BASt Straßenbau

Das Ziel des Projektes war es, zuverlässige Kenngrößen für die Praxis abzuleiten, um Volumeneigenschaften wie Raumdichte, Hohlraumgehalt und Verdichtungszustand von offenporigen Asphalten treffsicher zu bestimmen und damit das Mischgut zielgerichteter zu konzipieren und genauer beschreiben zu können. Dafür wurde ein entsprechendes Untersuchungsprogramm aufgestellt, um zum einen das bisher nach Regelwerk für offenporigen Asphalt anzuwendende Ausmessverfahren nach den TP Asphalt-StB, Teil 6 zu evaluieren, sowie alternative Verfahren zur Raumdichtebestimmung weiterzuentwickeln respektive auf deren Praxistauglichkeit hin zu überprüfen. Dabei sollten vor Allem die Einflüsse aus der Oberflächenbeschaffenheit, der Prüfdicke aber auch der Art der Probekörperherstellung berücksichtigt werden.

Für die Untersuchungen wurden sechs Asphaltmischgüter PA 8 aus Baumaßnahmen in den Jahren 2020 und 2021 einbezogen. Um Einflüsse aus der Oberfläche (Rauheit) und aus der Dicke der Probekörper abschätzen zu können, wurden so-wohl zylindrische Probekörper aus walzsektorverdichteten Asphalt-Probeplatten, als auch Marshall-Probekörper und Bohrkernproben aus der fertigen Schicht mit unterschiedlich geschliffenen Oberflächen sowie in variierenden Dicken hergestellt und verglichen. Durch die Einbeziehung der Bohrkernproben konnte ein direkter Vergleich zu den Verhältnissen in situ erfolgen. Neben der konventionellen Bestimmung der Raumdichte mittels Verfahren D nach den TP Asphalt-StB, Teil 6 wurden folgende alternative Prüfungen durchgeführt:

• ASTM D6752/D6752M-18, Bestimmung der Raumdichte durch Vakuumabdichtung.

• Bestimmung der Raumdichte durch 3-D Scan („HandyScan“)

• TP Asphalt-StB Teil 19, Durchlässigkeit von Asphalt-Probekörpern

Das Ausmessverfahren hat einige Nachteile: neben möglicher Messungenauigkeiten beim Anlegen des Messschiebers beeinflussen die Form, die Geometrie und die Beschaffenheit des Probekörpers die Raumdichte. Äußere, herstellungsbedingte Hohlräume können nicht ausgeschlossen werden und verfälschen das Ergebnis. Bei dem Verfahren nach dem US-amerikanischen Regelwerk ASTM D6752/D6752M-18 wird ein Asphaltprobekörper unter Vakuum in einem Kunststoffbeutel luftdicht verpackt und im Wasserbad gewogen. Über das sog. spezifische Raumgewicht unter Wasser kann die Raumdichte des Probekörpers bestimmt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht unter anderem darin, dass sich die Kunststofffolie um die äußeren Hohlräume legt, so dass diese hier berücksichtigt werden können. Das Verfahren mit Vakuumabdichtung ist potentiell auch weniger anfällig für Messungenauigkeiten, was sich auch in den unter Widerholbedingungen ermittelten niedrigen Spannweiten widerspiegelt.

Die Raumdichten, die nach ASTM bestimmt werden, sind grundsätzlich größer als die aus dem Ausmessverfahren, da das berücksichtigte Volumen auf Grund des Ausschlusses der Oberflächenhohlräume kleiner gemessen wird als beim Ausmessen. Eine Abhängigkeit von der Probekörperhöhe und der Rauigkeit wurde im Rahmen von Regressionsanalysen für die verschiedenen Probekörperarten bestätigt. Das Verfahren nach ASTM ist dabei deutlich robuster gegenüber variierenden Abmessungen und wechselnden Probekörpertexturen.

Die Prüfung der Wasserdurchlässigkeit nach den TP Asphalt-StB, Teil 19 erwies sich als sehr aufwendig im Sinne der benötigten Zeit und des eingesetzten Materials. Es ergaben sich im Rahmen von statistischen Auswertungen große Streuungen zwischen den unterschiedlichen Probekörpern und keine systematischen Zusammenhänge. Dadurch ist das Verfahren auch nicht geeignet, um indirekt den Hohlraumgehalt bei offenporigen Asphalten respektive die Raumdichte oder den Verdichtungszustand anzusprechen. Dadurch zeigt sich noch mal deutlich, dass die Hohlraumstruktur von Probekörpern verschieden sein kann und somit auch das Durchflussverhalten abweicht.

Die Bestimmung der Raumdichte durch 3D-Scans an ausgewählten Probekörpern hat gezeigt, dass die Morphologie der Probekörper grundsätzlich gut erfasst werden kann, dass jedoch die Auswertung der Daten sehr zeitaufwendig und aktuell noch fehleranfällig ist. Der 3D-HandyScan kann zukünftig ein hilfreiches Verfahren sein, ist jedoch für den regelmäßigen Einsatz in der Praxis aktuell noch nicht ausgereift.

Als wichtige Empfehlungen für die zukünftige Bestimmung der Raumdichte werden eine einheitliche Dicke der Probekörper von z. B. 30 mm, die Herstellung von Probekörpern aus WSV-Platten sowie die Implementierung der Raumdichtebestimmung nach ASTM ins nationale Regelwerk vorgeschlagen.

In diesem Projekt „FE 04.0303/2016/ORB“ wurden Methoden für die Dimensionierung
und Analyse von flexiblen Straßenbefestigungen entwickelt und implementiert.

Primär wurde das Programm flexCALC erstellt, das die rechnerische Dimensionierung
(gemäß RDO Asphalt) und die Substanzbewertung (gemäß RSO Asphalt) auf Basis
eines Finite-Elemente-Rechenkerns in einer einheitlichen Softwareplattform zusammenführt.
Des Weiteren steht in dem modular strukturierten Programm ein Rechenkern
auf Basis der Mehrschichtentheorie zur Verfügung. Dieser zeichnet sich durch seine
enorme Geschwindigkeit aus, unterliegt jedoch verschiedenen geometrischen und materiellen
Einschränkungen. Der durch der Fourier-Reihen unterstützte Rechenkern auf
Basis Finite-Elemente-Methode ermöglicht gegenüber der Mehrschichtentheorie die Berücksichtigung
anderer Geometrien und Randbedingungen. Beide Methoden gelten für
linear-elastische Statik.

Nichtlineare Materialmodelle und dynamische Effekte werden aufgrund ihrer Komplexität
in der Dimensionierungspraxis bislang nicht berücksichtigt. Detaillierte Analysen
erfordern allerdings deren Berücksichtigung, da die Ergebnisse unter idealisierten Annahmen
stark von der Realität abweichen können. Daher wurde ein Finite-Elemente-
Rechenkern mit rein polynomialen Ansatzfunktionen implementiert. Zur Auswahl stehen
verschiedene Modelle für ungebundene, granulare Materialien und ein etabliertes
Modell für viskoelastische Materialien. Zur Modellierung des Schichtenverbundes wurden
verschiedene Konstitutivgesetze und die dazugehörige Elementformulierung implementiert.
Außerdem ist ein expliziter Löser implementiert. Damit steht ein Werkzeugkasten
bereit, der die Weiterentwicklung der Dimensionierung unterstützen wird.

Besonderes Augenmerk wurde auf eine ausführliche Dokumentation sowie die Möglichkeit
zur einfachen Weiterentwicklung und Wartbarkeit gelegt. Durch aufwändige Verifikationen
wurde die Korrektheit der implementierten Algorithmen sichergestellt.

Gesamtziel des Forschungsprojektes ist die Bestimmung der Kritikalität von Streckenabschnitten der Bundesverkehrswege des Bestandsnetzes. Kritikalität wird dabei als „relatives Maß für die Bedeutsamkeit einer Infrastruktur in Bezug auf die Konsequenzen, die eine Störung oder ein Funktionsausfall für die Versorgungssicherheit der Gesellschaft mit wichtigen Gütern und Dienstleistungen“1 hat, verstanden.
Die Bestimmung der Kritikalität geschieht vor dem Hintergrund des Themenfeldes 1 (TF1) „Klimawandelfolgen und Anpassung“ zur Bewertung der Folgen des Klimawandels auf das Bundesverkehrssystem, das im BMVI-Expertennetzwerk betrachtet wird.
Nachdem in der ersten Phase des BMVI-Expertennetzwerks der Fokus zur Kritikalitätsbestimmung auf Indikatoren lag, welche die Verkehrsmenge adressierten, sollen diese Indikatoren nun ergänzt und um nicht verkehrsmengenbezogene Indikatoren erweitert werden. Dies soll zwar verkehrsträgerspezifisch erfolgen, die Intermodalität soll jedoch ebenfalls und insbesondere berücksichtigt werden. Die verkehrsträgerübergreifenden Zusammenhänge des Bundesverkehrssystems sollen erfasst und analysiert werden, um anschließend intermodale Kritikalitätsindikatoren zu bilden, die eine Einordnung jedes Streckenabschnitts im Bundesverkehrswegenetzes zu einer bestimmten Kritikalitätsstufe zu ermöglichen.
Nachdem im ersten Teil zunächst die wissenschaftlichen Grundlagen und der Stand der Technik im Hinblick auf das Vorhaben gesichtet, sowie auf anwendbare Inhalte überprüft werden, wird eine Bestandsaufnahme durchgeführt, welche die Datenbasis für das Forschungsprojekt darstellt. Hierzu werden die Daten und Lagen der zu prüfenden Bundesverkehrswegenetze aufgenommen, verortet und für die Analyse vorbereitet. Darüber hinaus wird geprüft, in welcher Form und Qualität die Daten für potenzielle Indikatoren vorliegen oder zu erheben sind.
Im nächsten Schritt werden die potenziellen Indikatoren für die Kritikalitätseinstufung zusammen mit dem forschungsbegleitenden Fachkreis diskutiert und definiert. Über die Verkehrsstärke als offensichtlichster Indikator hinaus werden raumordnerische, gesamtwirtschaftliche und sicherheitsrelevante Aspekte berücksichtigt.
Nach Definition der passenden Indikatoren werden diese den Streckennetzen zugeordnet, sofern sie schon vorlagen oder ermittelt. Nach Zuordnung der Indikatoren zu den Streckenelementen der Verkehrsträger werden diese einer Relevanzanalyse unterzogen, die zu einer Gewichtung führen, die in die additive Auswertung der Kritikalitätsindikatoren je Streckenabschnitt einfließen. Das Ergebnis wirkt plausibel. Die Einstufung hoher Kritikalität orientiert sich an bekannten Routen. Im Straßenbereich liegt die größte Kritikalität auf den Bundesautobahnen. Das begründet sich natürlich auch in der Indikatorenwahl, da z. B. der Großteil strategischer Netze über Autobahnen geführt wird (TEN-V, Main Supply Routes etc.). Es sind jedoch durch die zusätzliche Betrachtung z. B. der Umwegigkeit und Zeitdifferenz durch Streckensperrungen andere Aspekte mit eingeflossen. Dies kann für die weitere Bearbeitung mit dem erstellten Modell im Fokus behalten werden. Hier kann durch Veränderung der Gewichtung oder die Neuzusammenstellung der bekannten Indikatoren auch eine alternative Kritikalitätsbewertung erstellt werden, die sich weniger auf die Bundesautobahnen bezieht. Dies kann z. B. interessant sein, wenn nur die Bundesstraßen miteinander verglichen werden sollen.
Grundsätzlich ändert das natürlich nicht das Fazit, das im Gesamtkontext der Betrachtung der Bundesfernstraßen gezogen werden muss. Dieses besagt nämlich, dass die derzeitige Einstufung der Kritikalität, bei der eingangs beschriebenen Interpretation des Begriffs der „Kritikalität“, logischerweise die großen und viel befahrenen Verkehrsachsen mit besonders hoher Kritikalität belegen muss, da deren Ausfall einen besonders hohen Effekt auf verschiedene Bereiche der Gesellschaft hat.
Als direkter Nutzen des Projektes wird die Zuarbeit für den dritten Baustein der Klimawirkungsanalyse (s. o.) im TF1 des BMVI-Expertennetzwerks genannt, dessen Ergebnisse in ihrer Gesamtheit auch in den Prozess der Deutschen Anpassungsstrategie einfließen. Außerdem besteht Nutzen für die „Sicherheitsstrategie Güterverkehr und Logistik“ des BMVI für Betrachtungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Zu guter Letzt wird noch der Nutzen für die Betreiber der Verkehrsinfrastruktur angeführt, die anhand der Ergebnisse Priorisierungen von Planungen und Erhaltungsmaßnahmen vornehmen können und somit ein gutes Werkzeug an die Hand geliefert bekommen.