Die EU-Umgebungslärmrichtlinie, die am 24. Juni 2005 in Deutschland in nationales Recht überführt wurde, führt in Ballungsräumen mit über 250 000 Einwohnern zu zahlreichen Anstrengungen zur Reduzierung der Lärmbelastung. Dieses Ziel verfolgt auch die Stadt Düsseldorf und hat dazu Lärmaktionspläne erstellt.

Eine von vielen Maßnahmen ist der Einbau einer von der Ruhr-Universität Bochum entwickelten lärmoptimierten Asphaltdeckschicht (LOA 5 D). Eine erste Erprobung fand im April 2007 auf der Mecumstraße statt. Alle Ergebnisse fielen zur großen Zufriedenheit aus, so dass im Sommer 2007 und 2008 die Erneuerung des Straßenoberbaus auf dem Kennedydamm erfolgen konnte. Auch diese Baumaßnahmen verliefen durchweg positiv. Für die Stadt Düsseldorf ist dieses Deckschichtkonzept damit zu einer Bauweise für Erneuerungsmaßnahmen auf Straßen mit hoher Lärmbelastung geworden, die regelmäßig angewendet wird.

Der Einsatz von Pflasterbauweisen auf Straßen mit höheren Schwerverkehrsanteilen wird seit Jahren kontrovers diskutiert. Dabei lassen sich die Ursachen der Schäden häufig durch eine unzureichende Wasserdurchlässigkeit einer oder mehrerer Schichten des Oberbaus erklären, die bei sorgfältiger Auswahl der Baustoffgemische und bei fachgerechter Ausführung hätten vermieden werden können.

Seit nunmehr drei Jahren wird von der Ruhr-Universität Bochum eine Erprobungsstrecke in der Stadt Frankfurt mit einer wasserdurchlässigen Asphaltragschicht unter einer Pflasterdecke wissenschaftlich betreut, die bisher keine Anzeichen von Schäden aufweist.

Ein weiterer Aspekt zur Minimierung von Schäden an Pflasterbauweisen ist die Beurteilung der Festigkeit des Pflasterbettungsmaterials. Sinnvoll sind hierbei Methoden, die die Feinkornbildung des gesamten Gemisches prüfen und eine praxisnahe Bewertung ermöglichen. Erste Versuche mit einer dynamischen Prüfmethode zeigen vielversprechende Ergebnisse.

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

1 Lärmoptimierte Asphaltdeckschicht für den kommunalen Straßenbau

1.1 Anlass

Am 24. 6. 2005 wurde die EU-Umgebungslärmrichtlinie in nationales Recht überführt. Damit bestehen jetzt Fristen, bis wann erstmalig Lärmkarten und Lärmaktionspläne (Maßnahmenpläne) aufgestellt werden sollten. Für Ballungsräume mit über 250 000 Einwohnern sollten die Lärmkarten bis zum 30. 6. 2007, die Lärmaktionspläne bis zum 18. 7. 2008 vorliegen. Anschließend sind die Pläne alle 5 Jahre zu aktualisieren. Daher müssen sich verstärkt größere Städte mit dem Thema Lärmbekämpfung intensiv beschäftigen. In der nächsten Stufe der EU-Umgebungslärmrichtlinie sind auch kleinere Ballungsräume (> 100 000 EW) aufgefordert, Maßnahmen zur Lärmbekämpfung zu ergreifen.

In Nordrhein-Westfalen befinden sich 12 Ballungsräume mit mehr als 250 000 Einwohnern, bei denen damit schon Handlungsbedarf besteht. Hinzu kommen zwei Großflughäfen und 250 Kommunen, so dass die Lärmkartierung und die Erstellung von Maßnahmeplänen eine wichtige Aufgabe der Straßenbauverwaltungen sein werden.

Vor diesem Hintergrund beauftragte die Landeshauptstadt Düsseldorf die Ruhr-Universität Bochum, eine emissionsarme Asphaltdeckschicht für den kommunalen Bereich (angebaute Straßen) zu entwickeln und den Einbau in zwei Erprobungsmaßnahmen wissenschaftlich zu begleiten.

Am Emissionsort können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

• Lärmmindernde Fahrbahnbeläge,
• Verkehrstechnische Maßnahmen,
• Optimierung von Fahrzeug- und Reifenakustik,
• Verhalten von Fahrzeugbetreibern.

Einen direkten Einfluss haben die Straßenbaubehörden nur auf die ersten beiden Maßnahmen, wobei die verkehrstechnischen Maßnahmen im Allgemeinen verkehrspolitische Auswirkungen zur Folge haben oder aber größere bauliche Maßnahmen erfordern. Zu den möglichen verkehrstechnischen Maßnahmen zählen die Reduzierung der Verkehrsbelastung, die Reduzierung der Geschwindigkeit sowie die Verstetigung des Verkehrs.

Nach derzeitigem Kenntnisstand ist die offenporige Asphaltdeckschicht (OPA) die Bauweise mit der höchsten lärmmindernden Wirkung. Der hohe Wirkungsgrad der OPA beruht darauf, dass die Schallemissionen des Straßenverkehrs durch die sehr offenporige Struktur der Deckschicht zu einem nennenswerten Anteil absorbiert werden.

Gerade dieses hohlraumreiche Konzept führt aber zu den folgenden, insbesondere im kommunalen Bereich nachteiligen Aspekten:

• Geringe Wirkungs-/Nutzungsdauer: 6 bis 10 Jahre,
• Besondere Anforderungen an die Niederschlagsentwässerung,
• Anfälligkeit auf Schub- und Scherkräfte,
• Besondere Anforderungen an den Winterdienst,
• Stärkere Verschmutzung der Hohlräume zu erwarten,
• Aufgrabungen und Flickstellen.

1.2 Mischgutkonzept der lärmoptimierten Asphaltdeckschicht LOA 5 D

Aufgrund der zuvor beschriebenen Probleme beim Einsatz von offenporigen Asphaltdeckschichten im kommunalen Bereich beruht das hier vorgestellte Konzept auf einer lärmtechnisch optimierten „dichten“ Asphaltdeckschicht.

Die Reduzierung der Reifen-/Fahrbahngeräusche soll durch eine konkave Oberflächentextur erreicht werden. Gleichzeitig wird ein weitgehend dichtes Korngerüst mit geringem Feinanteil und einem Hohlraumgehalt von ca. 5 bis 7 Vol.-% angestrebt. Weiterhin soll das Konzept der lärmoptimierten Asphaltdeckschicht dünnschichtig mit einer Dicke von 2 bis 3 cm eingebaut werden. Bestimmt durch den aktuellen Stand der Technik im Bezug auf den Zusammenhang zwischen Größtkorndurchmesser und Lärmemission wurde für das Asphaltmischgut ein Größtkorn von 5 mm gewählt. Zur dauerhaften Stabilität der Oberflächentextur ist der Einsatz eines modifizierten Bindemittels unabdingbar. Die in der Tabelle 1 aufgeführten Angaben beschreiben die wesentlichen Mischgutkenndaten des Deckschichtkonzeptes LOA 5 D.

Tabelle 1: Mischgutkenndaten

1.3 Erfahrungen

Der erste Probeeinbau des LOA 5 D fand am 1. 4. 2007 auf der Mecumstraße in Düsseldorf statt. Hier wurde die neu entwickelte Deckschicht in einem ca. 300 m langen Abschnitt auf zwei Fahrstreifen in ca. 2 cm Dicke auf einen „frischen“ Asphaltbinder eingebaut. Der Einbau und die anschließende Überprüfung der lärmtechnischen Eigenschaften waren Bestandteile der Voruntersuchungen für die Grunderneuerung des Kennedydamms in Düsseldorf, die im Sommer 2007 (stadtauswärts) und im Sommer 2008 (stadteinwärts) mit dem Einbau der Deckschicht (LOA 5 D) abgeschlossen wurde. In allen Fällen wurden aufgrund des hohen Stellenwertes der lärmtechnischen Eigenschaften keine abstumpfenden Maßnahmen vorgenommen.

Unmittelbar nach dem Einbau (2. 4. 2007) wurden durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Lärmmessungen nach der Close-Proximity Methode (CPX-Methode) sowohl auf der neu eingebauten LOA 5 D (Fahrtrichtung „stadtauswärts“) als auch auf dem alten Fahrbahnbelag der Mecumstraße (Fahrtrichtung „stadteinwärts“) durchgeführt. Gleiches erfolgte auf den frisch eingebauten Deckschichten des Kennedydamms (Messungen durch den TÜV Rheinland). Beide Maßnahmen wurden und werden auch weiterhin messtechnisch beobachtet, um die zeitliche Entwicklung der lärmtechnischen Eigenschaften zu dokumentieren. Die bisherigen Messergebnisse sind zusammenfassend im Bild 1 dargestellt.

Bild 1: Entwicklung der lärmtechnischen Eigenschaften der beiden Erprobungsstrecken

Ein für die Dauer der lärmtechnischen Wirkung wesentlicher Aspekt dieser Asphaltdeckschicht ist die gleichmäßige Makrotextur in den Radrollspuren. Eine nur geringe Änderung würde die Lärmemissionen ansteigen lassen. Die bisher guten und gleichbleibenden lärmtechnischen Messergebnisse lassen sich auch durch die Fotodokumentation der zeitlich unveränderten Oberflächentextur bestätigen (Bild 2). Mit Ausnahme des Abtrages des Bindemittelfilms an der Oberfläche lassen sich nach ca. 1,5 Jahren noch keine Veränderungen feststellen. Die Fotos wurden in der rechten Radrollspur vor einer Lichtsignalanlage aufgenommen.

Bild 2: Straßenoberfläche nach dem Einbau, nach 10 und nach 19 Monaten Nutzungsdauer

1.4 Schlussfolgerungen und Ausblick

Die Erprobungen und lärmtechnischen Beobachtungen sind bisher sehr zufriedenstellend ausgefallen. Die Reduzierung des CPXL-Index (Pkw) zu herkömmlichen Asphaltdeckschichten (AB 0/8, AB 0/11 und SMA 0/8 S) beträgt 3 bis 5 dB(A). Die weitere zeitliche Entwicklung wird beobachtet und zu gegebener Zeit wird darüber berichtet.

Die Stadt Düsseldorf wird aufgrund der positiven Ergebnisse das Deckschichtkonzept LOA 5 D in Zukunft vorrangig für Erneuerungs- und Erhaltungsmaßnahmen verwenden. Weitere Städte in Nordrhein-Westfalen, aber auch Städte in anderen Bundesländern haben Interesse bekundet bzw. stehen kurz vor der Umsetzung einer Baumaßnahme mit einer LOA 5 D.

2 Vermeiden von Schäden bei Pflasterbauweisen

2.1 Anlass

Für Flächenbefestigungen in kommunalen Bereichen ist die Pflasterbauweise aufgrund der zahlreichen Gestaltungsmöglichkeiten von großer Bedeutung. Gemäß den RStO werden Verkehrsflächen bis zur Bauklasse III mit Pflasterdecken ausgeführt. Insbesondere in dieser Bauklasse können durch den vorhandenen Schwerverkehranteil höhere Verkehrsbelastungen auftreten, die abschnittsweise die Bauklasse III übersteigen. In diesen Fällen erreichen die Pflasterdecken nicht die erwartete Nutzungsdauer. Als Schadensbild wird dort häufig ein temporärer Wasseraufstau im Straßenoberbau beobachtet, der wiederum horizontale und vertikale Verschiebungen der Pflasterdecke zur Folge hat, da die Gesamttragfähigkeit des Befestigungssystems unter diesen Bedingungen deutlich reduziert ist.

2.1 Wasserdurchlässigkeit

Als Regelbauweise (ungebunden) kann eine Pflasterdecke nicht zielsicher wasserundurchlässig konzipiert werden. Erfahrungsgemäß ist die Infiltratiorate zu Beginn der Nutzungsdauer vergleichsweise hoch, reduziert sich aber im Verlaufe der Nutzung sehr deutlich. Das heißt, der im Bild 3 dargestellte Wasserhaushalt ist bezüglich der Anteile an Oberflächenabfluss und Infiltration ein zeitlich veränderlicher Zustand.

Bild 3: Wasserhaushalt in einem Pflasteroberbau

Die Reduzierung der Gesamtwasserdurchlässigkeit ist grundsätzlich für die Dauerhaftigkeit einer Pflasterdecke noch keine kritische Entwicklung. Entscheidend ist die Ableitung des Niederschlagswassers. Dies kann an der Oberfläche erfolgen (bei geringer Wasserdurchlässigkeit) oder durch eine Versickerung durch die ungebundenen Schichten (Bettungsschicht sowie Trag- und Frostschutzschicht). Staut sich aber in einer der Schichten des Oberbaus das Sickerwasser für eine längere Zeit auf, so reduzieren sich die Tragfähigkeiten der ungebundenen Schichten deutlich und es kann infolge der dynamischen Lasten zu Verlagerungen des Feinmaterials, verstärkter Kornverfeinerung bis hin zu Materialausspülungen kommen. Typische Schadensbilder zeigt das Bild 4.

Bild 4: Typische Schadensbilder bei unzureichender Wasserdurchlässigkeit einer Schicht des Oberbaus

Schäden durch unzureichende oder falsch abgestimmte Wasserdurchlässigkeiten können dauerhaft vermieden werden, wenn die Infiltrationsrate der Pflasteroberfläche geringer ist als die Durchlässigkeiten der Schichten des Oberbaus und sich dieses Verhältnis auch nach längerer Nutzungsdauer nicht verändert. Eine im Laufe der Nutzung üblicherweise auftretende Reduzierung der Infiltrationsrate des Gesamtsystems ist dabei keine schadensursächliche Entwicklung.

Kritisch ist hingegen die stellenweise auf Baustellen zu beobachtende Inhomogenität des Tragschichtmaterials und eine Überverdichtung mit dem Ziel, eine Tragfähigkeit von mindestens E_V2=180 MN/m² zu erreichen. Hier ist eine Begrenzung der Anforderungen an die Tragfähigkeit der Tragschicht ohne Bindemittel auf E_V2=150 MN/m² sinnvoll.

2.3 Pflasterbauweise mit wasserdurchlässiger Asphalttragschicht

Durch die Verwendung einer wasserdurchlässigen Tragschicht kann das Risiko des Aufstauens von Sickerwasser grundsätzlich verringert werden. Da die Tragfähigkeit einer Tragschicht ohne Bindemittel mit zunehmender Durchlässigkeit aber sinkt, bietet sich für Pflasterdecken mit höherer Verkehrsbelastung eine gebundene wasserdurchlässige Tragschicht (z. B. Asphalttragschicht) an.

In Zusammenarbeit mit der Stadt Frankfurt wurde ein 120 m langer Straßenabschnitt zur Erprobung dieser Bauweise hergestellt. Auf jeder Seite dieses Straßenabschnitts befindet sich eine Bushaltestelle, so dass die Verkehrsbelastung der Bauklasse III entspricht. Zur Ausführung kam der im Bild 5 dargestellte Oberbau.

In der Vergangenheit wurden bereits an vielen Stellen Pflasterbefestigungen mit einer Asphalttragschicht gebaut. Die Mischgutzusammensetzung wurde dabei aber zumeist in Anlehnung an die ZTV T-StB gewählt, mit der Folge, dass die Durchlässigkeiten im Laufe der Nutzung zu niedrig wurden.

Bild 5: Straßenoberbau für die Versuchsstrecke in Frankfurt

Aufbauend auf dem aktuellen Entwurf des „Merkblattes Wasserdurchlässige Straßenbefestigungen“ (siehe auch „Leitfaden Offenporige Asphalte, Teil 1: Wasserdurchlässiger Asphalt“ des DAV) wurde für die Erprobungsfläche eine wasserdurchlässige Asphalttragschicht WDA 0/22 gewählt. Die wesentlichen Mischgutkenndaten sind der Tabelle 2 zu entnehmen.

Tabelle 2: Anforderungen an die Mischgutzusammensetzung wasserdurchlässiger Asphalte

Der Einbau der Erprobungsflächen fand im Oktober 2005 statt. Der Zustand der Flächen wurde dokumentiert und wird auch weiterhin beobachtet.

Die Wasserdurchlässigkeiten werden regelmäßig auf der Oberfläche der Pflasterdecke und unregelmäßig (aufgrund des hohen Aufwandes) auf der wasserdurchlässigen Asphalttragschicht überprüft. Die bisherigen Ergebnisse zeigt das Bild 6.

Bild 6: Infiltrationsraten der Erprobungsflächen mit WDA 0/22

Die erwartete Reduzierung der Infiltrationsrate der Pflasteroberfläche lässt sich sehr deutlich aus den Ergebnissen ablesen. Auch die wasserdurchlässige Asphalttragschicht zeigt eine Abnahme der Infiltrationsrate, ohne dass aber bisher eine Stauwasserbildung beobachtet wurde. Leider verhindert der hohe Aufwand die regelmäßige Überprüfung der Infiltration der WDA. Es ist geplant, im Jahr 2009 eine weitere Öffnung der Pflasterdecke vorzunehmen, um dann die Infiltrationsrate in den beiden Teilbereichen der Erprobungsstrecke (mit und ohne Vlies) zu messen. Mit diesen Messungen erhofft man sich eine erste Aussage über die Notwendigkeit der Anordnung eines Vlieses zwischen WDA und Pflasterbettung.

2.4 Kornverfeinerung des Pflasterbettungsmaterials

Eine signifikante Reduzierung der Wasserdurchlässigkeit der ungebundenen Schichten eines Straßenoberbaus kann durch eine Kornverfeinerung des Pflasterbettungsmaterials infolge der Verkehrslasten auftreten. Die Vorgabe einer hohen Kornfestigkeit ist zur Vermeidung hoher Kornverfeinerungen ebenso wichtig wie eine stetige Korngrößenverteilung. Beide Aspekte sind bei der Überarbeitung der ZTV Pflaster-StB bzw. der TL Pflaster-StB beachtet worden. Eine differenzierte Aussage über das Zusammenwirken beider Aspekte ist damit aber nicht möglich. Vor diesem Hintergrund wurden und werden Prüfmethoden gesucht, mit denen das gesamte Gemisch bewertet werden kann. Aufbauend auf das AiF-Forschungsvorhaben 13938 N wurde an der Ruhr-Universität Bochum ein dynamisches Prüfverfahren mit folgenden Randbedingungen erprobt:

Probenabmessung:                h = 4 cm; d = 6 cm

Dynamische Last:                  ca. 1,7 N/mm²

Anzahl der Lastwechsel:        50 000

Lastdauer:                              Unterlast 0,4 Sek.; Oberlast 0,2 Sek.

Wassergehalt:                        12 %.

Die Korngrößenverteilung des Bettungsmaterials wird vor und nach der dynamischen Belastung bestimmt. Aus der Veränderung der Korngrößenverteilung lässt sich der Verfeinerungsgrad nach Schreiber errechnen:

Formel in der PDF

Im Rahmen einer Studienarbeit wurde der vorgenannte Versuch an sechs Bettungsmaterialien mit identischer Korngrößenverteilung, aber unterschiedlicher Kornfestigkeit durchgeführt. Die Ergebnisse sind im Bild 7 aufgeführt.

Bild 7: Verfeinerungsgrad korngestufter Bettungsmaterialien unterschiedlicher Kornfestigkeit unter dynamischer Belastung

Bei Betrachtung der Ergebnisse wird einerseits deutlich, dass die Verfeinerungsgrade offensichtlich nicht nur vom Schlagzertrümmerungswert abhängen und andererseits die Anwesenheit von Wasser die Kornverfeinerung deutlich erhöht.

Absolut betrachtet hat sich beim Bettungsmaterial G 5 durch die dynamische Belastung eine Erhöhung des Feinkornanteils (< 0,063 mm) um 2,7 M.-% (nass) bzw. 1,1 M.-% (trocken) eingestellt.

Des Weiteren wurde nach Versuchsdurchführung nicht nur eine Feinkornbildung, sondern auch eine Verlagerung des Feinkorns an die Oberfläche des Prüfkörpers beobachtet. Dies ist auf dem Foto (Bild 8) zu erkennen, wobei die Probe infolge des Ausbaus aus dem Prüfzylinder gedreht werden musste, so dass die Probenoberseite auf dem Foto nach unten zeigt. Außerdem konnte an allen Proben eine mehr oder weiniger stark ausgeprägte Verfestigung festgestellt werden.

Bild 8: Ausgebaute Bettungsmaterialienprobe nach der dynamischen Prüfung

2.5 Schlussfolgerungen und Ausblick

Zur Vermeidung von Schäden an Pflasterbefestigungen für Straßen mit höherem Schwerverkehranteil sind eine differenzierte Betrachtung der Wasserdurchlässigkeit der Schichten und deren Veränderung im Laufe der Nutzungsdauer unerlässlich. Dabei ist die Tatsache, dass sich die Gesamtdurchlässigkeit des Aufbaus verändert (sinkende Infiltrationsrate) nicht entscheidend. Wichtig ist vielmehr, dass das infiltrierte Wasser möglichst schnell in Schichten mit geringer Lasteinwirkung versickert. Eine wasserdurchlässige Asphalttragschicht ist nach den bisherigen Beobachtungen eine insbesondere für die Bauklasse III sinnvolle Bauweise. Die Eigenschaften (z. B. Wasserdurchlässigkeit) dieser Asphalttragschicht sind nicht mit konventionellen Asphalttragschichten vergleichbar.

Für Pflasterbauweisen mit einer Tragschicht ohne Bindemittel sollte nicht ausschließlich die Tragfähigkeit dieser Schicht betrachtet werden. Für die Dauerhaftigkeit dieser Bauweise ist eine Anforderung an die Wasserdurchlässigkeit mindestens genauso wichtig. Für die Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit muss allerdings ein einfaches Prüfverfahren vorhanden sein. Sowohl ein Laborprüfverfahren, als auch ein In-situ-Prüfverfahren werden voraussichtlich in Kürze vorliegen. Diese Untersuchungen finden zurzeit an der Ruhr-Universität Bochum und an der TU Dresden statt.

Darüber hinaus ist eine Bewertung der Festigkeit des Bettungsmaterials notwendig. Ein geeignetes und genormtes Prüfverfahren ist hierfür bisher nicht im Regelwerk verankert worden. Die Beurteilung der Festigkeit eines Pflasterbettungsmaterials anhand des SZ-Wertes scheint dabei nicht sinnvoll zu sein. Die dynamische Prüfung einer mit Wasser teilgesättigten Probe des Bettungsmaterials bietet eine gute Differenzierung und liefert qualitativ eine mit der Praxis vergleichbare Kornverfeinerung. Eine bauweisen- oder belastungsspezifische quantitative Zuordnung der Prüfergebnisse fehlt bisher noch.