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Aktuelle Forschungsvorhaben

Bewertungskriterien für Prüfungen an laborgealterten bitumenhaltigen Bindemitteln

Ansprechpartnerin: Deborah Müller, M.Sc.

Mit den ZTV Asphalt-StB 07/13, TL Asphalt-StB 07/13 und den TL Bitumen-StB 07/13 wurden im Jahr 2013 Änderungen und Ergänzungen des Technischen Regelwerks Asphaltstraßen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit eingeführt. Die Änderungen und Ergänzungen umfassen unter anderem neue und zusätzliche Prüfmethoden am Straßenbau- und polymermodifizerten Bindemittel zur Beschreibung der rheologischen Eigenschaften. Diese Prüfdaten werden seit 2013 zentral zur Erfahrungssammlung gesammelt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden die Prüfergebnisse der Jahre 2014 und 2015 bereits statistisch ausgewertet.
Parallel zur bisherigen Auswertung der Erfahrungssammlung werden die europäischen Bitumenspezifikationsnormen DIN EN 12591 und DIN EN 14023 fortgeschrieben. Der wesentliche neue Fokus der Datensammlung liegt nun auf zusätzlichen Prüfungen der Bindemittel nach Kurzzeit- und Langzeitalterung. Für diesen neuen Fokus werden auch aus Bohrkernen extrahierte Bindemittel zusätzlich langzeitgealtert. Hintergrund hierfür ist, dass für die Lebensdauer einer Asphaltstraße nicht die Eigenschaften des frischen Bindemittels, sondern dessen Alterungsverhalten als maßgebend angesehen wird. Somit wird die Veränderungen der rheologischen Eigenschaften durch Alterung ein zentraler Aspekt der Datenanalysen in diesem Projekt sein. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes werden sowohl die Prüfergebnisse der Jahre 2016 bis 2019 als auch die Ergebnisse der Datenbank ab 2020 ausgewertet.
Das erste Ziel des Projektes ist die systematische und statistische Überprüfung der Plausibilität der Prüfdaten, um Ausreißer oder Fehleingaben zu detektieren. Mit den überprüften Daten wird anschließend ein Bewertungshintergrund für sinnvolle Prüfparameter vor und nach Alterung geschaffen. Hierfür werden zunächst die Äquisteifigkeitstemperaturen bei G* von 15 kPa und 50 kPa und die entsprechenden Phasenwinkel sowie die Parameter aus den BBR-Versuchen T(S=300) und T(m=0,3) jeweils vor und nach Alterung betrachtet
Hiermit können aufbauend auf den Ergebnissen des Projektes (FE 29.0327/2013/BASt) die bisher erarbeiteten Bewertungshintergründe für die rheologischen Prüfmethoden im frischen Zustand überprüft und ggf. angepasst oder konkretisiert werden. Für die Prüfergebnisse aus den BBR-Versuchen und den DSR-Untersuchungen nach Alterung wird ein erster Bewertungshintergrund geschaffen. Für die Äquisteifigkeitstemperaturen und die entsprechenden Phasenwinkel werden Vergleiche zwischen der BTSV-Methode und der Methode im T-Sweep durchgeführt. Zudem werden weitergehende Auswertungen vorgenommen, um neue Bewertungsparameter und deren Bewertungspotenzial zu ergründen.


Datenprojekt 2   (208.2 kB)


Verifizierung der Mischgutkonzeptionierung kaltgebundener bitumen-dominater Tragschichten und Ableitung von Dimensionierungsgrundsätzen

Ansprechpartner/in: Matthias Staschkiewicz, M.Sc.

Die politischen Diskussionen und Bemühungen um Nachhaltigkeit im Straßenbau und um eine Reduzierung der CO2-Emissionen verstärken die europäischen Bemühungen die Temperatur bei der Herstellung und bei der Verarbeitung von Asphalt grundsätzlich zu reduzieren. Die bisherigen, auch in Deutschland angewendeten Verfahren und Produkte, z.B. mit viskositätsverändernden Zusätzen zeigen in diesem Zusammenhang klare Grenzen bei der Reduzierung der Temperaturen (max. 30 K). Ob diese Bauweisen unter Berücksichtigung der deutlichen Verschärfung der Arbeitsplatzbelastung bei der Heißverarbeitung von bitumenhaltigen Baustoffgemischen zum Jahr 2025 noch ohne eine erweiterte persönliche Schutzausrüstung umgesetzt werden können, wird zurzeit diskutiert. (AGW/MAK-Wert für die Heißverarbeitung).
Mittel- bis längerfristig hat die Kaltbauweise mit Bitumenemulsion unter Berücksichtigung dieser Szenarien sicherlich ein großes Anwendungspotential, wenn die dimensionierungsrelevanten Performance-Eigenschaften ein entsprechendes Niveau aufweisen und gleichzeitig eine hinreichende Dauerhaftigkeit nachgewiesen werden kann. Denn bisher können kaltgebundene Schichten, die durch entsprechende Steifigkeiten und Homogenität auch dauerhafte Tragfunktionen erfüllen, nur durch eine zusätzliche Zementzugabe hergestellt werden. In solchen Fällen sind die relaxierenden Eigenschaften für die Umsetzung einer fugenlosen Flächenbefestigung unter Berücksichtigung der Alterung des bitumen-haltigen Bindemittels zu beachten. Die Bindemittelkonzepte (Bitumen/Zement) solcher Kaltbauweisen wurden in der Vergangenheit primär auf die Gebrauchseigenschaften zu Beginn der Nutzung eingestellt. Inwieweit die Veränderung im Laufe der Nutzung (Zementhydratation, Alterung des bitumenhaltigen Bindemittels) Einfluss auf die Dimensionierungsgrundsätze hat (vorzeitige Rissbildung), stellt eine noch unbeantwortete Fragestellung dar, welche im Zuge dieses Projektes beantwortet werden soll. Hierzu soll der Zustand bestehender Strecken mit kaltgebundener, bitumen-dominanter Tragschicht erfasst und bewertet werden.
Zunächst werden Straßenabschnitte aus dem gesamten Bundegebiet mit kaltgebundenen Tragschichten zusammengestellt, zu denen Erstprüfungen sowie relevante Daten anhand vorliegender Dokumentationen (Baujahr, Verkehrsbelastung, Befestigungsaufbau, Zusammensetzung der Tragschicht) vorliegen. Aus diesen werden anschließend in Abstimmung mit dem forschungsbegleitenden Ausschuss zehn Untersuchungsstrecken ausgewählt, von denen die dimensionierungsrelevanten Eigenschaften der KRC-Schichten an Bohrkernen bestimmt werden, um unter Berücksichtigung der bisherigen Nutzungsdauer die rechnerische Gesamtnutzungsdauer zu ermitteln. Schwerpunktmäßig werden solche Strecken ausgewählt, die eine möglichst geringe Überbauungsdicke mit Asphalt aufweisen (Bauweisen mit geringerer Verkehrsbeanspruchung). Zudem müssen hinreichende Informationen über den Gesamtaufbau und die Zusammensetzung der Schichten vorliegen. Zusätzlich wird die Tragfähigkeit der Untersuchungsstrecken flächendeckend zerstörungsfrei mittels FWD ermittelt.
Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen letztendlich in die Bearbeitung/Überarbeitung der betreffenden FGSV-Regelwerke einfließen sowie eine Basis zur Beschreibung der Dimensionierungs-grundsätze für diese Bauweise liefern. Für folgende FGSV-Regelwerke wird eine unmittelbare Relevanz der Ergebnisse dieser Arbeit gesehen:
- Arbeitspapier zur Dimensionierung kaltgebundener Tragschichten im Oberbau für Bauweisen mit geringer Verkehrsbelastung (geplantes neues Regelwerk des AK 4.5.9)
- Merkblätter M VB-K und M KRC (Überarbeitung/Ergänzung) sowie MAFS-H.D. (als Orientierungshilfe)


Verifizierung Krc   (162.2 kB)

Projektpartner

Dr.-Ing. Konrad Mollenhauer
Universität Kassel
Institut für Verkehrswesen
Bau und Erhaltung von Verkehrswegen
Mönchestraße 7, 34125 Kassel


Gebrauchsverhalten von Heißasphalt mit Asphaltgranulat unterschiedlicher Art und Menge sowie Ableitung eines einfachen Performance-Kriteriums

Ansprechpartner/in: Daniela Breddemann, M.Sc. Sören Holzwarth, M.Sc.

Asphaltstraßen erfüllen neben ihrem maßgebenden Beitrag zur Infrastruktur eine weitere wichtige Rolle. Sie stellen durch ihre Zusammensetzung aus Gesteinskörnung und auf Erdöl basierenden Bindemitteln ein „Lager“ für natürliche Ressourcen dar. Durch die thermoplastischen Eigenschaften des Asphaltes ist dieser ein Baustoff, welcher mit einem hohen Wiederverwendungsgrad dauerhaft eingesetzt werden kann.
Im Zuge der Kreislaufwirtschaft, der Schonung von natürlichen Ressourcen und im Bestreben zur Minderung der Folgen des Klimawandels ist es notwendig ressourceneffizient zu handeln und Baustoffe zu verwenden, welche eine hohe Wertigkeit hinsichtlich der Langlebigkeit, Reparaturfreundlichkeit und Wiederverwendbarkeit oder Verwertbarkeit aufweisen. Asphalt kann sowohl der Verwertung aber auch der Wiederverwendung zugeführt werden. Die Wiederverwendung ist in der Rangfolge der Abfallbewirtschaftung (gemäß § 6 des KrWG) dabei die optimale Verwendung hinter der Vermeidung von Abfällen und bedeutet per Definition die erneute Benutzung eines Stoffes/Produktes für den gleichen Verwendungszweck - bezogen auf den Asphalt bedeutet dies den Einsatz von Asphaltgranulat bei der Produktion von Asphaltmischgut.
Seit 1982 hat sich die Wiederverwendung von Asphalt in Deutschland durch eine zunehmende Wiederverwendungsrate gut entwickelt. So ist mit dem Stand von 2013 eine Wiederverwendungsrate von knapp 90 % festzustellen. Regelwerke zur Sicherung homogener Eigenschaften von Asphaltgranulat existieren und sollen vergleichbare Eigenschaften zu Asphaltmischgut aus Primärbaustoffen gewährleisten. Aufgrund der geringeren Qualitätsanforderungen erfolgt die Wiederverwendung zum aktuellen Stand jedoch zumeist in Asphalttragschichten. [Deutscher Asphaltverband, 2014]
Mit dem hier vorliegenden Forschungsprojekt soll ein einfaches Performance-Kriterium zur Beurteilung des Gebrauchsverhaltens von Heißasphalt mit Asphaltgranulat geschaffen werden. In diesem Zusam-menhang soll auch die Möglichkeit des indirekten Nachweises einer Doppelumhüllung betrachtet werden. Unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Asphaltgranulaten, welche sich hinsichtlich der Härte des rückgewonnenen Bindemittels unterscheiden, soll der Einfluss der Art, Menge und Mischdauer auf die Asphaltperformance einer Asphaltbinderschicht AC 16 B und einer Asphalttragschicht AC 22 T untersucht werden.
Angestrebt wird ein möglichst einfacher Performance-Ansatz, mit dem das Gebrauchsverhalten mit hin-reichender Tiefe bewertet und zudem die Homogenisierung des Bindemittelgemisches abgeschätzt werden kann.



Gebrauchsverhalten Heißasphalt   (185.1 kB)

Projektpartner:

Basalt Actien Gesellschaft, Köln


Anwendung der Methode BIM in Konformität mit den Regelwerken der FGSV und des IT-Ko

Ansprechpartnerin: Deborah Müller, M.Sc.

Im „Stufenplan Digitales Bauen und Betreiben“ definiert das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) Ziele und Herangehensweisen für eine ganzheitliche und flächendeckende Anwendung von BIM. Im Rahmen dieser Initiative fordert der Gesetzgeber den Einsatz moderner, IT-gestützter Prozesse und Technologien bei Planung, Bau und Betrieb von öffentlichen Infrastrukturbauwerken ab 2020. Im Rahmen der „Wissenschaftlichen Begleitung der BMVI Pilotprojekte zur Anwendung von BIM im Infrastrukturbau“ wurde eine umfangreiche Materialsammlung erstellt, welche aktuelle Entwicklungen bezüglich der Anwendung von Building Information Modeling (BIM) im Infrastrukturbau zusammenfasst. Die Auswertung der Materialsammlung zeigt, dass die Anwendung der BIM-Methodik im Straßenbau bisher wenig verbreitet ist.

Im Bereich des Straßenbaus haben sich bereits ausgereifte Konzepte für Datenhaltung und Datenaustausch (z.B. OKSTRA, LandXML) etabliert. Allerdings sind diese auf konkrete Anwendungsfälle bzw. die ausschließliche Verwendung während einzelner Projektphasen ausgelegt. Die Nutzung von BIM über den gesamten Lebenszyklus erfordert hingegen einen offenen Datenaustausch zwischen den Projektbeteiligten. Ein entsprechendes Datenformat sollte dabei Erzeugung, Verwendung sowie Austausch von Informationen für die gewünschten BIM-Anwendungsfälle ermöglichen. In diesem Zusammenhang stellen Industry Foundation Classes (IFC) ein standardisiertes Datenformat dar.

Durch dieses Vorhaben sollen die für eine Straße relevanten Aspekte, Kennwerte und Informationen, die im FGSV-Regelwerk (Kategorien R1 und R2) sowie in Regelwerken der IT-Ko enthalten sind, in ein BIMbasiertes Straßen-Modell integriert werden. Den Auftrag hierzu hat das Forschungskonsortium bestehend aus den Lehrstühlen Verkehrswegebau, Verkehrswesen – Planung und Management und Informatik im Bauwesen der Ruhr- Universität Bochum erhalten. Die Ausarbeitung der Zusammenhänge der einzelnen Regelwerke steht hierbei im Fokus. Durch das Projekt werden die Grundlagen für eine Lebenszyklus-basierte Betrachtung (4D-Modell) gestellt. Die gebildete Arbeitsgemeinschaft deckt sowohl die erforderlichen computerbasierten Expertisen als auch die technisch-fachlichen und die Gremien-politischen Aspekte sehr gut und vollumfänglich ab.


Datei zum Download   (686.8 kB)

Projektpartner:

RUB, Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen
RUB, Lehrstuhl für Verkehrswesen – Planung und Management
Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH


DFG-Projekt - Postcarbone Straße – Der endlose Wiederverwendungskreislauf von Bitumen

Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. Nina Nytus


Die Wiederverwendung von Asphalt hat in Deutschland eine vergleichsweise lange Tradition, da bereits seit den 1980er Jahren sogenannter Ausbauasphalt wiederverwendet wird. Die Wiederverwendungsrate liegt seit einigen Jahren bei 90 Prozent und ist vermutlich nur noch geringfügig zu steigern. Entscheidender wird, die qualitative Einbindung der Ausbauasphalte zu verbessern. Zudem ergibt sich heute und vermehrt in Zukunft die Problematik, dass bereits einmal oder sogar zweimal wiederverwendeter Asphalt erneut recycelt wird. Somit befindet sich das Asphaltmischgut auf deutschen Straßen teilweise bereits im zweiten oder sogar dritten Nutzungszyklus. Dabei stellt sich unausweichlich die Frage, ob der Asphalt mehrfach ohne eine Qualitätsminderung wiederverwendet werden kann. Während des Einbaus und der Nutzungsdauer setzt eine Alterung ein, die zu einer Verhärtung des Bindemittels führt. Um diese Verhärtung auszugleichen und die gewünschten Bindemittelhärten für den Wiedereinbau zu erreichen, wird dem Ausbauasphalt üblicherweise frisches Bitumen zugegeben. Durch die zunehmenden Nutzungszyklen stößt diese herkömmliche Vorgehensweise jedoch zunehmend an Grenzen, da durch den erforderlichen Anteil an Frischbitumen, insbesondere bei höheren Wiederverwendungsraten, der maximal zulässige Gesamtbindemittelgehalt überschritten wird. Um dennoch die angestrebten Eigenschaften des Bitumens erreichen zu können, rücken zunehmend Rejuvenatoren (Verjüngungsmittel) in den Fokus der Forschung. Durch diese Verjüngungsmittel werden die physikalischen und rheologischen Eigenschaften dahingehend verändert, dass eine Reduzierung der Härte bzw. Steifigkeit des Bitumens erreicht wird. Über die Wirkungsweisen der Rejuvenatoren und insbesondere deren Auswirkungen auf die Bitumenchemie ist jedoch wenig bekannt, was u.a. auf die zum Teil stark variierende Zusammensetzung der verschiedenen Produkte zurückzuführen ist. Je detaillierter jedoch die Kenntnis über die Auswirkungen und Wirkungsweisen der Verjüngungsmittel ist, desto gezielter könnte in die chemische Zusammensetzung und somit in die Alterungsentwicklung und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Bitumens eingegriffen werden. Die Rejuvenatoren sollen im Hinblick auf ihre chemische und rheologische Wirkungsweise sowie Effizienz bewertet werden, wobei mögliche Abhängigkeiten vom Aufbau bzw. von der Struktur des Bindemittels berücksichtigt werden sollen. Anhand dieser Erkenntnisse soll ein Berechnungsmodell zur zyklischen Wiederverwendung von Bitumen hin zu einem endlosen Wiederverwendungskreislauf erarbeitet werden. Mithilfe dieses Modells soll in Abhängigkeit von der vorliegenden Bitumenstruktur zum einen die Auswahl eines geeigneten Rejuvenators ermöglicht werden und zum anderen der ideale Eingreifzeitpunkt prognostizierbar werden, um somit die zeitlichen Bedingungen der Erhaltungsmaßnahmen zu definieren.

Die Förderung durch die DFG erfolgt unter der Projektnummer 392670763.


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Dietmar Stephan, Berlin
Technische Universität Berlin (TUB)
Fachgebiet Baustoffe und Bauchemie,
Institut für Bauingenieurwesen


Building Information Modelling (BIM) im Straßenbau unter besonderer Berücksichtigung der Erhaltungsplanung

Ansprechpartnerin: Deborah Müller, M.Sc.


Im „Stufenplan Digitales Bauen und Betreiben“ definiert das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) Ziele und Herangehensweisen für eine ganzheitliche und flächendeckende Anwendung von BIM. Im Rahmen dieser Initiative fordert der Gesetzgeber den Einsatz moderner, IT-gestützter Prozesse und Technologien bei Planung, Bau und Betrieb von öffentlichen Infrastrukturbauwerken ab 2020. Zudem soll der Einsatz digitaler Methoden anhand von Pilotprojekten erprobt werden.
Im Unterschied zum Hochbau erfolgt die Planung eines Linienbauwerks anhand einer Trassierungsachse, die den räumlichen Verlauf der Straße beschreibt. Eine korrekte und eindeutige Definition der Trassierung bildet folglich die Basis für Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung von Straßen. Im Bereich Straßenbau haben sich bereits ausgereifte Konzepte für Datenhaltung und Datenaustausch (z.B. OKSTRA, LandXML) etabliert. Allerdings sind diese auf konkrete Anwendungsfälle bzw. die ausschließliche Verwendung während einzelner Projektphasen ausgelegt. Die Nutzung von BIM über den gesamten Lebenszyklus erfordert hingegen einen offenen Datenaustausch zwischen den Projektbeteiligten. Ein entsprechendes Datenformat sollte dabei Erzeugung, Verwendung sowie Austausch von Informationen für die gewünschten BIM-Anwendungsfälle ermöglichen.
Neben der Entwicklung von Standards für den offenen Datenaustausch über den gesamten Lebenszyklus eines Straßenbauwerks, werden im Zuge dieses Forschungsvorhabens die entwickelten Konzepte von BIM anhand eines realen oder fiktiven Straßenbauprojektes erprobt. Die projektspezifischen Anwendungsfälle umfassen hierbei u.a. eine parametrisierte Planung eines Brückenbauwerks, welche die Durchführung von Variantenstudien erleichtert. Zudem sollen Termin- und Kostensicherheit durch Verwendung eines modellbasierten Änderungsmanagements gesteigert werden. Erkenntnisse und Ergebnisse werden so aufbereitet, dass diese in die internationale Normierung eingebracht werden können.


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Projektpartner

RUB, Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen (Leitung)
RUB, Lehrstuhl für Verkehrswegebau
TU München, Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation
Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft, Institut für Verkehrsplanung und Infrastrukturmanagement


Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Beurteilung des Kälteverhaltens von Bitumen

Ansprechpartner: Matthias Staschkiewicz, M.Sc.

In den vergangenen Wintern konnten vermehrt frühzeitige Schäden an Asphaltdeckschichten in Form von Rissbildungen beobachtet werden. Auffällig hierbei ist allerdings, dass evtl. nicht die Strenge der Winter (absolute Tiefsttemperaturen) Problemursache ist, sondern die Häufigkeiten von Frost-Tau-Wechseln und ggf. die Anzahl an Streuaktionen. Diese führen bekanntermaßen zu rissinduzierenden Zugspannungen in der Asphaltdeckschicht einer Straße.
Da die zurzeit in den verschiedenen Richtlinien verankerten performanceorientierten Prüfmethoden bzgl. des Kälteverhaltens große Mengen an Bindemittel benötigen, sind diese nicht für Kontrollprüfungen im Schadensfall geeignet. Aus diesem Grund soll im Zuge dieses Forschungsprojektes ein Prüfverfahren entwickelt werden, bei dem das Kälteverhalten von bitumenhaltigen Bindemitteln mit geringeren Probenmengen untersucht werden kann. Hierbei liegt der Fokus auf Verfahren mit dem dynamischen Scherrheometer(DSR), welches bereits bei der Untersuchung der rheologischen Eigenschaften im mittleren und hohen Temperaturbereich eingesetzt wird.
Auf Grundlage von nationalen und internationalen Forschungserkenntnissen wurden folgende vier Prüfmethoden in das Forschungsprojekt eingebunden:
- Kälteprüfung mit der 8 mm Platte-Platte-Geometrie bei Kriechbeanspruchung: Scher-Relaxationsversuch (SRV)
- Kälteprüfung mit der 4 mm Platte-Platte-Geometrie (mit und ohne trimmen)
- Zug-Relaxationsversuch (ZRV)
- Kälteprüfung an schlanken, zylindrischen Proben: „Methode TU Delft“
Welches dieser vier Verfahren letztendlich die beste Charakterisierung des Kälteverhaltens liefert, soll durch ein gestuftes Arbeitsprogramm (zunächst zehn Bindemittel für vier Verfahren, dann weitere 40 Bindemittel für zwei ausgewählte Verfahren) herausgestellt werden. Abschließend findet eine Validierung mit anderen Prüfmethoden (BBR, Zug-Retardationsversuch nach Schellenberg) und durch gezielte Bindemittelauswahl(aus gerissenen Asphalten)statt.


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