Im Rahmen des Forschungsvorhabens NaHiTAs (Nachhaltiger HighTech-Asphalt – FKZ 13N13317) wurde eine nachhaltige Fahrbahnoberfläche in Asphaltbauweise entwickelt, die neben den standardmäßigen Anforderungen zusätzlich Stickoxid- und lärmmindernde Eigenschaften aufweist. Die zusätzlichen Funktionen werden über eine synthetische Gesteinskörnung mit photokatalytischer Eigenschaft und über eine innovative Einbautechnik, welche direkt am Asphaltfertiger angebracht ist erzielt. Das Ergebnis des Forschungsprojektes ist ein ganzheitliches System, mit dem ein vielversprechender Ansatz vorgelegt wurde, um der zunehmenden Problematik von ansteigenden Stickoxidkonzentrationen in den Städten entgegenzuwirken. Seit 2019 wird das Ergebnis als Clean Air (ClAir®) Asphalt vermarktet und wurde bereits auf 15 Baumaßnahmen bundesweit eingesetzt, in denen die Straßenoberfläche durch diese zusätzlichen Funktionen erweitert wurde.

Über den Prozess der Photokatalyse kann eine ClAir® Asphalt-Deckschicht die Stickstoffdioxid (NO₂)-Konzentrationen in der Luft unter guten Bedingungen – u. a. viel Sonne und wenig Wind – um bis zu 26 Prozent reduzieren. Prinzipiell hängt das Minderungspotenzial in der Praxis von den Rahmenbedingungen ab, die durch mehrere Faktoren (UV-Strahlung, Windgeschwindigkeit, Verkehrsdichte, Größe der eingebauten Fläche und Dichte der Randbebauung) beeinflusst werden.

ClAir® Asphalt trägt mit seiner Oberflächentextur außerdem systematisch zur Lärmminderung bei. Das belegen Messungen mit der Nahfeldmethode bei Referenzgeschwindigkeiten von 40 – 50 km/h auf Clean Air Asphaltdeckschichten mit den Splittmastixasphaltsorten SMA 8 S und SMA 5 S. Danach können die Verkehrslärmemissionen durch den Einbau um 2 bis 4 dB(A) gesenkt werden. Dies entspricht in der akustischen Wahrnehmung einer Verringerung des Verkehrsaufkommens um bis zu 50 Prozent und ist vergleichbar mit der lärmmindernden Wirkung speziell konzipierter lärmoptimierter Asphaltdeckschichten.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung und Funktion

Ein immer noch aktuelles Thema, das Gesellschaft und Politik beschäftigt, ist der Straßenverkehr in Deutschland. Er zählt zu einem der größten Verursacher des Schadstoffs Stickstoffdioxid (NOx). Mit einem eigenentwickelten Einbauverfahren der STRABAG AG und mit Hilfe des innovativen Abstreumaterials (AirClean®-Granulat) können Asphaltstraßen die giftigen Stickoxide aus der Luft abbauen.

Clean Air (ClAir®) Asphalt ist das Ergebnis des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundforschungsprojektes NaHiTAs – Nachhaltiger High-Tech-Asphalt (7/2015–12/2018), an dem die TPA, das baustofftechnische Kompetenzzentrum der STRABAG gemeinsam mit renommierten Partnern aus der Wissenschaft und Wirtschaft beteiligt war (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1: Projektbeteiligte des Forschungsprojektes NaHiTAs

Das Projekt verfolgte als übergeordnetes Ziel die Konzeption einer multifunktionalen, praktisch umsetzbaren Asphaltfahrbahnoberfläche, die zusätzlich zu den Standardanforderungen Stickstoffoxid- und lärmmindernde Eigenschaften aufweist.

Die luftreinigende Funktion von ClAir® Asphalt basiert auf der Nutzung von Titandioxid (TiO₂) als Photokatalysator: Zum Einsatz kommt ein mit TiO₂ versetztes, synthetisches Abstreugranulat aus ultrahochfestem Beton (UHPC), das in der Luft gebundene Stickoxide (NOx) unter Einwirkung von UV-Strahlung (Sonnenlicht) abbaut und in unschädliche Nitrate umwandelt (Photokatalyse), die über Regenereignisse ausgewaschen werden.

Die Menge des gebildeten Nitrats liegt dabei deutlich unterhalb der geltenden Grenzwerte, sodass keine negativen Umweltauswirkungen auftreten.

Bild 1: Funktion der Photokatalyse des mit Titandioxid versetzten Abstreumaterials

Da die TiO₂-Schicht nur im Kontakt mit UV-Strahlung aktiv ist, muss das entwickelte Abstreumaterial AirClean®-Granulat direkt auf der Fahrbahnoberfläche liegen. Die lärmmindernde Funktion wird durch die innovative Einbautechnik und die Dauerhaftigkeit des AirClean®-Granulats in der Fahrbahnoberfläche erzielt.

2 Projektinnovationen

Zur Erzielung der zusätzlichen Eigenschaften in der Asphaltoberfläche wurden im Rahmen des Forschungsprojektes mehrere innovative Entwicklungen realisiert.

2.1 Abstreumaterial – Air Clean®-Granulat

Das synthetisch hergestellte Abstreumaterial wird aus ultrahochfestem Beton (Ultra High Performance Concrete – UHPC) hergestellt. Der Photokatalysator Titandioxid wird in der UHPC-Mischung beigemengt und dieser wird zunächst als Beton-Rohling hergestellt. Für die Verwendung als Abstreumaterial im Straßenbau werden die Rohlinge auf eine 1/3 mm Körnung gebrochen (siehe Bild 2).

Der TiO₂-Anteil im gebrochenen Granulat liegt bei unter 1 M.-%. Das innovative Material erfüllt die Anforderungen an Gesteinskörnungen für Asphalt und Oberflächenbehandlungen für Straßen, Flugplätze und andere Verkehrsflächen (DIN EN 13043, 2013) sowie der TL Gestein-StB 04 (2018). Das Abstreumaterial verfügt über einen hohen Widerstand gegen Zertrümmerung (SZ18), eine gute Schleif- und Polierbarkeit (PSV52), eine hohe Affinität zu bitumenhaltigen Bindemitteln (60 % nach 24 Stunden) sowie eine gute Frost-Tausalz-Beständigkeit (1 % NaCl: 0,6 M.-%) und ist somit für alle Belastungsklassen gemäß RStO, (2012) einsetzbar. Für eine anhaltende Wirkung muss das Abstreumaterial auf der Asphaltfahrbahnoberfläche dauerhaft eingebracht werden. Erreicht wird dies durch die frühzeitige Einbindung des Abstreumaterials in die noch heiße Asphaltdeckschicht vor dem ersten Walzübergang. Dabei erhält die Deckschicht lediglich eine „Veredelung“. Der Straßenaufbau sowie die Standardfunktionen der Straße werden nicht verändert bzw. bleiben erhalten.

Bild 2: Abstreumaterial aus ultrahochfestem Beton – AirClean®-Granulat (Foto: STRABAG AG/Timo Lutz Werbefotografie)

Des Weiteren wurden Bitumenuntersuchungen unter Berücksichtigung eines potenziellen Einflusses des Photokatalysators Titandioxid (TiO₂) auf die Bitumenalterung durchgeführt. Die Bitumenalterung führt während der Lagerung oder des Gebrauchs zu Veränderungen der rheologischen und chemischen Eigenschaften. Verursacht wird die Alterung durch Wärmeeinwirkungen, Luftsauerstoff sowie Einstrahlung von UV-Licht. Insbesondere aufgrund der Alterung infolge von UV-Strahlung wurden innerhalb des Forschungsprojektes NaHiTAs die Auswirkungen des UV-aktiven TiO₂ auf die Bitumeneigenschaften untersucht. Die Untersuchungen fanden an drei ausgewählten Straßenbitumen (50/70-3, 50/70-4 und PmB-0) statt. Durch intensive Untersuchungen bezogen auf die Verträglichkeit zwischen Titandioxid und den Bitumen in Zusammenarbeit mit der TPA, der Technischen Universität Berlin, der Universität Kassel und dem Unternehmen ASPHALTA konnte nachgewiesen werden, dass durch das Titandioxid keine vorzeitige Alterung des Bitumens zu erwarten ist.

2.2 Einbautechnik

Zur Integration des Granulats hat die TPA GmbH eine innovative Einbautechnik realisiert. Hierzu gehören ein Streu-Modul und ein Beschickungskonzept (siehe Bild 3).

Zur frühzeitigen und dauerhaften Einbindung des Materials wurde ein fertigerintegrierter Streuer, der am Asphaltfertiger direkt hinter der Einbaubohle angebracht wird, entwickelt. Dieser ist bis heute der einzige Prototyp in Deutschland, der ständig weiterentwickelt wird. Durch die elektrische Kopplung passt sich der Streuer der Geschwindigkeit des Fertigers an, wodurch die Streumenge während des Einbaus konstant gehalten wird. Für eine vollflächige Abstreuung ist nur eine geringe Menge des Materials notwendig (ca. 1,3 kg/m2). Um den fertigerintegrierten Streuer kontinuierlich mit dem AirClean®-Granulat befüllen zu können, wurde eine innovative Beschickungsmethode realisiert. Bestehend aus einer Asphalt- und Streumaterialkammer wurde der Innovationsbunker entwickelt. Über eine Förderschnecke und ein an der Seite des Fertigers montiertes Förderband wird das Material automatisch an die Rückseite zum fertigerintegrierten Streuer befördert. Hiermit kann der Einbau von Asphaltmischgut und die gleichzeitige Einbindung des innovativen Granulats in einem Arbeitsgang durchgeführt werden.

Bild 3: Einbautechnik für ClAir® Asphalt (Foto: STRABAG AG)

2.3 Qualitätsüberwachung

Zur Gewährleistung und flächendeckenden Einhaltung der gezielten Fahrbahnoberflächeneigenschaften, die maßgeblich die Geräuschentwicklung sowie den Rollwiderstand steuern, findet die Qualitätsüberwachung der Fahrbahnoberfläche bereits während des Einbauprozesses des ClAir® Asphaltes statt. Diese erfolgt mit dem im Einbauprozesses optimierten innovativen Messsystem „Surface Drone“.

Die Surface Drone ist ein kleines, selbstfahrendes Messsystem, das in Echtzeit Daten zur Makro- und Megatextur liefert. Das Gerät tastet mit einem Laser die Fahrbahnoberfläche ab und erstellt eine dreidimensionale Oberflächenstruktur. Die Surface Drone ermöglicht eine bis zu 50 Meter langen Profilmessung der Textur, sodass mehrere Punkte entlang eines Profils erfasst werden können. Dank des thermostabilen Gehäuses kann das Gerät auf bis zu 140 °C heißen Asphaltoberflächen eingesetzt werden. Dies ermöglicht begleitende Messungen zur Qualitätssicherung der Oberflächeneigenschaften während des Asphalteinbaus, wobei gegebenenfalls ein unmittelbarer Eingriff in den Einbauprozess und somit Korrekturen möglich sind.

Neben der direkten Auswertung der Texturparameter (mittlere Profiltiefe und Gestaltfaktor gemäß DIN EN ISO 13473-1, 2004) können mithilfe von neu entwickelten Algorithmen auch die mittlere Texturtiefe und der Rollwiderstand berechnet werden; zwischen der Oberflächentextur und dem Rollwiderstand von Fahrbahnoberflächen ist ein empirischer und rechnerisch nachgewiesener Zusammenhang vorhanden (Hoever, 2014). Über einen integrierten Neigungssensor werden zusätzlich orientierende Informationen zur Ebenheit und Neigung der Messstrecke geliefert.

Bild 4: Messsystem Surface Drone (links (Foto: STRABAG AG)); Einsatz der Surface Drone auf der heißen Asphaltoberfläche, Thermografieaufnahme (rechts)

3 Nachweis der photokatalytischen Aktivität

Um qualitative Aussagen über die Menge an Stickoxiden treffen zu können, die mit dem photokatalytischen Abstreumaterial abgebaut werden, sind Messungen zur Aktivität des Materials erforderlich. Dabei gestaltet sich jedoch die Ergebnisübertragung auf reale Verhältnisse oftmals schwierig. Zur Lösung dieses Problems wurde im Rahmen des Forschungsprojektes NaHiTAs ein Testfeld realisiert, welches als Modell für einen Straßencanyon dient (siehe Bild 5).

Auf diesem Erprobungsareal kann eine photokatalytisch aktive Fläche mit einer inaktiven Fläche verglichen werden – bei einer kontinuierlichen und identischen Schadstoffbelastung. Zur Messung des Schadstoffabbaus wurden auf beiden Flächen Luftmesseinrichtungen nach DIN EN 14211 (2012) angelegt. Über diese werden auf beiden Flächen die Konzentrationen des Schadstoffs kontinuierlich aufgesammelt und in zwei Analysatoren eingeleitet. Die daraus gebildete Differenz der Messwerte beschreibt die Effektivität des Abbaus. So konnten unter guten Bedingungen in mehreren Testreihen, Abbaupotenziale von bis zu 26 % von ClAir® Asphalt nachgewiesen werden.

Bild 5: Straßencanyon – Testfeld des Forschungsprojektes NaHiTAs (Foto: STRABAG AG/Thomas L. Fischer)

4 Erfahrungen mit den Untersuchungsstrecken

Nach dem Ende des Forschungsprojektes NaHiTAs wurde im April 2019 in Zusammenarbeit mit der Stadt Stuttgart, dem Verkehrsministerium Baden-Württemberg und der STRABAG die erste Pilotstrecke am Stuttgarter Neckartor auf einer Fläche von ca. 6.300 m2 mit ClAir® Asphalt umgesetzt. Seit dem erfolgreichen Einbau „Am Neckartor“ wurden bundesweit in Zusammenarbeit mit Auftraggebern und den ortsansässigen operativen Einheiten der STRABAG 14 weitere ClAir® Asphalt-Projekte realisiert. So konnten bis Ende 2022 insgesamt über 77.000 m2 mit dem innovativen Asphalt verbaut werden.

Bild 6: ClAir® Asphalt Untersuchungsstrecken (Foto: STRABAG AG/Timo Lutz Werbefotografie)

4.1 Ermittlung der Schadstoffreduktion

Um einen Nachweis zur Schadstoffreduktion in der Praxis zu erbringen, wurden Simulationen des photokatalytischen NO₂-Minderungspotenzials durchgeführt. Ziel der Simulation war, die Reduktion der NO₂-Immissionen durch den Einbau von ClAir® Asphalt mit Hilfe eines geeigneten Simulationsmodells zu quantifizieren. Mit der photokatalytischen Modellierung wird zum einen eine Simulation ohne Berücksichtigung des ClAir® Asphalts durchgeführt und zum anderen eine Simulation mit dessen Berücksichtigung. Aus der Differenzbildung kann auf das NO₂-Minderungspotenzial durch den ClAir® Asphalt geschlossen werden. Mit dem Modell werden Aussagen zum NO₂-Reduktionspotenzial bezüglich des NO₂-Jahresmittelwertes und für spezielle, windschwache Situationen getroffen. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten ist die Verweilzeit der Schadstoffe über den photokatalytisch wirksamen Baustoffen größer als bei hohen Windgeschwindigkeiten. Deswegen ist das Minderungspotenzial bei geringen Windgeschwindigkeiten höher als im Jahresmittel. Der Jahresmittelwert wird mit einer lokal repräsentativen Windstatistik und unter Berücksichtigung der Hintergrundbelastung ermittelt.

Die Simulation des photokatalytischen Minderungspotenzials im Echtmaßstab basiert auf dem dreidimensionalen prognostischen mikroskaligen Strömungs- und Ausbreitungsmodell MISKAM. MISKAM ist ein Strömungs- und Ausbreitungsmodell für die kleinräumige Prognose von Windverteilung und Konzentrationen in der Umgebung von Einzelgebäuden sowie in Straßen bis hin zu Stadtteilen.

Als Turbulenzmodell kommt ein E-ε-Turbulenzmodell zum Einsatz. Hierbei ist E die Turbulenzenergie und ε die Energiedissipation. Der turbulente Diffusionskoeffizient berechnet sich aus Turbulenzenergie E und Energiedissipation ε. Die Differentialgleichungen werden auf einem kartesischen Koordinatensystem numerisch gelöst. Zur Beschreibung der luftseitigen chemischen Umwandlung von NO in NO₂, das heißt der Stickoxidkonversion, wird das Leighton-Chemie-Modell verwendet. Die Ausbreitung von NO, NO₂ und O₃ erfolgt simultan. Im For- schungsprojekt NaHiTAs wurden für die Simulationen mit Berücksichtigung der Wirkung von photokatalytischem Asphalt unterschiedliche Werte für die photokatalytische Depositionsge- schwindigkeit für NO und NO₂ angesetzt mit dem Ziel, die Messwerte der Straßen-Canyon-Freilandversuche möglichst genau zu treffen. Die beste Übereinstimmung ergab sich für eine angesetzte photokatalytische Depositionsgeschwindigkeit für NO bzw. für NO₂ von 1,0 cm/s bzw. 0,25 cm/s.

Die verschiedenen Messungen der photokatalytischen Simulation auf den Untersuchungsstrecken zeigten deutlich, dass in der Praxis die Minderung von NO₂ durch ClAir® Asphalt stark von unterschiedlichen Bedingungen abhängig ist. Zu den Bedingungen gehören:

• Hintergrundbelastung,
• Verkehrsdichte,
• Windgeschwindigkeiten und -richtungen,
• Dichte der Randbebauung,
• Größe der photokatalytischen Fläche.

Durch die bisherigen Erfahrungen mit der photokatalytischen Modellierung auf den durchgeführten Untersuchungsstrecken zeigt sich, je mehr Hintergrundbelastung mit NO₂ im Istzustand vorhanden ist, desto höher fällt das Minderungspotenzial aus. Des Weiteren werden höhere Minderungen erzielt, wenn in den Untersuchungsbereichen schwächere Windgeschwindigkeiten und eine dichte Wohnbebauung vorhanden sind, die dazu führen, dass die Verweildauer von NO₂ länger ausfällt und somit effektiver durch ClAir® Asphalt reduziert werden kann.

4.2 Reduktion der Reifen-Fahrbahngeräusche

Zur Untersuchung der lärmmindernden Eigenschaften des ClAir® Asphalts wurden Messungen nach der Nahfeldmethode (Close Proximity Method – CPX) gemäß ISO 11819-2: „Akustik – Messung des Einflusses von Straßenoberflächen auf Verkehrsgeräusche“ durchgeführt. Mit dieser Methode können die Reifen-Fahrbahn-Geräusche unbeeinflusst von den speziellen Gegebenheiten der Messumgebung und unabhängig von Antriebs- und Strömungsgeräuschen an der Karosserie gemessen werden.

Die Messungen der Reifen-Fahrbahngeräusche fanden auf ClAir® Asphalt Deckschichten der empfohlenen Mischgutsorten Splittmastixasphalt SMA 8 S und SMA 5 S bei Referenzgeschwindigkeiten von 50 km/h statt.

Die Ergebnisse in der Tabelle 2 zeigen, dass mit dem eingebauten ClAir® Asphalt der Geräuschpegel um 2 bis 4 dB(A) vermindert wird. Diese erzielte Pegelreduktion entspricht in der Wahrnehmung des menschlichen Gehörs einer Verringerung des Verkehrsaufkommens um 35 % bis 50 % und ist mit speziell konzipierten lärmoptimierten Asphaltdeckschichten (SMA 8 LA, LOA 5 D, DSH-V 5) vergleichbar.

Tabelle 2: Akustischer Vergleich zwischen ClAir® Asphalt und speziell optimierten Asphaltbelägen

4.3 Ergebnis Qualitätsüberwachung der Oberfläche

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse zur Qualitätsüberwachung der Fahrbahnoberfläche mittels Surface Drone der ClAir® Baumaßnahme Justinianstraße in Köln (Oktober 2020) dargestellt. Im Zuge der Messung wurden die Oberflächeneigenschaften sowohl vom frisch hergestellten SMA 8 S ClAir® als auch vom Asphalt aus dem Bestand (vermutlich AC 11 D S) bestimmt. Zu Vergleichszwecken wurde auch ein herkömmlicher SMA 8 S ohne Abstreusplitt herangezogen.

Ein Vergleich verschiedener Asphaltdeckschichten hinsichtlich des Parameters der Oberflächentextur (Gestaltfaktor) und des Rollwiderstandes ist im Bild 7 dargestellt. Daraus lässt sich schließen, dass der herkömmliche SMA 8 S und der SMA 8 S ClAir® Asphalt ähnliche Gestaltfaktoren aufweisen. Dies deutet auf vergleichbare lärmmindernde Eigenschaften hin, somit kann das Ergebnis der CPX Messungen bestätigt werden.

Weiterhin ist ein ähnlicher Rollwiderstand zu erkennen. Der AC 11 D S aus dem Bestand hingegen zeigt aufgrund des niedrigen Gestaltfaktors eine höhere Geräuschentwicklung sowie einen höheren Rollwiderstand auf.

Bild 7: Ergebnisse der Texturmessungen mittels Surface Drone der Baumaßnahme Justinianstraße in Köln (SMA 8 S ClAir® und AC 11 D S aus dem Bestand) und des herkömmlichen SMA 8 S ohne Abstreusplitt

5 Fazit

Clean Air (ClAir®) Asphalt ist eine Weiterentwicklung des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundforschungsprojektes NaHiTAs – Nachhaltiger HighTech-Asphalt (7/2015-12/2018), das zum Ziel hatte, eine Asphaltfahrbahnoberfläche mit neuen zusätzlichen Funktionen (schadstoff- und lärmmindernd) zu „veredeln“.

Mit dem AirClean®-Granulat und über eine neuentwickelte Einbautechnik der STRABAG konnte ein vielversprechender Ansatz, der sofort einsatzbereit und dauerhaft ist, vorgelegt werden, um der zunehmenden Belastung durch Luftschadstoffe und Verkehrslärm in den deutschen Städten ohne negative Auswirkungen auf Nutzer und Anlieger entgegenzuwirken.

Literaturverzeichnis

DIN EN ISO 13473-1. (2004). Charakterisierung der Textur von Fahrbahnbelägen unter Verwendung von Oberflächenprofilen – Teil 1: Bestimmung der mittleren Profiltiefe (ISO 13473-1:1997); Deutsche Fassung EN ISO 13473-1:2004

DIN EN 13043-08. (2013). Gesteinskörnungen für Asphalt und Oberflächenbehandlungen für Straßen, Flugplätze und andere Verkehrsflächen; Deutsche Fassung EN 13043:2013

DIN EN 14211-11 (2012). Außenluft – Messverfahren zur Bestimmung der Konzentrationen von Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid mit Chemilumineszenz; Deutsche Fassung EN 14211:2012

ISO 11819-2-03 (2017). Akustik – Messung des Einflusses von Straßenoberflächen auf Verkehrsgeräusche – Teil 2: Nahfeldmessverfahren

Hoever, C. (2014). The simulation of car and truck tire vibrations, rolling resistance and rolling noise. PhD-Thesis, Chalmers University of Technology

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2012): Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 2012), Ausgabe 2012, Köln (FGSV 499)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2018): Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TL Gestein-StB 04), Ausgabe 2004/Fassung 2018, Köln (FGSV 613)