1 Aufgabenstellung Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Analyse der Auswirkungen dynamischer Achslasten auf die Messwerte des TSD. Hierbei werden sowohl reale Messwerte als auch modellbasierte simulierte Daten verwendet. Die Achslastschwankungen sollen einzelnen Einflussparametern zugeordnet und die Einsatzgrenzen des TSD bei großen Längsunebenheiten definiert werden. Zudem wird die Validität der 10-m-Mittelwerte hinsichtlich einzelner Unebenheiten untersucht, und es wird überprüft, ob ein Zusammenhang zwischen Schadensmerkmalen und dynamischen Achslasten besteht. Bei Verifizierung eines solchen Zusammenhangs soll eine Methodik zur netzweiten Erfassung dieser Schäden entwickelt werden. Abschließend sollen Normierungsfaktoren für die TSD-Messwerte in Abhängigkeit von den Achslasten erarbeitet werden. 2 Untersuchungsmethodik Die Methodik stützt sich auf Messdaten des Messfahrzeugs MESAS, die etwa 15.000 km umfassen. Die Daten beinhalten TSD-Daten, Frontbilder, Längsprofile und geometrische Daten. Da nicht alle Daten untersucht werden können, erfolgt eine Streckenauswahl basierend auf Kriterien wie Zustandserfassung, Längsunebenheiten (IRI-Werte), geometrische Eigenschaften, Straßenklasse und Alter sowie der Anzahl der Wiederholungsmessungen. Zusatzmessungen am Flughafen Erfurt erweitern die Datengrundlage, damit der Einfluss von Längsunebenheiten auf das Messsystem, die Verformungsmulden und die Tragfähigkeit analysiert werden kann. Hierbei werden künstlich erzeugte Unebenheiten, verschiedene Achslasten und unterschiedliche Messgeschwindigkeiten getestet. Die Rohdaten werden in 1-m- und 10-m-Intervallen ausgegeben, mit den Zustandsdaten der ZEB überlagert und einer Qualitätskontrolle unterzogen. Die 1-m-Daten sind präziser in der Darstellung von Unebenheiten, weisen jedoch hohe Streuungen auf. Die 10-m-Daten bieten plausiblere Verläufe, sind jedoch nicht detailliert genug. Die aufbereiteten Messdaten werden hinsichtlich der Projektfragestellungen analysiert, wobei mögliche Korrelationen zwischen Längsebenheit, Oberflächenschäden, Radlasten und TSD-Messdaten untersucht werden. Die Simulation der dynamischen Achslasten erfolgt in zwei Phasen: Zuerst wird der Einfluss der Längsunebenheiten auf die Achslasten und danach der Einfluss der Achslasten auf die Deflexionen abgebildet. Das Fahrwerksverhalten wird getrennt in einem Längs- und einem Quermodell untersucht und anschließend überlagert. Für die Simulation der Deflexionen wird das Programm ALVA verwendet, das eine bewegliche Last auf einer viskoelastischen Asphaltschicht und elastischen Schichten darunter abbildet. Die Simulationsergebnisse werden mit TSD-Messdaten einer Teststrecke validiert. Zudem wird eine Parameterstudie zur Normierung der TSD-Messwerte in Abhängigkeit von verschiedenen Lasten und verschiedenen Randbedingungen des Aufbaus, der Temperatur und der Geschwindigkeit durchgeführt. 3 Untersuchungsergebnisse Das entwickelte Modell zur Simulation der dynamischen Radlast zeigt eine hohe Übereinstimmung mit den gemessenen 1-m-Daten. Statistische Größen wie der Dynamic Load Co-efficient (DLC) bestätigen die Validität des Modells. Es wird festgestellt, dass das Fahrwerk viele durch Unebenheiten verursachte Lastspitzen kompensiert. Die Simulation der Verformungen zeigt, dass die Schätzungen höher liegen als die gemessenen TSD-Werte, was möglicherweise auf Annahmen zu den Materialeigenschaften zurückzuführen ist. Die TSD-Signale zeigen eine hohe Streuung, insbesondere bei den 1-m-Messungen. Ein Vergleich mit den simulierten Verformungen war daher nicht zielführend. Ein Zusammenhang zwischen den 10-m-Mittelwerten und der Dynamik (DLC) wurde erkannt, jedoch ist eine Korrektur aufgrund größerer Einflussfaktoren nicht sinnvoll. Es wird festgestellt, dass die Einflüsse typischer Längsunebenheiten auf die dynamische Radlast geringer sind als erwartet, wobei die Dynamik vorwiegend im kurzwelligen Spektrum auftritt. Die Tragfähigkeitskenngrößen liefern keine verwertbaren Erkenntnisse zu Schadensmerkmalen der Oberfläche, während Hilfsgrößen bessere Korrelationen zu den Zustandswerten zeigen. Zukünftige Forschung könnte die Kombination von TSD, Georadar und anderen Systemen durch den Einsatz von KI zur Mustererkennung und Schadensidentifikation vertiefen. Die Visualisierung der TSD-Daten in Form eines interaktiven Streckenbands ermöglicht eine detaillierte Analyse von Wechselwirkungen und kann nützliche Informationen zur Beurteilung von Tragfähigkeitsvariationen liefern. 4 Folgerungen für die Praxis Basierend auf den Untersuchungsergebnissen wird empfohlen, die Messwerte im 1-m-Intervall oder in kleineren Intervallen nur für spezielle Fragestellungen zu verwenden. Wenn trotz der geringen Lastschwankungen von in der Regel ± 5 % der mittleren Radlast und den resultierenden geringen Abweichungen in der Verformung eine Lastnormierung vorgenommen werden soll, ist dies abhängig von der Belastungsklasse bzw. dem Aufbau des Oberbaus, der Geschwindigkeit und der Asphaltkörpertemperatur durchzuführen.

Aktuelle Untersuchungen des Deutschen Wetterdienstes haben ergeben, dass eine Zunahme von Starkregenereignissen in Mitteleuropa zu erwarten sind. Diese geänderten Niederschlagsverhältnisse können lokal zu einer Erhöhung des Gefährdungspotenzials von Überflutungen durch Starkregenereignisse führen und somit auch Verkehr und Verkehrsinfrastruktur maßgeblich beeinträchtigen. Zur Gefährdungsabschätzung und -bewertung von potenziellen Überflutungen im Bereich des Bundesfernstraßennetzes infolge von lokalen Starkregenereignissen wurde exemplarisch für Nordrhein-Westfalen (NRW) eine neue Methodik für eine solche Blue-Spot-Analyse entwickelt und in Form einer Toolbox in einem Geoinformationssystem (GIS) zusammengefasst. Der Begriff „Blue Spot“ wurde vom dänischen Straßeninstitut (DRI) und schwedischen Straßen- und Verkehrsforschungsinstitut (VTI) geprägt und bezeichnet Straßenabschnitte mit einer hohen potenziellen Gefährdung durch Überflutungen infolge von Starkregen und deren Auswirkungen auf das Verkehrsnetz. In dieser Studie wird die Blue-Spot-Analyse um hydrologische und hydraulische Faktoren erweitert. Dadurch wird unter Berücksichtigung der limitierten Wasserverfügbarkeit und den Strömungswegen eine detaillierte Betrachtung ermöglicht und bietet die Möglichkeit einer ausführlichen Gefährdungs- und Risikoanalyse im Hinblick auf Überflutungstiefen und Fließgeschwindigkeiten sowie auf die Betroffenheit und Relevanz der Verkehrsinfrastruktur. Die Zielsetzung dieses Projekts war die Entwicklung einer GIS-Toolbox, anhand derer die Verarbeitung und Prozessierung der Eingangsdaten bis hin zur Modellierung und anschließender Risikoanalyse weitestgehend automatisiert durchgeführt werden kann und somit auch auf weitere Regionen anwendbar ist. Der erste Schritt, die hydrologische Modellierung, befasst sich mit der Berechnung der Abflussbeiwerte von Niederschlagsszenarien unter Berücksichtigung von Landnutzung, Relief und Boden. Darauf folgt die hydraulische Modellierung mit einem rasterbasierten 2-D Modell, welches eine detaillierte Analyse des Geländemodells inklusive Brücken und Durchlässen sowie Verdolungen voraussetzt. Dabei stehen vor allem Automatismen zur Analyse, Identifikation und Erhaltung von abflussrelevanten Strukturen und Verbindungen im Vordergrund, um trotz Aggregierung der Daten qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erlangen. Die Risikobewertung untersucht die Ergebnisse der hydraulischen Modellierung und bewertet das Risiko der Bundesfernstraßen auf Grundlage der Gefährdungsintensität, Betroffenheit sowie Relevanz. Die Ergebnisse der Pilotregion NRW wurden anhand von dokumentierten Ereignissen in der Vergangenheit validiert und zeigen eine gute Übereinstimmung.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten Grundlagen für die Anwendung des Trenchingverfahrens hinsichtlich des Einsatzes der gewählten Verfüllmethoden und der verwendeten Verfüllbaustoffe geschaffen werden. Hierfür wurden sowohl umfangreiche Laborversuche an den Verfüllbaustoffen unter Laborbedingungen als auch unter Baustellenbedingungen, im Rahmen einer Untersuchungsstrecke, durchgeführt. Weiterhin erfolgten umfangreiche Sensitivitätsuntersuchungen unter Anwendung der Finiten-Elemente-Methode. Zur Bewertung des Einflusses verschiedener Schlitzgeometrien (Trenchgeometrien) auf die Beanspruchungszustände in den einzelnen Asphaltschichten einer Befestigung und im eingebrachten Trench sowie auf rechnerisch prognostizierte Nutzungsdauern von Asphalttragschichten wurden umfassende Finite-Elemente-Berechnungen mittels der Sofware COMSOL Multiphysics durchgeführt. Auf Grundlage der Finite-Elemente-Berechnungen konnten Empfehlungen hinsichtlich der Materialeigenschaften der Asphalte und der Verfüllbaustoffe, der Geometrie der Schlitze und der Lage der Schlitze im Straßenquerschnitt abgeleitet werden. Anhand der Ausführung der Untersuchungsstrecke wurden Empfehlungen für die Ermittlung von Kriterien zur qualitativen Ausführung erarbeitet.

In diesem Forschungsprojekt wurde eine Prüfsystematik für eine ganzheitliche (rheologische und chemische) Charakterisierung und systematische Materialbewertung von bitumenhaltigen Bindemitteln für den Asphaltstraßenbau entwickelt. Die neue Prüfsystematik basiert auf Prüfungen im Dynamischen Scherrheometer (DSR) zur Charakterisierung des rheologischen Materialverhaltens im gesamten Gebrauchstemperaturbereich unter Berücksichtigung der viskoelastischen Eigenschaften, des Verformungsverhaltens, des Kälteverhaltens und des Alterungsverhaltens. Die Prüfsystematik wird vervollständigt durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR-Spektroskopie) zur Bestimmung chemischer Materialeigenschaften. Zunächst wurden rheologische und chemische Prüfverfahren zusammengestellt und an einer repräsentativen Auswahl an bitumenhaltigen Bindemitteln systematisch analysiert und anhand von Parameterstudien weiterentwickelt. So wurde aus einem Set an verschiedenen Prüfverfahren eine neue, ganzheitliche Prüfsystematik entwickelt. Die rheologische Prüfsystematik besteht im Wesentlichen aus dem Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren (BTSV), einem 8 mm Temperatur-Sweep (T-Sweep), einem 25 mm Single Shear Creep Test (SSCT) und einer 4 mm Relaxationsprüfung. Diese wird ergänzt durch FTIR-Analysen insbesondere für die Identifikation verschiedener Bindemittelmodifizierungen sowie der weitergehenden Bewertung des Alterungszustandes. Die neue Prüfsystematik ist für die Anwendung in der Praxis gut geeignet. Sie kann bei einer Einfachbestimmung innerhalb eines Arbeitstages mit einem DSR und bei einer Mehrfachmessung mit dem FITR innerhalb von 30 Minuten durchgeführt werden. Es folgten systematische Reihenuntersuchungen der neuen Prüfsystematik an 102 verschiedenen repräsentativen bitumenhaltigen Bindemitteln in unterschiedlichen Alterungszuständen. Daraus wurden geeignete Bewertungsparameter für die Erstellung einer Charakterisierungsmatrix identifiziert. Die aus den Prüfverfahren abgeleiteten Bewertungsparameter sind einfach interpretierbar und in der Praxis sofort anwendbar. Sie umfassen das Materialverhalten im gesamten Temperaturbereich des Gebrauchsverhaltens sowie die chemische Zusammensetzung und weisen eine gute Wiederholbarkeit für eine eindeutige Differenzierbarkeit unterschiedlicher Bindemittel auf. Auf Grundlage der untersuchten 102 Materialvarianten und einer systematischen Auswertung unter Berücksichtigung des aktuellen Technischen Regelwerks, konnten Orientierungswerte für unterschiedliche Anwendungszwecke in Abhängigkeit von der zu erwartenden Schwerverkehrsbeanspruchung der Straße abgeleitet werden. Dies umfasst Vorschläge an Orientierungswerte für die Äqui-Schermodultemperaturen T(G*=15 kPa) und T(G*=5 MPa) sowie an die Änderung der jeweiligen Kennwerte durch Alterung. Außerdem werden beanspruchungsabhängige Orientierungswerte an die Kriechrate zur Beurteilung des Verformungswiederstands und an die prozentuale Spannungsrelaxation zur Beurteilung des Widerstands gegen Kälterissbildung vorgeschlagen. Ergänzt werden diese durch Orientierungswerte für Indexwerte aus dem FTIR. Die neue Prüfsystematik wurde abschließend zusammen mit den vorgeschlagenen Orientierungswerten anhand von Erprobungsstrecken in der Praxis validiert. Dafür wurden sieben Bauvorhaben mit zehn verschiedenen Asphaltschichten identifiziert und an unterschiedlichen Stellen Asphaltproben entnommen. Die vorgeschlagenen Orientierungswerte konnten anhand der Proben aus den Erprobungsstrecken validiert werden. Außerdem konnte die laborübergreifende und herstellerunabhängige Anwendbarkeit der Prüfsystematik und der Orientierungswerte in der Baupraxis demonstriert werden. Die Prüfverfahren weisen eine zufriedenstellende und zuverlässige Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit auf und sind in der Baupraxis lückenlos anwendbar.

Aufbauend auf dem Forschungsprojekt zur Bewertung der Innenhydrophobierung von Fahrbahndeckenbetonen als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie und einer Literaturrecherche erfolgten zunächst mannigfaltige Grundsatzuntersuchungen zum Einfluss eines ausgewählten Hydrophobierungsmittels (HM). Zementleimuntersuchungen zeigen, dass das HM die Zementhydratation verzögert und die Porosität des Zementsteins im Nanometerbereich erhöht. Weiterführende Mörteluntersuchungen belegen, dass zur Einstellung des gleichen Luftgehalts im Mörtel bei der HM-Zugabe die Dosierung des LP-Bildners auf Wurzelharzbasis signifikant erhöht werden muss. Außerdem verschlechtern sich bei HM-Zugabe tendenziell die mechanischen Eigenschaften des Mörtels. Weiterhin wurde der Einfluss der Dosierung des HM von 0 bis 1,0 M.-% (Bezug auf Zementgehalt) auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines nach dem ARS 04/2013 entworfenen OB (D>8)/UB und OB (0/8) mit einer sehr alkaliempfindlichen Grauwacke grundhaft untersucht. Auch hier bestätigte sich, dass zur Sicherstellung des normativen LP-Gehalts im hydrophobierten Frischbeton die Dosierung des LP-Bildners signifikant erhöht werden muss. Das Fazit der Festbetonprüfungen ist: • signifikante Reduzierung kapillarer Wasseraufnahme des Betons ab einer HM-Dosierung von 0,5 M.-% • geringe Verschlechterung der Druck- und Spaltzugfestigkeit mit zunehmender HM-Dosierung • Verminderung des Frost-Tausalz-Widerstands (FTSW) mit zunehmender HM-Dosierung • hinreichende Verminderung des AKR-Schädigungspotenzials ab einer HM-Dosierung von 0,75 M.-%. Ursächlich für den verminderten FTSW ist der erhöhte Freuchtegradient in der beaufschlagten Betonrandzone. Durch die Behinderung der daraus resultierenden hygrischen und vor allem frostinduzierten Dehnung werden Querzugspannungen generiert, die die frostinduzierte Abwitterung begünstigen. Resümierend wurden für die aufbauenden Untersuchungen und den Technikumsversuch bei beiden Betonarten eine HM-Dosierung von 1,0 M.-% gewählt. Zusätzlich erfolgten folgende Modifikationen: • Substitution des WS-Prüfzements (Sackware) durch Straßenbauzement CEM I 42,5 N (tb) mit ähnlichem Na2O-Äquivalent (Siloware) • Substitution des Grauwackesplitts durch einen Rhyolithsplitt mittlerer Alkaliempfindlichkeit. Zur Sicherstellung der normativen Vorgaben für die mechanischen Eigenschaften und der steifen Konsistenz (hohe Grünstandfestigkeit) wurde der w/z-Wert beim OB (D>8)/UB auf 0,41 und beim OB (0/8) auf 0,43 bei den aufbauenden Untersuchungen abgesenkt. Zur Erreichung des normativ geforderten LP-Gehalts im Frischbeton wurde der wurzelharzbasierte durch einen hochwirksamen synthetischen LP-Bildner ersetzt. Zusätzlich wurde das HM nicht mehr zu Beginn, sondern erst nach dem abgeschlossenen Mischprozess aller anderen Betonausgangsstoffen zugegeben. Das Mischen selbst erfolgte zur besseren Übertragbarkeit auf die Großmischanlage mit einem Labordoppelwellenmischer. Die Modifikation der Betonrezeptur und des Mischregimes führte zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und vor allem des FTSW der hydrophobierten Rhyolithbetone. Für die Überführung auf die Großmischanlage wurden die Betonrezepturen und die Mischregime nochmals modifiziert. Auf der Großmischanlage wurden beide Betonarten ohne und mit HM hergestellt. Mit allen Betonarten wurden Plattenstreifen mittels Gleitschalungsfertiger mit verschiedener Oberflächentextur hergestellt. Die zusätzlich hergestellten Laborprüfkörper und die aus den Plattenstreifen gewonnenen Prüfkörper dienten der Ermittlung der Festbetonparameter. Es kann folgendes Fazit gezogen werden: • keine bzw. geringfügige Verschlechterung der mechanischen Parameter der großtechnisch hergestellten Betone durch HM-Zugabe • hydrophobierter OB (D>8)/UB mit moderater und hydrophobierter OB (0/8) mit signifikanter Verminderung des FTSW • ausreichende Verminderung des AKR-Schädigungspotenzials bei großtechnisch hergestellten Betone mit HM. Abschließend wurde der Einsatz des Hochofenzements CEM III/A 42,5 N (HOZ) als alternative AKR-Vermeidungsstrategie analysiert. Zu diesem Zweck wurde der WS-Prüf- bzw. Straßenbauzement durch den HOZ im OB (D>8)/UB mit Grauwacke bzw. Rhyolith mit folgendem Fazit ersetzt: • kapillare Wasseraufnahme des Grauwacke- und Rhyolithbetons mit HOZ gegenüber der Referenz ohne HM tendenziell geringer und im Vergleich zu hydrophobiertem Beton höher • vergleichbare mechanische Eigenschaften des Grauwacke- und Rhyolithbetons mit HOZ wie beim Referenzbeton ohne und mit HM • signifikante Verminderung des FTSW durch HOZ • signifikante Reduzierung des AKR-Schädigungspotenzials durch den HOZ, selbst bei sehr alkaliempfindlicher Grauwacke. Resümierend ist der Einsatz des HOZ eine wirkungsvolle alternative AKR-Vermeidungsstrategie für Betonfahrbahndecken. Seine Verwendung sollte sich wegen des verminderten FTSW auf den Unterbeton beschränken. Abschließend wird ein Grobkonzept für die Errichtung einer Erprobungsstrecke mit hydrophobiertem Beton vorgestellt.