Die ökonomischen Zukunftschancen einer Gesellschaft hängen von der Leistungsfähigkeit des Verkehrssystems ab. Aktuelle Probleme an Straßen äußern sich in Mängeln in der Ebenheit, der Griffigkeit, der Verformungsbeständigkeit sowie im Schichtenverbund. Dünnere Deckschichten sind verformungsstabiler, aber gleichzeitig wird es immer schwieriger, diese anforderungsgerecht zu verdichten. Richter gelang mit der Entwicklung der KompaktAsphalt-Technologie ein Lösungsansatz. Die Dicke der Deckschicht konnte reduziert werden, weil sie durch den gleichzeitigen Einbau mit dem Asphaltbinder von dessen Wärmepotenzial partizipiert. Damit wurde der Einfluss ungünstiger Witterungsbedingungen vermindert und eine sichere, anforderungsgerechte Verdichtung mit einer zusätzlichen intensiven Verzahnung zwischen den beiden Schichten möglich. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen deuten die Vorteilhaftigkeit der Technologie sowohl für den Auftraggeber als auch für den Auftragnehmer an.

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

1 Das Straßennetz der Bundesrepublik Deutschland

Der Garant für die Mobilität in der Bundesrepublik Deutschland ist das im internationalen Vergleich gut ausgebaute Straßennetz mit einer Länge von ca. 626 000 km [1] und einem Bruttoanlagevermögen von über 470 Mrd. € [2]. 91 % der Personenverkehrsleistungen sowie 70 % des Güterverkehrs werden über die Straße realisiert [3]. Wiederum 70 % dieser Verkehrsmenge wird über Autobahnen sowie Bundes- und Landesstraßen geführt, deren Anteil am Gesamtstraßennetz im Jahr 2003 etwa 25 % betrug. 95 % des Straßennetzes sind in Asphaltbauweise ausgeführt [1]. Dieses Straßennetzwerk bildet das Rückgrat für die Wirtschaftskraft unseres Landes¹⁾.

¹⁾ Die Formulierungen der Abschnitte 1 und 2 wurden weitestgehend [4] entnommen

Die Straße muss dem Benutzer die Funktionsqualität wie Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung, Helligkeit, Befahrbarkeit und Fahrkomfort für eine festgelegte Nutzungsdauer sicherstellen, was wiederum eine ausreichende und dauerhafte Strukturqualität erfordert. Die zu erzielenden strukturellen Eigenschaften Witterungsbeständigkeit, Standfestigkeit bei hohen sowie Dehn- und Relaxationsfähigkeit bei tiefen Temperaturen, Verschleißfestigkeit und ausreichender Ermüdungswiderstand stehen neben den Baustoffeigenschaften und der auf Basis der erwarteten Verkehrsbeanspruchungen vorgenommenen Dimensionierung der einzelnen Schichten des Straßenoberbaus in direkter Relation zu der Verarbeitung der Baustoffe auf der Baustelle und beeinflussen die mögliche Nutzungsdauer dieser Befestigungen, wobei nach Thurner [5] die Qualität eines Straßenbauwerkes im Idealfall so homogen ist, dass keine Reparaturen notwendig sind und das Bauwerk erst am Ende seiner möglichst langen Funktionsperiode einer durchgehenden Erhaltungsmaßnahme bedarf.

Den Anforderungen nach einer langen Nutzungsdauer stehen die Belastungen der Fahrbahnbefestigungen, insbesondere aus dem Schwerverkehr, gegenüber. Allein in den letzten 30 Jahren nahm der Anteil des über die Straße geführten Güterfernverkehrs um das Vierfache zu [6], doch das Verkehrsaufkommen in der Bundesrepublik Deutschland wächst vor dem Hintergrund der EU-Osterweiterung, des Wirtschaftswachstums, des steigenden Außenhandels und der Veränderungen in den Produktions-, Logistik- und Transportprozessen
ungebremst weiter.

Die ökonomischen Zukunftschancen eines Landes hängen unmittelbar von der Leistungsfähigkeit des Verkehrssystems und der Wettbewerbsfähigkeit der Mobilitätswirtschaft ab. Die überwiegend empirische Wissenschaft Straßenbautechnik wurde aus einer Vielfalt von praktischen Erfahrungen auf den verschiedenen Gebieten wie Materialtechnologie, Baumaschinentechnik, Fahrzeugtechnik oder beispielsweise der menschlichen Zuverlässigkeit entwickelt. Nun liegt es nach Huschek [7] aber „gerade im Wesen der Empirie (…), dass man sich immer wieder grundsätzlich zu fragen hat, ob denn das bisher Bewährte sich auch künftig unter anderen, härteren Bedingungen bewähren wird oder ob es ratsam erscheint, neue Konzepte in Erwägung zu ziehen“.

Mitte der 1990er Jahre wurde offensichtlich, dass die öffentlichen Haushalte mittelfristig nur entlastet werden können, wenn den wachsenden Beanspruchungen mit einer kontinuierlichen Weiterentwicklung sowohl der Asphaltstoffe und deren Zusammensetzung als auch der Einbautechnik begegnet wird. Dies führte zur Entwicklung der Kompaktasphalt-Technologie.

2 Die Idee des Kompaktasphaltes

Der klassische Aufbau hochbelasteter Verkehrsflächen besteht in der Bundesrepublik Deutschland gemäß den „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen“ (RStO 01) [8] im Bereich der Decken aus 4 cm Asphaltdeckschicht 0/11 mm und 8 cm Asphaltbinderschicht 0/16 oder 0/22 mm. Ein besonderes Problem stellen die Deckschichten dar, zumal die Vielzahl der Aufgaben wie Abdichtung gegenüber den darunter liegenden hohlraumreicheren Schichten, Ebenheit, Griffigkeit, Helligkeit, Witterungsbeständigkeit sowie Festigkeit durch Flexibilität, Verschleiß-, Stand- und Ermüdungsfestigkeit recht unterschiedliche konzeptionelle Entscheidungen verlangen. So verhalten sich beispielsweise Abdichtung und Standfestigkeit gegenläufig. Bedingt durch die Abdichtungsfunktion ist die Deckschicht die bindemittelreichste Schicht, gleichzeitig treten in ihr die höchsten Temperaturen und Spannungen auf. Infolge der thermoplastischen Eigenschaften des Bindemittels besitzt der Deckschichtasphalt im Sommer die geringsten Scherfestigkeiten. Die Steigerung der Verdichtung um 1 % erhöht die Verformungsbeständigkeit um ca. 15 bis 20 %, die in Kombination mit einer Schichtdickenreduzierung sowie Verdichtungsgraden ≥ 100 % zu einer noch deutlicheren Verbesserung führt.

Um im Feld unter Berücksichtigung zu erwartender ungünstiger Witterungseinflüsse den geforderten Verdichtungsgrad von mindestens 97 % erreichen zu können, benötigt man eine ausreichende Wärmekapazität. Unter diesem Aspekt und insbesondere auch zur Vermeidung von Kornzertrümmerungen während des Verdichtungsprozesses wird dem Temperatureinfluss mit einer Standardschichtdicke von 4 cm entsprochen.

Hohe Lagerungsdichten können nur mit ausreichenden Einbaudicken erzielt werden. Zur Gewährleistung der Abdichtfunktion der Deckschicht würden geringere Schichtdicken genügen, aber aus Gründen der Verdichtbarkeit auf einer kalten Unterlage ist man gezwungen, die Einbaudicke der bindemittelreichen und damit weniger schubfesten Deckschicht der Verdichtungswilligkeit anzupassen, woraus unter der Verkehrsbelastung eine erhöhte Neigung des Asphaltes zu Verformungen resultiert. Durch Verwendung immer härterer Bindemittel erhöhen sich die Misch- und Einbautemperaturen und die erreichbare Endverdichtung wird noch stärker von den Witterungsbedingungen beeinflusst.

Richter und Dietrich [9] stellten 1997 fest, dass bei den in den Monaten Oktober bis Dezember eingebauten Deckschichten jede fünfte Minderverdichtungen aufwies. Niedrige Verdichtungsgrade und höhere Hohlraumgehalte beeinflussen die Verformungsstabilität negativ und begünstigen eine schnelle Alterung der Deckschicht u. a. durch die Ablösung des Bindemittels vom Gestein und die Ausbildung thermisch induzierter Risse. Die Dauerhaftigkeit von Asphaltdeckschichten stellt sich zunehmend als Problem dar, nachdem in den 1990er Jahren Asphalte konzipiert wurden, die der Spurrinnenbildung entgegenwirkten. Bereits 1980 hat Huschek [10] mit dem axialen Kriechversuch aufgezeigt, dass der Verdichtungszustand einer Asphaltschicht neben der Mischgutzusammensetzung, den Mineralstoffen und der Viskosität des Bindemittels die Wärmestandfestigkeit ganz erheblich beeinflusst: Steigt der Verdichtungsgrad von 97 auf 100 % an, nimmt die Wärmestandfestigkeit um fast 50 % zu.

1988 diskutiert Huschek [11] einen veränderten Aufbau der Straßenkonstruktion, der den gestiegenen Verkehrsbelastungen gerecht werden soll. Die für eine weitere Steigerung der Verformungsresistenz notwendige Verringerung der Asphaltdeckschicht zugunsten einer dickeren Binderschicht scheiterte aber häufig daran, dass dünne Deckschichten aus verformungsresistentem Mischgut auf einer kalten Unterlage nur unter witterungsgünstigen Bedingungen anforderungsgemäß verdichtbar und der Erhöhung der Mischguttemperatur im Anlieferungszustand aufgrund steigender Oxydation des Bindemittels Grenzen gesetzt sind.

Richter [9] hat in einem Laborversuch mit dem Marshall-Hammer den Zusammenhang zwischen Verdichtung (Anzahl der Schläge) und Asphalttemperatur an einem Mischgut AB 0/11, B 65 dokumentiert (Bild 1).

Bild 1: Zusammenhang zwischen Verdichtung und Asphalttemperatur an einem Mischgut AB 0/11, B 65 [9]

Man erkennt an der roten Kurve, dass 150 °C heißes Mischgut mit 100 Schlägen auf über 100 % verdichtet werden konnte. Nach einer Reduzierung der Temperatur um 30 °C auf 120 °C (blaue Kurve) wurden mit der gleichen Verdichtungsenergie Verdichtungsgrade um 98 % und Hohlraumgehalte von 4 Vol.-% erreicht – ein Ergebnis, das eigentlich zufriedenstellen könnte. Bemerkenswert ist aber, dass sich das gleiche Verdichtungsniveau bei der hohen Temperaturstufe bereits nach etwa 25 Schlägen, also 1/4 der notwendigen Energie, einstellt!

Das ist der Grund, weshalb die Verdichtung im Feld bei ausreichender Temperatur mit Walzen geringerer Linienlast beginnen und man die Gefahr von Verformungen und Scherrissen durch den Einsatz „zu schwerer Walzen“ deutlich minimieren kann. Fällt die Temperatur auf 100 °C und darunter, kann selbst mit der 4fachen Verdichtungsenergie der geforderte Verdichtungsgrad von 97 % Marshall nicht mehr erreicht werden und der Hohlraumgehalt geht gegen 8 Vol.-%. Und aus diesem normalen Fall bei ungünstiger Witterung resultiert eine ungenügende Qualität der Asphaltdeckschicht.

Die Mischguttemperatur für sich allein betrachtet, löst aber das Problem noch nicht. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die für die Endverdichtung verfügbare Zeit. Dainess ermittelte, dass die Schichtdicke die Abkühlzeit mit dem Exponenten 1,8 beeinflusst [12]. Demnach stünde bei einer Halbierung der Dicke der Deckschicht weniger als 1/3 der normalerweise verfügbaren Zeit für die Endverdichtung zur Verfügung. Folglich galt es, eine Lösung zu finden, die nicht nur den Einbau verformungsresistenten Deckschicht-Mischgutes in geringerer Dicke ermöglicht, sondern auch die mechanischen Eigenschaften des eingebauten Asphaltes so positiv beeinflusst, dass eine deutlich längere Haltbarkeit zu erwarten ist. Damit war der Gedanke Kompaktasphalt geboren.

Die dünnere Deckschicht kann von der Wärmekapazität der zeitgleich eingebauten unteren Schicht profitieren. Bei den Bauklassen SV bis II [8] werden bei Anwendung der Kompaktasphalt-Technologie 10 cm Binder- und 2 cm Deckschichtmaterial eingebaut. Gegenüber der Standardbauweise (8 cm + 2 cm) führt das, bezogen auf die Deckschicht, zu einer Verdreifachung der Dicke, weil nun eine monolithische Decke in 12 cm Dicke vorliegt. Daraus resultiert eine Verlängerung der für die Endverdichtung verfügbaren Zeit auf über das 7fache, was das sichere Erreichen der geforderten Verdichtungsgrade ermöglicht. Das Bild 2 zeigt einen Auszug aus einer Reihe von Temperaturmessungen der Jahre 2004 und 2005 beim Einbau von Kompaktasphalt mit Modul-Fertigern [13]. Man erkennt den allmählichen Abfall der Kerntemperatur und darf aufgrund der ähnlichen Temperaturverläufe bei einbaugünstiger Witterung darauf schließen, dass unter Würdigung der projektspezifischen Bedingungen ein gezieltes Absenken der Mischguttemperatur um beispielsweise 10 bis 15 °C durchaus möglich wäre, ohne viskositätsmindernde Zusätze nutzen zu müssen.

Bild 2: Spezifische Verläufe der Kerntemperatur beim Einbau von Kompaktasphalt (Auszug) [13]

Mit dieser innovativen Bauweise wird nicht nur die für die Endverdichtung verfügbare Zeit deutlich verlängert, es wird vor allem auch ein Beitrag hinsichtlich der vertikalen Verdichtungshomogenität geleistet. Damm präsentiert in [14] einen Vergleich des Dichteverlaufes über die Tiefe beim Einbau zweier Schichten „heiß auf kalt“ und „heiß auf heiß“ (Bild 3) und erläutert:

„Im ersten Fall ist der Dichteverlauf über die Tiefe nach der Vorverdichtung nicht homogen und wird durch das nachfolgende Walzen wegen des Temperaturverlustes nicht vollständig kompensiert: Besonders nachteilig ist dabei der Abfall der Dichte über der kalten Unterlage. Dies hat deutliche Nachteile für die Standfestigkeit des Gesamtsystems.“

Die Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung wird durch den Zutritt von Luft (Bindemittelversprödung) und Wasser (stripping) negativ beeinflusst.

Bild 3: Dichteverlauf über die Tiefe bei zweischichtigem (heiß auf kalt) und bei einschichtigem (heiß auf heiß) Einbau [14]

Nun ist es möglich, den Hohlraumgehalt der beiden Schichten gezielt an die untere Grenze zu legen, ohne sich der Gefahr der Spurrinnenbildung unter volumenkonstanter Deformation aussetzen zu müssen, weil durch eine höhere Lagerungsdichte der Mineralstoffe auch eine höhere innere Reibung mobilisiert werden kann.

Häufig wird die Verzahnung der beiden Schichten als primäres Ziel bei der Herstellung kompakter Asphaltbefestigungen gesehen. Vorrangig ist jedoch die zielsichere, höhere und homogene Verdichtung der Deckschicht (und des Binders) mit der Ausbildung eines fest verspannten Korngerüstes. Die Intensivverzahnung ist ein, wenn auch ausgesprochen positiver, Nebeneffekt, der das sichere Ableiten der Schubkräfte aus der Verkehrsbelastung in den Bereich des Binders garantiert. „Da die Deckschicht wegen der innigen Verzahnung mit der Unterlage nicht seitlich ausweichen kann, ist eine Spurrinnenbildung aus dem Grund eines mangelhaften Schichtenverbundes auszuschließen“ (Damm [14]). Es entsteht eine monolithische Decke, deren Schichtgrenzen ineinander übergehen (Bild 4).

Bild 4: Kompaktasphalt-Bohrkern – zur Demonstration der intensiven Verzahnung wurde vor dem Überbauen mit Deckschichtmaterial eine dünne Alu-Folie auf den Binder gelegt

Bedingt durch die höhere Verdichtung, den intensiven Schichtenverbund und den etwas geringeren Bindemittelgehalt verbessert sich der E-Modul des Asphaltes. Eine dünnere Deckschicht erhöht nicht nur die Wärmestandfestigkeit (des Gesamtsystems), sie ermöglicht auch den sparsamen, zielsicheren Verbrauch hochwertiger Mineralstoffe hinsichtlich Aufhellung und Polierresistenz, da dauerhafte Griffigkeiten nicht von jedem Gestein gewährleistet werden können. Die erfolgreiche technische Umsetzung des Konzeptes war mit der mehrstufigen Entwicklung einer spezifischen Geräte- und Verfahrenstechnik verbunden (vgl. [4]).

Bereits 1993 beschreibt Richter in seiner Patentschrift [15] den gleichzeitigen Einbau zweier unterschiedlich zusammengesetzter Asphalte im Heißverfahren mit nur einem Fertiger. Die erste Kompakte Asphaltbefestigung wurde im Oktober 1995 auf der BAB A 4 bei Podelsatz auf einer Länge von 480 m erstellt. In Ermangelung der erforderlichen Technik ging man zunächst zu Behelfslösungen über.

Erstmalig kam ein, Richters Ansprüchen genügender, Modulfertiger im Dezember 1998 auf der BAB A 7, Nähe Kirchheim, auf einer Länge von 5 800 m zum Einsatz. Sofort zeigten sich die Vorteile der anforderungsgerechten Verfahrenstechnik: Stabile Einbauverhältnisse mit der Gewährleistung einer gleichmäßigen Dicke der Deckschicht, da beide Bohlen am Fertigerrahmen angelenkt sind und nur noch die beherrschbare Qualität der gemeinsamen Unterlage die Ebenheit und Gleichmäßigkeit der Schichtdicken beider Lagen beeinflusst. Der gesamte Materialfluss war wesentlich leichter zu beherrschen. Selbst Einbauunterbrechungen führten nicht mehr zwingend zu schwankenden Dicken der Deckschicht. In der Folge stellten bei den vielfältig ausgeführten Baumaßnahmen Dachprofile und Querneigungswechsel wegen der Nähe der beiden Einbaubohlen zueinander kein Problem mehr dar. Damit waren die verfahrenstechnisch erforderlichen Voraussetzungen zur Gewährleistung der Prozesssicherheit erreicht.

Nachdem die Hermann Kirchner Bauunternehmung mit einer Fülle von Einbaumaßnahmen die Prozesssicherheit nachweisen konnte, bestand der nächste, volkswirtschaftlich bedeutsame Schritt darin, mit Hilfe eines Industriepartners die Kompaktasphalt-Technologie der Allgemeinheit zugänglich machen zu können.

Bis zum Frühjahr 2004 entwickelte DYNAPAC für den Einbau von Kompaktasphalt einen Modulfertiger der 2. Generation mit maximalen Einbaubreiten von zunächst 11,75 m. Bei Gewährleistung der gleichmäßigen Dicke der Deckschicht wurden mit dieser modularen Gerätekombination bereits Einbaubreiten bis 13,25 m realisiert.

Gegenwärtig laufen in der Bundesrepublik Deutschland drei Geräte, das Ausland ist mit je einer Einheit in Russland und China (Bild 5) vertreten – weitere Anfragen liegen vor. Insgesamt wurden bisher mehr als 5 Mio. m² Kompaktasphalt eingebaut, davon 4 Mio. m² mit der Technik von DYNAPAC.

Bild 5: Einbau von Kompaktasphalt, Nähe Pin Quan, im Frühjahr 2007

3 Vorteile der Bauweise

In der Versuchsanstalt für Straßenwesen der TU Darmstadt [16] wurden diverse Untersuchungen zur Beurteilung des Gesamtsystems Kompaktasphalt hinsichtlich seines Verformungsverhaltens und Widerstandes gegen Rissbildung durchgeführt.

Auf einer Teilstrecke der BAB A 5 der Richtungsfahrbahn Kassel – Frankfurt wurden nach dem Einbau von Kompaktasphalt Bohrkerne (Probekörper 1 bis 4) entnommen, um den Gesamtaufbau auf Verformungsbeständigkeit zu untersuchen. Um einen Vergleich der Standfestigkeit zum konventionellen Asphalt zu erhalten, wurde auch aus einer Teilstrecke der konventionellen Bauweise ein Bohrkern (Probekörper 7) gezogen. In der Tabelle 1 sind die Mischgutsorten und Soll-Schichtdicken der verschiedenen Bauweisen aufgeführt:

Tabelle 1: Mischgutsorten und Soll-Schichtdicken der verschiedenen Bauweisen auf den Teilstrecken der BAB A 5 [16]

Die Spurbildungsversuche wurden jeweils an Probekörpern des Gesamtsystems (Asphaltbinder- und Deckschicht) im Spurbildungsgerät 50 °C unter Wasser durchgeführt. Das Bild 6 zeigt die Untersuchungsergebnisse. Die Probekörper 1 bis 4 des Kompaktasphaltes wiesen nach 19 200 Überrollungen eine geringere Spurtiefe auf als der Probekörper 7 der konventionellen Bauweise, der eine Spurrinnentiefe von 8,0 mm erreichte. Bei der Kompaktasphalt-Bauweise lagen die Einzelwerte der Probekörper 1 bis 4 zwischen 3,4 mm (Probekörper 2) und 5,5 mm (Probekörper 3). Der Vergleich der beiden Bauweisen zeigt, dass die Spurrinnentiefe von 5,5 mm bei dem konventionellen Asphalt (grau) bereits nach 8 300 Überrollungen erreicht wurde und sich somit im Spurbildungsversuch als wesentlich verformungsempfindlicher gegenüber dem Schichtenpaket des Kompaktasphaltes darstellt.

Bild 6: Spurbildungsversuch der Probekörper (Wasserbad, 50 °C) [16]

Mit dem Spaltzugschwellversuch kann das Ermüdungsverhalten von Asphaltschichten untersucht werden, wobei die Querdehnung das maßgebende Kriterium bezüglich der Bildung von Ermüdungsrissen ist. Untersuchungen von Hou [17] zeigen, dass die Dehnungsraten die aussagekräftigsten Merkmale zur Beurteilung des Widerstandes von Asphalt gegen Rissbildung sind. Große Lastspielzahlen können von der Asphaltschicht nur bei niedrigen Dehnungsraten schadlos ertragen werden.

Alle Werte der Kompaktasphalt – und der konventionellen Bauweise lagen über der kritischen Querdehnungsrate von 15 • 10^-6. Daraus konnte gefolgert werden, dass keine der untersuchten Fahrbahnbefestigungen zur Rissbildung neigt.

Im Herbst 1998 auf der BAB A 8 bei Contwig-Walshausen, Fahrtrichtung Zweibrücken im Rahmen einer Grunderneuerung entnommene Bohrkernen wurden im Scherapparat geprüft. Auf der Erneuerungsstrecke kamen die Einbauvarianten: „heiß auf heiß“, „heiß auf warm“ und konventioneller Asphalteinbau zum Einsatz. Der Tabelle 2 können die Aufbaudaten und Prüfergebnisse entnommen werden.

Tabelle 2: Aufbaudaten der Strecke BAB A 8 Contwig-Walshausen und ermittelte durchschnittliche Scherkräfte in der Ebene ADS/ABS

Die zugehörigen Bohrkerne zum Einbauverfahren „heiß auf heiß“ (Kompaktasphalt) weisen im Mittel mit 37,6 kN die höchste Scherkraft auf. Beim Einbauverfahren „heiß auf warm“ und dem konventionellen Einbau wurden im Mittel noch Scherkräfte von 32,8 kN und 32,6 kN ermittelt. Mit der Fortschreibung des „Merkblattes für den Bau kompakter Asphaltbefestigungen“ (M KA) [18] wird eine Empfehlung gegeben werden, inwieweit die Bestimmung des Verbundes der beiden innig verzahnten Schichten mit der bisher verfügbaren Prüftechnik überhaupt erforderlich ist.

Insgesamt dokumentieren die Untersuchungsergebnisse die ausgezeichnete Standfestigkeit des Kompaktasphaltes. Das Verfahren ist bezüglich Verformungswiderstand und Schichtenverbund der konventionellen Bauweise deutlich überlegen.

Auf der Grundlage von Labor- und verfahrenstechnischen Untersuchungen können folgende Vorteile der Bauweise Kompaktasphalt genannt werden:

• Einsparung von Materialkosten,
• deutliche Verlängerung der für die Endverdichtung zur Verfügung stehenden Zeit,
• Minderung ungünstiger Witterungseinflüsse,
• Möglichkeit der Reduzierung der Mischguttemperaturen,
• bessere Dauerhaftigkeit durch intensive Verzahnung der beiden Schichten,
• höhere Wärmestandfestigkeit gegenüber konventioneller Befestigung sowie
• deutliche Reduzierung der Einbauzeiten.

In Würdigung der umfangreich erzielten hohen Einbauqualitäten mit den Modulfertigern und der über Jahre ausgiebig untersuchten und bestätigten Prozesssicherheit wurde die Herstellung Kompakter Asphaltbefestigungen in die ZTV Asphalt-StB 07 [19] aufgenommen. Ein Befahren der unteren heißen Schicht wird dabei grundsätzlich ausgeschlossen.

4 Schwerpunkt Erhaltung

Unter dem Gesichtspunkt der Minimierung der Lebenskosten der Verkehrswege darf der vorteilhafte Einbau von Kompaktasphalt [20] nicht nur Autobahnen und Bundesfernstraßen vorbehalten bleiben. Dies kann nur gelingen, wenn im Markt ohne Abstriche am bisher erreichten hohen Qualitätsniveau mehr Wettbewerb ermöglicht wird. Hier wird DYNAPAC im Einklang mit dem Regelwerk einen gerätetechnisch und wirtschaftlich innovativen Beitrag mit einem 2,55-m-Modul leisten:

• Kompaktasphalt kann konform zu den Forderungen der ZTV Asphalt-StB 07 [19] angeboten und eingebaut werden: kein Befahren der heißen Unterlage.
• Die maschinentechnische Lösung zum Einbau von Kompaktasphalt ist uneingeschränkt anwendbar und wird nicht durch aus Neigungswechseln oder Einbaubreiten resultierende und die Prozesssicherheit mindernde Probleme eingeschränkt.
• Beide Einbaubohlen sind hintereinander am Rahmen des Modulfertigers angelenkt, somit liegen die gleichen definierten Bedingungen vor, wodurch unabhängig vom Tragverhalten der heißen Unterlage eine konstante Dicke der eingebauten Deckschicht erreichbar
• In Würdigung der Untersuchungen von Tappert [21] und Arand [22, 23] soll der Einsatz der höherverdichtenden Einbauelemente (Nachverdichter) auch weiterhin moderat erfolgen, da der Einfluss der Vorverdichtung auf die mechanischen Eigenschaften der eingebauten Binderschichten wissenschaftlich nicht abgesichert ist.
• Bei dem Trägergerät handelt es sich um einen geringfügig modifizierten Serienfertiger, der vorwiegend für Standardbauweisen genutzt wird und im Bedarfsfall mit wenig Aufwand zum Modulfertiger umgerüstet werden kann. Dies garantiert einen hohen Auslastungsgrad.
• Die beiden unmittelbar hintereinander angeordneten Materialbehälter vereinfachen die Mischgutlogistik und minimieren das Risiko einer Einbauunterbrechung.
• Der Einsatz eines Modulfertigers gestattet das Arbeiten mit einbauverbessernden Zusätzen niedrigviskosen Asphalten im Binderbereich.
• Für den Einbau von Kompaktasphalt wird kein zweiter Fertiger blockiert und kann für andere Maßnahmen genutzt werden.
• Für den Betrieb des Modulfertigers wird nur eine Einbau-Mannschaft benötigt.
• Der Erwerb eines Fertigers DF 145 CS mit elektrisch beheizter Hochverdichtungsbohle ist gleichzeitig mit der Option verbunden, Kompaktasphalt einbauen zu können. Wahlweise kann der Fertiger bereits vor der Auslieferung oder zu einem beliebig späteren Zeitpunkt mit geringem Aufwand für die Aufnahme der modularen Komponenten vorbereitet werden. Die Module können käuflich erworben oder angemietet werden.

Der im Bild 7 gezeigte Modularfertiger mit einer Einbaubreite ab 2,55 m wurde zunächst umfangreichen innerbetrieblichen Tests unterzogen und steht derzeit vor der Bewährung im Feld. Der grundsätzliche technische Aufbau entspricht dem 3,0-m-Modul, damit liegen wertvolle Erfahrungen, insbesondere auch zum Wärmehaushalt, vor. Sehr kurze Rüstzeiten, kompakter Aufbau und gute Sichtverhältnisse runden das Konzept ab.

Bild 7: COMPACTASPHALT^TM-Fertiger DF 145 CS + AM 145

5 Prognostizierte Nutzungsdauer

Richter [24] sieht eine Haltbarkeit konventioneller Deckschichten von etwa 12 Jahren. Bereits seit Jahren unter Schwerlast liegende und mit Modulfertigern eingebaute Kompaktasphalte beweisen eine ausgezeichnete Stabilität. Es darf erwartet werden, dass damit unter vergleichbaren Bedingungen bei Anwendung dieser Bauweise der Nutzungszeitraum der Deckschichten verdoppelt werden kann.

DYNAPAC wurde Gelegenheit gegeben, für das State of Georgia Department of Transportation auf dem Testgelände des National Center of Asphalt Technology (NCAT) einen neu entwickelten offenporigen Asphalt (Popcorn) 2-lagig in Stärken von 35 mm und 20 mm mit Korndurchmessern von 12,5 mm bzw. 9,5 mm einbauen zu können. Das betreffende Einbaufeld ist Teil eines 2,7 km langen Rundkurses, hat eine Breite von 5,40 m und ist nur 65 m lang (Bilder 8 und 9).

Bild 8: Blick auf das Testgelände von NCAT (Foto: NCAT)

Bild 9: 2-lagiger Einbau der hohlraumreichen Mischgüter im Feld Nr. 13

Die Zielstellung bestand im Erreichen des einbautechnisch maximal möglichen Hohlraumgehaltes. In 1-lagiger Ausführung konnten bisher im Höchstfall 18 Vol.-% erzielt werden. Mit Unterstützung von Mitarbeitern der Hermann Kirchner Bauunternehmung gelang der anspruchsvolle Einbau hervorragend, obwohl tags zuvor im Probefeld trotz systematischer Variation der Einbau- und Verdichtungsparameter ausschließlich zu geringe Hohlraumgehalte erzielt werden konnten. In der Folge wurden die Mischguttemperaturen deutlich abgesenkt, beide Bohlen während des Einbaus mit 25 bar entlastet und abgesehen vom Glätten nur ein Walzvorgang ausgeführt. Die erreichten Hohlraumgehalte lagen zwischen 22 und 24 Vol.-%.

Nach Fertigstellung aller Einzelfelder mit den unterschiedlichsten Mischgutzusammensetzungen wurde im September 2006 das Testprogramm gestartet, in dessen Verlauf innerhalb von 2 Jahren eine Verkehrsbelastung von 15 Jahren simuliert werden konnte. Zu diesem Zweck fuhren rund um die Uhr mit Stahlplatten beladene Lkw mit je 2 Anhängern über das Testgelände (Bild 10).

Nach einer 24-monatigen Dauerbelastung haben sich sowohl die Hohlraumgehalte als auch die Anfangsebenheit in diesem Feld im Gegensatz zu allen übrigen Feldern nicht verschlechtert. Mit den gleichen Materialien wurden zwei weitere Felder im Einbauverfahren „heiß auf kalt“ verlegt, deren Ergebnisse weniger vielversprechend sind.

Die Ergebnisse stützen die Prognose, mit der Kompaktasphalt-Technologie die Nutzungsdauer der Deckschicht der Nutzungsdauer der Binderschicht anpassen zu können. Unter dieser Annahme werden die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen des folgenden Abschnittes geführt.

Bild 10: 24-monatige Dauerbelastung der Versuchsfelder (Foto: NCAT)

6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für den Einsatz eines Modulfertigers mit 2,55 m Grundeinbaubreite

Der Nutzen der Kompaktasphalt-Bauweise hat betriebs- und volkswirtschaftliche Aspekte. Während sich der betriebliche Nutzen durch den effektiven Einsatz von Personal, Technik und Material einstellt, äußert sich die volkswirtschaftliche Effektivität primär in der Verlängerung der Liegezeit einer Verkehrsfläche und damit in der deutlichen Reduzierung der Life Cicle Cost. Bei Betreibermodellen greifen sowohl die unmittelbaren Vorteile aus dem Einbau als auch der sich später einstellende Nutzen.

Auf der Basis einer vereinfachten Kalkulationsrechnung kommt die TU Darmstadt [16] zu dem Ergebnis, dass ab einer Einbaufläche von ca. 12 400 m² die Kompaktasphalt-Technologie betriebswirtschaftlich effektiv ist. Bippen [25] hat 2004 am Beispiel einer konkreten Baumaßnahme das Einbauverfahren Kompaktasphalt mit dem konventionellen Einbau verglichen und den betrieblichen Nutzen ermittelt. Unter den spezifischen Baustellenbedingungen und in Anbetracht der Erstanwendung der neuen Technologie durch das Bauunternehmen weist er eine Einsparung von T€ 75,9 für diese Maßnahme aus und unterstreicht, dass aus der Veränderung des technologischen Ablaufes eine weitere Steigerung des Nutzens auf T€ 170,2 möglich gewesen wäre. Die bei dieser Baumaßnahme ermittelte Gewinnschwelle für die Kompaktasphalt-Technologie lag bei ca. 11 000 m².

Im Rahmen dieser Abhandlung sollen beispielhaft anhand einer fiktiven Baumaßnahme die möglichen wirtschaftlichen Vorteile dargestellt werden. Die Bilder 11 bis 16 entstammen der entsprechenden Kalkulationsunterlage.

Im Bild 11 sind die angenommen baubezogenen Parameter zu entnehmen. In der Bauklasse I sollen auf 2 000 m Länge zwei Fahrspuren mit einer Gesamtbreite von 7,50 m erneuert werden. Der Aufbau der Asphaltschichten betrage in der konventionellen Bauweise (18 + 8 + 4) cm, in der im Rahmen eines Nebenangebotes ausgeführten Kompaktasphalt-Bauweise wurde  die Änderung der Schichtdicken zwischen Binder- und Deckschicht um je 2 cm berücksichtigt. Es sei unterstellt, dass der Auftragnehmer einen 80 %igen Nutzen aus der Mischgutsubstitution im Deckenbereich realisieren kann. Die verfügbaren Mischgutmengen sind in dem Beispiel für beide Varianten identisch. Für die vorzunehmenden Diskontierungen wird eine jährliche Preissteigerung von 2,0 % und eine Inflationsrate von 1,0 % unterstellt. Die bei Anwendung der konventionellen Bauweise erforderliche Erneuerung der Deckschicht nach 12 Jahren wird zum heutigen Stand mit ca. 11,00 €/m² eingeschätzt.

Die Einbau- und Verdichtungstechnik wurde gemäß BGL 2001 [26] klassifiziert. Aus Platzgründen kann die Darstellung hier nicht gebracht werden. Im Vergleich zur konventionellen Bauweise wurde in der Variante Kompaktasphalt berücksichtigt, dass zusätzlich eine Walze mit einem Dienstgewicht von 4 000 kg zum Andrücken benötigt wird. Bei den 9 000 kg schweren Walzen für die Hauptverdichtung ist dagegen ein Gerät weniger erforderlich, weil für die Verdichtung bedeutend mehr Zeit zur Verfügung steht. Das Modul wurde wie ein vergleichbarer Fertiger klassifiziert, allerdings mit einem 10 %igen Abschlag, weil keine Laufwerke erforderlich sind.

Bild 11: Baubezogene Parameter der Kalkulation

Zur Ermittlung der kalkulatorischen Gerätekosten wurden jeweils 50 % für Abschreibungen und Reparaturen gewählt. Die Personalkosten werden mit durchschnittlich 30,00 €/h unterstellt. Mit dem Einsatz eines Beschickers steigt die effektive Nutzung der Einbautechnik erfahrungsgemäß von 45 min/h auf 55 min/h an. Im vorliegenden Beispiel wird in Anlehnung an die Praxis im konventionellen Einbau kein Beschicker berücksichtigt. Führt man Kompaktasphalt aus, darf davon ausgegangen werden, dass die entsprechende Beschickungstechnik auch beim Einbau der Tragschicht zum Einsatz kommt.

Der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch wurde mit 0,170 l/kW angenommen.

Bei der konventionellen Bauweise ist erfahrungsgemäß je eine einfache Fahrt weniger für den Transport der Technik erforderlich.

Das Vorbereiten des Modulfertigers für den Einbau erfordert einen Kraneinsatz (ca. 3,0 Std.) und ist mit einem manuellen Mehraufwand von ca. 9,0 Mann-Std. verbunden (Bild 12).

Bild 12: Gerätetechnische Parameter der Kalkulation

Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen aus Sicht der Bauunternehmung und des Auftraggebers und im besonderen Fall eines PPP-Projektes geben die Bilder 13 bis 16 wieder.

Die verkürzten Bauzeiten führen für den Auftragnehmer trotz erforderlicher Mehraufwendungen in den Rüst- und Transportkosten ohne Berücksichtigung von Sondereffekten zu einer ca. 11 %igen Kostenreduzierung bei Ausführung in Kompaktasphalt-Bauweise (Bild 13). Bezogen auf das Beispiel ist eine Dämpfung der Kosten um weitere 1,24 €/m² auf 1,49 €/m² gegenüber 2,31 €/m² in der konventionellen Bauweise zu erwarten, wenn die Sondereffekte aus der Materialsubstitution und den eingesparten Anspritzkosten im Deckenbereich greifen. Die Gewinnschwelle für die Kompaktasphalt-Bauweise liegt im vorliegenden Fall bei 6 300 m² (840 lfd. m) und unter Berücksichtigung der Sondereffekte bei 1 628 m² (217 lfd. m).

Würde man das Vorhaben unter den Bedingungen eines PPP-Projektes betrachten, käme ein weiterer Sondereffekt (diskontiert) hinzu: die nicht erforderliche Erneuerung der Deckschicht 12 Jahre nach dem Einbau. Die Einsparung bei den Verkehrssicherungskosten kann nicht pauschaliert werden und bleibt deshalb unberücksichtigt. Im Ergebnis der Untersuchung ergibt sich eine diskontierte Kostendämpfung von ca. T€ 200,2 (Bild 14). Die Vorteilhaftigkeit des Verfahrens stellt sich bereits nach den ersten eingebauten Metern ein.

Für die Auftraggeberseite stellt sich der Nutzen aus der Kompaktasphalt-Bauweise anders dar, je nachdem, ob sie ausgeschrieben wurde oder über ein Nebenangebot zur Ausführung gelangt. In beiden Fällen greift der Vorteil aus der nicht erforderlichen Erneuerung der Deckschicht im Nutzungszeitraum der Binderschicht. Wird die Bauweise ausgeschrieben, bleiben die Vorteile aus der Mischgutsubstitution und der Einsparung des Anspritzens ebenfalls beim Auftraggeber: das Bild 15 verdeutlicht dies.

Bild 13: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung aus Sicht des Auftragnehmers

Bild 14: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung aus Sicht eines PPP-Projektes. Die Summe der leistungsabhängigen Kosten wurde analog Bild 13 ermittelt

Bild 15: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung aus Sicht des Auftraggebers- Kompaktasphalt über Nebenangebot

Bild 16: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung aus Sicht des Auftraggebers - Kompaktasphalt ausgeschrieben

Der Einbau von Kompaktasphalt mit modularen Fertigern wurde in den zurückliegenden Jahren von einem erheblichen Untersuchungsaufwand begleitet. Die asphalttechnologischen Vorteile sind unumstritten. Nun kommt es darauf an, dem Verfahren insbesondere auf dem Gebiet der Erhaltung die Möglichkeit einer breiten Anwendung zu eröffnen. Die für eine fiktive Baustelle geführte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung lässt überdurchschnittliche betriebliche und volkswirtschaftliche Effektivitäten erwarten. Im konkreten Fall werden sich notwendigerweise projektspezifische Abweichungen einstellen.

Nicht eingeschlossen in die Betrachtungen sind neben der Einsparung von Absperrkosten die sich einstellenden volkswirtschaftlichen Vorteile aus einer geringeren Häufigkeit von Baustellen:

• weniger Staus,
• weniger Unfälle,
• geringere Zeitverluste und
• geringere CO₂-Belastung.

7 Literaturverzeichnis

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