchen. Die Kunststoffdichtungsbahnen waren zwischen 10 und 23 Jahren in den jeweiligen Straßentunneln eingebaut. Im ersten Schritt wurden die Materialeigenschaften der KDB-Proben mit dafür geeigneten Methoden charakterisiert, wie Thermischen Analysen (DSC,OIT), Dichtebestimmung, Zugprüfung (mechanischen Eigenschaften), Ermittlung des Stabilisatorgehalts (ICOT), der Dicke der KDB sowie der Qualität der Fügenaht und der geotextilen Schutzschicht. Im Verlauf des Vorhabens wurden Bergwasserproben aus den Straßentunneln entnommen und analysiert. Der Auftraggeber übermittelte der BAM die Ergebnisse zur Auswertung. Bei der Entnahme wurden folgende Parameter vor Ort bestimmt: Entnahmetemperatur, pH-Wert sowie partiell der Sauerstoffgehalt. Im Prüflabor wurden dann die Bestimmung der Leitfähigkeit und die Elementaranalyse mittels ICP-OES zur Bestimmung der Metallionenkonzentration (u. a. Eisen, Mangan und Kupfer)durchgeführt. Zusätzlich wurden weiterführende Versuche zur Oxidationsbeständigkeit im Autoklaven in Anlehnung an DIN EN ISO 13438 durchgeführt, um den Einfluss von Metallionen auf die oxidative Beständigkeit zu untersuchen. Mit Hilfe der Daten aus der Bergwasseranalyse wurde ein geeignetes Modellmedium entwickelt, die im Autoklaventest an einem bereits ohne Metallionen untersuchten Produkt (Produkt II, FE 15.449/207/ERB) erprobt wurden. Die aus diesem Forschungsprojekt entstehenden neuen Erkenntnisse sollen in die aktuelle Normungs- und Gremienarbeit eingebracht werden.
Deckschichten aus offenporigem Asphalt stellen eine sehr wirksame Methode dar, das Reifen-Fahrbahn-Geräusch direkt am Entstehungsort zu reduzieren. Die Entwicklung der Bauweise führte zu einer zweischichtigen Ausführung in größerer Dicke, bei der es nahelag, die zur Verfügung stehende Bauweise Kompaktasphalt auch für diese Asphaltschichten zu nutzen. Im Zuge der Grunderneuerung der BAB A 30 kam im Bereich der Stadt Osnabrück eine Deckschicht aus ZWOPA zum Einsatz. Durch die Aufteilung in 4 Bauabschnitte konnte die Bauweise heiß auf kalt, also der herkömmliche schichtenweise Einbau, mit der Variante im Kompakteinbau in jeweils zwei Bauabschnitten verglichen werden. Die Mischgutkonzeption wurde beibehalten. In einem Teilabschnitt wurde eine Variante mit gummimodifiziertem Bitumen erprobt. Jeder Bauabschnitt wurde von der BASt, wie auch von einer umfangreichen Kontrollprüfung begleitet. Zusätzlich wurden Messungen der Schallemission und der Griffigkeit durchgeführt. Bei der Auswertung der Untersuchungen zeigte sich, dass beide Bauweisen mit Startschwierigkeiten bei ihrem ersten Bauabschnitt zu kämpfen hatten. So kam es 2004 zu sehr hohen Verdichtungsgraden, beziehungsweise geringen Hohlraumgehalten in der unteren Schicht, die auf eine Überverdichtung hindeuteten, während 2005 die obere Schicht das gegenteilige Verhalten aufwies, das heißt hohe Hohlraumgehalte und sehr geringe Verdichtungsgrade. Hier wurde die Schicht zu dünn ausgeführt, was Verdichtungsprobleme mit sich brachte. Die jeweiligen Folgeabschnitte 2006 beziehungsweise 2007 konnten die Anforderungen überwiegend erfüllen. Eine Zielsicherheit ist hier noch nicht gegeben. Die Variante mit gummimodifizierten Bitumen im Bauabschnitt 2007 zeigte wieder das Erscheinungsbild des Bauabschnitts 2004, wurde aber auch sehr spät im Jahr eingebaut. Trotz dieser Überverdichtung zeigte dieser letzte Teilabschnitt die Stärken des Kompakteinbaus durch Nutzung der Wärmekapazität eines relativ dicken Asphaltpakets zur Verdichtung. Die Auswertung der Lärmmessungen zeigte keine eindeutigen Vorteile der einen oder der anderen Bauweise. Insgesamt wurden die Bauabschnitte, vor allem 2004, mit zu großer Einbaudicke ausgeführt, was die maximale Schallabsorption zu eher niedrigen Frequenzen hin verschob und damit eine hohe Wirksamkeit bei der Reduzierung von Lkw-Pegeln brachte. Die Reduktion der Pkw-Pegel lag jedoch im üblichen Bereich einschichtiger OPA, brachte hier also keine Verbesserung. Bei der Schallabsorption deuten sich Vorteile bei der Verwendung gummimodifizierter Bitumen an. Die Erprobungsstrecke ist die nächsten Jahre weiter zu beobachten, um Aussagen über das erhoffte bessere Langzeitverhalten von ZWOPA zu bekommen. Zwischenzeitlich hat die Bauweise OPA eine Weiterentwicklung in Form neuer Bauvarianten erfahren, die es später bei Bildung eines Gesamturteils zu berücksichtigen gilt. Parallel dazu muss außerdem das Verhalten anderer Erprobungsstrecken mit ZWOPA beobachtet werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass bei sorgfältiger Bauausführung, zum Beispiel unter Einbeziehung der Ergebnisse eines Probefelds, mit beiden Bauweisen anforderungsgerechte Deckschichten aus ZWOPA hergestellt werden können. Deutet sich im Bauablauf ein Einbau in der späten Jahreszeit an, so ist der Kompaktbauweise der Vorzug zu geben. Bei niedrigen Temperaturen ist der Einbau der dünnen sehr auskühlungsempfindlichen oberen Schicht mit herkömmlicher Technik nicht mehr möglich.
Im Zuge der Grunderneuerung der BAB A30 zwischen km 67 und km 104 wurde im Bereich Osnabrück eine zweischichtige offenporige Deckschicht eingesetzt. Dabei kamen in zwei Bauabschnitten unterschiedliche Einbaukonzepte zum Einsatz. Ein Bauabschnitt wurde in Kompaktbauweise "Heiß in Heiß" unter Verwendung eines Modulfertigers eingebaut, der zweite in herkömmlicher Bauweise "Heiß in Kalt".rnDie Konzeption des Mischguts war identisch. Verwendet wurde offenporiges Mischgut 0/8 in der oberen Schicht und 0/16 in der unteren. Die Festlegung der Schichtdicken erfolgte durch das Einbaugewicht, so dass im Abschnitt im Kompakteinbau Dicken von 2,5 cm oben und 5,5 cm unten resultierten. Der herkömmliche Abschnitt war durch reduzierte Einbaugewichte mit insgesamt 7,5 cm etwas dünner. Als Bindemittel wurde ein höher polymermodifiziertes PmB 40/100-65H eingesetzt. Der Mineralstoff der im offenporigen Mischgut generell dominierenden gröbsten Kornklasse war Quarzporphyr. Die Ergebnisse der Mischgutuntersuchungen zeigten in beiden Abschnitten geringe Abweichungen von den Vorgaben. Kritischer Punkt sind die volumetrischen Verhältnisse dieser Bauweise. Die Bestimmung sowohl der Bezugsraumdichte am Marshall-Probekörper des Mischgut OPA 0/16, wie auch der Raumdichte an den Bohrkernscheiben beider verwendeter Mischgutsorten ist als problematisch anzusehen. Dies führt zu ungewohnten Werten für Verdichtungsgrad und Hohlraumgehalt, die eine Bewertung erschweren. Das Verdichtungskonzept des Kompakteinbaus führte zu insgesamt guten Ergebnissen, die hohen Verdichtungsgrade der unteren Schicht traten auch bei anderen Baumaßnahmen auf und sind, aus den oben genannten Gründen, für diese Bauweise symptomatisch. Beim konventionellen Einbau ist das Verdichtungsniveau, vor allem der oberen Schicht, unzureichend. Dies ist auch auf die hier sehr inhomogene Oberfläche mit größeren Vertiefungen zurückzuführen. Diese haben bei den durch die geringe Einbaudicke sehr dünnen Bohrkernscheiben großen Einfluss auf die Raumdichte und somit auf den Verdichtungsgrad. Die Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit hinsichtlich Kornausbruch müssen beobachtet werden. Für zukünftige Baumaßnahmen sollte die Raumdichtebestimmung der Probekörper überdacht werden, um bauvertragliche Probleme im Vorfeld zu vermeiden. Denkbar ist eine Umhüllung der Körper, um eine Tauchwägung zu ermöglichen. Die entsprechende europäische Norm schreibt allerdings Ausmessen vor. Die beiden Abschnitte wurden 2004 beziehungsweise 2005 eingebaut und die Langzeitbeobachtung wird zeigen, ob sich die erhoffte Verbesserung der Nutzungsdauer durch ein verzögertes Verschmutzungsverhalten der zweischichtigen Bauweise einstellen wird und ob Unterschiede in den beiden Bauweisen auftreten. Zum jetzigen Zeitpunkt sind Vorteile für den maschinentechnisch aufwändigen Kompakteinbau zu sehen. Zu bedenken ist hierbei, dass sich diese Aussage auf den Vergleich jeweils einer einzelnen Baumaßnahme stützt. Zur abschließenden Beurteilung müssen auch andere Erfahrungen einfließen.
Gussasphalt ohne Abstreuung
(2013)
Bedingt durch die wachsende Problematik des Verkehrslärms ist die akustische Optimierung von Asphaltdeckschichten seit über 20 Jahren eine wichtige Aufgabenstellung in der Asphalttechnologie. Nach einem ersten Forschungsschwerpunkt auf offenporige Asphalte wurde anschließend der Fokus auf dichte Deckschichten gerichtet. Eine dieser neueren Konzepte ist die Bauweise Gussasphalt ohne Abstreuung, oder auch als Gussaphalt mit offenporiger Struktur bezeichnet. Als Abkürzung wird derzeit PMA (Porous Mastic Asphalt) verwendet. Die Grundidee dieser Bauweise besteht darin, die untere Zone der Deckschicht möglichst dicht, das heisst ähnlich einem Gussasphalt auszubilden, während sich an der Oberfläche eine offene Textur einstellt, die gemeinsam mit dem kleinen Größtkorn, gute akustische Eigenschaften zeigt. Erreicht wird dies durch eine spezielle Zusammensetzung des Mischguts mit einem großen Anteil grober Gesteinskörnungen, feiner Gesteinskörnungen, die auf 1 Millimeter begrenzt sind und einem abgesenkten Fülleranteil. Diese reduzierte Mörtelmenge führt zur gewünschten definierten Ausfüllung des Korngerüsts. Zur Überprüfung dieser These bieten sich Analysen mit Röntgen-Computertomographie an, die erlauben, die wahre Hohlraumverteilung in Probekörpern zu ermitteln. Die bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin durchgeführten Messungen zeigen das grundsätzliche Funktionieren der Bauweise. Bei genauer lokaler Betrachtung jedoch können größere Schwankungen detektiert werden, die bis zum Verlassen des Konzeptes führen können. Durchgehende Hohlraumstrukturen bis zur Unterlage sind dabei möglich, die sich auch auf die Oberflächengestalt auswirken. Die bautechnischen Ursachen sind noch nicht näher geklärt. In Frage kommen alle am komplexen Prozess Asphalteinbau beteiligten Parameter, die generell, auch beim herkömmlichen Einbau von Walzasphalt, zu Schwankungen führen. Die Messung der Oberflächeneigenschaften Griffigkeit, Ebenheit und Schallemission ergab ein insgesamt homogenes Verhalten des betrachteten Streckenabschnitts. Die Ermittlung des Schallpegels nach statistischer Vorbeifahrt zeigte für Pkw bei 120 km/h eine Minderung gegenüber dem Referenzpegel von 3 dB(A). Das Optimierungsziel - dichte Asphaltdeckschicht mit guten akustischen Eigenschaften - wurde erreicht. In der Erprobung der noch jungen Bauweise PMA stellt der betrachtete Abschnitt auf der BAB A 4 aufgrund seiner Länge und Verkehrsbelastung einen wichtigen Meilenstein dar, der sich bis zum jetzigen Zeitpunkt insgesamt vielversprechend verhielt. Vor einer Aufnahme als Regelbauweise in die ZTV Asphalt-StB müssen Fragestellungen in den Themenfeldern Laborverfahren, Mischgutkonzeption beziehungsweise Einbauhomogenität und Dauerhaftigkeit beantwortet werden. Für die Themenfelder sind bereits weitergehende Forschungsaktivitäten in Bearbeitung, die bis Anfang 2014 Ergebnisse erwarten lassen. Die Frage der Dauerhaftigkeit wird die Zeit selbst beantworten.
Asphalttragschichten werden zunehmend mit hohen Anteilen an Ausbauasphalten hergestellt mit der Folge, dass diese dichter werden. Von oben eindringendes Wasser wird nicht ausreichend abgeführt, sondern bleibt auf der Asphalttragschicht stehen und zerstört die darüber liegende Asphaltbinderschicht. Aus diesem Grunde wurden alternative Asphaltbinder entwickelt, die dicht konzipiert sind und trotzdem eine gute Performance aufweisen und sich zudem möglichst entmischungsstabil beim Einbau verhalten. Zu dem eignen sich dichte Asphaltbinderschichten zum kurzfristigen Befahren, z. B. über Winter. In der Erprobung befinden sich drei Arten von Asphaltbindern. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden die drei Sorten der alternativen Asphaltbinder AC 16 B S - HSF, AC 16 B S - SG und AC 16 B S - SMA auf ihre Eignung systematisch untersucht und die Ergebnisse mit einem regelkonformen Asphaltbinder AC 16 B S gemäß TL Asphalt-StB verglichen. Das Kürzel HSF steht für "hoch standfest", SG für "stetig gestuft" und SMA für "Splittmastixasphalt-Prinzip". Die Untersuchungen gliedern sich in labortechnische und großtechnische. Zunächst wurden im Labor die Asphaltbinder bei systematischer Variation der Korngrößenverteilung und des Bindemittelgehaltes hergestellt, die Mischarbeit gemessen, der Verdichtungswiderstand festgestellt und Untersuchungen zur Wasserdurchlässigkeit, zum Haftverhalten, zum Verformungsverhalten, zur Kälteflexibilität und zu den Ermüdungseigenschaften durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Entmischungsneigung und die Änderung der Performance aufgrund eines Alterungsangriffes nach dem Braunschweiger Alterungsverfahren (BSA) und nach der AASHTO-Designation R30-02 überprüft. Im großtechnischen Teil wurden die drei alternativen Asphaltbinder und ein regelkonformer AC 16 B S in eine konkrete Baumaßnahme bei Magdeburg eingebaut. Der Einbau wurde detailliert dokumentiert. An den Asphaltbindern wurden die Wasserdurchlässigkeit, die Hohlraum-Morphologie und die Entmischung des Asphaltbindermaterials durch die Querverteilung hinter der Einbaubohle untersucht. Ferner wurden an Bohrkernproben der Verformungswiderstand, der Widerstand gegen Kälterissbildung und der Entmischungswiderstand festgestellt. Bei einer summarischen Betrachtung aller Untersuchungsergebnisse ist festzustellen, dass die dicht konzipierten SG-Binder und SMA-Binder gegenüber dem konventionell zusammengesetzten Referenzbinder keine Nachteile und bei einigen Eigenschaften, wie z. B. Haftverhalten, leichte Vorteile aufweisen. Die Verformungseigenschaften sind differenziert zu betrachten. Der SG-Binder zeigte bei den hier getesteten Varianten teilweise eine leicht verbesserte Verformungsbeständigkeit im Vergleich zum SMA-Binder, woraus zum aktuellen Zeitpunkt aber noch keine allgemeinen Schlüsse gezogen werden können. Allerdings ist der SMA-Binder gegenüber der Referenz und den beiden anderen alternativen Asphaltbindern erkennbar "entmischungsstabiler". Der HSF-Binder stellt keine echte Alternative dar. Es wird empfohlen, den SG-Binder und den SMA-Binder in ein R-Regelwerk der FGSV aufzunehmen und das in situ-Projekt bei Magdeburg (B 81) systematisch zu beobachten.
Am Institut für Straßenwesen der TU Braunschweig steht der Prototyp einer Triaxialprüfmaschine zur Verfügung, die durch eine Druckzelle mit schwellendem Axial- und Radialdruck geeignet ist, den Verformungswiderstand bei Wärme für unterschiedliche Asphaltarten zu beschreiben. Mit dieser Forschungsarbeit wurde zunächst die Festlegung von Höhe und Zeitpunkt des schwellenden Radialdrucks überprüft und eine Methode entwickelt, die unabhängig von der Asphaltart oder -sorte einen materialabhängigen Radialdruck bestimmt. In einer ersten Phase wurden ein AB 0/11, SMA 0/11 S, ABi 0/16, OPA 0/8 und ein GA 0/8 untersucht. Die Auswertung zeigt, dass der Einfluss der zeitlichen Verschiebung von Axial- und Radialdruck nicht vernachlässigt werden darf, auch wenn sie nur in wenigen Fällen signifikant ist. Die Probekörperherstellung liefert für mittels Gyrator hergestellte Probekörper und Marshall-Probekörper geringere Verformungen, als Bohrkerne aus walzsektorverdichteten Platten. Probekörper mit einer Höhe von 80 mm - oder zusammengeklebt aus 2x40 mm - weisen höhere Verformungen auf, als solche mit 60 mm Höhe. In einer zweiten Phase wurden vier Walzasphalte untersucht. Dabei wurde die Prüftemperatur von bisher + 40 -°C auf + 50 -°C erhöht, was keine Auswirkungen auf die entwickelte Methode zur Ermittlung des Radialdrucks hatte. Eine Erhöhung des Bindemittelgehaltes und die Verwendung von polymermodifiziertem Bindemittel statt Straßenbaubitumen können für einen AB 0/11 S und einen ABi 0/16 S nachgewiesen werden, wogegen ein SMA 0/11 S mit seinem ausgeprägten Korngerüst keinen Einfluss zeigt. Ein Verdichtungsgrad des SMA 0/11 S von 98,6 % zeigt keinen Einfluss, während bei 97,1 % eine signifikante Erhöhung der Verformung ermittelt wurde. Zusammenfassend steht ein Prüfverfahren zur Verfügung, welches alle Walzasphaltarten - auch den offenporigen Asphalt - praxisnah und materialgerecht ansprechen kann und zu plausiblen Ergebnissen führt. Gussasphalte können auf Grund von erheblich höheren Stützdrücken nur bedingt angesprochen werden.
Im Rahmen des Projektes wurde der Frage nachgegangen, wie Art und Intensität der Betonoberflächenvorbereitung und die thermische Beanspruchung durch Aufschweissen einer Bitumenschweissbahn sowie Aufbringen von Gussasphalt den Verbund zwischen Beton und Grundierung, dem Verbindungselement zwischen Untergrund und Dichtungsschicht aus einer Bitumenschweissbahn, beeinflusst. Variiert wurden: - Beton (ein C30/37, Oberfläche abgezogen, und ein C35/45, geglättet), - Betonoberflächenbehandlung (Kugelstrahlen, Walzenfräsen und Klopffräsen sowie Kombinationen aus Fräsen und Strahlen), - Rautiefe (0,2-0,3 mm = klein (leicht angestrahlt); 0,5-0,6 mm = mittel (Feinkorn freigelegt); 0,6-0,9 mm = gross (Grobkorn freigelegt) und - Grundierung (3 Varianten). Beurteilt wurde die Qualität des Verbundes anhand des Abreissversuches, der vor und nach dem Grundieren sowie nach der thermischen Beanspruchung, die wirklichkeitsgetreu simuliert wurde, durchgeführt wurde. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Mindestanforderungen der ZTV-ING Teil 7 Abschnitt 1 hinsichtlich der Abreissfestigkeit (1,5 N/mmÌ£ im Mittel, 1,0 N/mmÌ£ je Prüfstelle) wurden mit allen Verfahren und Rauheiten zu jedem Zeitpunkt erreicht. Tendenziell wurden die höchsten Abreissfestigkeiten mit alleinigem Kugelstrahlen erzielt, wobei kein signifikanter Unterschied zwischen den damit hergestellten Rautiefen (gering und mittel) bestand. Walzenfraesen allein (grosse Rautiefe) führte zur geringsten Abreissfestigkeit. Nachgeschaltetes Kugelstrahlen erhöhte die Abreissfestigkeit. Auch ohne Betonoberflächenvorbereitung konnten überwiegend genauso hohe Abreissfestigkeiten erreicht werden wie mit Oberflächenvorbereitungsverfahren. Nach der thermischen Beanspruchung traten jedoch zum Teil Adhäsionsbrüche zwischen Grundierung und Beton auf, und die Anforderungen an die Abreissfestigkeit wurden nicht immer erfüllt. Daher sollte die Betonoberfläche immer abtragend vorbereitet werden. Bei Anwendung von Betonoberflächenvorbereitungsverfahren wurde im Abreissversuch immer Betonbruch erzielt und die Abreissfestigkeit durch die thermische Beanspruchung beim Aufschweissen der Bitumenschweissbahn und beim Aufbringen von Gussasphalt nicht negativ beeinflusst.
Erfahrungen aus der Praxis deuten darauf hin, dass mit Verfahren der zerstörungsfreien Prüfungen (ZfP) nicht in jedem Fall der Erfolg von Injektionen zur Mängelbeseitigung bei Minderdicken von Tunnelinnenschalen nachweisbar ist. Obwohl die "Richtlinie für die Anwendung der zerstörungsfreien Prüfung von Tunnelinnenschalen" (RI-ZFP-TU) in Ausnahmefällen auch die Überprüfung des Erfolges durchgeführter Mängelbeseitigungen durch zerstörende Untersuchungen vorsieht, wird durch die beteiligten Straßenbauverwaltungen vielfach ein Nachweis mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren im Rahmen der Eigenüberwachung und der Fremdüberwachung gefordert. Mit Schreiben S25/16.58.30/11 BASt 02 vom 15. April 2002 hat das Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen der Durchführung von Untersuchungen zur Überprüfung der festgestellten Problematik zugestimmt. Der vorliegende Beitrag befasst sich mit der Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Bestimmung der Tunnelinnenschalendicke. Es wurden Messungen an drei Blöcken durchgeführt. Die beteiligten Messteams besitzen alle die Anerkennung nach "RI-ZFP-TU". Drei unterschiedliche ZfP-Messverfahren kamen zum Einsatz. Gemessen wurde vor und nach der Firstspaltverpressung. Als Ergebnis ist festzustellen, dass die Qualität beziehungsweise der Erfolg der durchgeführten Firstspaltverpressung mittels eines Injektionsgutes in den Messungen nicht zweifelsfrei bestätigt werden konnte und daher zusätzlich durch Kernbohrungen und endoskopische Aufnahmen überprüft wurde. Mit den hier gewonnenen Erkenntnissen werden wesentliche Aspekte und Empfehlungen aufgeführt, die im Umgang mit den zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Dickenbestimmung einer Tunnelinnenschale zu beachten sind und in zukünftige Projekte und Regelwerke einfließen.
Weiterführende Untersuchungen zur Beurteilung des Adhäsionsverhaltens zwischen Bitumen und Gestein
(2017)
Die Dauerhaftigkeit der Straßen hängt maßgeblich vom Haftverhalten zwischen dem Bitumen und der Gesteinskörnung ab. Seit Jahrzehnten wird das Haftverhalten unterschiedlicher Gesteine und Bitumen mit diversen Prüfverfahren untersucht. Eine Quantifizierung der Einflussfaktoren konnte bisher nicht erreicht werden, jedoch hat das Gestein nach den Ergebnissen des AiF-Forschungsprojektes IGF 16639N einen größeren Einfluss auf die Adhäsion als das Bitumen [RADENBERG et al., 2014]. Im Rahmen dieses Projektes soll die Komponente Gestein genauer untersucht werden und der Einfluss der verschiedenen Gesteinseigenschaften auf die Adhäsion quantifiziert werden. Ein Fokus der Forschungsaufgabe ist dabei, zu untersuchen, ob der Parameter Zeta-Potential dazu dienen kann, die Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gesteinsaggregaten zu beschreiben. Aus der Literatur geht hervor, dass niedrige Potenzialdifferenzen zwischen Bitumen und Gestein auf eine gering wirksame adhäsive Bindung / elektrostatische Wechselwirkung hindeuten und z.B. bei gleichsinniger Ladung sogar zur gegenseitigen Abstoßung von Gesteinsoberfläche und Bitumenmolekülen führen. Die Untersuchungen von [LABIB, 1992] zeigen, dass Bitumenemulsionen negative Zeta-Potentiale aufweisen. Bei den Rolling-Bottle-Versuchen konnte ein signifikanter Einfluss der Gesteinseigenschaften insbesondere des Zeta-Potentials und des Ca-Anteils der löslichen Salze auf den Umhüllungsgrad festgestellt werden. Der Schüttelabriebversuch hat sich mit den hier gewählten Randbedingungen als ungeeignet für die Quantifizierung möglicher Einflussfaktoren erwiesen. Ebenso konnten mit der Tropfenkonturanalyse weder Einflüsse aus den Gesteinseigenschaften noch aus den Bitumeneigenschaften als maßgeblich quantifiziert werden. Dennoch kann grundsätzlich eine Aussage über das Haftverhalten zwischen Bindemittel und Gestein getroffen werden. Weiterhin kann die Wirkung von Wasser auf das Haftverhalten messtechnisch erfasst werden. Die Versuche zur Haftgrenztemperatur zeigen, dass der pH-Wert des Wassers einen Einfluss auf die Haftgrenztemperatur (HGT) ausübt. Mit abnehmenden pH-Wert sinkt bei dem Diabas und der Grauwacke das Zeta-Potential (Betrag). Je höher das Zeta-Potential (Betrag) ist, desto geringer ist die Haftgrenztemperatur.
Im derzeitigen Regelwerk der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen können mit Bitumenemulsion gebundene Tragschichten nur unzureichend auf Basis empirischer Erfahrungswerte bei der Dimensionierung eines Oberbaus berücksichtigt werden. Hierzu fehlen Erfahrungen über die Höhe der dimensionierungsrelevanten Materialkenndaten und deren beeinflussende Parameter. Die Auswertung der begleitenden Untersuchungen einer großflächigen Baumaßnahme mit einer bitumendominaten Tragschicht in Kaltbauweise (BAB 30) belegt eine zwar gleichmäßige, aber wenig tragfähige Materialqualität. Mit dem Ziel der Optimierung der dimensionierungsrelevanten Kennwerte einer bitumendominaten Tragschicht in Kaltbauweise wurden zunächst Art und Gehalt der Bitumenemulsion und des Asphaltgranulates variiert. Zur Festlegung der Gemischzusammensetzungen wurden die volumetrischen Kenndaten sowie die zeitliche Entwicklung der Steifigkeiten im Spaltzugversuch ermittelt. Die ermittelten Steifigkeiten zeigen, dass statische Spaltzugfestigkeiten von 1,1 bis über 1,5 MPa nach 28 Tagen Probenlagerung erreicht werden können. Die zum Vergleich herangezogene statistische Auswertung von baubegleitenden Untersuchungen der BAB 30 belegt einen deutlichen Unterschied. Hier lagen die mittleren Spaltzugfestigkeiten nach 28 Tagen nur bei 0,5 bis 0,7 MPa. Die Bruchdehnungen der in diesem Forschungsprojekt untersuchten Gemische von über 2,5 ‰ dokumentieren zudem einen eindeutigen emulsions-dominaten Mischgutcharakter. Auch die statischen E-Moduln sind mit bis zu 5000 MPa als hoch für eine Bitumenemulsion gebundene Asphalttragschicht einzustufen. Mit den ausgewählten Gemischen wurden anschließend Probeplatten mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellt. Hierzu wurden die Verdichtungsbedingungen leicht modifiziert. An den aus den Probeplatten herausgebohrten Bohrkernen wurden mittels dynamischem Spaltzug-Schwellversuch die Steifigkeiten bei Prüftemperaturen von -10 bis 20 -°C, sowie bei den Prüffrequenzen von 0,1, 1, 5 und 10 Hz bestimmt. Darüber hinaus wurde, ebenfalls im Spaltzug-Schwellversuch, das Ermüdungsverhalten bei 20 -°C ermittelt. Die Ergebnisse der dynamischen Spaltzug-Schwellversuche zeigen, dass die Steifigkeiten der mit Bitumenemulsion gebundenen Asphalttragschichten nicht das Niveau einer Heißasphalttragschicht erreichen. Fast über den gesamten Temperatur- und Frequenzbereich sind deutlich niedrigere Steifigkeiten ermittelt worden. Tendenziell erreichen die Gemischvarianten mit dem weicheren Asphaltgranulat zumindest bei niedrigeren Prüftemperaturen und/oder niedrigeren Prüffrequenzen höhere Steifigkeiten im Vergleich zu den Gemischen mit dem härteren Bindemittel im Asphaltgranulat. Die aus den Laborversuchen abgeleiteten Ermüdungskurven zeigen im Vergleich zum Referenzasphalt eine ähnliche Situation. Auch hier ist ein signifikant schlechteres Verhalten im Vergleich zum Niveau einer Heißasphalttragschicht erkennbar. Ebenso zeigt die Mehrzahl der Gemischvarianten mit dem weicheren Bindemittel im Asphaltgranulat im Vergleich zu den Varianten mit dem härteren Asphaltgranulat ein etwas besseres Ermüdungsverhalten. Die Dimensionierungsberechnungen haben ergeben, dass die Einbindung einer Kaltasphalttragschicht in den hohen Belastungsklassen nur sehr bedingt möglich ist. Hier lassen sich lediglich unter Berücksichtigung einer konventionellen Asphalttragschicht als unterste Asphaltschicht brauchbare Lösungen errechnen. Bei Belastungsklassen Bk3,2 und niedriger konnten wirtschaftlich und bautechnisch sehr sinnvolle Lösungen dargestellt werden. Hier bietet sich offensichtlich ein sehr interessantes Anwendungsgebiet für Kaltasphalttragschichten an. Allerdings haben nur wenige der untersuchten Gemischvarianten zu einer wirtschaftlichen Oberbaudicke geführt. Die Varianten mit dem weicheren Asphaltgranulat (AG1), und hier besonders die Varianten mit hohem Asphaltgranulatanteil lieferten die wirtschaftlichsten Oberbaukonzepte. Zukünftige Forschungsprojekte mit Kaltasphaltbauweisen sollten die mechanische Wirksamkeit des Emulsionswassers in zeitlicher Betrachtung berücksichtigen. Hierzu konnte gezeigt werden, dass auch weit über 28 Tage hinaus noch eine deutliche positive Veränderung der mechanischen Eigenschaften an mit Bitumenemulsion gebundener Asphalttragschichten zu erwarten ist.
Die Qualität und Gleichmäßigkeit der ungebundenen Schichten beeinflusst die Dauerhaftigkeit des gesamten Oberbaus einer Straße deutlich. Eine mangelnde Tragfähigkeit dieser Schichten und die daraus entstehenden Verformungen aufgrund von zyklischer Beanspruchung führen allmählich zu Schäden an der Straßenoberfläche. Die Tragfähigkeit ungebundener Schichten wird bisher ausschließlich punktuell durch statische oder dynamische Plattendruckversuche ermittelt und kann somit nicht als maßgebend für die gesamte untersuchte Schicht angenommen werden. Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, Ideen für ein innovatives Messsystem zur möglichst flächendeckenden und zerstörungsfreien Erfassung der Gebrauchseigenschaften ungebundener Schichten im Straßenbau zu erarbeiten, um damit eine nachhaltige Steigerung der Nutzungsdauer einer Straßenbefestigung zu erreichen. Eine interdisziplinäre Literaturreche, die Auswertung und die theoretische Übertragung auf den ungebundenen Straßenbau führten zu zwei technisch sinnvollen Messmethoden, mit denen genaue Angaben über die tatsächliche Struktur und die relevanten Materialeigenschaften für die ungebundene Schicht erlangt und somit die ganzheitliche Qualität der ungebundenen Schicht beschrieben werden können. Beide Prüfmethoden, harmonische Deflektometrie und Reflexionsmessung, sind vergleichsweise einfach durchzuführende dynamische Messverfahren, bei denen die Messungen an sich jedoch stationär aber zerstörungsfrei stattfinden. Durch wiederholte Messungen in definierten Abständen können die Gebrauchseigenschaften ansatzweise flächendeckend abgeleitet werden. Um eine annährend flächendeckende Aussage zu bekommen, ließen sich beide Messmethoden theoretisch mit Georardarmessungen verknüpfen. Nach bisherigen Erfahrungen können moderne Georadarsysteme zur Überprüfung der Schichtdicken und bedingt zur Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der zu prüfenden Schicht (Dichte) angewendet werden.