Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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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.
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Eine moderne Verkehrsinfrastruktur ist die Voraussetzung für Mobilität und wirtschaftliches Wachstum. Um in Zeiten der Globalisierung den Wirtschaftsstandort Deutschland zu sichern und auszubauen, gilt es, flexibel auf die sich rasant ändernden Rahmenbedingungen zu reagieren. Verkehr erzeugt jedoch Lärm, den die Bevölkerung mit steigender Sensibilität wahrnimmt. Leistung, Produktivität und Lebensqualität sind durch Lärm stark beeinträchtigt. Etwa 60 % der Bevölkerung in Deutschland fühlen sich durch den Straßenverkehrslärm belästigt. Die Auswirkungen des Lärms von der Beeinträchtigung der Konzentration und Kommunikation bis hin zur möglichen Schädigung der Gesundheit sind durch umfassende Studien des Umweltbundesamtes (UBA) belegt. Im Dezember 2009 wurde nach vier Jahren Forschungsarbeit das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte Forschungsprojekt "Leiser Straßenverkehr 2" erfolgreich abgeschlossen. Insgesamt elf Partner aus Industrie und Forschung haben gemeinsam Lösungen erarbeitet, wie der Straßenverkehrslärm dauerhaft reduziert werden kann. Die Projektkosten wurden auf ca. 4,5 Mio. EUR veranschlagt und werden jeweils zu 50 % vom BMWi und den Forschungspartnern getragen. Der Bau der Erprobungsstrecken wird aus Baumitteln finanziert. Auf diese Weise unterstützt das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) das Projekt "Leiser Straßenverkehr 2". Einen Schwerpunkt des Projektes stellte die Entwicklung eines leiseren Lkw-Reifens für die Antriebsachse dar. In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Continental AG konnte im Frühjahr 2009 ein geräuschreduzierter Lkw-Reifen auf dem Markt eingeführt werden, der gegenüber dem Vorgängerprodukt um ca. 3,5 dB(A) leiser ist. Die Firma Continental AG plant, dieses neue leisere Reifenprofil auf andere Reifendimensionen zu übertragen. Darüber hinaus wurde von der Technischen Universität Hamburg-Harburg, der Leibniz Universität Hannover und der Firma Continental AG ein Berechnungsmodell zur detaillierten Simulation eines rollenden Reifens auf einer Fahrbahn, der daraus resultierenden Reifenschwingungen und der damit verbundenen Geräusche entwickelt. Erstmals steht ein derartiges Instrument für die Reifenoptimierung zur Verfügung. Eine weitere Schallreduktion wurde im Projekt angestrebt, indem die akustische Lebensdauer von offenporigen Asphalten durch Vermeidung der Verschmutzung verlängert wird. Um dies zu erreichen, wurde ein modifiziertes Bitumen entwickelt, mit dem die Schmutzanhaftung an den Hohlraumwandungen offenporiger Asphalte minimiert werden kann. Im Rahmen der Erprobung auf der Bundesautobahn A 24 bei Berlin wird derzeit geprüft, wie sich dieser modifizierte offenporige Asphalt in der Straßenbaupraxis bewährt. Darüber hinaus wurden von der Firma Müller BBM Resonatoren entwickelt, die in die offenporige Deckschicht integriert werden und aufgrund ihrer speziellen Frequenzabstimmung ein breiteres Frequenzband zur Schallreduzierung abdecken sollen. Im Juli 2009 erfolgte in einem Testabschnitt auf der Erprobungsstrecke A 24 die bautechnische Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis. Ein weiterer Schwerpunkt im Projekt war die akustische Optimierung von Lamellen-Fahrbahnübergängen für lange Brücken. Umfangreiche Untersuchungen wurden dabei im Prüfstand Fahrzeug/Fahrbahn der BASt durchgeführt. Im Juli 2009 wurden die neuen lärmarmen Oberflächen auf einem Fahrbahnübergang auf der A 10 bei Phoeben/Havelbrücke eingebaut und zeigten im Vergleich zum Lamellen-Fahrbahnübergang ohne Rautenelemente eine lärmreduzierende Wirkung von ca. 5 dB(A). Insgesamt zeigen die Forschungsergebnisse Entwicklungspotenziale zur weiteren Schallreduktion auf. Ein zentrales Ziel weiterführender Forschungskonzepte wird es sein, neuartige lärmarme Fahrbahnbeläge zu entwickeln und technische Lösungen für die Anwendung in der Straßenbaupraxis zu finden. Darüber hinaus sollen die Simulationsmodelle erweitert und optimiert werden, damit unter Berücksichtigung verschiedener Einflüsse aus Reifen und Fahrbahn Geräuschprognosen schnell und zuverlässig möglich sind.
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Ziel des Forschungsprojektes "Griffigkeitsprognose an offenporigen Asphalten (OPA)" ist die Weiterentwicklung und Optimierung der Messverfahren und die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Griffigkeitsprognose für OPA. Hierzu wurde das Projekt aufgeteilt in den Projektteil 1 "Bestandsaufnahme an vorhandenen Strecken" und den Projektteil 2 "Neue Baumaßnahmen". Im ersten Projektteil wurden die Grundlagen für die Griffigkeitsprognose erarbeitet und Erfahrungen mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM) auf offenporigen Asphalten gewonnen. Hierzu wurden Streckenabschnitte von Bundesfernstraßen zur Untersuchung ausgewählt, die bereits mehrere Jahre unter Verkehr lagen. Ziel des zweiten Projektteils ist die Verifizierung und Weiterentwicklung der im ersten Teil hergeleiteten Vorgehensweise zur Griffigkeitsprognose für offenporige Asphaltdeckschichten. Hierzu wurden Streckenabschnitte ausgewählt, die zu Projektbeginn mit OPA erneuert bzw. instandgesetzt worden sind. Diese Streckenabschnitte wurden für einen Zeitraum von vier Jahren beobachtet. Zur Feststellung des Nullzustandes wurden unmittelbar vor oder nach der Verkehrsfreigabe Bohrkerne entnommen und Messungen mit dem Skid-Resistance-Tester (SRT) durchgeführt. An den Bohrkernen und an Walzsegmentplatten, die anhand von Rückstellproben hergestellt wurden, erfolgten Griffigkeitsprognosen nach dem Polierverfahren Wehner/Schulze (PWS). Die Ergebnisse der bauvertraglichen SKM-Abnahmeprüfungen ergänzten die Datenbasis. Nach zwei und vier Jahren Verkehrsbelastung erfolgten weitere SKM-Messungen, SRT-Messungen sowie Bohrkernentnahmen für PWS-Messungen. Anhand der so gewonnenen Datenbasis wurden die Griffigkeitsentwicklungen dokumentiert und die Ergebnisse der unterschiedlichen Messverfahren vergleichend ausgewertet. In Voruntersuchungen zum Verfahren PWS wurden Einflüsse auf die Präzision aus der Lagerung und Montage der Probekörper in die Prüfeinrichtung untersucht. Probekörper mit deutlichem Bindemittelüberschuss und solche mit künstlichen Gesteinskörnungen zeigten dabei deutliche Veränderungen während längerer Lagerungsdauer. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass der Einfluss der Probenvorbehandlung (Sandstrahlen) auf die Ergebnisse der Prognoseprüfung ab einer Beanspruchung von circa 45.000 Überrollungen zu vernachlässigen ist. Hinsichtlich der Prognose der Griffigkeit mit dem PWS-Verfahren wurde festgestellt, dass ein Endpolierwert nach circa 180.000 Überrollungen erreicht wird. Die Prognosekurven der verschiedenen Streckenabschnitte zeigen dabei einen sehr ähnlichen Verlauf, wenn auch auf verschiedenen Griffigkeitsniveaus. Signifikante Abhängigkeiten von der Wahl der Gesteinsart, Bindemittelart oder Mischgutart konnten dabei nicht festgestellt werden. Ebenso sind keine Unterschiede zu erkennen zwischen Bohrkernen und den Walzsegmentplatten. Mithilfe der PWS- und SRT-Messungen konnte der deutlich griffigkeitsmindernde Einfluss des Bindemittelüberschusses unmittelbar vor bzw. nach der Verkehrsfreigabe sowie die weitere Griffigkeitsentwicklung dokumentiert werden. Wie auch schon die Ergebnisse ähnlicher Forschungsprojekte gezeigt haben, gelingt der unmittelbare Bezug der PWS-Überrollungen zur realen Verkehrsbelastung nicht. Die Angabe eines Endpolierwertes und evtl. die qualitative Beurteilung der Prognosekurve sind daher für die Prognose entscheidend. Desweiteren wurden Texturaufnahmen mit dem T3D-Messystem (Prinzip der Streifenprojektion) und einem Digitalmikroskop gemacht. Für die Herstellung eines Zusammenhanges von Griffigkeit und Textur stellten sich die aus der Textur abgeleiteten Rauheitskenngrößen nur bedingt geeignet dar. Die Parameter Flächen- und Kantenschärfe zeigen einen deutlichen Zusammenhang zu den gemessenen Griffigkeiten. Die Formulierung dieser Zusammenhaenge ist Teil eines laufenden Forschungsprojektes. Zur Beantwortung der Frage, ob die Einführung von OPA-Deckschichten auf BAB einen Einfluss auf das Unfallgeschehen hat, wurde die Analyse des ersten Projektteils fortgeführt. Hierzu wurde die Unfallentwicklung der OPA-Streckenabschnitte mit der Unfallentwicklung auf Kontrollstrecken, die andere Deckschichtarten aufweisen, verglichen. Sowohl auf den OPA-Strecken als auch auf den Kontrollstrecken ist eine rücklaeufige Unfallentwicklung eingetreten. In der Summe zeigt sich, dass die offenporigen Asphaltdeckschichten keinen negativen Einfluss auf das Unfallgeschehen haben.
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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.
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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.