The aim of the project PROGRIP is the design of a laboratory method for long-term prediction of skid resistance of road surfaces using the testing device according to Wehner/Schulze (PWS). The laboratory method comprises a standardised and modified combination of roughening (by sandblasting) and subsequent polishing by rotating rubber cones. Sand blasted (regenerated) drilling cores serve as testing specimens to calibrate polishing performance in laboratory relating to real traffic load on the road. A first successful correlation between traffic and laboratory polishing allows the conduction of a realistic laboratory simulation and enables skid resistance prognosis depending on expected traffic. Furthermore for the first time a correlation between skid resistance measurements on high level roads carried out by the RoadSTAR (a skid measurement device used in Austria) and laboratory values determined on drilling cores could be established. Therefore laboratory limiting values can be derived from existing limiting values for skid resistance of roads. The project will be continued (PROGRIP II, starting 2018) focusing on gathering of further data for higher significance in correlations and on alternative or complementary methods of regeneration.

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1 Problemstellung und Zielsetzung

Bis dato existiert keine Möglichkeit, die Griffigkeit einer Asphalt- oder Betonstraßendecke im eingebauten Zustand für unterschiedliche Zeiträume vorauszusagen. Vorgeschriebene Gesteinsprüfungen wie der etablierte PSV-Versuch geben lediglich Hinweise auf das Polierverhalten der groben Gesteinskörnung, ignorieren aber sämtliche anderen griffigkeitsrelevanten Einflüsse einer Straßendecke, allen voran Makrotextur und Kantenschärfe des Splitts sowie Mikrotextur der feineren Gesteinskörnung.

Das Projekt PROGRIP zielt darauf ab, sowohl Bohrkerne (BK) aus Straßendecken als auch realitätsnahe Labor-Prüfkörper (PK) in ihrer Gesamtheit zu prüfen und die Griffigkeitsentwicklung spezifisch in Abhängigkeit vom erwarteten Verkehr für beliebige Zeiträume zu prognostizieren.

2 Methodik

Zur Prüfung der Griffigkeitsentwicklung wurden beide in Österreich existierenden Prüfanlagen nach Wehner/Schulze (PWS, Bild 1) eingesetzt. Dieses Gerät erlaubt es, BK oder Labor-PK durch Überrollungen konischer Polierrollen unter Verwendung einer Quarzmehlsuspension als künstliches Zwischenmittel kontrolliert zu polieren. Nach jeder Bearbeitungsstufe (Polieren oder definiertes Aufrauen durch eine externe Sandstrahlkabine) kann die Griffigkeit μPWS ermittelt werden.

Bild 1: Links PWS (links Polierstation, rechts Prüfstation). Rechts die erfasste Messwertkurve, der Schnittpunkt der geglätteten Kurve (rot) mit der 60 km/h-Linie = μPWS

Im Rahmen von PROGRIP musste zunächst ein Prognoseverfahren etabliert werden, mit dem in standardisierter Weise griffigkeitsverändernde Laborbeanspruchungen auf eine Straßendecke appliziert werden können. Oberflächlich betrachtet sollte es nur einer Laborsimulation des Verkehrs bedürfen, um die Abnahme der Griffigkeit einer Oberfläche nachzuzeichnen. Doch diese Überlegung greift etwas zu kurz, denn die reale Griffigkeitsentwicklung auf der Straße hängt von weiteren Einflüssen ab, allen voran der Witterung (Frostbeanspruchung durch gefrierendes Wasser, Tagesgänge von Temperaturen, UV-Belastung, Reinigungseffekt natürlicher Witterung). Gleichzeitig zeigt sich bei der Prüfung in gleicher Weise hergestellter PK einer Serie (z. B. WSV-PK aus SMA) oder BK derselben Straße, dass einfache Polierbeanspruchung zu kaum vergleichbaren Ergebnissen führt. Nicht selten können im Zuge beginnender Polierung zunächst sogar ansteigende Griffigkeiten verzeichnet werden. Dies kann zu großen Unterschieden im Griffigkeitsverlauf führen, wodurch es im Extremfall verunmöglicht wird, nach realitätsnahen Polierbeanspruchungen im Labor (z. B. 180.000 Überrollungen) plausible Vergleiche zu ziehen (vgl. Bild 2, links). Die Ursachen dafür sind in erster Linie im oberflächlichen Bindemittelfilm zu suchen, der insbesondere die mikrotexturellen Eigenschaften einer Straßenoberfläche verschleiert. Aus diesem Grunde ist man im Rahmen der Laborsimulation in Deutschland spätestens in den 1980er-Jahren (Schulze, Lindner 1982) dazu übergegangen, den oberflächlichen Bindemittelfilm, der auf der Straße durch Verkehr und Witterung sukzessive entfernt wird, durch Sandstrahlen abzutragen. Dadurch werden allerdings auch unvermeidlich die Mikrotextur des Gesteins und damit das Griffigkeitsniveau der Oberfläche signifikant verändert. Es handelt sich also um ein künstlich geschaffenes Startniveau für die anschließende Poliersimulation. Im Rahmen von PROGRIP wurde ebenfalls das Sandstrahlen zur Entfernung des Bindemittels eingesetzt. Allerdings wurde davon abgegangen, den Sandstrahlerfolg nach Abschätzung der erzeugten Rautiefe zu beurteilen oder standardmäßig nur einmal zu sandstrahlen, sondern der Sandstrahlerfolg wurde auf Basis der generierten Griffigkeit eingestuft. Der Hypothese zufolge, dass es unter definierten Sandstrahlbedingungen eine material- und bauweisenspezifische Maximalgriffigkeit (μmax) gibt, wurden zahlreiche Versuche an künstlichen und realen PK durchgeführt, die dies bestätigten. Die Vorteile von μmax im Vergleich zu einfachem Sandstrahlen liegen einerseits darin, dass ein deutlich wiederholbareres Aufrauen möglich wird (zumindest 2-3 Mal Regenerieren des künstlichen Startniveaus, vgl. Bild 3), das vom Niveau der Griffigkeit vor Aufrauen unabhängig ist. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil in zahlreichen Versuchen festgestellt wurde, dass ein enger Zusammenhang zwischen Startniveau und Niveau nach definierter Polierbeanspruchung besteht. Andererseits erlaubt es μmax, BK derselben Straße oder PK einer Probenserie hinsichtlich künstlichem Startniveau und Griffigkeitsverlauf nach Polieren mit höherer Vergleichbarkeit zu prüfen (vgl. Bild 2, rechts), als dies ohne Vorbehandlung in Form von Sandstrahlen (vgl. Bild 2, links) oder auch mit nur einem Sandstrahldurchgang der Fall wäre. Darüber hinaus erlaubt eine wiederholbare Regenerierbarkeit mehrfache Prognoseprüfungen am selben PK oder Griffigkeitsprognosen an BK bestehender Straßen zur Abschätzung der diesbezüglichen Restnutzungsdauer.

Neben einer modifizierten Sandstrahlprozedur wurde auch die Polierbeanspruchung verändert. Angesichts sehr starker Polierwirkung der herkömmlichen Quarzmehl-WasserSuspension wurde nach Vorversuchen auf 1:10 verdünnte Suspension umgestiegen, damit im Bereich realitätsnaher Griffigkeitsniveaus nach langjähriger Nutzungsdauer die Griffigkeitsabnahme im Zuge einer Poliersimulation nur mehr langsam erfolgt und damit die Ablesegenauigkeit aus der Polierkurve steigt.

Das Simulationsverfahren von PROGRIP umfasst daher im Gegensatz zum gebräuchlichen ,,Berliner Modell" (Huschek 2002) folgende Eckpunkte im Überblick (Details in Kugler, Hofko et al. 2017): ­ ­ ­

– Sandstrahlen bis μmax

– Poliersimulation mit 1:10 verdünnter Quarzmehl-Wasser-Suspension

– Poliersimulation mit Erfassen der Reibwerte nach definierten Polierstufen bis zumindest 180.000 Überrollungen (Erweiterung im Bedarfsfall um je 90.000 Überrollungen).

Um letztlich plausible Prognosen realisieren zu können, bedarf es als Herzstück des Projekts der Kalibrierung dieses Simulationsverfahrens an realen Verkehrsbelastungen durch Entnahme von BK. Zu diesem Zweck wurden nach Vorauswahl auf Basis von RoadSTAR-Messungen insgesamt 14 homogene geradlinige Streckabschnitte des ostösterreichischen A+S-Netzes (Splitt-Mastix-Asphalt SMA und Waschbeton WB) beprobt. Es wurden je Strecke 4 BK aus der rechten Radspur des rechten Fahrstreifens (befahren) sowie 4 BK aus dem möglichst unbefahrenen Bereich (Pannenstreifen oder Fahrstreifenmitte) entnommen. An allen BK wurde die aktuelle mittlere Straßengriffigkeit gemessen, die unbefahrenen BK wurden ergänzend für die Laborbeanspruchungen herangezogen. Ziel war es ursprünglich, die unbefahrenen BK (Pannenstreifen) als unbelasteten Ausgangszustand seit Verkehrsfreigabe heranzuziehen und diese so lange im Labor zu polieren, bis diese das Griffigkeitsniveau der befahrenen Radspur

Bild 2: Darstellung des Polierverhaltens von SMA-Prüfkörpern in Abhängigkeit der Vorbehandlung. Links im Originalzustand ohne Sandstrahlen, rechts die Polierkurven derselben Prüfkörper nach Sandstrahlen bis μmax. Logarithmische Skalierung der Abszisse

Bild 3: Wiederholtes Regenerieren eines SMA-Prüfkörpers nach Polieren (blaue Punkte kennzeichnen die jeweils gleiche Sequenz an Polierstufen) durch jeweils mehrfaches Sandstrahlen bis zum Maximalwert μmax (rote Punkte)

aufweisen. Dies setzt allerdings die Verfügbarkeit von Pannenstreifen gleicher Bauweise wie jene der gewählten befahrenen Streckenabschnitte voraus, was im Falle von WB leider nur als Ausnahme gegeben war.

Nachdem aber durch oben erläuterte Gründe ohnehin mit künstlichen Startniveaus nach Sandstrahlen gearbeitet wurde, konnten BK aus der Fahrstreifenmitte (weniger befahren als jene der Radspur) herangezogen und regeneriert werden (Sandstrahlen bis μmax).

Die Kalibrierung des Laborverfahrens erfolgte schließlich durch Gegenüberstellung von erforderlicher Laborbeanspruchung durch PWS (in Form von Überrollungen nach Sandstrahlen bis zum Erreichen des Griffigkeitsniveaus der Radspur) mit den bekannten Verkehrslasten für jeden Streckenabschnitt. An jedem Bohrkern wurden zumindest 3 Prognosezyklen (2 Regenerierungen) durchgeführt und deren erforderliche Überrollungen für die Korrelation gemittelt.

Zur Bewertung der erhaltenen Laborresultate wurden die Labor-Griffigkeiten aller BK mit den hochaufgelösten Messungen der Straßengriffigkeiten mittels RoadSTAR an denselben Stellen verglichen. Dadurch sollte die Ableitung von Laborgrenzwerten gelingen.

3 Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten

Durch zahlreiche Korrelationen hat sich herausgestellt, dass der gesamte Verkehr seit Freigabe, gewichtet um den Lkw-Anteil, mit den im Labor erforderlichen Überrollungen mittels PWS (Mittel von 3 Prognosezyklen) den plausibelsten Zusammenhang aufweist (vgl. Bild 4).

Bild 4: Korrelation Überrollungen PWS (gemittelte Zyklen 1-3)/Gesamt-Kfz bis 2013_gewichtet um JDTLV/10.000 [Mio.] (ohne Strecken 29 und 109). Darstellung des 95 %-Prognoseintervalls

Unter Zugrundelegung einer bestimmten berechenbaren Prognosewahrscheinlichkeit (z. B. 95 % im Bild 4) können nun in Abhängigkeit von der erwarteten Verkehrslast für die gefragte Liegedauer einer bestimmten Straße die erforderlichen Laborüberrollungen mittels PWS nach Sandstrahlen abgeleitet werden. Der schließlich im Labor erhaltene μPWS-Wert nach Prognoseprüfung gemäß PROGRIP repräsentiert die nach gefragter Verkehrsbelastung prognostizierte Laborgriffigkeit.

Um diese in eine Straßengriffigkeit mit bekanntem Bewertungshintergrund übersetzen zu können, wurden die Reibwerte aller verfügbaren BK mittels PWS gemessen und den aktuellen RoadSTAR-Griffigkeiten der betreffenden Straßenabschnitte gegenübergestellt (vgl. Bild 5). Durch entsprechend vertrauenswürdige Regressionen ist es nun erstmals möglich, die im Labor ermittelten Prognosewerte in Straßengriffigkeiten (abhängig von zugrunde gelegten Prognosewahrscheinlichkeiten) zu übersetzen und entsprechend dem existierenden Bewertungsschema zu beurteilen.

Die erfolgreiche Kalibrierung der Laborbeanspruchung an realen Verkehrslasten sowie die Korrelation von Labor- und Straßengriffigkeiten im Rahmen von PROGRIP erlauben es grundsätzlich, Straßengriffigkeiten für bestimmte Mischgüter für unterschiedliche relevante Zeiträume zu prognostizieren, etwa für den Zeitpunkt der Übernahme. Umgekehrt kann auch vorausgesagt werden, ab wann eine bestimmte geforderte Mindestgriffigkeit, z. B. der Warn- oder Schwellenwert unterschritten werden wird und Maßnahmen seitens der Straßenverwaltung zu setzen sein werden.

Bild 5: Korrelation μRoadSTAR /μPWS bez. Wertebereich 0,52 ≤ μRoadSTAR ≤ 0,97. Unten mit oberem und unterem 95 % Konfidenz- und Prognoseintervall

Durch die Einführung definierter Sandstrahlintensitäten mit dem Ziel vergleichbarer Startniveaus (Maximalgriffigkeit μmax) von PK oder BK einer Serie für die Poliersimulation konnte gleichzeitig die Regenerierbarkeit von rauen Startzuständen in das Prognoseverfahren implementiert werden. Diese Regenerierbarkeit soll es künftig überdies erlauben, auch BK aus den Radspuren bestehender Straßen zu entnehmen, um etwa die Restnutzungsdauer hinsichtlich der Griffigkeit abzuschätzen.

Die Möglichkeit der Labor-Prognose an Mischgütern ermöglicht außerdem, bereits im Stadium der Mischgutkonzeption das Mischgut selber durch Variation von Gesteinskörnung, Hohlraum und Textur hinsichtlich der Griffigkeit zu optimieren.

Voraussetzung für eine Laborprognose und für eine Mischgutoptimierung ist eine realitätsnahe Nachbildung der zu prognostizierenden Straßendecke im Labor. Durch exemplarischen Vergleich von SMA-BK einer Neubaustrecke mit im Labor durch standardisiertes Walzenverdichtungsgerät hergestellten SMA-Platten des gleichen Mischgutes konnte nachgewiesen werden, dass eine Nachbildung im Labor möglich ist (umfangreiche Untersuchungen zur Vergleichbarkeit müssen noch durchgeführt werden).

Analog SMA wurden aus einer WB-Neubaustrecke ebenfalls BK gezogen und PK im Labor unter Verwendung des gleichen Mischgutes hergestellt. Dabei wurden einerseits Ausbürstzeitpunkte variiert, andererseits wurde zwischen manuellem und automatischem Ausbürsten verglichen. Es zeigte sich auch bei WB die Möglichkeit, Labor-PK sehr realistisch den tatsächlichen Straßenverhältnissen anzugleichen. Allerdings bedarf es dafür der Kenntnis des tatsächlichen Ausbürstzeitpunktes auf der künftigen Straße (der dann natürlich auch eingehalten werden müsste).

Zur Klärung der Sensitivitäten bzw. Streuungen der Messergebnisse durch Variationen im Herstellungsprozess bedarf es allerdings noch weiterer, umfangreicherer Messreihen, um vertrauenswürdige Empfehlungen bzw. Vorschriften für die Laborherstellung ableiten zu können.

4 Ausblick

Derzeit wird auf Basis der untersuchten Strecken im Rahmen von PROGRIP eine Griffigkeitsprognose empfohlen, die am selben PK 3 hintereinander durchzuführende Prognosezyklen nach unterschiedlicher Sandstrahlintensität umfasst. Die statistischen Auswertungen (vgl. Kugler, Hofko et al. 2015) weisen allerdings darauf hin, dass einmaliges Sandstrahlen (ca. 2 Min.) die größten Streuungen und damit die geringsten Wiederholbarkeiten zwischen PK einer Herstellungsserie oder BK aus einem homogenen Straßenabschnitt aufweist. Gleichzeitig gibt es Hinweise durch Vergleiche von BK aus einer beprobten Neubaustrecke mit aus demselben Mischgut hergestellten SMA-Platten, dass es bei mehrfachem Sandstrahlen bessere Vergleichbarkeit gibt (vgl. Kugler, Hofko et al. 2015).

Zukünftig mag es daher ausreichend sein, nur einen Polierzyklus nach Erreichen von μmax mit eventueller einfacher Wiederholung durch Regenerierung durchzuführen, um vertrauenswürdige Ergebnisse zu erhalten. Diese Beschleunigung des Verfahrens bedarf aber weiterer gezielter Serienuntersuchungen. Im Zuge der 2018 geplanten Fortsetzung (PROGRIP II) werden dafür die noch nicht mit Prognosezyklen belasteten befahrenen BK aus den Radspuren der PROGRIP-Strecken herangezogen. Dadurch ist eine optimale Vergleichbarkeit zu den bisherigen Untersuchungen gewährleistet. Ergänzend werden weitere BK aus hochbelasteten (und noch nicht sanierten) Strecken entnommen, um bisherige Datenlücken in den Korrelationen weitgehend zu schließen und deren Signifikanzen zu erhöhen. Außerdem soll im Rahmen von PROGRIP II weiteren Methoden der Regenerierung mit dem Ziel besserer Wiederholbarkeit nachgegangen werden. Einem hoch standardisierbaren Regenerierungsverfahren, das gleichzeitig die Wiederhol- und Vergleichbarkeit des künstlichen Startniveaus für eine Poliersimulation gewährleistet, wird besonders hohe Bedeutung beigemessen.

Danksagung

Die Hauptfinanziers des Projekts PROGRIP im Rahmen der von der FFG (Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft) abgewickelten Initiative Verkehrsinfrastrukturforschung (VIF) 2012 waren das BMVIT (Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie) sowie die ASFINAG (Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-AG). Zusätzliche Finanzierung zur Untersuchung einer größeren Anzahl an Strecken erfolgte durch GESTRATA (Gesellschaft zur Pflege der Straßenbautechnik mit Asphalt), ÖBA (Österreichische Betondecken Ausbau GmbH), ÖBV (Österreichische Bautechnik Vereinigung) und VÖZ (Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie). Besonderer Dank gilt DI Mario Krmek/ASFINAG, der durch sein persönliches Engagement das Zustandekommen des Projektes entscheidend mitgetragen sowie die Bohrkernentnahmen ermöglicht hat.

Literaturverzeichnis

H u s c h e k, S. (2002): Die Griffigkeitsprognose mit der Verkehrssimulation nach Wehner/Schulze. In: Bitumen, 1/64

K u g l e r, H.; H o f k o, B.; S p i e l h o f e r, R. (2015): Prognose der Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen ­ Entwicklung eines Labor-Verfahrens. PROGRIP. Ein Projekt finanziert im Rahmen der Verkehrsinfrastrukturforschung (VIF2012). Auftraggeber: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, ÖBB-Infrastruktur AG, Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft. Download des Ergebnisberichtes unter: https://www2.ffg.at/verkehr/projekte.php?id=1093&lang=de&browse=programm

K u g l e r, H.; H o f k o, B.; S p i e l h o f e r, R.; C h a n k o v, G. (2017): Griffigkeitsprognose von Autobahnen ­ das ,,Wiener Modell" In: Straße und Autobahn 1/64, S. 33­42, Kirschbaum Verlag, Bonn

S c h u l z e, K.H.; L i n d n e r, J. (1982): Erweiterung der Möglichkeiten für die Beurteilung von Mineralstoffen bezüglich Polierbarkeit. Schlussbericht zum Forschungsvertrag FA. 4.037 G 76 C. Technische Universität Berlin, Inst. für Verkehrsplanung und Verkehrswegebau, Fachgebiet Straßenbau, Berlin, Dezember 1982