Aktuelle Forschungsvorhaben
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Aktuelle Forschungsvorhaben

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

Ansprechpartner: 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

Ansprechpartner: Matthias Staschkiewicz, 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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Detektion der Identität bitumenhaltiger Bindemittel anhand einer Visualisierung in Netzdiagrammen ("Qualagon")

Ansprechpartner: Daniela Breddemann, M.Sc.

Die Produktionsart sowie die Behandlung bitumenhaltiger Bindemittel können zu schwanken­den Materialkennwerten führen. Zur Sicherstellung gleichmäßiger Performanceeigenschaften des Asphaltes werden möglichst gleichbleibende Materialkennwerte benötigt. Diese Kenn­werte werden gemäß den TL Bitumen-StB 07/13 vom Hersteller bestimmt. An den Asphalt­mischanlagen erfolgt eine regelmäßige Qualitätsüberwachung der Materialkennwerte in Form der Wareneingangskontrolle. Für eine umfassende Erfassung der Materialkennwerte reichen die konventionellen Prüfverfahren wie die Nadelpenetration und der Erweichungspunkt Ring und Kugel häufig nicht aus. Die chemische Analyse der Bindemittel ist hingegen sehr zeitauf­wendig. In diesem Projekt soll daher mittels dynamischem Scherrheometer (DSR) eine mög­lichst umfassende rheologische Charakterisierung der bitumenhaltigen Bindemittel erfolgen. Berücksichtigt wird neben einer hinreichenden Variation der Temperatur auch die Alterung der Bindemittel. Um den Geräte- und Arbeitsaufwand dabei so gering wie möglich zu halten, soll die Kurzzeitalterung (RTFOT) erweitert werden.
Es werden drei Ansätze zur Bestimmung der Materialkennwerte verfolgt. Im einfachen Ansatz erfolgt die Detektion mittels konventioneller Bindemitteluntersuchungen, im erweiterten Ansatz werden rheologische Kennwerte ermittelt und im komplexen Ansatz wird der Untersuchungs­umfang zur Bestimmung der rheologischen Kennwerte erweitert.
Untersucht werden sechs bitumenhaltige Bindemitte von drei unterschiedli­chen Anlieferungszeitpunkten je Raffinerie und jeweils drei verschiedenen Raffineriestandorten.
Die Ergebnisse der drei Ansätze werden in Netzdiagrammen zur Detektion der Identität der Bindemittel dargestellt. Dabei werden zur Überprüfung und Optimierung der Visualisierung die Kenndaten und Achsenskalierungen variiert.


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Praxiserprobung von Tragschichten ohne Bindemittel mit erhöhten Anteilen an rezyklierten Kalksandstein-Mauerwerk

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Nina Nytus

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Übertragung der positiven Laborergebnisse aus dem AiF-FV-15517-N in die Straßenbaupraxis. Es soll ermittelt werden, inwieweit die maximale Obergrenze der Zugabe von 40 M.-% Kalksandstein-Recycling-Material in ein Baustoffgemisch für Tragschichten ohne Bindemittel möglich ist. Dazu werden Teststrecken mit Zuageanteilen von 20, 30 und 40 M.-% Kalksandstein gebaut und der Zustand über zwei Winter dokumentiert.

Schädliche Gipsputzanteile sollen praxisgerecht auf der Abbruchbaustelle/Aufbereitungsanlage per Schnelltestmethode erkannt und separiert werden. Diese sind einem weiteren Aufbereitungsschritt in Form einer Abrasionsbehandlung zu zuführen.

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Untersuchung eines praxisbezogenen Instrumentariums zur Bewertung der Risssicherheit von Gussasphalt

Ansprechpartner: Sören Holzwarth, M.Sc.

Gussasphalte sollen mit allen hierfür im Markt vorgesehenen viskositätsveränderten Bindemitteln bezüglich ihrer Kälteeigenschaften untersucht werden. In Sinne einer praktikablen Umsetzung der Laboruntersuchungen wird dies primär mit einem einfachen Prüfverfahren (Dreipunkt-Biegezug-Versuch) bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen. Ausgewählte Varianten, die dann den gesamten Ergebnisbereich hinreichend gut abdecken, werden für validierende Untersuchungen nach TP Asphalt-StB, Teil 46A ausgewählt.
Vor dem Hintergrund der Erarbeitung eines praxisbezogenen Instrumentariums werden sowohl im Labor hergestellte Gussasphalte, als auch Gussasphaltproben von der Baustelle untersucht. Zudem werden Gussasphaltflächen einbezogen,die Risse aufweisen und damit auf eine nicht ausreichende Kälteflexibilität hinweisen. Aus diesen Ergebnissen wird eine Aussage über mögliche Anforderungswerte für das Prüfergebnis erwartet.

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Entwicklung einer Prüfsystematik für Porous Mastic Asphalt (PMA)

Ansprechpartner: Sören Holzwarth, M.Sc.

Durch die EU-Umgebungslärmrichtlinie kommt lärmmindernden Bauweisen in jüngster Vergangenheit eine zunehmende Bedeutung zu. Neben der lärmmindernden Bauweise des offenporigen Asphalt (Porous Asphalt, PA) wurden erstmals im Jahr 2008 lärmreduzierende Asphaltstraßen mit einer Asphaltdeckschicht aus Porous Mastic Asphalt (PMA) gebaut.
Hinsichtlich des Asphaltkonzeptes PMA existieren kontroverse Erfahrungen, diese Wirkungsweise im labortechnischen Maßstab wie auch beim Einbau auf der Baustelle prozesssicher abzubilden. Diese Problematik ist Teil dieser Forschungsarbeit und soll als Basis für die Entwicklung einer prozesssicheren Prüfsystematik dienen.

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Optimierung der Zusammensetzung Offenporiger Asphalte zur Verbesserung des Nutzungsverhaltens

Ansprechpartner: Daniela Breddemann, M.Sc.

Zur Reduzierung der Belastung durch Straßenverkehrslärm werden vermehrt lärmmindernde Asphaltdeckschichten eingebaut. Auf Autobahnen hat sich der Offenporige Asphalt (porous asphalt = PA) zur akuten Lärmminderung bewährt. ,
Trotz zahlreichen Vorteile steht offenporiger Asphalt aufgrund seiner reduzierten Nutzungsdauer gegenüber dichten Asphaltdeckschichten in der Kritik. Die Verlängerung der Nutzungsdauer kann nur erreicht werden, wenn die Zusammensetzung der Deckschicht ganzheitlich und zielgerecht neu bewertet wird.

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Bewertungskriterien für den realitätsnahen Frosthebungsversuch

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Nina Flottmann

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung des Frosthebungsversuches hin zu einer standardisierten Prüfmethode. Dafür sind die Einbaubedingungen und ggf. das Frosthebungsgerät aufbauend auf den bereits vorhandenen Erfahrungen zu validieren. Durch ein geeignetes Verfahren kann das Frostverhalten z.B. von RC-Baustoffen und industriellen Nebenprodukten realitätsnah geprüft und bewertet werden.
Damit wird sowohl für die öffentliche Straßenbauverwaltung als auch für die ausführenden Firmen eine Möglichkeit geschaffen, mit noch zu entwickelnden Kriterien, die Gebrauchseigenschaft „Frost“ dieser Materialien besser zu beurteilen.

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Bestimmung der Kenndaten zur sicheren Charakterisierung von Fugenvergussmassen

Ansprechpartner: Dominik Twer, MS.c

In den letzten Jahren sind vermehrt Schäden an der Fugenabdichtung von Betonfahrbahndecken aufgetreten. Die festgestellten Mängel in Form von Ablösungen von den Fugenflanken bzw. Reißen des Fugenfüllstoffes selbst werden insbesondere bei Fugenmassen der Sorte N2 beobachtet. Schäden treten sowohl bei der turnusmäßigen Fugenpflege in Bestandsstrecken als auch bei der Fugenabdichtung in Neubaustrecken auf.
Vor diesem Hintergrund soll ein praxisorientiertes Prüfverfahren entwickelt werden, das die maßgeblichen in situ-Beanspruchungsszenarien von Fugenmassen abbildet. Dabei soll der Schwerpunkt der Untersuchungen nicht in der Ansprache der Fugenmasse allein, sondern vielmehr in der Abschätzung der Dauerhaftigkeit des Fugenfüllsystems als Gesamtheit liegen.