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Die Straße im Spannungsfeld von Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit

The road in the field of tension between availability and sustainability

Hon.-Prof. Dr.-Ing. U. Zander, Bergisch Gladbach

Die steigende Anzahl und Dauer von Arbeitsstellen auf den Bundesautobahnen führt zunehmend zu Behinderungen des Verkehrsflusses und verursacht immense volkswirtschaftliche Kosten. Verkehrstechnische Maßnahmen werden nicht ausreichen, um dem Trend zu weiterhin steigenden jährlichen Stausummen entgegenzuwirken. Durch die Steigerung der Qualität der verwendeten Mischgüter und Bauweisen sowie durch einen verbesserten Einbau kann die Straßenbautechnik dazu beitragen, notwendige Erhaltungs- und Erneuerungsmaßnahmen zu reduzieren. Die gleichzeitig auf den Verkehrsbereich insgesamt einwirkenden Forderungen zur Reduzierung der Emissionen sowie das Erfordernis einer Anpassung der Straßeninfrastruktur an den Klimawandel führen großenteils dazu, die bestehenden Qualitätsansprüche infrage zu stellen. Die Erfüllung aller Ansprüche an den Straßenbau erscheint so notwendig wie unmöglich. Bei genauerer Betrachtung ergeben sich aber Lösungsmöglichkeiten – dazu ist jedoch die Offenheit gegenüber veränderten Konzepten und die Bereitschaft zum Wandel erforderlich.

The increasing number and duration of roadworks on federal motorways are leading to increasing obstructions to traffic flow and causing immense economic costs. Traffic engineering measures will not be sufficient to counteract the trend towards further increases in annual congestion totals. By increasing the quality of the mixes and construction methods used and by improving paving, road construction technology can help to reduce the need for maintenance and renewal measures. The simultaneous demands on the transport sector as a whole to reduce emissions and the need to adapt the road infrastructure to climate change largely lead to the existing quality requirements being called into question. The fulfilment of all demands on road construction seems as necessary as it is impossible. However, a closer look reveals possible solutions – but this
requires openness to changed concepts and a willingness to change.

Die Rheologie des Asphalts vom Bindemittel bis zur fertigen Schicht

Rheology of asphalt – From binder to finished course

Prof. Dr.-Ing. K. Schellenberg, Rottweil

Die Rheologie des Asphalts wird entscheidend von der Rheologie des verwendeten thermoplastischen Bindemittels bestimmt. Jedes im Straßenbau verwendete Bindemittel besitzt über den gesamten Temperaturbereich von –50 oC bis +250 oC hinweg einen kennzeichnenden Viskositätsverlauf, der als Gerade dargestellt werden kann, wenn man die ermittelte Viskosität logarithmisch über der Temperatur aufzeichnet. Die von der Temperatur abhängige Viskositätsänderung ist umkehrbar und wiederholbar. Die geradlinigen Verläufe ermöglichen es, für jede beliebige Temperatur die entsprechenden Viskositäten zu ermitteln. Die Neigung der Regressionsgeraden in der logarithmischen Darstellung ist das Maß für die Temperaturabhängigkeit, die nur über die Modifikation des Bindemittels verändert werden kann. Diese Feststellung gilt, wie erforscht wurde, nicht nur für alle Bindemittel, sondern auch für den aus Bindemittel und Füller hergestellten Asphaltmastix, die im Asphalt vorhanden ist, sowie für alle Asphalte einschließlich Gussasphalte ohne den mörtelarmen offenporigen Asphalt. Die Viskositäten können durchweg in den Dimensionen MPa · s mit dem ReVis-Verfahren ermittelt werden, wobei die Prüfspannungen den Steifigkeiten der Proben und den Prüftemperaturen anzupassen sind. Bei einer Prüftemperatur von +5 oC  kann das Viskositätsverhalten durchgängig vom Bindemittel über den Aspaltmastix bis zum Asphalt verfolgt werden. Für die Praxis ist es wichtig, eine bestimmte, auf die Beanspruchung des Asphalts abgestimmte, Ausgangsviskosität des Bindemittels zu wählen, die sich als Multiplikator auf die Viskosität der Asphaltmastix im Asphalt auswirkt. Letztere kann mit zunehmendem Füller-Bitumen-Verhältnis beliebig so gesteigert werden, dass auch sehr dichte Asphaltbetone dieselben Wärmestandfestigkeiten erreichen wie der weitgehend porenfreie Gussasphalt. Beim gewalzten Asphalt bestimmt nicht nur die Viskosität des Asphaltmörtels die Steifigkeit der fertigen Asphaltschicht, sondern auch die vorhandenen Hohlräume.

The rheology of the asphalt is determined primarily by the rheology of the thermoplastic binder used in the given case. Every binder used in road construction has a characteristic viscosity development over the entire temperature range from –5 oC to +250 oC, which can be represented as a straight line by plotting the determined viscosity on a logarithmic scale against
the temperature. The temperature-dependent change in viscosity is reversible and repeatable. The rectilinear curves make it possible to determine the corresponding viscosities for any given temperature. The slope of the regression lines in the logarithmic plot describes the temperature dependence that can only be changed by modifying the binder. Research shows that this is true not only for all binders, but also for the binder and filler-based asphalt mastic mixture present in the asphalt, as weil as for all asphalts including mastic asphalts except low-mortar open-pore asphalt. Viscosities can be determined in the dimensions MPa's using the tensile retardation test (ReVis), whereby the test stresses have to be adjusted to the stiffness of the specimens and 0: - to the testing temperatures. At a testing temperature of +5 oC the viscosity behaviour can be followed consistently from the binder, through the asphalt mastic, to the asphalt. In practice it is important to select a specific initial viscosity of the binder that corresponds to the load exposure of the asphalt and acts as a multiplier on the viscosity of the asphalt mastic in the asphalt. With increasing filler-bitumen ratio, the latter can be increased as required so that even very dense graded asphalt concretes achieve the same thermal stability as the largely non-porous mastic asphalt. In the case of rolled asphalt, it is not only the viscosity of the asphalt mortar that determines the stiffness of the finished asphalt course, but also the existing voids.

Untersuchung einer Umkehrosmoseanlage zur Entsalzung von Verkehrsflächenabflüssen an Bundesautobahnen

Investigation of a reverse osmosis system for the desalination of highway runoff

M. Sc. S. Wiedemann; M. Sc. T. Kimmel; Univ.-Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein, München

Salzeinträge aus dem Winterdienst können zu einer starken Beeinträchtigung von Umwelt und Oberflächengewässern führen. Im Rahmen eines Pilotprojekts der Autobahndirektion Südbayern wurde der Einsatz einer mobilen Umkehrosmoseanlage zur Entsalzung von Autobahnabflüssen untersucht. Die Auswertung der während der Pilotphase gesammelten Messdaten zeigt, dass der Einsatz einer Umkehrosmoseanlage eine Salzreduktion von 88–99 % und eine Reduktion des Chloridgehalts auf 10 mg/l ermöglicht. Eine schwankende Wasserqualität und örtlich wechselnde Rahmenbedingungen beeinflussen den Anlagenbetrieb negativ. Trotz Anlagenausfällen führte der Einsatz der Umkehrosmoseanlage zu der geforderten Salzreduktion von Autobahnabflüssen. Aufgrund einer zu geringen Anlagenkapazität konnte während der Pilotphase keine Tausalzrückgewinnung vorgenommen werden. Dennoch könnte eine Weiterentwicklung dieses Konzepts maßgeblich zum Schutz und zur Verbesserung der Qualität der Oberflächengewässer beitragen.

Saline inputs from winter road clearance services can have a severe impact on the environment and in particular on surface waters. Within the framework of a pilot project of the Autobahndirektion Südbayern (motorway directorate of southern
Bavaria), the use of a mobile reverse osmosis plant for the desalination of motorway runoff was investigated. The evaluation of the measurement data collected during the pilot project showed that the use of a reverse osmosis plant allows a salt
reduction of 88–99 % and a reduction of the chloride content to 10 mg/l. Fluctuating water quality and locally changing conditions have a negative impact on plant operation. Despite plant failures the use of the mobile reverse osmosis plant led to the required salt reduction of motorway runoff. Due to these factors and a too low plant capacity, no de-icing salt recovery could be performed in the pilot period. Nevertheless, a further development of this concept could contribute significantly to the protection and improvement of the quality of the surface waters.

Analyse der Einsatzmöglichkeiten des Georadarmessverfahrens auf Asphaltbefestigungen

Concrete Maintenance in the field – Innovative or standard according to regulations?

Dr.-Ing. M. Hülsbömer, M. Sc.; Prof. Dr.-Ing. H.-H. Weßelborg, Münster; S. Mörchen; Dr.-Ing. D. Gogolin, Dortmund

Im Sommer 2020 wurde das FE-Projekt „Möglichkeiten und Grenzen des Georadarmessverfahrens“ (FE 04.0284/2014/MRB) durch den Forschungsnehmer FH Münster, in Kooperation mit der Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH und Rudolf Hilgenroth GmbH & Co. KG, erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Projekts war die Eruierung der derzeitigen Einsatzmöglichkeiten des Georadars bei der Untersuchung von Straßenbefestigungen aus Asphalt unter Anwendung objekt- und netzbezogener Messungen. Anhand umfassender Versuchsprogramme auf einer eigens konzipierten Versuchsstrecke (Objektebene) sowie im Bundesfernstraßennetz (Netzebene) wurden Untersuchungen in Bezug auf die Quantifizierung der relativen Permittivität εr, als wesentlicher elektromagnetischer Materialparameter, sowie Analysen und Interpretationen von Strukturen in der Straßenbefestigung durchgeführt. Darüber hinaus wurden Vorschläge für die Abschätzung homogener Abschnitte anhand mehrerer Homogenitätskriterien, wie das Schichtenmodell oder flächige Strukturelemente (Schichtablösungen oder hohlraumreiche Schichten) entwickelt. Das Projekt diente ebenfalls zur Schaffung eines breiteren Erfahrungshintergrunds in Bezug auf die erzielbare Messgenauigkeit des Verfahrens unter Berücksichtigung der derzeit einsetzbaren Messtechnik bei der Wiedergabe von einzelnen Schichten in einer Asphaltbefestigung.

In summer 2020, the FE project “Possibilities and limits of the Ground Penetrating Radar” (FE 04.0284/2014/MRB) was successfully completed by researchers of the University of applied Sciences Münster, in cooperation with the engineering company PTM Dortmund mbH and Rudolf Hilgenroth GmbH & Co. KG. The aim of the project was to determine the current application possibilities of the Ground Penetrating Radar when investigating asphalt pavements using object and network-related measurements. Based on extensive test programms on a specially designed test track (object level) and in the federal trunk road network (network level), investigations were carried out with regard to the quantification of the relative permittivity εr, as the essential electromagnetic material parameter, as well as analyses and interpretations of structures in the asphalt pavement. In addition, proposals were developed for the estimation of homogeneous sections based on several homogeneity criteria, such as the layer model or flat structures (layer detachment or void-rich layers). The project also served to create a broader background of experience with regard to the achievable measurement accuracy, taking into account the measurement technology currently used when reproducing individual layers in the asphalt pavement.

Aktives Thermomanagement von Straßenbefestigungen als Anpassungsstrategie an den Klimawandel in Deutschland – Teil 1: Konzipierung und Erprobung

Active thermal management of pavements as an adaptation strategy to climate change in Germany – Part 1: Design and testing

M. Sc. M. Nullmeyer; Dipl.-Ing. L. Keller, Bremen; Dr.-Ing. M. Clauß; Prof. Dr.-Ing. habil. F. Wellner; Dipl.-Ing. (FH) S. Pinnau; Prof. Dr. rer. nat. habil. C. Breitkopf, Dresden

Straßenkonstruktionen müssen großen Temperaturbelastungen mit Frost im Winter und hohen Temperaturen im Sommer standhalten, wobei dies durch den Klimawandel zukünftig noch verstärkt wird. In Verbindung mit den mechanischen Belastungen durch den Verkehr kann dies zur beschleunigten Entwicklung von Spurrinnen und Ermüdungsrissen führen. Eine mögliche Lösung für thermisch und verkehrstechnisch hochbelastete Bereiche ist ein aktives Thermomanagement durch die Einbettung von Rohrkollektoren, mit denen im Sommer die Wärme aus dem Asphalt entzogen werden kann. Dies eröffnet einerseits die Möglichkeit zur Nutzung der Wärme und verspricht andererseits auch eine Verbesserung der Nutzungsdauer der Straßenkonstruktion. Im SEDA-Projekt wurden verschiedene Arten von Asphaltkollektoren experimentell auf dem duraBASt sowie mit numerischen Simulationen untersucht. Im ersten Teil des Fachbeitrags wird die Herstellung und experimentelle Untersuchung der Testflächen beschrieben. An den realisierten Probeflächen wurde die technische Umsetzbarkeit der Systeme demonstriert und die Funktionsfähigkeit experimentell belegt. Die verbauten Systeme haben ein hohes Poten-zial, um als Anpassungsstrategie an den Klimawandel in hochbelasteten Straßenabschnitten zum Einsatz zu kommen.

Asphalt pavements must be able to resist large temperature stresses including frost in winter and high temperatures in summer, and this will be further increased in the future due to climate change. In conjunction with the mechanical stresses caused by traffic, this may lead to an accelerated development of rutting and fatigue cracking. One possible solution for areas with high thermal and traffic loads is an active thermal management by embedded pipe collectors, which can be utilized to extract heat from the asphalt in summer. On the one hand, this opens up the possibility of using the heat, and on the other hand, it also promises to improve the service lifetime of asphalt pavements. In the SEDA project, different types of asphalt collectors were investigated experimentally on the duraBASt test site and with numerical simulations. The first part of this paper describes the construction and experimental investigation of the test fields. The technical feasibility of the systems was demonstrated on the realized test fields and their functionality was experimentally proven. The installed systems have a high potential to be used as an adaptation strategy to climate change in highly stressed road segments.