Die Verbesserung der Rückstrahleigenschaften urbaner Oberflächen kann ein Beitrag zur Verminderung der Absorption der eingestrahlten solaren Energiemenge sein. Verkehrsflächen bilden dabei einen entscheidenden Anteil. Im Sinne des Klimaanpassungskonzeptes „weiße Stadt“ stellen helle Straßen einen Teil von möglichen Anpassungsmaßnahmen dar. Auch die Reflexionseigenschaften von Fahrbahnoberflächen aus Asphalt können beispielsweise durch die Helligkeit der enthaltenen Gesteinskörnungen optimiert werden. Seit den 1950er-Jahren werden in Hamburg „aufgehellte“ Asphaltdeckschichten eingebaut. Hierdurch wird die Temperatur an der Fahrbahnoberfläche nachweislich reduziert. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Temperatur der Oberflächen und den oberflächennahen Luftschichten können diese folglich auch ein Teil von Klimaanpassungsmaßnahmen sein.

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1 Einleitung

Verkehrsflächen bilden einen entscheidenden Anteil der urbanen Oberflächen. Im Sinne des Klimaanpassungskonzeptes „weiße Stadt“ stellen helle Straßen eine mögliche Anpassungsmaßnahme dar. Auch bei Fahrbahnoberflächen aus Asphalt können die Reflexionseigenschaften beispielsweise durch die Helligkeit der enthaltenen Gesteinskörnungen optimiert werden. Seit den 1950er-Jahren werden in Hamburg „aufgehellte“ Asphaltdeckschichten eingebaut. Neben den Aspekten Verkehrssicherheit, Wirtschaftlichkeit ortsfester Beleuchtungsanlagen und der Verformungsbeständigkeit ist mit einem möglichen Beitrag zur Verbesserung des städtischen Mikroklimas ein ganz wichtiger Punkt hinzugekommen, den es zu betrachten gilt.

2 Erläuterung zur Auswirkung unterschiedlicher Albedowerte auf Oberflächentemperaturen

Wie im Teil 1 dargestellt, haben die Rückstrahleigenschaften urbaner Oberflächen einen erheblichen Einfluss auf den UHI-Effekt in der Stadt. Hierzu zählen auch die Fahrbahnoberflächen.

Das Maß für die Fähigkeit einer Oberfläche Sonnenenergie zu reflektieren ist die Albedo. Sie hängt neben anderen Oberflächeneigenschaften hauptsächlich von der Farbe ab und wird als dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1 angegeben. Wenn kein Licht reflektiert wird und die Fläche somit schwarz ist, beträgt die Albedo 0. Bei vollständiger Reflektion auf einer weißen Oberfläche ist der Wert 1 (Halbach, 2018). Teilweise wird die Albedo auch in Prozent angegeben.

Gemessen wird die Albedo mit einem Albedometer. Das besteht aus zwei gegeneinander montierten Messinstrumenten, welche gleichzeitig die von oben kommende Globalstrahlung und die von der Oberfläche reflektierte Sonnenstrahlung erfassen. Als Globalstrahlung wird die am Boden einer horizontalen Ebene auftreffende Sonnenstrahlung verstanden. Sie setzt sich aus der direkten und gestreuten (diffusen) Sonnenstrahlung zusammen. Die reflektierte Sonnenstrahlung setzt sich ebenfalls aus direkter und diffuser Strahlung zusammen.

In der Tabelle 1 sind Anhaltswerte für die Albedo von unterschiedlichen Oberflächen enthalten. Sie stammen aus verschiedenen Literaturquellen (Peyerl et al., 2008; NCAT, 2020; Klima Phalt, 2021; Otto, 2019).

Tabelle 1: Albedowerte unterschiedlicher Oberflächen

Mit dem Sonnenstand verändert sich die Albedo im Laufe des Tages.

Aus der internationalen Fachliteratur ist zu entnehmen, wie stark die Oberflächentemperatur der Verkehrsflächen von der Albedo abhängt. Es werden unterschiedliche Zahlen genannt. Allgemein kann festgehalten werden, dass durch eine Erhöhung der Albedo um 0,1 die Reduzierung der maximalen Oberflächentemperatur um mehr als 3 K möglich ist (Pomerantz, 2000).

3 Bautechnik – aufgehellte Asphaltdeckschichten

Asphaltdeckschichten haben Vorteile im kommunalen Straßenbau. Asphalt erlaubt kurze Bauzeiten mit wenigen Sperrzeiten und dadurch eine schnelle Verkehrsfreigabe (DAV, 2019). Es handelt sich bei anforderungsgerechter Planung zudem um eine wirtschaftliche Bauweise, die erhaltungsfreundlich ist.

Auch für Aufgrabungen, die beispielsweise für das Verlegen von Ver- und Entsorgungsleitungen erforderlich sind oder deren Reparatur, ist Asphalt gut geeignet. Außerdem ist Asphalt bis zu 100 % wiederverwendbar und dadurch umweltfreundlich und ressourcenschonend.

Durch das schwarze Bitumen als Bindemittel sind Asphaltdeckschichten erst einmal dunkel. Das ist aber nur scheinbar ein Nachteil, denn der Bindemittelfilm an der Oberfläche wird durch Verkehrs- und Witterungseinwirkung im Laufe der Zeit abgetragen. Dadurch tritt die Gesteinskörnungsfarbe in den Vordergrund. In der Folge kann die Fahrbahnoberfläche deutlich heller werden. Dies ist im Bild 1 gut zu erkennen. Schon nach 1 1/2 Jahren ist der Vorgang augenscheinlich fast vollständig abgeschlossen.

Bild 1: Erscheinungsbild der Fahrbahnoberfläche aus Asphalt im Laufe der Zeit (Quelle: C. Denck)

Diese Veränderung der Farbe hat natürlich auch Auswirkungen auf die Albedo. Die Albedo von Asphaltdeckschichten steigt an. Das zeigen Untersuchungen des National Center for Asphalt Technology und des National Concrete Pavement Technology Center in den USA zur Albedo von Fahrbahnoberflächen sehr deutlich (Allemann et al., 2019).

Dem Bild 2 ist zu entnehmen, dass die Albedo von Fahrbahndecken aus Beton nach dem Einbau deutlich größer ist als bei Asphaltdeckschicht. Über die Jahre nähern sich jedoch die Werte der Albedo von beiden Bauweisen an. Während die Albedo bei Asphalt steigt, sinkt sie bei Beton. Somit kann von der Albedo einer frisch hergestellten Verkehrsfläche nicht automatisch auf die Reflexionseigenschaften der Oberflächen für die gesamte Lebensdauer geschlossen werden. Hier sind immer genauere Betrachtungen notwendig.

Bild 2: Veränderung der Albedo der Fahrbahnoberfläche im Laufe der Zeit (NCAT, 2020)

Es ist also nicht zwangsläufig so, dass Beton über die Zeit gesehen immer bessere Rückstrahleigenschaften als Asphalt hat, nur weil die Albedo zum Beginn größer ist. Diesen Effekt kann man auch augenscheinlich im Straßenraum beobachten, wie im Bild 3 dargestellt.

Bild 3: Fahrbahnoberflächen im Vergleich (Quelle: C. Denck)

Wenn es um die Reflexionseigenschaften von Fahrbahnoberflächen geht, wird die Bedeutung der Helligkeit bisher überwiegend an folgenden Punkten festgemacht:

• Verkehrssicherheit (Erkennbarkeit, Kontrastsehen, Abgrenzung, Verkehrsfluss),
• Wirtschaftlichkeit ortsfester Beleuchtungsanlagen (Investitionskosten, Betriebskosten) und
• Verformungsbeständigkeit von Asphaltbefestigungen (geringe Erwärmung).

Gemäß dem Arbeitspapier „Reflexionseigenschaften von Gesteinskörnungen und Oberflächen aus Asphalt“ (FGSV, 2010) wird die Helligkeit aus diesen Blickwinkeln betrachtet. Der Einfluss der Helligkeit und somit der Albedo von Asphaltdeckschichten auf das städtische Mikroklima werden hier nicht berücksichtigt. Die Größe und Form der Reflexion werden durch den Leuchtdichtekoeffizienten und den Grad der Spiegelung ausgedrückt. Sinngemäß können die Ausführungen zur Helligkeit aber auch auf die Albedo angewendet werden. In diesem Arbeitspapier ist auch eine Einteilung der Helligkeit von Gesteinskörnungen nach Erfahrungswerten enthalten. Er wird mit steigender Helligkeit unterschieden zwischen

• hellem Naturgestein,
• natürlichem Aufhellungsgestein und
• künstlichem Aufhellungsgestein.

Bei künstlichen Aufhellungsgesteinen handelt es sich um Flint, der in einem Hochofen bei 1.200 °C gebrannt wird. Durch den Vorgang erhält das Gestein seine weiße Farbe. Im Bild 4 sind die Helligkeitsunterschiede deutlich zu erkennen.

Bild 4: Gesteinskörnungen mit unterschiedlicher Helligkeit

Neben dem Aufbringen einer hellen Beschichtung auf der Fahrbahnoberfläche, kann die Albedo von Asphaltdeckschichten somit durch die Verwendung von hellen Gesteinskörnungen erhöht werden. Zusätzlich ist auch die Verwendung eines anfärbbaren bzw. farblosen Bindemittels anstatt Bitumen möglich, dem gegebenenfalls auch noch helle Farbpigmente zugegeben werden. Albedowerte bis 0,3 sind dokumentiert.

Bei der Verwendung von speziellen Bindemitteln und Farbpigment sollte die Wirtschaftlichkeit beachtet und geprüft werden, wie lange der positive Effekt auf die Albedo anhält, wenn im Laufe der Zeit der Bindemittelfilm an der Oberfläche abgetragen wird.

Auch ist es denkbar, lediglich die Oberfläche mit hellen Gesteinskörnungen abzustreuen. Jedoch ist es fraglich, wie lange der dadurch erzielte Effekt in Abhängigkeit von der Verkehrsbeanspruchung zumindest bei Walzasphalt anhält.

4 Aufgehellte Asphaltdeckschichten in Hamburg

Seit 1953 gibt es in Hamburg Asphaltdeckschichten mit künstlichen Aufhellungsgesteinen. Nachdem auf Versuchsstrecken die Wirksamkeit allgemein bestätigt wurde, ging es im Folgenden darum, die Anteile der Aufhellungsgesteine im Mischgut festzulegen, bei denen der gewünschte Effekt mit dem wirtschaftlichen Aufwand in einem vertretbaren Verhältnis steht (v. Stosch, 1970). Zu Beginn wurden lediglich visuelle Vergleiche angestellt, erst später standen objektive Messverfahren zur Verfügung. Neben der Verbesserung der Verkehrssicherheit bei Nacht und der Verformungsbeständigkeit war auch die Verbesserung der Griffigkeit durch die künstlichen Aufhellungsgesteine ein Ziel. Die in den 1960er und 1970er-Jahren ermittelten Massenanteile haben mit geringen Korrekturen bis heutige Gültigkeit. Aus der Tabelle 2 können die aktuellen Hamburger Anforderungen an die Anteile im Gesteinskörnungsgemisch von Asphaltmischgut in Asphaltdeckschichten entnommen werden.

Tabelle 2: Anteile im Gesteinskörnungsgemisch von Asphaltmischgut in Asphaltdeckschichten (ZTV/St-Hmb.09/22)

Im Bild 5 ist der visuelle Eindruck für einen entsprechend aufgehellten Splittmastixasphalt dargestellt.

Bild 5: Aufgehellter Splittmastixasphalt SMA 8 Hmb. in Hamburg

Pohlmann (1996) hat an den Oberflächen von Splittmastixasphaltdeckschichten in Hamburg, die 25 M.-% Aufhellungsgesteine enthalten, eine Reduzierung der Temperatur an der Fahrbahnoberfläche von bis zu 8 K gegenüber einer nicht aufgehellten Asphaltdeckschicht gemessen. Wenn man von den genannten Angaben zur Oberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Albedo ausgeht, kann folglich geschätzt werden, dass die Albedo hier um mehr als 0,1 größer ist als bei nicht-aufgehellten Asphaltdeckschichten.

Gemäß den experimentellen Untersuchungen von Otto (2019) besteht ein Zusammenhang zwischen Albedo beziehungsweise Oberflächentemperatur und der Lufttemperatur in 1,5 m Höhe. Somit kann die Reduzierung der Temperatur an der Fahrbahnoberfläche wie in Hamburg einen positiven Einfluss auf die Ausbildung sogenannter „städtischen Wärmeinseln“ haben und auf diese Weise auch Teil von Klimawandelanpassungsmaßnahmen sein.

Die Produktion von künstlichem Aufhellungsgestein ist energieintensiv. Daher ist es sinnvoll, sparsam mit diesen Ressourcen umzugehen. Zudem liegen die infrage kommenden Produktionsstätten in Dänemark und Frankreich. Diese sind bis zu 850 km von Hamburg entfernt. Auch die Gewinnungsstätten von natürlichem Aufhellungsgestein in Skandinavien oder Deutschland befinden sich in einer Entfernung von mehreren hundert Kilometern, wie grundsätzlich alle groben Gesteinskörnungen, die für Asphaltdeckschichten geeignet sind, über weite Wege nach Hamburg transportiert werden müssen. Daher ist es im Sinne der Ressourcenschonung und der Wirtschaft sinnvoll, dass seit über 10 Jahren die Wiederverwendung von Ausbauasphalt im Splittmastixasphalt zulässig und gewünscht ist. Es handelt sich um Asphaltgranulat, dass aus Splittmastixasphaltdeckschichten und Offenporigem Asphalt stammt. Grundsätzlich ist ein Asphaltgranulatanteil von ≤ 30 M.-% zulässig. Regelmäßig gibt es jedoch auch Baumaßnahmen bei denen mehr als 50 M.-% Ausbauasphalt im Splittmastixasphalt mit Erfolg wiederverwendet werden (Bartholomäus, et al., 2021).

Aufgrund des hohen Energiebedarfs für die Herstellung von künstlichen Aufhellungsgesteinen und des damit verbundenen CO₂-Fußabdrucks können grundsätzlich auch Überlegungen zu der Albedo durch Verwendung von natürlichen Aufhellungsgesteinen und hellen Naturgesteinen angestellt werden.

5 Fazit

Im Sinne des Klimaanpassungskonzeptes „weiße Stadt“ haben helle Verkehrsflächen ihren Anteil an der Verbesserung des städtischen Mikroklimas. Wie die Erkenntnisse aus Hamburg zeigen, können diese auch in der Asphaltbauweise ausgeführt werden. Es gibt hier langjährige Erfahrungen, dass die Temperaturen an der Fahrbahnoberfläche durch Verwendung von hellen Gesteinskörnungen gesenkt werden können. Dadurch bleiben die Vorteile von Asphalt im kommunalen Straßenbau bei gleichzeitig verbesserten Reflexionseigenschaften erhalten. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Oberflächentemperatur und der oberflächennahen Lufttemperatur können aufgehellte Asphaltdeckschichten einen positiven Einfluss auf die Ausbildung sogenannter „städtischen Wärmeinseln“ haben.

Literaturverzeichnis

Allemann, J.; Heitzmann, M.; (2019): Quantifying Pavement Albedo, NCAT Report 19-09, National Center for Asphalt Technology at Auburn University und National Concrete Pavement Technology Center Iowa State University, Final Report, Dezember 2019, https://intrans.iastate.edu/app/uploads/2019/12/ quantifying_pvmt_albedo_w_cvr.pdf, 29. 4. 2020

Bartholomäus, A.; Stephan, F.; (2021): Wiederverwendung von Ausbauasphalt – aus der Sicht eines Asphaltherstellers, Straße und Autobahn, 8/2021, Kirschbaum Verlag, Bonn, S. 632 – 640

DAV (2019): Asphalt im kommunalen Straßenbau – Der Leitfaden für Planung, Bau und Erhaltung kommunaler Straßen und Flächen aus Asphalt, 2019, Deutscher Asphaltverband (DAV) e.V., Bonn

FGSV (2010): Arbeitspapier Reflexionseigenschaften von Gesteinskörnungen und Oberflächen aus Asphalt, Ausgabe 2010, Köln (FGSV 432)

Freie und Hansestadt Hamburg (2022): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Straßenbauarbeiten in Hamburg, Ausgabe 2009, Fassung 02/22 (ZTV/St-Hmb.09/22), Freie und Hansestadt Hamburg, Behörde für Verkehr und Mobilätswende

Halbach, N. (2018): Klimawandel # Kurzerklärt. Studienprojekt des Fachbereichs Geowissenschaften der Universität Bremen in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, 2018, https://www.unibremen.de/fileadmin/user_upload/sites/mintportal/KlimawandelKurzerklaert_Gesamtpaket.pdf, 17.12. 2021

KlimaPhalt (2021): Straßen und Plätze mit KlimaPhalt naturnah bauen, https://www.klimaphalt.de/klimaphalt%20k%C3%BChlt%20staedte.html, 17.12. 2021

NCAT (2020): Quantifying Pavement Albedo. National Center for Asphalt Technology at Auburn University.  https://www.eng.auburn.edu/research/centers/ncat/newsroom/2016-fall/pavement-albedo.html, 29. 4. 2020

Otto, M. (2019): Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Albedo von Stadtoberflächen auf die Lufttemperatur. Technische Universität Berlin, Fachgebiet Klimatiologie, Institut für Ökologie, 2019, https://www.klima.tu-berlin.de/insulaner/Text1, 9. 4. 2020

Peyerl, M., Krispel, S. (2008): Sommerliches Überhitzen städtischer Strukturen – helle Betonflächen regulieren, 2008. Zement + Beton Handels- und Werbeges. m. b. H., Wien.
https://literatur.zement.at/themen/21-betonfertigteile/6019-sommerliches-ueberhitzen-staedtischer-strukturen-helle-betonflaechen-regulieren, 15.12. 2022

Pohlmann, P. (1996): Helle Asphaltstraßen verbessern deren Verformungsresistenz. Bitumen, 1996, Heft 1, Urban-Verlag, Hamburg, S. 2–7

Pomerantz, M., Akbari, H., Harvey, J. T. (2000): Durability and Visibility Benefits of Cooler Reflective Pavements, 2000. Ernest Orlando Lawrence Berkleley National Laboratory, Environmentaly Energy Technologies Division, https://escholarship.org/uc/item/67z2g3sk, 28. 4. 2020

v. Stosch, H.-J. (1970): Aufhellung bituminöser Deckschichten. Straßenbau-Technik, 1970, Nr. 1, Rudolf Müller Verlag, Köln, S. 19–25