FGSV-Nr. FGSV A 44
Ort Münster
Datum 14.05.2019
Titel Digitalisierung von Prüfdaten und Erfahrungssammlung Bitumeneigenschaften
Autoren Dipl.-Ing. Stefan Kübler
Kategorien Asphaltstraßen
Einleitung

Seit dem Jahr 2013 enthält das Technische Regelwerk für den Bau von Asphaltstraßen Prüfungen zur Erfahrungssammlung für bitumenhaltige Bindemittel. Die Bitumen- und Asphaltproduzenten und die Auftraggeber sammeln diese Prüfdaten in einem zentralen IT-System. Im Rahmen eines begleitenden Forschungsprojektes wurden in den letzten Jahren die Prüfdaten statistisch ausgewertet und daraus ein weiteres Vorgehen für die Etablierung von rheologischen Prüfverfahren zur Ansprache insbesondere von modifizierten Bindemitteln abgeleitet. Die erstmalige Verwendung eines zentralen Systems für die Datensammlung war eine Grundlage für die Initiierung eines Projekts zur Digitalisierung von Prüfdaten im Straßenbau. In den nächsten Jahren werden die Voraussetzungen geschaffen, um zukünftig für die Bundesfernstraßen alle Prüfdaten aus Kontrollprüfungen und Angaben aus Eignungsnachweisen digital zu erzeugen, auszutauschen und weiterzuverarbeiten. In diesen Daten sind neben den baustoffspezifischen Prüfergebnissen weitere Angaben enthalten, die für eine Modellbildung im Rahmen von Building Information Modeling (BIM) für den Asphaltstraßenbau eine hohe Relevanz zur Beschreibung der hergestellten Schichten aufweisen.

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1 Ausgangssituation

Der Umgang mit Daten und deren Auswertung und Nutzung ist im Straßenbau bisher in vielen Prozessen noch nicht etabliert. Dies betrifft sowohl die Prozesse im Rahmen der Bauabwicklung aber auch die Sammlung von Prüfergebnissen beispielsweise zur Erfahrungssammlung, wie dies im Regelwerk schon lange formuliert ist, um beispielsweise einen mehrjährigen Erfahrungshintergrund zu neuen Prüfverfahren aufzubauen. Es fehlen hierzu häufig sowohl exakte Vorgaben von Datenformaten als auch IT-Systeme, mit denen diese Daten gesammelt, ausgetauscht, archiviert und für eine Auswertung aufbereitet werden können.

Innerhalb der Arbeitsgruppe „Asphaltbauweisen“ der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen wurde im Jahr 2013 eine Initiative gestartet, um rheologische Eigenschaften von Bitumen mit modernen Prüfverfahren zu beurteilen. Hierzu sollte ein Erfahrungshintergrund aufgebaut werden, um perspektivisch verbesserte Aussagen zu den Bindemitteleigenschaften zu ermöglichen, als dies mit den bisher etablierten Prüfverfahren zur Bestimmung des Erweichungspunktes Ring und Kugel oder der Nadelpenetration möglich ist. Da die Bindemitteleigenschaften die Dauerhaftigkeit einer Asphaltbefestigung maßgeblich beeinflussen, sollten Unterschiede zwischen den eingesetzten Bitumen analysiert werden. Bei der Umsetzung dieser Bestrebungen wurde deutlich, dass eine zentrale Sammlung und Auswertung der Daten sowohl von der Produzentenseite als auch nach der Herstellung der Straße aus der fertigen Schicht erforderlich ist. Nur dadurch kann ein ausreichend großer Datenbestand geschaffen werden, der für eine statistisch relevante Aussage zur Veränderung von Bitumeneigenschaften in der Prozesskette genutzt werden kann. Hierzu wurde im Auftrag des Bundes eine cloudbasierte Anwendung erstellt, mit der die Sammlung und Archivierung der Prüfdaten bis heute durchgeführt wird und für die die Bitumenproduzenten und Asphaltproduzenten Ergebnisse aus der Werkseigenen Produktionskontrolle sowie der Straßenbaulastträger Bund Prüfergebnisse aus den hergestellten Asphaltschichten zur Verfügung stellen.

Auf dieser Basis wurde in dem begleitenden Forschungsprojekt „Datentechnische Erfassung und Auswertung von Prüfdaten und Erfahrungssammlung“ (Radenberg, et al., 2018) eine statistische Auswertung durchgeführt. Die Prüfungen an Straßenbau- und Polymermodifizierten Bitumen umfassten neben den nach TL Asphalt-StB anzugebenden Ergebnissen aus Asphaltprüfungen (proportionale Spurrinnentiefe, Hohlraumausfüllungsgrad und dynamische Stempeleindringtiefe) auch die bisher gebräuchlichen Bitumenprüfungen (Erweichungspunkt Ring und Kugel und Nadelpenetration am frischen Bindemittel sowie nach Laboralterung). Zusätzlich erfolgte die Anwendung der rheologischen Prüfungen mit dem Dynamischen Scherrheometer (DSR-Analytik und MSCR-Prüfung) und dem Biegebalkenrheometer (BBR) zur Ermittlung des Tieftemperaturverhaltens. Die zurückliegenden Untersuchungen bezogen sich auf die Ermittlung von rheologischen Eigenschaften von Frischbitumen sowie auf die rückgewonnenen Bindemittel aus der fertigen Schicht. Dieses initiale Vorgehen war erforderlich, da zwar alternative rheologische Prüfverfahren schon seit Jahren bekannt sind, diese in Deutschland jedoch noch nicht etabliert waren. Ziel war und ist es, insbesondere die Eigenschaften von modifizierten bitumenhaltigen Bindemitteln realistischer prüftechnisch anzusprechen, als dies durch die Bestimmung des Erweichungspunkts Ring und Kugel oder die Nadelpenetration derzeit erfolgen kann.

Zusätzlich zu den bitumenspezifischen Fragestellungen wurde deutlich, dass es zukünftig unumgänglich wird, vorhandene Informationen digital zu erfassen und weiterzuverarbeiten, um beispielsweise ausgehend von den Prüfergebnissen den mittel- und langfristigen Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften der Straße objektiv bewertbar zu machen. Wenn dies möglichst ohne einen Medienbruch gelingt, steht ein großes Datenkollektiv zur Verfügung, mit dessen Hilfe die Beantwortung sowohl von strategischen als auch operativen Fragestellungen, beispielsweise zur Bewährung von Bauweisen oder zur Beurteilung von Auswirkungen von Änderungen im Technischen Regelwerk, unterstützt werden können. Zudem enthalten die Prüfdaten relevante Angaben, die für die Beschreibung des Schichtenaufbaus genutzt werden können und die für dessen Beurteilung sowie für die Konzeption von Maßnahmen der baulichen Erhaltung eine wichtige Rolle spielen. Aufbauend auf den Erfahrungen im Umgang mit den Daten der Bitumenprüfungen wurde daher eine Vorgehensweise erarbeitet, zukünftig mit den Ergebnissen aus Kontrollprüfungen und den zugehörigen Eignungsnachweisen umzugehen. Dies setzt voraus, für alle beteiligten Gruppen (Produzenten, Prüflabore und Auftraggeber) konkrete Randbedingungen zu definieren und Werkzeuge zu schaffen, um  die Daten standardisiert zu erzeugen, auszutauschen und auswertbar zu machen. Zudem müssen Anforderungen und Rahmenbedingungen beschrieben werden, um Anpassungen an den vorhandenen IT-Systemen oder Neuentwicklungen in diesem Bereich durchzuführen. Der Straßenbaulastträger Bund hat daher eine Initiative gestartet, die hierfür erforderlichen Voraussetzungen zu schaffen und die hieraus ableitbaren Anforderungen an die betroffenen Prozesse frühzeitig zu kommunizieren. Damit entsteht eine ausreichend lange Vorlaufzeit bis zum Einsatz dieser Technologie im Rahmen von Baumaßnahmen an den Autobahnen und Bundesstraßen.

2 Erkenntnisse aus den durchgeführten Bitumenprüfungen

Im Jahr 2013 wurden mit den Allgemeinen Rundschreiben Nr. 12/2013, 14/2013 und 20/2013 u. a. zusätzliche Prüfungen zur Erfahrungssammlung an Bitumen mit dem Ziel der Etablierung von performance-orientierten Bindemittelprüfungen in Deutschland eingeführt. Ziel war es, perspektivisch den Zusammenhang zwischen der Bindemittelqualität und deren Auswirkung auf die Dauerhaftigkeit der Asphaltschichten ermitteln zu können. Durch die Forderung von Prüfergebnissen von den Bindemittelproduzenten, den Asphaltmischgutherstellern sowie aus Kontrollprüfungen an Bundesfernstraßen sollte die gesamte Produktions- und Verwendungskette von Straßenbau- und Polymermodifizierten Bitumen bei der Interpretation der Prüfergebnisse berücksichtigt werden. Die Konzeption des Vorgehens sah vor, die Veränderung des Bindemittels im Rahmen seiner Verwendung nachzuverfolgen und die Veränderung der Eigenschaften vom Frischbindemittel bis in die fertige Schicht nachzuvollziehen. In der Umsetzungsphase zeigten sich aber sowohl Widerstände, die hierfür notwendige Transparenz aufzubringen, als auch Schwierigkeiten z. B. das verwendete Frischbindemittel an jeder Asphaltmischanlage zu entnehmen (z. B. fehlende Entnahmemöglichkeit am Bitumentank). Aus diesem Grund wurden zwar in unterschiedlichen Prozessschritten Proben entnommen und diese untersucht, eine konkrete Zuordnung dieser Ergebnisse zueinander konnte jedoch nicht durchgehend erfolgen.

Die durchgeführte statistische Auswertung der Frischbindemittelproben konnte zeigen, dass sich durch die in den Jahren 2013 bis 2015 über mehrere Jahre angestiegene Prüfroutine die Ergebnisqualität deutlich verbessert hat. Zeigten die Ergebnisse im ersten Jahr der Sammlung noch große Standardabweichungen und Ausreißer, sodass diese Ergebnisse nicht in die statistische Beurteilung einfließen konnten, verbesserte sich die Ergebnisqualität mit zunehmender Anwendung immer weiter. Auf dieser Grundlage wurden im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojekts (Radenberg, et al., 2018) wesentliche Aussagen für das Frischbindemittel abgeleitet. Im Folgenden wird auszugsweise jedoch nur auf einige Ergebnisse der Prüfungen mit dem DSR und dem Biegebalkenrheometer eingegangen.

Ein wesentliches Ergebnis der bisherigen Anstrengungen ist die Etablierung des Dynamischen Scherrheometers als praxisrelevantes Prüfgerät in Deutschland. Dies soll zukünftig zu einer verbesserten rheologischen Beurteilung der eingesetzten Bitumen beitragen und ermöglicht detailliertere Eigenschaftsanalysen als dies mit den etablierten Verfahren Erweichungspunkt Ring und Kugel und der Nadelpenetration bisher möglich ist. Ein Ziel der statistischen Auswertung war ein Vergleich der charakteristischen viskoelastischen Bitumeneigenschaften, um diese als Klassifizierungsmerkmale nutzen zu können. Als Beispiel für die Anwendung werden im Bild 2 exemplarisch die charakteristischen Temperaturbereiche der Äquisteifigkeitstemperatur bei einem komplexen Schermodul G* von 15 kPa für die Straßenbaubitumen (rechts) und exemplarisch für die untersuchten Polymermodifizierten Bitumen 25/55-55 A (Bild 1, links unten) und 10/40-65 A (Bild 1, links oben) aus dem Jahr 2015 dargestellt. Die Temperaturbereiche zeigen bei den Straßenbaubitumen eine deutliche Abgrenzung, so dass eine Sortenzuordnung auf diesem Weg ermöglicht wird. Bei den untersuchten elastomermodifizierten Bitumen zeigen hingegen die ermittelten Äquisteifigkeitstemperatur-Bereiche bei einem komplexen Schermodul G* von 15 kPa und 1 kPa keine so eindeutige Abgrenzung und überlagern sich teilweise. Gleiches gilt auch für die Betrachtung des Phasenwinkels, so dass eine Sortenzuordnung für Polymermodifizierte Bitumen anhand dieser Kennwerte bisher noch nicht so eindeutig erfolgen kann, wie dies für Straßenbaubitumen aber bereits möglich ist. Somit müssen weitere Erfahrungen auch durch die Anwendung alternativer Auswerteverfahren gesammelt werden, um auch die Polymermodifizierten Bitumen eindeutiger rheologisch beurteilen und sortenspezifisch identifizieren zu können. Hierfür bietet die Analytik im Dynamischen Scherrheometer nun eine geeignete Grundlage.

Bild 1: Abgeleitete Temperaturbereiche der Äquisteifigkeitstemperatur für PmB 25/55-55 (unten) und 10/40-65 (oben) (Grundlage: Auswertejahr 2015) (Radenberg, et al., 2018)

Bild 2: Abgeleitete Temperaturbereiche der Aquisteifigkeitstemperatur für Straßenbaubitumen (Grundlage: Auswertejahr 2015) (Radenberg, et al., 2018)

Die MSCR-Prüfung wurde bereits im Rahmen der durchgeführten Sammlung und statistischen Auswertung für die Straßenbaubitumen nicht weitergeführt, da keine Aussagen mit dem bisher verwendeten Auswertevorgehen ableitbar waren. Für die Polymermodifizierten Bindemittel wurde die Anwendbarkeit grundsätzlich für sinnvoll befunden, es fehlt jedoch in den Ergebnissen der Jahre 2014 und 2015 noch eine geeignete Datengrundlage, um weitere Rückschlüsse mit dem Verfahren vorzunehmen. Aus den BBR-Prüfungen konnten sowohl für die Straßenbau- als auch für die Polymermodifizierten Bitumen charakteristische m-Werte (als Maß für das Relaxationsverhalten) und Biegekriechsteifigkeiten für die untersuchten Bitumensorten ermittelt werden. Diese Angaben dienen zunächst als Orientierungswerte, da die Anzahl der Datensätze für einzelne Bitumensorten noch keine statistisch belastbaren Aussagen ermöglichte. Die Ansprache der Bitumensorte war bei den Straßenbaubitumen durch eine klare Abstufung des m-Wertes und der Biegekriechsteifigkeiten möglich, die jedoch für die Polymermodifizierten Bitumen noch nicht sicher erfolgen konnte. Zudem wurde im Jahr 2017 die zugrundliegende Arbeitsanleitung für die Durchführung von BBR-Prüfungen modifiziert und die Prüfungen aus dem rückgewonnenen Bindemittel der hergestellten Schichten bis zum Vorliegen dieser Arbeitsanleitung ausgesetzt. Im Rahmen der Auswertung hatte sich gezeigt, dass die Vergleichs- und Wiederholpräzision vor der Anwendung der überarbeiteten AL BBR-Prüfungen nicht ausreichend hoch war.

Aus den Erfahrungen der Bitumendatensammlung war zusätzlich zu den fachlichen Fragestellungen der Prüfung und deren Analyse ableitbar, dass für den Umgang mit digitalen Prüfdaten zusätzlich zu den prüftechnischen Voraussetzungen die IT-technischen Voraussetzungen zu schaffen sind, um effizient valide Daten zu sammeln und weiterverarbeiten zu können. Die erzielten Ergebnisse und Erfahrungen sind daher in die Ableitung des weiteren Vorgehens für die Erfahrungssammlung von Bitumeneigenschaften sowie für die vorgesehene Digitalisierung von Prüfdaten im Straßenbau insgesamt eingeflossen.

3 Weiteres Vorgehen

3.1 Erfahrungssammlung Bitumenprüfungen

Die bisher erzielten Ergebnisse haben gezeigt, dass durch Etablierung der neuen Prüfverfahren im Dynamischen Scherrheometer (DSR) und im Biegebalken-Rheometer die Prüfqualität und Interpretierbarkeit der Ergebnisse durch die erforderliche Prüfroutine kontinuierlich angestiegen sind. Zur weiteren Etablierung der Prüfverfahren und zur weiteren Erfahrungssammlung ist vorgesehen, die bisher ausschließlich am Frischbindemittel durchgeführten Prüfungen zukünftig schwerpunktmäßig an laborgealterten Bindemitteln durchzuführen und die Prüfung der Frischbindemittel nicht mehr mit allen Prüfverfahren und von allen Beteiligten durchführen zu lassen. Die Fortführung der Prüfungen greift zudem die absehbaren Forderungen der zukünftigen Bitumen-Spezifikationsnormen DIN EN 12591 und DIN EN 14023 auf, wonach zur Bestimmung der rheologischen Bindemitteleigenschaften neben den Frischbindemitteln ebenfalls gealterte Bitumen verwendet werden sollen. Ziel der weiteren Bestrebungen bleibt es, perspektivisch die Beurteilung des Verhaltens von Bitumen bei erhöhten Gebrauchstemperaturen und die hierfür verwendete Erweichungspunkt-Temperatur zu ersetzen. Aus diesem Grund soll beispielsweise im Rahmen der Werkseigenen Produktionskontrolle zur Bestimmung des Verformungsverhaltens die DSR-Prüfung im Temperatur-Sweep oder mittels des Bitumen-Typisierungs-Schnellverfahrens (BTSV) durchgeführt werden. Hierfür werden Vorgaben zu Prüfhäufigkeiten für die Untersuchung am Frischbindemittel sowie nach RTFOT-Alterung und nach RTFOT-plus PAV-Alterung gemacht. Am unteren Ende des Gebrauchstemperaturbereichs wird weiterhin nach einem Verfahren gesucht, mit dem auch die rheologischen Bitumeneigenschaften bei tiefen Temperaturen sicher angesprochen werden können. Hierzu wird zunächst die Prüfung mit dem BBR sowohl an Frischbindemitteln als auch an nach dem Einbau rückgewonnenen und PAV-gealterten Bitumen weitergeführt bzw. ausgeweitet.

Derzeit werden die Prüfmodalitäten und der Prüfumfang in einem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) zur Modifikation der TL Bitumen-StB 07/13, der TL Asphalt-StB 07/13 und der ZTV Asphalt-StB 07/13 anhand der vorliegenden Ergebnisse neu geregelt. An diesem Prozess sind Vertreter der Produzentenseite und der Auftraggeber aktiv beteiligt. Ziel ist es, einen Prüfumfang zu definieren, der einerseits ausreichend groß ist, um eine ausreichende Datenmenge für eine statistische repräsentative Analyse zu erhalten, und andererseits den damit zusammenhängenden personellen und finanziellen Aufwand in einem angemessenen Rahmen zu halten. Die bisher durchgeführte zentrale Sammlung und parallele Auswertung hat sich in den letzten Jahren bewährt und wird auch für die modifizierte Vorgehensweise weitergeführt (die hierfür erforderlichen Anpassungen der Software werden bis Herbst 2019 umgesetzt sein, veränderte Erfassungsformulare liegen bereits vor). Nur durch eine Vorgabe zur zentralen Sammlung wird es möglich, zeitnah qualitätsgesicherte Analysen der Prüfergebnisse durchzuführen und ggf. weitere Präzisierungen für die Prüfdurchführung abzuleiten (so wie dies beispielsweise für die BBR-Prüfung erfolgt ist). Auf Grundlage der Empfehlungen des Forschungsprojekts soll durch die Fortführung der Prüfungen insbesondere für die modifizierten Bitumen weiterhin nach einer Möglichkeit der Sorten-Klassifizierung (analog zu den Ergebnissen für Straßenbaubitumen) gesucht werden. Zudem sind Aussagen und weitergehende Auswertemöglichkeiten zum Verhalten im erhöhten und im tiefen Gebrauchstemperaturbereich aus rückgewonnenen und gealterten Bitumen erforderlich, die über die Beurteilung des Erweichungspunktes Ring und Kugel hinausgehen. Alle Beteiligten müssen ein Interesse daran entwickeln, den hierfür erforderlichen Erfahrungshintergrund weiter auszubauen und die gewonnenen Ergebnisse zur Qualitätssicherung und zur Einspeisung in die Weiterführung des Normungsprozesses von bitumenhaltigen Bindemitteln zu nutzen. Als ein erstes Ergebnis der bisher durchgeführten Untersuchungen des Frischbindemittels, werden die sortenspezifischen Äquisteifigkeitstemperaturspannen und die charakteristischen Phasenwinkel für Straßenbau- und Elastomermodifizierte Bitumen auch bauvertraglich nutzbar. Durch die bauvertragliche Forderung der Ausweisung im Eignungsnachweis soll darauf hingewirkt werden, dass die Verformungseigenschaften der eingesetzten Bitumen innerhalb der charakteristischen Äquisteifigkeitstemperatur-Intervalle liegen. Durch die damit zusammenhängende Homogenisierung der eingesetzten bitumenhaltigen Bindemittel kann ein Beitrag zur Verbesserung der Nutzungsdauer von Asphaltstraßen geleistet werden, da sich diese Homogenisierung auch auf die Asphalteigenschaften auswirkt.

3.2 Digitalisierung von Prüfdaten in Straßenbau

Das Vorgehen zur Sammlung und Auswertung von Bitumenprüfungen hat gezeigt, dass durch die von Beginn an vorgesehene zentrale Sammlung der Prüfergebnisse ein ausreichend großer Datenbestand zur Verfügung stand, aus dem statistisch belastbare Aussagen abgeleitet werden konnten. Anders als bei bisherigen Prüfungen zur Erfahrungssammlung, standen die Informationen bereits frühzeitig zur Verfügung, was dazu geführt hat, die erforderlichen Auswertungen parallel zur Sammlung durchzuführen. Dies zeigt, dass eine standardisierte Sammlung von Prüfdaten vergleichsweise schnell zu objektiven Aussagen führen kann. Dieses Vorbild wurde aufgegriffen und findet sich in der aktuellen Vorgehensweise zur Digitalisierung von Prüfdaten im Asphaltstraßenbau wieder. Ziel ist es, die im Straßenbau erzeugten Prüfergebnisse digital zu erzeugen, unter den Beteiligten medienbruchfrei auszutauschen und weiterverarbeitbar zu machen. Für die Asphaltbauweise bedeutet dies die Digitalisierung der Angaben aus den Eignungsnachweisen und der Ergebnisse aus den Kontrollprüfungen.

Eine wesentliche Grundvoraussetzung, um dies tun zu können, ist die Konstruktion eines standardisierten Datenmodells, in dem die Inhalte und deren semantische Abhängigkeiten abgebildet werden. Es ist ein wesentliches Ziel der Bestrebungen, bereits beim Start für alle Beteiligten einen einheitlichen Standard für die Beschreibung der Daten und der Datenformate zur Verfügung zu stellen. Dieser wird konsequent weiterentwickelt und wird lizenzkostenfrei und herstellerunabhängig zur Verfügung gestellt. Für das Straßen- und Verkehrswesen existiert hierfür bereits seit mehreren Jahren der „Objektkatalog für das Straßen- und Verkehrswesen“ (OKSTRA, 2019), mit dem eine XML-schemabasierte technische Infrastruktur zur Verfügung steht, die nun auch für den Anwendungsfall Prüfdaten verwendbar wird. In einem ersten Schritt wurden die bisher im Technischen Regelwerk abgebildeten Prüfungen an den verwendeten Baustoffen und der fertigen Schicht, die im Rahmen von Kontrollprüfungen und für die Erstellung von Eignungsnachweisen auf Basis der zugehörigen Erstprüfungen genutzt werden, im OKSTRA modelliert. Auf Grundlage des Datenmodells werden die Prüfdaten bei der Speicherung als Datei im Format OKSTRA-XML abgelegt und können auf diese Weise ausgetauscht und weiterverarbeitet werden. Neben den Einzeldaten ist vorgesehen, dass  zu jedem Eignungsnachweis und zu jeder Kontrollprüfung zusammen mit dem Datensatz im OKSTRA-XML-Austauschformat das zugehörige Prüfzeugnis/Eignungsnachweisdokument mit Unterschrift oder digitaler Signatur als PDF-Datei beigefügt wird. Somit besteht auch zukünftig die Möglichkeit, sowohl auf der Datensatzebene mit den Daten umzugehen, diese aber auch im Zusammenhang mit dem Ergebnis der durchgeführten Prüfung bzw. der Angabe des Eignungsnachweises zu nutzen. Ein Zugriff auf die bauvertraglich relevanten Dokumente bleibt somit gewährleistet.

Um die vorgesehenen formalen Anforderungen an die Daten zusätzlich zu den Vorgaben des OKSTRA-Datenmodells bedarfsgerecht präzisieren zu können (z. B. zur Einhaltung der nach den Technischen Prüfvorschriften geforderten Dimensionen), wurde darüber hinaus eine vorhandene Technologie des OKSTRA funktional erweitert. Mit Hilfe von OKSTRA-Profilen ist es nun möglich, neben der inhaltlichen Einschränkung des Datenmodells weitere Festlegungen der zugehörigen Attribute vorzugeben. Es ist somit möglich, spezialisierte und einheitliche OKSTRA-Profile für Kontrollprüfungen und für Eignungsnachweise für die Asphaltbauweise zur Verfügung zu stellen, mit denen weitere Spezifizierungen der Dateninhalte durchgeführt werden. Die Technik wurde erweitert und kann nun zusätzlich Vorgaben zu zulässigen Werteintervallen, erforderliche Angabegenauigkeit (z. B. Anzahl der Dezimalstellen) von Attributen und Maßeinheiten festschreiben. Ziel dieser Vorgaben ist die damit zusammenhängende Möglichkeit, einen Datensatz vor der Weiterverarbeitung auf formale Korrektheit prüfen zu lassen und ihn nur weiterzuverwenden, wenn die festgelegten formalen Anforderungen für jede enthaltene Angabe erfüllt sind. Diese Erkenntnis stammt aus dem Forschungsprojekt zur Sammlung und Auswertung der Prüfdaten am Bitumen, bei dem noch keine technischen Möglichkeiten vorhanden waren, formal inkorrekte Daten automatisch zu identifizieren. Dies hat damals dazu geführt, dass Teile der Angaben manuell plausibilisiert oder gar verworfen werden mussten.

Der Bund wird diesen Standard zukünftig für die Erstellung von Eignungsnachweisen und Kontrollprüfungsergebnissen für die Autobahnen und Bundesstraßen bauvertraglich fordern und als Gegenstand der Verträge mit den RAP Stra-Prüfstellen für Kontrollprüfungen als zu erbringende Leistung aufnehmen. Die Ergebnisse aus Kontrollprüfungen und Eignungsnachweisen müssen daher zukünftig auf dieser Grundlage erzeugt und ausgetauscht werden. Bis zum Beginn dieser Umstellung ist es erforderlich, dass sich diejenigen Stellen, die die Daten erzeugen und weiterverarbeiten, mit dieser Thematik befassen und die hierfür erforderlichen Voraussetzungen für die Umsetzung schaffen. Dies betrifft im Wesentlichen die Erweiterung der bestehenden unternehmenseigenen IT-Systeme, mit denen die Prüfdaten sowohl als Grundlage für die Erstellung von Eignungsnachweisen als auch für Kontrollprüfungsergebnisse, erzeugt und weiterverarbeitet werden. Zur frühzeitigen Information wurde bereits Ende 2018 ein Informationsschreiben an die betroffenen Interessengruppen verschickt, in dem das geplante Vorgehen und die erforderlichen Schritte detaillierter beschrieben sind (BMVI, 2018). Hierin wird u.a. beschrieben, welche Voraussetzungen von den RAP Stra-Prüfstellen für die Erzeugung und Weiterverarbeitung von Kontrollprüfdaten unter Verwendung der OKSTRA-Profile für Kontrollprüfungen zu erbringen sind. Hierzu gehört neben der Generierung des OKSTRA-XML-Austauschformats die Erstellung des Kontrollprüfzeugnisses als PDF/A-Datei. Für die Fertigung von Eignungsnachweisen muss der Datensatz ebenfalls unter Verwendung der OKSTRA-Profil-Datei für Eignungsnachweise generiert werden. Dies geschieht entweder durch das Einbauunternehmen oder durch den Asphaltmischgutproduzenten oder von beiden in Teilschritten. Auch für diesen Prozess müssen die IT-Systeme entsprechend ausgestattet werden. Zur Reduzierung des Aufwands wird für den Umgang mit dem OKSTRA-Datenmodell, den OKSTRA-Profilen und dem Im- und Export in das OKSTRA-XML-Austauschformat eine frei verfügbare Funktionsbibliothek für die Programmierung (OKSTRA-Klassenbibliothek (OKLABI)) auf der Internetseite des OKSTRA zum Download zur Verfügung gestellt. Hierin sind wesentliche Funktionalitäten zur Verwendung des OKSTRA generell und für die Arbeit mit OKSTRA-Profilen im Speziellen bereitgestellt, so dass diese als Grundlage für die erforderlichen Funktionserweiterungen der IT-Systeme kostenfrei genutzt werden können. Das Bild 3 zeigt schematisch die Aufgabe der OKLABI für die Erzeugung von Prüfdaten unter Verwendung von spezialisierten OKSTRA-Profilen für Kontrollprüfungen und Eignungsnachweisen für die Asphaltbauweise.

Bild 3: Nutzung der OKLABI zur Erzeugung des OKSTRA-XML-Austauschformats

Das bisher für die Sammlung von Bitumen-Prüfdaten verwendete webbasierte IT-System war ein erster Baustein, Prüfdaten digital von unterschiedlichen Beteiligten zu sammeln  und weiterzuverwenden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere für die Erzeugung von validen und syntaktisch korrekten Daten maschinenlesbare Datenformate erforderlich sind. Die Sammlung auf Grundlage von Zwischenformaten ist fehleranfällig und es ist nicht ausreichend restriktiv regelbar, welche Attributs-Eigenschaften zwingend eingehalten werden müssen. Dies wird perspektivisch durch die Verwendung von OKSTRA-Profilen für Kontrollprüfungen und Eignungsnachweise deutlich verbessert, was zu formal validen Ergebnissen beitragen soll. Da zu Beginn der Aktivitäten noch kein Standard für diesen Verwendungszweck vorlag, wurde das OKSTRA-Datenmodell um die relevanten Prüfangaben ergänzt und die OKSTRA-Profil-Technik erweitert. Diese Funktionserweiterung steht bereits seit Mitte 2018 zur Verfügung und wird im nächsten Schritt die Basis, um für die Bundesautobahnen, Bundesstraßen und ggf. weitere klassifizierte Straßen ein IT-System zu erstellen, mit dem die Prüfdaten zukünftig gesammelt und teilweise auch erzeugt werden sollen. Das System enthält Funktionen zur Erzeugung, Qualitätsbeurteilung, Bewertung und Archivierung (EQUBAR) von Prüfdaten zunächst für die Asphaltbauweise. Hierfür wird das webbasierte System EQUBAR Teilfunktionalitäten, zum Beispiel für die digitale Erzeugung von Probenahmedaten und deren Georeferenzierung und die Zuordnung von Bezugsflächen zu den Probenahmestellen, zur Verfügung stellen. Diese Funktionalität soll auch von den Stellen genutzt werden, die Probenahmen auf der Baustelle durchführen. Hierdurch kann innerhalb der Prozesse die erforderliche Qualitätssicherung sowie die Nutzung von Synergien ohne die Notwendigkeit des Einsatzes weiterer Software-Lösungen erreicht werden.

Im Bild 4 sind exemplarisch die betroffenen Prozesse für die Erzeugung und den Austausch der Daten aus Eignungsnachweisen und Kontrollprüfungen schematisch dargestellt. In der EQUBAR-Datenbank des Auftraggebers bzw. über die zugehörige Webapplikation erfolgen u. a. die Zuordnung von Benutzern und die Festlegung von Benutzerrechten, so dass hierüber der Zugang zu den Prüfprojektdaten geregelt wird. Die für das Prüfprojekt freigeschaltete RAP Stra-Prüfstelle erhält damit beispielsweise die Berechtigung, die zugehörigen Angaben aus dem OKSTRA-XML-Datensatz des vom Einbauunternehmen erzeugten und übermittelten Eignungsnachweises fachlich zu prüfen. Im Zuge des Importprozesses in die Datenbank erfolgt dann eine automatische formale Validierung der Angaben gegen die Vorgaben des OKSTRA-Profils für Eignungsnachweise. Die damit vorliegenden Informationen aus dem Eignungsnachweis werden dazu genutzt, die Angaben zu Probenahmen zu vervollständigen (z. B. Asphaltmischgutsorte, etc.) und die Probenangaben den jeweiligen Eignungsnachweisen entsprechend zuzuordnen. Unter Verwendung der Projektstamm- und der importierten Eignungsnachweisdaten wird eine auf einem mobilen Endgerät nutzbare Funktionalität zur Verortung von Probenahmestellen zur Verfügung gestellt, mit der dann unter Nutzung der bereits erfassten Angaben aus den Eignungsnachweisen ein Probenahmeprotokoll generiert wird. Die nach der Erfassung bereits vorhandenen Daten sollen dann über einen Export in ein OKSTRA-XML-Austauschformat in das IT-System der RAP Stra-Prüfstelle übernommen werden können, um die bis dahin erfassten Daten (Probenahmedaten, Angaben aus den Eignungsnachweisen, Projektstammdaten, etc.) für die Zuordnung der Kontrollprüfungsergebnisse und die Erstellung des Kontrollprüfzeugnisses nutzen zu können. Für die RAP Stra-Prüfstelle entfällt daher eine erneute manuelle Erfassung dieser Angaben und es entsteht ein medienbruchfreier digitaler Workflow. Im nächsten Verfahrensschritt erzeugt die mit den Kontrollprüfungen beauftragte RAP Stra-Prüfstelle in ihrem IT-System nach Durchführung der Prüfungen ein OKSTRA-XML-Austauschformat, in dem neben den übernommenen Angaben nun die Ergebnisse der Prüfungen und deren Bewertung enthalten sind. Für die Erzeugung des Datensatzes muss das IT-System der RAP Stra-Prüfstelle die jeweils aktuellen Vorgaben aus dem OKSTRA-Profil für die Kontrollprüfungen berücksichtigen, da nur somit die automatische Validitätsprüfung der Daten im Verlauf des Imports in die EQUBAR-Datenbank erfolgen kann. Das IT-System der RAP Stra-Prüfstelle muss daher zusätzlich eine Funktionalität aufweisen, um das jeweils aktuelle OKSTRA-Profil für Kontrollprüfungen beim Erzeugen des Datensatzes berücksichtigen zu können. Zusätzlich muss das Kontrollprüfzeugnis als PDF/A-Datei erzeugt und zusammen mit dem vollständigen OKSTRA-XML-Datensatz wieder in die EQUBAR-Datenbank importiert werden.

Unter Verwendung dieser Vorgehensweise wird es zukünftig möglich, Prüfdaten im Straßenbau qualitätsgesichert digital zu erzeugen, auszutauschen und weiterzuverarbeiten. Die technischen Voraussetzungen hierfür wurden und werden derzeit geschaffen. Als wesentlich ist dafür die Schaffung eines standardisierten digitalen Datenmodells bereits erreicht worden, das nun als Grundlage für die softwareseitigen Aktivitäten genutzt wird. Hierdurch wird ein herstellerunabhängiges Vorgehen ermöglicht, mit dem auch zukünftige Änderungen im Technischen Regelwerk abgebildet werden können. Für alle beteiligten Gruppen stehen lizenzkostenfreie Werkzeuge zur Verfügung, um auf dieser Grundlage die erforderlichen Voraussetzungen für die Digitalisierung im Asphaltstraßenbau zu etablieren. Die hierfür erforderlichen organisatorischen und technischen Voraussetzungen wurden bzw. werden bis Ende 2021 sukzessive realisiert und kommuniziert.

Bild 4: Digitale Erzeugung von Kontrollprüfdaten mit Verwendung von digitalen Eignungsnachweisen

4 Zusammenfassung

Die in den TL Bitumen-StB 07/13, TL Asphalt-StB 13/07 und ZTV Asphalt-StB 07/13 eingeführten Prüfungen zur Erfahrungssammlung an bitumenhaltigen Bindemitteln werden derzeit auf Grundlage der Ergebnisse des abgeschlossenen Forschungsprojekts zur „Datentechnischen Erfassung und Auswertung von Prüfdaten und Erfahrungssammlung“ (Radenberg, et al., 2018) diskutiert, um ein weiteres Vorgehen festzulegen. Es hat sich gezeigt, dass das Prüfen im Dynamischen Scherrheometer und die in Deutschland seit 2013 angeschafften Geräte mittlerweile eine ausreichende Verbreitung erfahren haben. Die vorliegenden Ergebnisse belegen, dass mittlerweile eine entsprechende Prüfroutine vorhanden ist und die Ergebnisqualität der Prüfungen mit dem DSR Aussagen zu den Frischbindemitteleigenschaften zulassen. Die Ergebnisse konnten dazu genutzt werden, Spannen (für die Äquisteifigkeitstemperatur) und Mindestwerte (für die Phasenwinkel) in Abhängigkeit der Bitumensorte am Frischbindemittel zu definieren. Auf diese Weise konnten erste Empfehlungen für sortenspezifische typische Bereichsgrenzen definiert werden, um darüber eine Harmonisierung der Eigenschaften nachzuweisen und eine Klassifizierung vorzunehmen. Im Hinblick auf die zukünftigen europäischen Bitumenspezifikationen wurde die Empfehlung gegeben, die Prüfungen in modifizierter Form weiterzuführen. Hierbei wird zukünftig ein Schwerpunkt bei der Prüfung von laborgealterten Bitumen (RTFOT und PAV) gesetzt. Wie bereits im ersten Projekt zu dieser Thematik, sollen die Prüfergebnisse wiederum einer zentralen Sammlung und Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Das IT-System hierzu wird derzeit an die veränderten Prüfmodalitäten angepasst und steht ab Herbst 2019 zum Importieren der Daten in veränderter Form auf https://bitumen.gbbmvi.bund.de/ zur Verfügung. Die Zusammenstellung der Daten erfolgt für die Bitumenprüfungen weiterhin unter Verwendung von Erfassungsformblättern, die an die geänderten Prüfbedingungen angepasst wurden. Die für die Veränderungen erforderlichen Anpassungen im Technischen Regelwerk befinden sich derzeit in Bearbeitung und werden mittels Allgemeinem Rundschreiben Straßenbau für die Anwendung bekanntgemacht und eingeführt. Die Erfahrungen aus der Bitumensammlung sind zudem in ein Projekt für die Sammlung von digitalen Prüfdaten im Straßenbau eingeflossen. Hierzu wurde als Basis ein umfassendes Datenmodell für Prüfdaten für die Asphaltbauweise (weitere Bauweisen folgen) entwickelt. Ergänzend hierzu wird derzeit vom Bund ein IT-System (EQUBAR) realisiert, mit dem die Erfassung, der Austausch und die Analyse von Daten aus den Kontrollprüfungen und den Eignungsnachweisen zukünftig standardisiert erfolgen wird. Diejenigen Stellen, die diese Daten erzeugen und mit ihnen umgehen, müssen sich daher mit dieser Thematik befassen, um ihre eigenen IT-Systeme in die Lage zu versetzen, Daten im OKSTRA-XML-Austauschformat zu importieren und zu exportieren. Ziel ist es, zukünftig die Verarbeitung von Ergebnissen aus Kontrollprüfungen und den zugehörigen Eignungsnachweisen digital durchzuführen und diese Informationen bedarfsgerecht auswerten zu können sowie Teile der Angaben für die Nutzung als Bestandsinformation auch im Umfeld von Building Information Modeling (BIM) zu verwenden. Für die Bundesfernstraßen werden hierzu bis Ende 2021 die erforderlichen Voraussetzungen geschaffen.

Literaturverzeichnis

BMVI (2018): Einsatzankündigung eines Datenstandards und eines IT-Systems für die Erfassung und den Austausch von digitalen Prüfdaten im Straßenbau, Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Bonn 2018, unveröffentlicht

DIN EN 12591: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel – Anforderungen an Straßenbaubitumen, unveröffentlichter überarbeiteter Normenentwurf

DIN EN 14023: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel – Rahmenwerk für die Spezifikation von gebrauchsfertigen Polymermodifizierten Bitumen, unveröffentlichter überarbeiteter Normenentwurf

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2013): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB 07/13), Köln (FGSV 799)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2013): Technische Lieferbedingungen für Asphaltmischgut für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen (TL Asphalt-StB 07/13), Köln (FGSV 797)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2013): Technische Lieferbedingungen für Straßenbaubitumen und gebrauchsfertige Polymermodifizierte Bitumen (TL Bitumen-StB 07/13), Köln (FGSV 794)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2017): Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Verhaltens von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln bei tiefen Temperaturen im Biegebalkenrheometer (BBR) (AL BBR-Prüfung), Köln (FGSV 715)

OKSTRA (2019): Objektkatalog für das Straßen- und Verkehrswesen, www.okstra.de

R a d e n b e r g; F l o t t m a n n; D r e w e s; K ö n i g; H i l f e r t (2018): FE29.0327/2013/BASt; Datentechnische Erfassung und Auswertung von Prüfdaten und Erfahrungssammlung, Schlussbericht, Veröffentlichung vorgesehen