Genaue Kenntnisse über die Verteilung von Streustoffen auf der Fahrbahn und deren Wirkungszeiten sind Voraussetzungen für einen sparsamen Streustoffeinsatz. Die Kenntnis des zeitlichen Verlaufes der Wirkung von Tausalzen auf der Fahrbahn schafft die Möglichkeit, Wiederholungsstreuungen erst dann durchzuführen, wenn das aus Sicht der Verkehrssicherheit notwendig ist. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die auf der Fahrbahn wirksamen Salzmengen über zwei Winterperioden auf dem kompletten Querschnitt einer zweistreifigen Autobahn zu erfassen. Auf einem Messfeld wurden von Dezember 2006 bis April 2008 ca. 8 Millionen Daten über den Fahrbahnzustand erhoben. Parallel dazu wurden die Aufzeichnungen von ca. 210 Streuungen ausgewertet, die im Rahmen des planmäßigen Streudienstes im Bereich des Messfeldes durchgeführt wurden. Es wurde deutlich, dass nur 25 bis 50 % des ausgebrachten Salzes in Lösung gehen und der Streustoff wesentlich schneller von der Fahrbahn verdrängt wird, als bisher angenommen.

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

1  Einleitung

In den Jahren 2006 bis 2008 wurde an einem Autobahnabschnitt im Detail untersucht, wie sich auf die Fahrbahn ausgebrachtes Tausalz (NaCl) verteilt und welchen Einfluss der Fahrverkehr auf die Wirkungsdauer des Tausalzes hat. Ziel der Forschungsarbeit waren wissenschaftlich ermittelte Aussagen zur Liegedauer von Tausalzen auf der Fahrbahn [3]. Daraus sollen Möglichkeiten für einen effizienteren Tausalzeinsatz im Straßenwinterdienst abgeleitet werden.

2  Aufbau des Messfeldes

Die Anordnung der Fahrbahnsonden wurde so gewählt, dass Messwerte in den vier Rollspuren, zwischen den Rollspuren und an den Rändern der Fahrstreifen ermittelt werden konnten (Bild 1). Ein Teil der Fahrbahnsonden war paarweise in der gleichen Position des Fahrbahnquerschnittes angeordnet, um die Messgenauigkeit der Fahrbahnsonden bzw. die Längsverteilung der Tausalze beurteilen zu können.

Das Messfeld bestand aus folgenden Komponenten:

• 12 Fahrbahnsonden – Vaisala DRS 511 AB2 (passive Sensoren) mit den Funktionen:
  • Messung/Berechnung der Gefriertemperaturen,
  • Messung der Fahrbahnoberflächentemperatur,
  • Erfassung der Restsalzmenge [g/m²],
  • Messung der Wasserfilmdicke,
  • Erfassung des Fahrbahnzustandes,
• Sensorkombination zur Messung von Lufttemperatur und relativer Luftfeuchte – Vaisala HMP45D
• Windset zur Messung von Windgeschwindigkeit und -richtung – Vaisala WA15 D7A
• Sonde zur Messung der Bodentemperatur – Vaisala DTS12G3.

Bild 1: Anordnung der Fahrbahnsonden auf dem Messfeld

Das Messfeld wurde unmittelbar neben einer bestehenden Glättemeldeanlage der Firma Boschung eingerichtet. Die Messwerte dieser Glättemeldeanlage standen als Vergleichswerte zur Verfügung. Parallel dazu wurden auch weitere meteorologische Daten, wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und Windrichtung neben dem Messfeld bestimmt. Von der zuständigen Autobahnmeisterei wurden für jeden Streueinsatz im Abschnitt der Messstelle folgende Daten aufgezeichnet:

• Kennzeichen des Streufahrzeuges,
• Datum
• Uhrzeit,
• Streubreite,
• Streudichte,
• Lage des Streubildes auf der Fahrbahn,
• Feuchtsalzeinsatz Ja/Nein,
• Schneepflugeinsatz Ja/Nein.

3  Durchführung und Auswertung der Messungen

Im Untersuchungszeitraum während der Winterdienstperioden 2006/2007 und 2007/2008 wurden 217 Winterdiensteinsätze durchgeführt und dokumentiert. Insgesamt wurden ca. 8 Millionen Daten erhoben.

Aus den Rohdaten wurden mittels speziell entwickelter Software Datentabellen erstellt, in denen für jeden Messzeitpunkt alle erhobenen Daten enthalten sind. Aus den relevanten Messwerten der doppelt angelegten Sensoren wurden Mittelwerte gebildet.

Bild 2: Charakteristische Temperaturverteilung über den Querschnitt von zwei Fahrstreifen FB – Fahrbahnrand, FS – Trennlinie zwischen den Fahrstreifen, RR – rechte Rollspur, RL linke Rollspur, FM – Fahrstreifenmitte

Bild 3: Salzaktivierung nach Niederschlagsbeginn und die Wirkung anschließender Streuungen

Damit lassen sich für alle Einzelereignisse 3-D-Diagramme erstellen, aus denen der zeitliche Verlauf von Salzmenge (SM), Gefriertemperatur (GT), Fahrbahnoberflächentemperatur (FT) oder Wasserfilmdicke (WD) über den gesamten Fahrbahnquerschnitt ersichtlich ist (Bild 2).

Eine weitere Zusammenfassung der Daten erfolgte durch Mittelwertbildung mit der Differenzierung „innerhalb der Rollspur“ (RS) und „außerhalb der Rollspur“ (AR). Aus den so gewonnenen Werten wurden für alle Vorgänge aussagekräftige Diagramme zum Verlauf der Streustoffmenge, der Gefriertemperatur und der Oberflächentemperatur mit der Differenzierung RS und AR erstellt. Diese Diagramme sind besonders dazu geeignet, die Auswirkung einzelner Streuvorgänge und Niederschlagsereignisse zu dokumentieren (Bild 3).

Aus der großen Zahl von Daten aus Einzelereignissen können nur dann allgemeine Schlussfolgerungen gezogen werden, wenn aus jedem Einzelereignis charakteristische Einzeldaten herausgefiltert werden, welche die Zusammenfassung und den Vergleich ermöglichen.

Für die weitere Analyse wird die Fahrbahnsituation, bei der Streuungen durchgeführt werden, wie folgt typisiert:

1. Fahrbahn trocken oder leicht feucht (maximal 0,04 mm Wasserfilm),
2. Fahrbahn nass oder mit geringem Schnee- oder Matschbelag – kein Pflugeinsatz,
3. räumfähiger Schnee- oder Matschbelag –

Für die Frage, wie viel Salz für die Glättebekämpfung erforderlich ist, ist es wichtig zu wissen, welche Salzmenge unter realen Winterdienstbedingungen auf der Fahrbahn gelöst wird. Um diese Werte zu erhalten, wurden die Maximalwerte nach der jeweiligen Streuung getrennt nach Rollspur (RS) und außerhalb Rollspur (AR) aus den Datensätzen ausgelesen und in einer separaten Tabelle erfasst. Außerdem wurde die Zeit von der Streuung bis zum Erreichen der maximal gelösten Menge registriert. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, ob die Fahrbahn bereits feucht ist und durch Niederschläge weitere Flüssigkeit hinzukommt. Daher wurden die ermittelten Daten getrennt nach den festgelegten Fahrbahnsituationen (Typ A,B,C) ausgewertet. Bei der Beurteilung der Werte war auch zu berücksichtigen, dass es sich um einen dynamischen Prozess handelt. Das heißt, während weiteres Salz gelöst wird, ist möglicherweise vorher gelöstes Salz als Sprühnebel von der Fahrbahn verschwunden. Es kann also keine Totalbilanz in dem Sinne aufgestellt werden, dass 7,6 g/m² Salz (Streudichte FS 30, 10 g/m²) ausgebracht wurden und nur maximal 3 g/m² sichtbar sind und somit 4,6 g/m² vollkommen wirkungslos wären.

Das Diagramm (Bild 4) zeigt, dass bei Streuungen zu Zeiten ohne Niederschlag deutlich weniger gelöstes Salz gemessen wird. Es handelt sich im Wesentlichen um die ohnehin bei FS30 hinzugefügte Salzlösung. Damit ist auch messtechnisch bestätigt dass bei trockener Fahrbahn oder sehr geringer Feuchte kaum Salz in Lösung geht, da dafür keine Flüssigkeit vorhanden ist.

Bild 4: Maximal gelöste Salzmenge in Abhängigkeit von der Streudichte (Fahrbahn trocken oder leicht feucht)

Bild 5: Maximal gelöste Salzmenge in Abhängigkeit von der Streudichte (Fahrbahn nass mit Schneepflugeinsatz)

Auf nasser Fahrbahn geht deutlich mehr Salz in Lösung (Bild 5). Die Werte haben allerdings eine große Schwankungsbreite. Es ist deutlich zu sehen, dass in der Rollspur mehr Salz gelöst wird als außerhalb der Rollspur. Das ist wahrscheinlich auf die mechanische Wirkung der Reifen zurückzuführen, die den Löseprozess unterstützt.

In einer vergleichenden Betrachtung wird der Einfluss der Flüssigkeitsmenge auf der Fahrbahn dann deutlich, wenn man den relativen Anteil des gelösten Salzes berechnet. Dabei wird der nach den Sensormessungen gelöste Anteil des Salzes mit der einer Streudichte zugeordneten Salzmenge ins Verhältnis gesetzt. Für diese Darstellung wird der Mittelwert des maximal gelösten Salzes der Messungen außerhalb und innerhalb der Rollspur gebildet (Bild 6). Es ist deutlich zu erkennen, dass der Anteil des gelösten Salzes tendenziell mit steigender Streudichte sinkt. Das heißt, je höher die Streudichte, desto geringer ist der prozentuale Anteil des Salzes mit dem Tauwirkung erzielt wird. Gegenüber der Streudichte 5 g/m² gibt es bei 10 g/m² für Typ B und C einen leichten Anstieg der Löserate, welcher der allgemeinen Tendenz widerspricht. Gleiches ist auch beim Typ B mit Streudichten von 15 zu 20 g/m² zu verzeichnen. Dafür gibt es im Moment keine plausible Erklärung. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass für diese Vergleichspunkte relativ wenige Messwerte vorhanden sind.

Die durch die Messungen festgestellte Rate des gelösten Salzes ist insgesamt als überraschend gering anzusehen. Die insgesamt große Zahl der Messwerte gibt jedoch eine hohe Sicherheit für die Genauigkeit der Messungen.

Bild 6: Anteil des maximal gelösten Salzes in Abhängigkeit von Streudichte und Fahrbahnsituation

4   Referenzmessungen mit einem neuartigen Messverfahren

Zur Verifikation der Messwerte wurde an einigen Messtagen ein neuartiges Messverfahren angewandt (Bild 7). Mit dem Verfahren können sowohl gelöste als auch feste Salzbestandteile aufgenommen und quantitativ analysiert werden.

Das Verfahren lässt Restsalzmessungen mit hoher Genauigkeit auf trockener aber auch feuchten oder nassen Fahrbahnen zu [1]. Insofern ist dieses Gerät besonders geeignet, die Messungen mit dem Fahrbahnsensoren zu verifizieren, aber auch zu ergänzen. Bei diesem Messverfahren wird Taustoff von einer genau definierten Fahrbahnfläche aufgenommen. Die Fahrbahnoberfläche wird unmittelbar vor dem Aufsaugen mit destilliertem Wasser angefeuchtet. Die aufgenommene Flüssigkeit wird hinsichtlich des Salzgehaltes analysiert. Diese Analyse liefert sehr genaue Werte für die auf der Fahrbahn befindlichen Restsalzmengen.

Bild 7: Salzaufnahme mit dem Spül-Saug-Gerät, Detail: Saugmund mit Befeuchtungsdüsen

Mit diesem Gerät wurden Vergleichsmessungen zu den mit den Fahrbahnsonden ermittelten Werten durchgeführt. Wegen der unterschiedlichen Messverfahren ist jedoch ein direkter Vergleich nicht möglich. Es wurde jedoch die Erkenntnis bestätigt, dass wesentlich größere Salzmengen innerhalb kurzer Zeit in die Randbereiche verfrachtet werden als bisher angenommen.

Bild 8: Relative Veränderung der Salzmengen auf dem rechten Fahrstreifen und dem Standstreifen nach 60 Minuten Verkehrseinwirkung [2]

Bei weiteren Streuversuchen wurde auch noch die Liegedauer von feinkörnigem Siedesalz und Salzlösung auf der Fahrbahn untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Salzanteile von Salzlösungen offenbar wesentlich länger auf der Fahrbahn verweilen (Bild 8). Das ist insbesondere dann zu erwarten, wenn präventiv auf trockene oder nur leicht feuchte Fahrbahn gestreut wird. Die Wirkungsdauer von Salzlösungen auf der Fahrbahn wird zurzeit in umfangreichen Messreihen unter Feldbedingungen untersucht.

5  Zusammenfassung und Ausblick

Die im Rahmen des Forschungsthemas mit dem Messfeld gewonnenen Messwerte geben einen detaillierten Einblick in die Vorgänge auf der Fahrbahnoberfläche eines Autobahnabschnittes während der Winterdienstsaison.

Es liegen erstmals auswertbare Messwerte über den gesamten Fahrbahnquerschnitt einer Autobahn mit zwei Fahrstreifen für zwei komplette Winterdienstperioden vor. Kernstück der Messungen im Sinne der Aufgabenstellung war die Ermittlung der auf der Fahrbahn gelösten Salzmengen.

Aus den Messungen lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten:

• In den Rollspuren geht Salz schneller in Lösung als außerhalb der Rollspuren, wird aber dann schneller verdrängt.
• Die Oberflächentemperatur in und zwischen den Rollspuren des rechten Fahrstreifens liegt bei normaler Verkehrsbelastung ca. 1 bis 1,5 K höher als zwischen den Fahrstreifen und am Rand der Fahrstreifen.
• Die Oberflächentemperatur in und zwischen den Rollspuren des rechten Fahrstreifens liegt bei normaler Verkehrsbelastung ca. 0,5 bis 1,0 K höher als an den vergleichbaren Punkten des linken Fahrstreifens.
• Während des Lösevorganges von NaCl kommt es in einem Zeitraum von 10 bis 15 Minuten zu einer Temperaturabsenkung an der Fahrbahnoberfläche von ca. 1K.
• Bei präventiver Feuchtsalzstreuung auf trockener Fahrbahn kommen nur der Soleanteil und die Salzmenge zur Wirkung, für die sich Lösewasser auf der Fahrbahn befindet, soweit nicht innerhalb eines Zeitraumes von 120 Minuten Niederschlag fällt.
• Bei den häufig durchgeführten präventiven Streuungen zur Verhinderung von überfrierender Nässe und Reifglätte wird nur ein geringer Anteil des Salzes von durchschnittlich 12 % Der größere Teil wird von der Fahrbahn befördert, bevor er in Lösung gehen kann.
• Bei ausschließlicher Verwendung von Sole zur präventiven Streuung vor überfrierender Nässe oder Reifglätte treten mit hoher Wahrscheinlichkeit wesentlich geringere Salzverluste auf.
• Bei Feuchtsalzstreuung auf feuchter Fahrbahn geht in Abhängigkeit von der Streudichte und weiterer Faktoren zu einem Zeitpunkt durchschnittlich nur ca. 25 % des ausgebrachten Salzes in Lösung. Im Maximum wurden Werte von 50 % festgestellt.
• Bei Schneeniederschlägen ab ca. 1 cm/h (1 mm Wasser/h) und Temperaturen ab –3°C entsteht auf stark befahrenen Strecken bereits nach 60 Minuten Glätte, wenn keine erneute Streuung erfolgt.
• Die durch Niederschläge reaktivierten Restsalzmengen liegen innerhalb 24 Stunden bei 0,5 bis 1,0 g/m². Eine Abhängigkeit von der Textur der Fahrbahnoberfläche ist zu vermuten.
• Temperaturen werden von der vorhandenen Sensortechnik mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit gemessen.
• Die Messung der Wasserfilmdicke sowie die Bestimmung der Gefriertemperatur und der Salzmenge ist unter Feldbedingungen durch Störfaktoren beeinflusst, die zu Ungenauigkeiten führen. Es stellt sich auch die Frage, inwieweit die Verhältnisse auf der Fahrbahnoberfläche überhaupt auf den vollkommen anders strukturierten Sensoroberflächen abgebildet werden können.

Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass die Untersuchungen auf einer Autobahn stattfanden, auf der die üblichen Durchschnittsgeschwindigkeiten (Lkw ca. 80 bis 90 km/h, Pkw ca. 130 km/h) gefahren wurden.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich folgende Schlussfolgerungen für die aktuelle Winterdienstpraxis auf Straßen mit den genannten Verkehrsverhältnissen ableiten:

• Präventive Streueinsätze sind nur dann sinnvoll, wenn sie sehr zeitnah vor den zu erwarteten Glätteereignissen stattfinden.
• Der Zeitrahmen für präventive Streuungen beträgt bei trockener Fahrbahn maximal 60 Minuten und bei feuchter Fahrbahn maximal 120 Minuten.
• Durch Erhöhung der Streudichten bei präventiven Streuungen kann der Zeitrahmen nicht vergrößert werden.
• Es ist vollkommen ausreichend, wenn die Streubreite so eingestellt wird, dass die äußeren Rollspuren mit gestreut werden. Eine Verteilung auf die gesamte Fahrbahnbreite erfolgt durch den Fahrverkehr innerhalb weniger Minuten.

Weitere Untersuchungen und Forschungsarbeiten werden sich auf folgende Themen konzentrieren:

• Ausführlichere Messungen zur Wirkungszeit von ausgebrachten Salzlösungen auf der Fahrbahn.
• Untersuchungen und Versuche zu den erforderlichen Streudichten von Sole zur Bekämpfung von Reifglätte und überfrierender Nässe.
• Untersuchung zur Auswahl der optimalen technischen Lösung der Soleausbringung.
• Betriebswirtschaftliche Analyse zur teilweisen Umstellung des Winterdienstes auf Soleanwendung
• Untersuchung zur Übertragbarkeit der vorliegenden Ergebnisse auf Straßen mit weniger und langsamerem Verkehr.
• Ergänzung der Messwerte der Fahrbahnsensoren durch berührungslose Auswahl und Erprobung geeigneter Verfahren.
• Untersuchung von Mechanismen der Feuchteverteilung und der Abtrocknung von Fahrbahnen und der damit verbundenen Kristallisation von Restsalz.

Grundsätzlich ist festzustellen, dass insbesondere beim vorbeugenden Streuen und beim Streuen gegen dünne Glätteschichten erhebliche Möglichkeiten zum Einsparen von Tausalzen bestehen, welches durch gezielten Einsatz von Informationstechnik und differenzierte Streutechnologien erschlossen werden kann.

Literaturverzeichnis

1. Badelt, H.; Moritz, K.; Heinze, P. (2007): Verfahren der Firma ESG für die Beurteilung von Streubildern – Ermittlung erzielbarer Wiederfindungsraten, BASt-Abschlussbericht zum kIAP F 1100.6507008, Bergisch Gladbach
2. Badelt, H.; Hausmann, G.; Müller, A. (2008): Tausalzverteilungen nach Verkehrseinwirkungen gemessen mit dem Feuchtsalzaufnahmegerät der Firma ESG. BASt-Forschungsbericht, Bergisch Gladbach, unveröffentlicht
3. Hausmann, G. (2009): Verteilung von Tausalzen auf der Fahrbahn. BASt-Reihe „Verkehrstechnik“ Band BASt-V-180, Wirtschaftsverlag Bremerhaven