Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung der Querverteilung der Fahrzeuge des Schwerverkehrs im Fahrstreifen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Dimensionierung und Bewer-tung der strukturellen Substanz des Straßenoberbaus. Zur Erhebung der Querverteilung wurden an 13 verschiedenen Straßenabschnitten Messungen durchgeführt. Die Abschnittsauswahl erfolgte un-ter der Annahme, dass die Querverteilung der Fahrzeuge insbesondere von der Fahrstreifenbreite abhängig ist und durch den Grad der Ausprägung vorhandener Spurrinnen beeinflusst wird. Bei Be-tonbefestigungen ist der Einfluss von Spurrinnen nicht relevant. In Vorbereitung der Messungen wurden 17 verschiedene Messsysteme analysiert und auf ihre Eignung hin untersucht. Im Ergebnis kam ein Laserscannersystem zum Einsatz, das um eine Brennstoffzelle zur Stromversorgung erwei-tert wurde. Zur Validierung der Messergebnisse diente ein mobiles Kamerasystem. Die Kombination der eingesetzten Messsysteme hat sich in der praktischen Anwendung bewährt und kann für zukünf-tige Messkampagnen empfohlen werden. In Anlehnung an Tabelle A 1.4 der RStO wurden den Messstandorten Klassifizierungen in 5 verschiedene Fahrstreifenbreiten sowie 3 verschiedene Spur-rinnentiefen zugrunde gelegt. Es ergaben sich demnach 11 Messstandorte in Asphaltbauweise so-wie 2 Messstandorte in Betonbauweise. Auf der Grundlage der analysierten Daten lässt sich der in Tabelle A 1.4 der RStO postulierte Zusammenhang zwischen Fahrstreifenbreite und Querverteilung im Fahrstreifen nicht bestätigen. Die Untersuchungen ergaben für alle Fahrstreifenbreiten von Fahr-bahnen mit Mittelmarkierung nahezu die gleichen Querverteilungen der Fahrzeuge des Schwerver-kehrs. Signifikant abweichend stellte sich lediglich die Querverteilung in Fahrstreifen von Fahrbah-nen ohne Mittelmarkierung dar. Hier wurde eine erkennbar größere Spannweite der Verteilung ge-messen. Ein Zusammenhang zwischen Spurrinnentiefe und Querverteilung des Schwerverkehrs im Fahrstreifen konnte auf Basis der vorliegenden Erkenntnisse ebenfalls nicht nachgewiesen werden. Im Ergebnis von Hypothesentests wurde festgestellt, dass die gemessenen Querverteilungen am häufigsten mit der Normal- oder der Laplace-Verteilung beschrieben werden können. Zur Berück-sichtigung der Querverteilungen im Rahmen von Dimensionierungs- und Bewertungsaufgaben für Asphalt- und Betonbefestigungen wurden zwei Ansätze verfolgt: • Berücksichtigung der gemessenen Querverteilung (Messwerte), • Modellierung einer gemessenen Querverteilung mittels mathematischem Ansatz und Berück-sichtigung von Modellwerten. Die hieraus entwickelten Verfahren ermöglichen nun auch eine Berücksichtigung von Querverteilun-gen im Rahmen der rechnerischen Dimensionierung und Bewertung von Asphaltbefestigungen. Be-sonderheiten und Eigenarten der qualitativen Verläufe der für verschiedene Fahrbahnquerschnitte berechneten Ermüdungsstatus und Nutzungsdauern bzw. Ausfallwahrscheinlichkeiten lassen sich durch den charakteristischen Verlauf der jeweils verwendeten Fahrzeugquerverteilung erklären bzw. stehen in Korrelation zu dieser. Das Ziel einer Aktualisierung der Werte nach Tabelle A 1.4 der RStO ließ sich auf Grundlage der vorliegenden Ergebnisse nicht realisieren. Es zeigte sich, dass das Ver-fahren zur Berücksichtigung der Querverteilung von Fahrzeugen des Schwerverkehrs für die Ermitt-lung der Beanspruchung des Straßenoberbaus grundlegend überarbeitungswürdig ist. Referenzebe-ne sollte das spurtreue Fahren sein, wohingegen eine Querverteilung der Belastungseinwirkung mit-tels reduzierter Faktoren oder Vergleichsgrößen berücksichtigt werden sollte. Die durchgeführte Messkampagne bildete zwar ein relativ breites Spektrum der drei berücksichtigten Einflussgrößen Bauweise, Fahrstreifenbreite und Spurrinnentiefe ab, die Ergebnisse beruhen jedoch auf einer ver-gleichsweise geringen statistischen Basis. Gründe hierfür sind die zeitliche Begrenzung der Mes-sungen auf eine Woche sowie der Umstand, dass jeweils nur ein Messintervall für jede Untersu-chungskategorie durchgeführt werden konnte. Zur umfassenden Beurteilung und Quantifizierung der Einflussgröße Querverteilung der Fahrzeuge des Schwerverkehrs im Fahrstreifen auf die Dimensio-nierung und Substanzbewertung des Oberbaus sind weitere Untersuchungen notwendig, die eine größere zeitliche Spanne oder mehrere Messintervalle, Messstandorte zusätzlicher Untersuchungs-kategorien mit weiteren Einflussfaktoren sowie mehrere Messstandorte gleicher Untersuchungskate-gorien umfassen sollten. Darüber hinaus ist insbesondere das Verfahren zur Berücksichtigung der Querverteilung der Fahrzeuge des Schwerverkehrs im Fahrstreifen für die Bestimmung der dimensi-onierungsrelevanten Beanspruchung nach den RStO zu überarbeiten. Deutliche Vorteile sehen die Autoren jedoch in der Anwendung der rechnerischen Verfahren nach den RDO und RSO, bei denen die objektspezifischen Randbedingungen auch hinsichtlich der Querverteilung von Fahrzeugen im Fahrstreifen signifikant besser abgebildet werden können.

Die in diesem Forschungsprojekt an Asphaltbefestigungen durchgeführten Untersuchungen basieren im Wesentlichen auf einer Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15]. Für einen fiktiven Streckenabschnitt, dessen Materialparameter aus den Ergebnissen vorangegangener Forschungsprojekte stammen wurde die Auswirkung unterschiedlicher Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand auf die Dauerhaftigkeit der Befestigung untersucht. Resultierend aus den Abmessungen der Fahrbahnbreiten und Markierungen wurde eine Auswahl der zu betrachtenden, relevanten Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand getroffen. Zur Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15] sind die Beanspruchungen (Spannungen und Dehnungen) in den maßgeblichen Nachweispunkten zu bestimmen. Diese können mit der Mehrschichtentheorie oder mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden. Die Anwendung der Mehrschichtentheorie setzt unter anderem voraus, dass die Schichten in horizontaler Richtung unendlich ausgedehnt sind. Für den Regelfall wird angenommen, dass diese Voraussetzung gegeben ist (Berechnung der Beanspruchung nach den RDO Asphalt). Bei den hier untersuchten Laststellungen ist diese Voraussetzung jedoch nicht erfüllt. Die Beanspruchungen wurden deshalb mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmt. Zunächst wurde das Finite-Elemente-Modell entwickelt, die Berechnungsverfahren nach den RSO implementiert, und beides miteinander verknüpft. Zur Prüfung und Validierung wurden für ein Referenzmodell Berechnungen sowohl auf Grundlage der Mehrschichtentheorie als auch mit der FEM durchgeführt und gegenübergestellt. Die Bewertung aller weiteren Berechnungen erfolgt jeweils in Bezug auf dieses Referenzmodell. Im nächsten Schritt wurde auf Basis des deterministischen Berechnungskonzeptes die Auswirkung des Abstandes der Lasteintragungsstelle zum Rand der befestigten Fläche auf die ertragbare Lastwechselzahl der Asphaltbefestigung untersucht. Darauf aufbauend wurde die Wirksamkeit mehrerer Varianten konstruktiver Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit untersucht. Im Ergebnis dieser Untersuchungen wurden 2 konstruktive Maßnahmen ausgewählt und für diese Bewertungen der Strukturellen Substanz anhand des probabilistischen Verfahrens durchgeführt. Für die Untersuchungen der temporären Nutzung von Randbereichen bei Oberbauten mit Betondecke werden im ersten Schritt rechnerische Dimensionierungen/Nachrechnungen nach dem Verfahren der [RDO Beton 09] vorgenommen. Hierbei kann auf den Erfahrungshintergrund der Dimensionierung der Platten des Hauptfahrstreifens zurückgegriffen werden. Dabei ist auch das Sicherheitsniveau des semiprobabilistischen Verfahrens hinreichend praxiserprobt. Im nächsten Schritt werden mit Hilfe der analytischen Rechenmethode der RDO Beton die Platten des Seitenstreifens dimensioniert, wobei die geringere B-Zahl, die veränderte Plattengeometrie und der freie Plattenrand Berücksichtigung finden. Im Folgeschritt können präzise FEM-Berechnungen angestellt werden, bei denen realistischere Laststellungen berücksichtigt werden. Zur Beibehaltung des Sicherheitsniveaus der RDO Beton wird als gemeinsamer Referenzpunkt die Berechnung im Hauptfahrstreifen ohne Seitenstreifenfreigabe verwendet.

Die Wirtschaftlichkeit der Erhaltung Straßen ist ein Thema, das Wissenschaft und Praxis schon seit Langem beschäftigt. Insbesondere die Erstellung technisch sinnvoller und wirtschaftlich effizienter Erhaltungsprogramme für bestehende Straßen ist hierbei ein sehr wichtiger Punkt. Eine entscheidende Einflussgröße für die systematische Erhaltungsplanung ist vor allem auch die möglichst genaue Kenntnis bzw. Prognostizierbarkeit von zeitlichen Schadensverläufen, die wiederum originär auch auf materialseitige Kennwerte bzw. das mechanische Verhalten des Oberbaus (z.B. plastische Verformung, Ermüdung) zurückzuführen sind. Daher wurden in diesem Projekt für die Asphaltbauweise etablierte Methoden der Nutzungsdauerprognose (z.B. bezüglich Ermüdung des gebundenen Aufbaus) und der Schadensverlaufsprognose (z.B. Spurrinnenbildung) angewendet und mit verschiedenen Szenarien weiterentwickelt. Für die Betonbauweise wurden hingegen bestehende Verfahren auf Anwendbarkeit getestet und neue Entwicklungen bezüglich einer Nutzungsdauerprognose (Hazardfunktionen) eingesetzt. Bei einer betonschädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ist bisher eine systematische Erhaltungsplanung nicht möglich, da sich der Schadensverlauf nur sehr schwer prognostizieren lässt. Hierzu wurden materialseitige Untersuchungen (zerstörend/zerstörungsfrei) an AKR-geschädigten Fahrbahndeckenbetonen durchgeführt. Die Prognose der Restnutzungsdauer bei einer AKR-Schädigung ist daraus jedoch nicht auf direktem Wege möglich. Daher wurde eine Methodik zur Prognose der (Rest-)Nutzungsdauer auf empirischer Basis (Auswertung von ZEB-Daten) entwickelt. Aufbauend auf den beschriebenen Methoden zur Nutzungsdauerabschätzung von Asphalt- und Betonbauweisen wurden vergleichende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für Erhaltungsstrategien unter Berücksichtigung unterschiedlicher Annahmen und Szenarien mit der Software LCD2 angestellt

Ziel des Forschungsvorhabens war die Herstellung von „Nanoasphalt“ aus mit polymerbeschichteten, plättchenförmigen Nanopartikeln dotierten Bitumenbindemitteln und die Untersuchung des Alterungsverhaltens der neuen Materialklasse. Theoretische Voruntersuchungen zeigten, dass statistisch im Volumen verteilte, mplättchenförmige Partikel mit Aspekverhältnissn D/H > 100 als effektive Diffusionsbarrieren wirken und sowohl die oxidative Alterung als auch den Verlust weichmachender Bestandteile aus Bitumenbindemitteln um den Faktor 2 - 3 verlangsamen können. Es wurde eine lösemittelfreie Synthese für Alkyl-Quat-Primer-Polymere entwickelt und ein Verfahren ausgearbeitet, um Natrium-Montmorillonit (NaMMT) in einem einstufigen Verfahren zu exfoliieren und die entstehenden Silikatblättchen mit den Polymeren zu beschichten. Hochverzweigte Polymere auf Basis von Polyethylenimin mit einem Quarternisierungsgrad von ca. 5 mol% und einem Alkylierungsgrad von 80 mol% unter Verwendung von C12-Substituenten adsorbieren irreversibel auf Montmorrilonit und wirken zugleich als Dispergiermittel. Es konnten Nanopartikel-Bitumen-Komposite (NPBK) hergestellt werden, die bis zu 10 M.-% Nanopartikel mit Dicken von 10-50 nm und Durchmessern von ca. 1-10 μm enthielten. Zur Herstellung eines Demonstrators wurden die Synthesen in den Halbtechnikumsmaßstab hochskaliert (11 kg Polymer → 22 kg modifizierte Nanopartikel → 440 kg Nano-Bitumen → 6.200 kg Nano-Asphalt). Die Einmischung der Nanopartikel in das Bitumen erfolgte einmal mit dem bereits in der Pilotstudie eingesetzten Schnecken-Extruder und mit Blick auf eine spätere Hochskalierung des Herstellungsprozesses mittels Hochschermischer. Die auf diese Weise hergestellten NPBKs wurden in unterschiedlichen Alterungsstufen (frisch, kurz- und langzeitgealtert) anhand von konventionellen und rheologischen Prüfungen beurteilt. Mit ausgewählten NPBK-Varianten wurden auf Laborebene Asphalte hergestellt, die ebenfalls umfangreichen Testreihen unterzogen wurden. Den Projektabschluss bildete die großmaßstäbliche Mischgutherstellung in einer Asphaltmischanlage sowie das Anlegen und Beproben einer Demonstratorfläche.