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In der zukünftig vorgesehenen Systematik der Straßenerhaltung werden zur routinemäßigen Beobachtung und Beurteilung des Ebenheitszustandes auf unterschiedlichen Entscheidungsebenen geeignete Systeme zur Messung von Fahrbahnunebenheiten benötigt. Um die aus den Messungen resultierenden Ergebnisse vergleichbar zu machen, müssen Verfahren zur Beschreibung beziehungsweise Bewertung von Unebenheiten zur Verfügung stehen, die sich einheitlicher Entscheidungsgrundlagen bedienen und deren Ergebnisse dazu ineinander überführbar sind. Der Teil 1 der Gesamtaufgabe beschäftigt sich mit der Sammlung einer repräsentativen Anzahl von Zustandswerten für das Fahrbahnoberflächenprofil in Längsrichtung und mit dem Vergleich von Mess- und Beschreibungsverfahren für Unebenheiten des Längs- beziehungsweise des Querprofils. Im Teil 2 werden die theoretischen Grundlagen zur Beurteilung der Mess- und Beschreibungsverfahren gelegt, wobei die Betrachtung auf die Messung der Ebenheit im Längsprofil beschränkt werden sollte. Die theoretischen Untersuchungen ergaben, dass allein die folgenden Geräte sich zur Messung der Ebenheit im Längsprofil eignen: Analyseur Dynamique de Profil en Long (APL), Automatic Road Analyzer (ARAN) und High Speed-Road Monitor (HPM). Alle drei Geräte messen das Straßenlängsprofil und eignen sich zur Ermittlung der Spektralen Dichte der Profilhöhen Omega(Index 0 hoch 1), die zur Zeit die einzige Beschreibungsgröße ist, die die Längsebenheit charakterisieren kann. Um die gemessenen Spektralen Dichten bewerten zu können, wurde eine Bewertungsgröße für die Längsebenheit, der Spektrale Ebenheits-Index (SEI) entwickelt, mit dessen Hilfe auch die in Teil 1 gesammelten Ebenheitsdaten von 180 km bundesdeutschen Straßen zu einem ersten Bewertungshintergrund ausgewertet werden konnten. Mit der Einführung der Spektralen Dichte Phi(Index h)Omega als Beschreibungs- und der Schaffung des SEI als Bewertungsgröße für die Ebenheit ist die Voraussetzung für eine sachgerechte und aussagekräftige Charakterisierung für die Allgemeinunebenheit im Längsprofil gegeben. Darüber hinaus stehen repräsentative Zustandswerte der Ebenheit aus dem aktuellen Straßennetz der Bundesrepublik Deutschland zur Verfügung.
Untersuchung der Eignung von Gesteinsmehlen als Füller zur Herstellung von Asphaltbetondeckschichten
(1982)
In der Asphalttechnologie gab es bei der Beurteilung von Gesteinsmehlen und anderen feinkörnigen Stoffen für die Herstellung von bituminösem Mischgut unterschiedliche Auffassungen. Die Ursachen für diese Schwierigkeiten wurden insbesondere in uneinheitlichen Prüfverfahren, aber auch in der Aussagekraft einzelner Prüfverfahren selbst hinsichtlich der Bedeutung der granulometrischen feinsten Mineralstoffe im Asphalt vermutet. Somit war es naheliegend, verschiedene Gesteinsmehle und Mischungen daraus sowohl im Laboratorium als auch auf der Straße unter Verkehrs- und Witterungsverhältnissen zu untersuchen und zu beurteilen. Die Auswahl der elf Gesteinsmehle wurde bewusst darauf abgestimmt, solche mit unterschiedlich zu erwartendem Verhalten zu untersuchen; man folgte hierbei dem Gedanken, auch solche Gesteinsmehle für die Herstellung des Mischgutes zu verwenden, die kritisch wegen der Quellfähigkeit beurteilt wurden. Bei den Untersuchungen hatte man erwartet, dass eine vollständige Beurteilung von Gesteinsmehlen für Deckschichten aus Asphaltbeton allein auf Grund von labormäßigen Prüfverfahren möglich ist. Diese Erwartungen haben sich nicht bestätigt. Die bisherige Erfahrung über die stabilisierende Wirkung von Gesteinsmehlen wurde erneut durch einige Prüfverfahren erwiesen. Gemäß den Forderungen der Technischen Vorschriften und Richtlinien bezüglich der quellfähigen Bestandteile konnten einige Tendenzen bei den Versuchen im Laboratorium beobachtet werden, die bei der gegebenen Spreizung der Ergebnisse zunächst einen Anlass boten, das eine oder andere Gesteinsmehl zukünftig von der Verwendung bei der Herstellung von Mischgut für Deckschichten aus Asphaltbeton auszuschließen. Nachdem die Ergebnisse aus den Feldversuchen jedoch vorliegen und diese fast gleichartiges Verhalten in den Gebrauchseigenschaften anzeigen, ist ein solcher Anlass nicht gegeben.
Um verschiedene Erhaltungsmaßnahmen, die vorrangig die Wiederherstellung der Griffigkeit und Ebenheit älterer Betondecken zum Ziele hatten, vergleichend untersuchen zu können, wurden im Rahmen ohnehin anstehender Instandsetzungen auf verschiedenen Bundesautobahnen folgende Arbeiten durchgeführt: - Mechanisches Aufrauhen; - Bituminöse Schichten im Kalteinbau; - Oberflächenbehandlungen; - Beschichtungen mit Reaktionsharzmörteln; Beschichtungen mit Beton. Das mechanische Aufrauhen erfolgte mit schnell drehenden Anhängefräsen, Klopffräsen und Betonfräsen. Mit diesen Verfahren kann die Griffigkeit einer Betondecke nachhaltig verbessert werden. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies am dauerhaftesten mit den schnell drehenden Anhängefräsen geschieht. Mit den Betonfräsen wird der Beton so stark beansprucht, dass Gefügeschäden zu befürchten sind. Um die Qualität und Dauerhaftigkeit der Griffigkeitsverbesserung zu sichern wird vorgeschlagen, dass Griffigkeitswerte nach Beendigung des Fräsens größer gleich 70 und nach einem Jahr unter Verkehr noch größer gleich 60 SRT-Einheiten betragen müssen. Mit den bituminösen Schichten im Kalteinbau ist eine Erhaltungsmaßnahme gegeben, die neben der Griffigkeitsverbesserung auch zur Verbesserung der Ebenheit beitragen kann. Es wurden bituminöse Schichten eingebaut, die sich in der Größe des Größtkorns voneinander unterschieden. Anfänglich wiesen die Schichten mit dem größten Größtkorn (11 mm) eine bessere Griffigkeit auf als die mit dem kleineren Größtkorn (5 mm). Im Laufe der Zeit näherten ich die Werte einander mit der Tendenz, dass langfristig die feineren Gemische ein besseres Griffigkeitsverhalten erwarten lassen. Oberflächenbehandlungen auf Autobahnen müssen nach wie vor kritisch gesehen werden, da zur Abwendung von Windschutzscheiben-Schäden nach dem Einbau Geschwindigkeitsbeschränkungen für mehrere Tage/Wochen angeordnet werden müssen, die auf stark befahrenen Strecken zu Staus führen können. Hinzu kommt, dass trotz moderner Dosiertechnik Bindemittelanreicherungen in den Rollspuren auftreten können. Die Reaktionsharzmörtel-Beschichtungen auf Epoxid- bzw. Methylmethacrylatharz-Basis bestätigen die bereits anderen Orts gemachten guten Erfahrungen. Mit der Wahl der Zuschlagart bzw. des Abstreumaterials kann man die Griffigkeitsergebnisse entscheidend beeinflussen. Die Frage der Dauerhaftigkeit von Reaktionsharzmörteln ist - sorgfältige Betonvorbehandlung und Mörtelverarbeitung vorausgesetzt - gelöst. Mit Reaktionsharzmörtel-Beschichtungen können Betondecken deutlich dauerhaft saniert werden. Erste Lärmmessungen nach DIN ISO 362 deuten auch auf günstige Immissionswerte hin. Die Beschichtungen mit Beton unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Griffigkeit nicht von neuen Betondecken. Hinsichtlich Haltbarkeit kann von einer Bewährung jedoch noch nicht gesprochen werden. Eine Variante, die Beschichtung mit Kolloidalbeton, hat sich gar nicht bewährt, da es hier schon nach 2 Monaten Liegedauer unter Verkehr zu schollenartigen Ablösungen kam. Infolge von Grunderneuerungen konnten die Beschichtungen mit Beton nicht lange genug beobachtet werden, um eine abschließende, fundierte Aussage zur Dauerhaftigkeit machen zu können.
In den vergangenen Jahrzehnten sind einige Untersuchungsstrecken mit dem Ziel angelegt worden, verschiedene Bauweisen bei gleichen Belastungs- und Umweltbedingungen in einem direkten Vergleich bezüglich ihrer Gleichwertigkeit zu beurteilen und/oder das Verhalten von Bauweisen bei unterschiedlichen Belastungs- und Umweltbedingungen langfristig zu beobachten. Die Untersuchungen an diesen Untersuchungsstrecken dauerten einige Monate bis zu mehreren Jahren. Ziel dieser Arbeit war es, die aus den seinerzeitigen Untersuchungsergebnissen der Untersuchungsstrecken mit zum Teil jahrzehntelanger Liegedauer gezogenen bemessungsrelevanten Schlussfolgerungen zu überprüfen. Ein wesentliches Kriterium für die Auswahl von zehn Untersuchungsstrecken waren der vorhandene Datenumfang und dessen Aufbereitungsgrad. Bei einer Anzahl von zehn Strecken sind die Variationsmöglichkeiten der einzelnen oben genannten Parameter nur gering. Im Zuge der Bearbeitung des Forschungsvorhabens durch elf Forschungseinrichtungen beziehungsweise Einzelpersonen wurden für die Untersuchungsstrecken örtliche Verhältnisse, Verkehrsdaten, Wetterdaten, Schicht- und Materialdaten, Bauklassen, Einsenkungen, Deflexionen, Krümmungen, Ebenheit im Längs- und Querprofil, Fahrbahnoberflächenzustand, Zustand der seitlichen Entwässerungseinrichtungen und Erhaltungsmaßnahmen ermittelt, ausgewertet und in Teilberichten dokumentiert. Die erhobenen Daten wurden in die Datenbank der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eingespeist und stehen somit allen potentiellen Nutzern zur Verfügung. Die vorhandenen und 1992 bis 1995 erhobenen Daten wurden zur Auswertung miteinander verknüpft. Teilweise wurden Abhängigkeiten nachgewiesen und teilweise, aufgrund der geringen Streckenanzahl, nur tendentielle oder vermutete Abhängigkeiten aufgezeigt.
Der gemeinsam vom Institut für Verkehrsplanung und Verkehrswegebau der Technischen Universität Berlin und von der Bundesanstalt für Straßenwesen, Köln, durchgeführte Forschungsauftrag des Bundesministers für Verkehr hatte zum Ziel, Lösungswege zu finden, wie der Betondecke - ohne die Zusammensetzung zu ändern - von Anfang an eine gute Griffigkeit mitgegeben werden kann. Hierzu wurden vier grundsätzliche Möglichkeiten der Oberflächenausführung in verschiedenen Varianten und auch Kombinationen systematisch im Hinblick auf Praktikabilität, Griffigkeit, Lärm, Ebenheit und Aufwand untersucht: 1. Strukturieren des Oberflächenmörtels (z.B. Rosshaarbesen, Stahlbesen nach TRRL) 2. Aufstreuen von gebrochenen Mineralstoffen auf den frischen Beton hinter dem Nachlaufglätter (z.B. Diabas 2/5 mit einer Gussasphalt-Riffelwalze angedrückt) 3. Einarbeiten von Brechsand in den Oberflächenmörtel durch den Nachlaufglätter (z.B. Siliziumkarbid 0,5/1) 4. Beseitigen des Oberflächenmörtels (in Anlehnung an die Waschbetontechnik) Die Untersuchungen erfolgten mit Unterstützung mehrerer Landesstraßenbauverwaltungen, die die umfangreichen Versuchsprogramme in anstehende Neubau- bzw. Erneuerungsprogramme für Autobahnen einbringen konnten. Insgesamt wurden auf sieben Versuchsstrecken etwa 100 Versuchsfelder angelegt, die in der Regel 50 m lang sind. Bei Abschluss des ersten Teils der Forschungsarbeit lagen die Betonfahrbahnen der Versuchsstrecken durchschnittlich etwa zwei Jahre unter Verkehr. Hinsichtlich ihres Griffigkeitsverhaltens kann allgemein festgestellt werden: - Eine stärkere Strukturierung der Feinmörtelschicht wirkt sich anfangs und längerfristig stets günstig auf den Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn bei Nässe aus. Die im "Merkblatt über Straßengriffigkeit und Verkehrssicherheit bei Nässe" genannten Richtwerte werden sicher erfüllt. - Technisch lassen sich derartige Oberflächen ohne zusätzlichen Mehraufwand mit Besen erzielen, deren Borsten relativ lang und steif sind. Die besten Ergebnisse wurden mit dem vom britischen Transport an Road Research Laboratory entwickelten Stahlbesen erzielt, gefolgt vom Kunststoffbesen nach Piassava-Art. - Die übrigen Verfahren, insbesondere das zusätzliche Anreichern der Feinmörtelschicht mit scharfen Mineralstoffen und das Beseitigen des Oberflächenmörtels in Anlehnung an die Waschbetontechnik, können das hohe Griffigkeitsniveau der mit dem englischen Stahlbesen strukturierten Oberflächen nur selten erreichen. Sie sind dabei wesentlich aufwendiger und meistens wenig praktikabel. Da die Anforderungen bezüglich Ebenheit ohne weiteres erfüllt wurden und auch die Lärmmessungen gegenüber den mit Rosshaarbesen behandelten Oberflächen keine signifikant höheren Werte ergaben, hat die abschließende Oberflächenstrukturierung frischer Betondecken mit dem englischen Stahlbesen bereits Eingang in die ZTV Beton 78 gefunden.
Im Rahmen der Erhaltung bestehender Straßen ist die Erfassung und Bewertung der Tragfähigkeit von großer Bedeutung. Zu deren Messung stehen statische, quasistatische und dynamische Verfahren zur Verfügung. Seit etwa 20 Jahren wird weltweit die dynamische Messmethode mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) angewendet. Die mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionen werden meistens unter vereinfachten Annahmen bezüglich der Last, der Materialgesetze für verschiedene Schichten und der dynamischen Effekte analysiert. Um einen Überblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu erhalten, wurde eine Literaturstudie durchgeführt, aus der sich folgende Gliederung ergab: - Arbeits- und Wirkungsweise des FWD, - Rückrechnungsmethoden, - Interpretierbarkeit der FWD-Messergebnisse, - Vergleich verschiedener Rückrechnungsprogramme, - Vergleich verschiedener FWD-Geräte, - Vergleich FWD mit anderen Messverfahren, - Sonstiges. Ein Ergebnis dieser Literaturstudie ist, dass eine theoretische Analyse des FWD-Verfahrens, wie sie in diesem Forschungsvorhaben durchgeführt wurde, noch nicht existiert. Darüber hinaus wurde das FWD-Verfahren detailliert mathematisch-physikalisch analysiert. Anhand der mathematisch-physikalischen Analyse des FWD-Verfahrens wird deutlich, das die E-Moduli elasto-statisch zurückgerechnet werden können. Allerdings kann die Dämpfung ab einer Deflexion von etwa größer gleich 0,4 mm die Messergebnisse des Falling Weight Deflectometer beeinflussen. Wie sich die Dämpfung auf die Messergebnisse auswirkt müsste analysiert werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersion zu keiner nennenswerten Verfälschung der Impulsform führt. Des weiteren wurden Deflexions-, Einsenkungs- und Krümmungsmessungen auf ehemaligen Untersuchungsstrecken und auf Strecken aus den jungen Bundesländern durchgeführt. Anhand der Messergebnisse auf ehemaligen Untersuchungsstrecken wurden die Schicht-E-Moduli zurückgerechnet und interpretiert. Hierzu wurden folgende Programme verwendet: - Mehrschichtenprogramm, - FWD-Rückrechnungsprogramm, - PROBE90-Programm und - Finite-Element-Programm. Zur Überprüfung der Rückrechnungsergebnisse erfolgten Asphalt-E-Modul-Bestimmungen im Labor.
Bei den Messverfahren für die Tragfähigkeit von Straßenbefestigungen wird bei den jeweils verschiedenen Belastungsarten der Quotient aus der Größe der Last und der sich an der Straßenoberfläche einstellenden vertikalen Einsenkung bestimmt — die Steifigkeit. Anhand der 16 Abschnitte zweier Versuchsstrecken werden die Ergebnisse einer ganzen Anzahl von Tragfähigkeitsmessverfahren miteinander verglichen. Die Verfahren werden beschrieben. Der Verlauf der an der Oberfläche erfassten räumlichen Einsenkungsmulde gestattet im Prinzip die Rückrechnung der Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten einer Straßenbefestigung. Der Grad der Verträglichkeit zwischen gemessenen und mit Hilfe der linearen elastischen Mehrschichtentheorie ermittelten Mulden hängt vom Messverfahren sowie vom Straßenaufbau ab. Für die untersuchten Bauweisen und die verwendeten Messverfahren wird dieser Grad angegeben.
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
Asphalt verhält sich viskoelastisch und viskoplastisch. Diese beiden rheologischen Eigenschaften sind aus Versuchen an Probekörpern und auch aus Messungen an Straßenbefestigungen bekannt. In der vorliegenden Arbeit werden insbesondere die Ergebnisse von dynamischen Versuchen an Asphalt-Probekörpern theoretisch interpretiert und daraus Folgerungen für das Verhalten des Baustoffes in Straßenbefestigungen bei bewegten Verkehrslasten gezogen. Zur Beschreibung des viskoelastischen Verhaltens werden die grundlegenden Begriffe der Viskoelastizität, die Kriechfunktion und der komplexe Elastizitätsmodul und ihre Beziehungen zueinander eingehend behandelt. Die Anwendung dieser Begriffe auf die Experimente führt schließlich zur Definition eines effektiven Elastizitätsmoduls für Asphalt, welcher Anstelle des E-Moduls im konventionellen Sinne bei elastizitätstheoretischen Bemessungsbesprechungen von Straßenbefestigungen verwendet werden kann. Infolge seines viskoplastischen Verhaltens kommt es bei Asphalt zu bleibenden Verformungen, die sich z.B. bei Straßen als Spurrinnen zeigen und die Befahrbarkeit wesentlich beeinträchtigen. Es werden die physikalischen Zusammenhänge des viskoplastischen Verhaltens erarbeitet. Damit werden Grundlagen für Verfahren bereitgestellt, mit deren Hilfe aus Verformungsmessungen an Probekörpern (Impulskriechversuche) bleibende Verformungen in Asphalt-Befestigungen von Straßen berechnet werden können.
Der Benkelman-Balken zählt zu den weltweit verbreitesten Untersuchungsverfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der elastischen Verformung einer Straßenbefestigung unter statischer Belastung. Der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen im bituminös gebundenen Oberbauteil auf die Einsenkungsmesswerte ist allerdings für die in Deutschland festgelegte Messmethodik und die hier vorhandenen Befestigungen noch nicht näher betrachtet worden. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wird dazu auf theoretischem und empirischem Weg eine eingehende Analyse dieses Einflusses vorgenommen. Auf der Basis umfangreicher Temperaturmessreihen werden schließlich Angaben über die Temperatur in 10 cm Tiefe eines bituminösen Oberbaus in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Oberflächentemperatur abgeleitet. Für Temperaturen über 20 Grad Celsius an der Straßenoberfläche können die Oberbautemperaturen dabei je nach Befestigungsart und Tagesstunde aus Tabellen abgelesen werden. Darauf aufbauend wird eine mittlere Oberbautemperatur definiert, die anschließend als Grundlage von Umrechnungsverfahren für Einsenkungsmesswerte auf eine Standardtemperatur von 20 Grad Celsius dient. Die Verfahren werden für Straßenbefestigungen ohne und mit hydraulisch gebundenen Tragschichten getrennt entwickelt. Dabei kann die mittlere Oberbautemperatur zwischen 5 und 36 Grad Celsius liegen. Einsenkungswerte sind damit untereinander vergleichbar und die Bewertung der Wirkunken anderer Einflüsse im Straßenkörper auf die Tragfähigkeit wird möglich.