Im Jahr 2005 wurde das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über eine Laufzeit von drei Jahren geförderte Verbundprojekt „Leiser Straßenverkehr 2“ begonnen. Neben den Teilprojekten Leiser Reifen und Erfolgskontrolle ist ein Teilprojekt Leise Straße integriert, dessen Schwerpunkte auf der integralen Verbesserung offenporiger Asphalte (OPA) und der konstruktiven Verbesserung von Fahrbahnübergangskonstruktionen liegen. Die Verlängerung der akustischen Lebensdauer von offenporigen Asphalten durch Herabsetzung der Verschmutzungsneigung und weitere Steigerung der lärmmindernden Wirkung ist das Ziel des OPA-Vorhabens. In einem großen Versuchsaufbau werden offenporige Deckschichtplatten künstlicher Verschmutzung und Bewitterung ausgesetzt. Dabei werden Deckschichten aus konventionellem Mischgut und Mischgut mit einer speziellen, oberflächenaktivierenden Polymerbeimengung, untersucht. Letztere bewirkt eine Hydrophobierung der Hohlraumwandungen und führt so zu einer deutlichen Verbesserung der Schmutzabweisung. Mit Hilfe numerischer Berechnungen können erstmals auch Strömungsvorgänge, wie sie bei den heute eingesetzten Reinigungsverfahren für OPA und beim schnell rollenden Reifen auftreten, untersucht werden. In einem weiteren Teilvorhaben wird an der Entwicklung geeigneter reaktiver Absorber gearbeitet, die in Form von kleinflächigen Bauelementen in die offenporige Deckschicht integriert werden können. Der Absorptionsfrequenzgang dieser Absorber ergänzt den der OPA Deckschicht so, dass ein breitbandiges Absorptionsspektrum entsteht und die Rollgeräuschreduzierung erhöht werden kann.

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

1 Das Verbundprojekt

Im Jahr 2005 war das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderte Forschungsverbundprojekt Leiser Straßenverkehr unter dem Titel Leiser Straßenverkehr 2 in die zweite dreijährige Runde gestartet. In drei Clustern werden von den im Bild 1 dargestellten Partnern Projekte und Arbeiten auf den Gebieten „Leise Reifen“, „Leise Straßen“ und „Erfolgskontrolle“ durchgeführt. Bei den Partnern handelt es sich im Einzelnen um folgende Firmen und Forschungseinrichtungen:

Cluster Leise Reifen

Teilprojekt Reifen für Lkw

Continental AG, Hannover

Teilprojekt Simulationstool

TU Hamburg-Harburg, Institut für Modellierung und Berechnung, Prof. v. Estorff Universität Hannover, Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik, Prof. Nackenhorst

Cluster Leiser Straßen

Teilprojekt Offenporiger Asphalt

Universität Stuttgart, Lehrstuhl für Straßenplanung und Straßenbau, Prof. Ressel Forschungsinstitut für Pigmente und Lacke e.V., Stuttgart, Prof. Eisenbach Technische Universität München, Fachgebiet Hydromechanik, Prof. Manhart

Müller-BBM GmbH, Planegg

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin

Teilprojekt Fahrbahnübergang

Maurer Söhne GmbH & Co. KG, München

RW Sollinger Hütte GmbH, Uslar

Cluster Erfolgskontrolle

Teilprojekt Erprobung

Bundesanstalt für Straßenwesen

Landesbetrieb Straßenbau Nordrhein-Westfalen Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg

Teilprojekt Bewertung

Bundesanstalt für Straßenwesen

Bild 1: Der Forschungsverbund Leiser Straßenverkehr 2

Im Cluster Leise Reifen wird in logischer Fortsetzung der Reifenprojekte im Leisen Straßenverkehr 1, die von Arbeiten an leisen Pkw-Reifen geprägt waren, die Entwicklung leiser Lkw-Reifen betrieben. Durch Profiloptimierung konnte an Prototypen bereits nachgewiesen werden, dass eine Minderung von mindestens 3 dB(A) gegenüber einem marktgängigen Reifen mit günstigen Geräuschwerten möglich und praktisch umsetzbar ist, ohne die wichtigen Eigenschaften Kilometerleistung, Traktion und Rollwiderstand negativ zu beeinflussen. Auch die Entwicklung von Rechenmodellen, die den Reifenhersteller dazu in die Lage versetzen, die Auswirkung der Änderungen von konstruktiven Eigenschaften und Materialparametern auf die Rollgeräuschentwicklung zu erkennen und im Reifenentwicklungsprozess entsprechend darauf reagieren zu können, wird, in Fortsetzung der Arbeiten im Leisen Straßenverkehr 1, vorangetrieben.

Offenporige Asphalte (OPA) haben in den vergangenen 15 Jahren eine positive Entwicklung durchlaufen. Dazu beigetragen haben im Laufe der Jahre viele Erkenntnisse und Erfahrungen durch konkrete Straßenbauprojekte, aber auch durch Pilotvorhaben und Forschungsprojekte, die einige grundlegende Fragen im Zusammenhang mit bau- und schalltechnischen Eigenschaften und dem Verhalten von offenporigen Asphalten geklärt haben. Mit der Bauweise können heute bis zu 9 dB(A) Pegelminderung bei Pkw und bis zu 7 dB(A) bei Lkw gegenüber herkömmlichem Splittmastixasphalt 0/11 erzielt werden. Ein Problem konnte jedoch bislang nach wie vor nicht zufriedenstellend gelöst werden. Der hohen akustischen Effektivität von OPA steht eine begrenzte akustische Nutzungsdauer gegenüber, die eng mit der Verschmutzungsanfälligkeit dieser Bauweise verbunden ist. Nicht alle eindringenden Schmutzpartikel werden durch die Saugwirkung der überrollenden Reifen entfernt, sondern lagern sich über die Jahre in der Schicht ab und führen zum Verstopfen der Hohlräume. Bisherige Versuche, derartige Deckschichten (hydro-)mechanisch zu reinigen, können die Verschmutzung zwar etwas verlangsamen, jedoch keinesfalls verhindern. Der Cluster Leise Straßen widmet sich deshalb im Teilprojekt „Offenporiger Asphalt“ drei wesentlichen Fragestellungen, die zu einer integralen Verbesserung dieser Bauweise beitragen sollen. Im Teilprojekt Fahrbahnübergang wird an weiteren konstruktiven Verbesserungen von Fahrbahnübergangskonstruktionen aus Stahl zur Minderung der beim Überrollen entstehenden Impulsgeräusche gearbeitet. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine akustisch günstige Oberflächentexturierung der Einzelelemente der Konstruktion im Makrotexturbereich, die die Textur der Fahrbahndeckschichten aufnimmt, zu einer Geräuschminderung beitragen.

Die Teilprojekte im Cluster Erfolgskontrolle umfassen den Bau von Erprobungsfeldern auf normal befahrenen Fernstraßen mit messtechnischer Erfassung der erzielten akustischen Eigenschaften und die Bewertung dieser Umsetzung der Forschungsergebnisse in der Praxis in bau- und schalltechnischer Hinsicht. Die Arbeiten in diesen Teilprojekten werden erst im Frühjahr 2009 beginnen.

2 Das Teilprojekt Offenporiger Asphalt

Das Teilprojekt Offenporiger Asphalt geht von drei wesentlichen Fragestellungen aus, die durch systematische Untersuchungen zur Schließung bisheriger Kenntnislücken beitragen sollen:

• Kann die Verschmutzungsneigung von offenporigem Asphalt durch Beschichtung der Hohlraumwände oder durch chemische Modifikation des Bindemittels reduziert oder sogar verhindert werden?
• Welche strömungsmechanischen Vorgänge spielen sich in der offenporigen Deckschicht im Zusammenhang mit Wasser ab, worin besteht der Unterschied zwischen der Reinigungswirkung des rollenden Reifens und der herkömmlicher Reinigungsverfahren und welche Hinweise für verbesserte Reinigungsverfahren lassen sich daraus ableiten?
• Lässt sich die akustische Wirkung von OPA durch Einbau zusätzlicher reaktiver Schallabsorber weiter steigern und damit eine Verlängerung der akustischen Lebensdauer herbeiführen?

Die Ziele sollen durch Einsatz von analytischen Methoden, Computermodellen und praktischen Experimenten erreicht werden. Einen Überblick über die eingesetzten Methoden und Werkzeuge gibt das Bild 2. Im Einzelnen umfasst das Projekt folgende Teilpakete:

Teilpaket 1: „Polymer-Nanotechnologie zur Modifizierung von Poreninnenwandungen“ (Uni Stuttgart, Lehrstuhl für Straßenplanung und Straßenbau und Forschungsinstitut für Pigmente und Lacke e.V., Stuttgart)

In diesem wichtigen Forschungsansatz soll versucht werden, die Schmutzanlagerung in der Deckschicht möglichst von Anfang an zu vermeiden. Im Projekt wird Polymer-Nanotechnologie zur Modifizierung der Hohlraumwandungen eingesetzt, um stark hydrophobe, also Wasser abstoßende, oder alternativ stark hydrophile, also optimal benetzende Oberflächen zu erzeugen. Beide Varianten sollen ein Anhaften der Schmutzpartikel verhindern. Zur Umsetzung wird die nachträgliche Beschichtung der Deckschicht, z. B. durch Fluten, oder die Beimengung von oberflächenaktiven Polymeren zum Mischgut untersucht. Die Wirksamkeit der erfolgten Modifizierung wird durch gezielte zyklische Bewitterung und Verschmutzung von Probekörpern in einem Versuchsstand nachgewiesen.

Bild 2: Methoden, Ziele und eingesetzte Werkzeuge im Teilprojekt Offenporiger Asphalt

Teilpaket 2: „Untersuchung der Strömungsverhältnisse in offenporigen Fahrbahndecken“ (TU München, Fachgebiet Hydromechanik)

In diesem Teil wird durch messtechnische Analyse der Strömungsvorgänge und des angelagerten Schmutzes in der offenporigen Schicht geklärt, wie die Anlagerung der Schmutzpartikel abläuft. Mit Hilfe eines strömungsmechanischen Rechenmodells wird anhand von hochaufgelöst digitalisierten dreidimensionalen Probekörpern geklärt, welche Struktureigenschaften (Hohlraumgröße, Hohlraumbeschaffenheit, Vernetzung der Hohlräume, usw.) der offenporigen Schicht in welchem Maße zum Partikeltransport beitragen und wie eine erzwungene Wasserströmung eines Reinigungsverfahrens herbeigeführt werden muss, um die Hohlraumstruktur möglichst effektiv zu durchdringen. Unterschiede zur Wirkung des rollenden Reifens werden dargestellt.

Teilpaket 3: „Umweltanalytik und Verbesserung des Schallabsorptionsvermögens von offenporigen Fahrbahnbelägen“ (Müller-BBM, Planegg und OrgaLab, Zirndorf)

Die Ergänzung der gegebenen geometrischen Hohlraumstruktur von offenporigen Asphalten mit akustischen Resonatorelementen, die das Schallabsorptionsvermögen verbessern, ist ein Teil dieses Arbeitspakets. Die akustische Effektivität und die Nutzungsdauer können damit erhöht werden. Umweltverträgliche Rezepturen für Reinigungsmittel und dazugehörige Reinigungsmethoden werden zusätzlich in diesem Paket untersucht.

Unterstützung erfährt das gesamte Teilprojekt durch den Einsatz von Computertomographie, die eine dreidimensionale optische und digitale Wiedergabe der Verteilung und Zugänglichkeit der Hohlräume im Innern einer offenporigen Deckschicht ermöglicht. Die Ergebnisse dieses bildgebenden Verfahrens können unmittelbar in dem Rechenmodell für die Strömungsmechanik Verwendung finden. Die Herstellung computertomographischer Aufnahmen, die Aufbereitung und die Auswertung der Bilddaten hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung übernommen.

3 Schmutzabweisende Modifizierung der Hohlraumwände

Die bei der Mischgutherstellung für OPA eingesetzten bituminösen Bindemittel neigen dazu, Schmutzpartikel an die Hohlraumwände anzulagern und im Laufe der Zeit regelrecht in die Bitumenmatrix einzubauen, woraus sie nicht mehr entfernt werden können. Ein dauerhaft akustisch wirksames OPA-Konzept erfordert, dass der in die Deckschicht eindringende Schmutz dort zwar gefangen, dort aber nicht oder in nur geringem Maße eingelagert und bei Regenereignissen zum Straßenrand oder in ein Entwässerungssystem abgeleitet wird. Um ein derartiges System zu realisieren, sind Untersuchungen zur schmutzabweisenden Modifizierung des Bindemittels vorgenommen worden. Erste Laborergebnisse zeigen, dass es durch geeignete Bindemittelzusätze gelingen kann, die Oberfläche der mit Bindemittel überzogenen Hohlraumwände soweit zu passivieren, dass nur noch ein Bruchteil der bisherigen Partikelmengen am Bindemittel haften bleibt, ohne die bautechnische Haltbarkeit der offenporigen Struktur zu gefährden.

Zwei Ansätze werden hierbei verfolgt: Die Beschichtung der fertigen OPA-Deckschicht nach dem Einbau durch Fluten und Abfließen einer Flüssigkeit, die nach dem Abtrocknen eine schmutzabweisende Schutzschicht hinterlässt und die Beimengung eines geeigneten oberflächenaktiven Polymers während der Mischgutherstellung. Wie aus dem Bild 3 links hervorgeht, besteht das Ziel der Beschichtung darin, die Mikrorauigkeit der Oberfläche der Poreninnenräume zu vermindern, um dafür zu sorgen, dass Schmutzpartikel nicht an den Hohlraumwänden hängen bleiben. Das unterste Bild im Bild 3 zeigt die geflutete OPA-Deckschicht eines Probekörpers.

Bild 3: Schmutzabweisende Modifikation der Hohlraumwände bei Beschichtung der fertigen OPA-Deckschicht durch Flutung (links) oder durch Beimischung und Stratifizierung spezieller Polymere (rechts) während Mischgutherstellung und Einbau (Bilder: Lehrstuhl für Straßenplanung und -bau, Universität Stuttgart und FPL, Stuttgart)

Die Bindemittelmodifikation verfolgt dagegen das Ziel, das schmutzaffine Verhalten des ausgehärteten Bindemittels an sich zu ändern. Während des Mischens der Mineralstoffe mit dem Bitumen werden oberflächenaktive Polymere beigegeben. Die daraufhin einsetzenden Vorgänge sind im Bild 3 rechts von oben nach unten dargestellt. Im heißen Zustand des Bitumens bzw. des Mischgutes befindet sich dieses Polymer im thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Während des Abkühlens des Mischgutes bei und nach dem Einbau findet eine thermodynamisch getriebene Entmischung von Polymer und Bitumen statt (Stratifizierung), die so verläuft, dass das Polymer an die luftzugewandte Seite des die Mineralstoffe umhüllenden Bitumenfilms wandert. Nach dem Abkühlen des Mischgutes bildet das stratifizierte Polymer einen Film auf der Bitumenoberfläche, der – je nach eingesetztem Polymer – zu einem superhydrophoben (wasserabweisenden) oder superhydrophilen (wasseranziehenden) Verhalten des Bindemittels führen kann.

Bild 4: Unterschiede des Schmutzabtrags bei hydrophilen (oben) und hydrophoben Oberflächen (unten). Das Bild links unten zeigt hydrophobe Oberflächen von Pflanzenblättern, die zum sogenannten Lotuseffekt führen (Bilder: Lehrstuhl für Straßenplanung und -bau, Universität Stuttgart und FPL, Stuttgart)

Das Bild 4 verdeutlicht die Mechanismen des Schmutzabtrags bei einer hydrophilen (oben) und einer hydrophoben Oberfläche (unten). Die hydrophile Oberfläche sorgt dafür, dass in die Deckschicht eindringendes Wasser flächig unter die auf dem Polymerfilm angelagertenSchmutzpartikel kriecht, diese mitnimmt und ausschwemmt. Auf der hydrophoben Oberfläche dagegen bilden sich – mit dem sog. Lotuseffekt bei Pflanzen vergleichbar – Wassertropfen, die die Schmutzpartikel aufnehmen und weitertransportieren.Im Bild 5 ist der Versuchsaufbau dargestellt, mit Hilfe dessen große OPA-Probekörper, die auf herkömmliche Weise unbeschichtet hergestellt oder mit Beschichtung versehen sind sowie unverändertes oder oberflächenaktiviertes Bindemittel aufweisen, auf einer Fläche von 1 x 2,5 m² verschiedenen Witterungseinflüssen und Verschmutzungsereignissen ausgesetzt werden können. Ziel des Versuchsaufbaus ist die Simulation von wiederkehrenden Regen- und Besonnungsereignissen sowie Schmutzeinträgen, denen OPA-Deckschichten in realen Situationen ausgesetzt sein können, um die Wirkung der schmutzabweisenden Modifikation ermitteln und bewerten zu können. Im Bild 6 rechts ist der Ablauf eines Bewitterungs- und Verschmutzungszyklus aufgetragen, der neun- bis zehnmal durchlaufen wird. Für die Verschmutzung wird ein Konglomerat aus Einzelkomponenten verwendet, das chemisch und hinsichtlich der Korngrößenverteilung dem Schmutzeintrag entspricht, den man aus realen OPA-Fahrbahndeckschichten extrahieren kann. Die Zusammensetzung ist im Bild 6 links aufgetragen. In einzelnen Phasen der Versuche wird auch auf Tausalz zurückgegriffen.

Ziele der Bewitterungsversuche sind:

• Feststellung der Veränderung der Schmutzaustrags mit und ohne Modifizierung hinsichtlich Menge und Größenverteilung der Partikel,
• Feststellung der Veränderung der akustischen Eigenschaften mit und ohne Modifizierung bei gleicher Verschmutzungsmenge anhand von Messungen des Strömungswiderstands und des Schallabsorptionsgrads,
• Feststellung der Veränderung entwässerungstechnischer Parameter mit und ohne Modifizierung bei gleicher Verschmutzungsmenge anhand von Messungen der Spitzenabflussraten, des Drainagevermögens, des Rückhaltevermögens u. a.,
• Feststellung der Veränderung von Strukturkennwerten durch Bohrkernentnahme und anschließender computertomographischer Untersuchung von Hohlraumgehalt, innerer Oberfläche, Schmutzdeposition u. a.

Bild 5: Schematische Darstellung (links) und Bild (rechts) des Versuchsstandes für Langzeitversuche mit zyklischer Bewitterung und Verschmutzung von OPA-Probekörpern

Bild 6: Zusammensetzung des für die Bewitterungsversuche verwendeten Schmutzes (links) und Zyklus der wiederkehrenden Bewitterung (rechts)

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrags waren die beschriebenen Versuche erst angelaufen, so dass über Ergebnisse noch nicht abschließend berichtet werden kann. Die Beschichtungsversuche wurden mit „Lotusan“-Dispersionsfarbe für hydrophobe Fassadenanstriche in einer Verdünnung von 1 Teil Farbe auf 9 Teile Wasser durchgeführt. Die Dispersion wurde zweimal in einem zeitlichen Abstand von 20 Minuten mit einer Menge von 1,6 l/m² auf die OPA-Probekörper aufgegossen. Zu den ersten Ergebnissen der Beschichtungsversuche kann soviel gesagt werden:

• Die Beschichtung hat keine negativen Auswirkungen auf die akustischen Eigenschaften des OPA,
• Der Schmutzaustrag bei Beregnung ist nur geringfügig höher als im unbeschichteten Fall auf insgesamt niedrigem Niveau (1,0 – 1,5 % des eingetragenen Schmutzes),
• Es findet ein vermehrter Austrag von sehr feinen und groben Partikeln statt,
• Bei geringem Wasseranfall sind Drainagevermögen und Abflussgeschwindigkeit im Fall mit Beschichtung vermindert, was mit der geringeren Benetzungsfähigkeit der Porenwände zusammenhängt,
• Insgesamt ist bei natürlicher Beregnung keine Verbesserung der Schmutzentfernung durch Beschichtung Gegebenenfalls erleichtert die Beschichtung die maschinelle Reinigung.

An dieser Stelle können auch die Ergebnisse von Vorversuchen an kleinen Probekörpern wiedergegeben werden, die die Polymermodifikation betreffen. Im Bild 7 ist auf der linken Seite dargestellt, nach welchem Schema kleine Metallplatten mit herkömmlichem Bitumen PmB 45A und mit durch oberflächenaktive Polymere modifiziertem Bitumen beschichtet, verschmutzt und mit Wasser beaufschlagt wurden. Einmischen des Zusatzpolymers, Aufbringen des Bitumens auf die Platte und Abkühlvorgang erfolgten bei einbautypischen Temperaturen bzw. baustellenüblichem Temperaturverlauf. Als Schmutz wurde das im Bild 6 beschriebene straßenähnliche Konglomerat verwendet. Nach dem Trocknen des mit Wasser abgetragenen Schmutzanteils wurde dieser gewogen. Messungen des Kontaktwinkels von Wassertropfen auf der waagrechten Oberfläche gaben Aufschluss über die Veränderungen der Affinität der Oberfläche gegenüber Wasser. Kontaktwinkel größer 90° charakterisieren hydrophobe Oberflächen, wogegen hydrophile Oberflächen Kontaktwinkel von weniger als 90° aufweisen. Die Definition des Kontaktwinkels q ist im Bild 7 rechts unten verdeutlicht. Außerdem enthält das Bild 7 rechts oben Hinweise auf die für die Modifikation verwendeten oberflächenaktiven Polymere.

Bild 7: Vorversuch zur Bestimmung der Wirksamkeit von Bitumenmodifikationen in Bezug auf die Schmutzabweisung

Die Vorversuche wurden begleitet durch bautechnische Laborprüfungen der Bitumeneigenschaften, der Asphalt-Festigkeitsparameter und der Affinität Gestein-Bitumen an Bitumenproben und Asphaltprobekörpern, die mit dem jeweiligen Bitumen hergestellt wurden. Die Ergebnisse dieser Vorversuche lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Es findet eine hervorragende Schmutzabtragung bei Hydrophobierung der Oberfläche mit dem kommerziellen Produkt TEGOPREN 6846 statt. Dies gilt auch bei sehr geringen Im Bild 8 ist dargestellt, dass dieses Produkt im Vergleich zu den anderen Modifikationen zum größten Kontaktwinkel und zu dem geringsten auf der Oberfläche verbleibenden Schmutzanteil führt. Dies gilt sowohl bei einem Anteil von 6 M.-% als auch bei einem Anteil von nur 0,5 M.-% an der Bitumenmenge. Die auf der Oberfläche verbleibende Schmutzmenge konnte auf weniger als ein Zehntel Massenanteil reduziert werden,
• TEGOPREN hat keine negativen Auswirkungen auf die Bitumeneigenschaften, die anhand des Erweichungspunktes Ring und Kugel, der Duktilität, der Nadelpenetration und mit dem dynamischen Scherrheometer nachgewiesen wurden,
• TEGOPREN hat keine negativen Auswirkungen auf die Asphalt-Festigkeitsparameter, die u.a. im Spaltzugversuch und im Spurbildungsversuch nachgewiesen wurden,
• TEGOPREN hat keine negativen Auswirkungen auf die Affinität Bitumen-Gestein, die anhand des Rolling Bottle Tests und des Spaltzugversuchs nachgewiesen Dies galt für ein weiteres Polymer, das zu einer superhydrophilen Oberfläche und einem ebenfalls hohen Schmutzabtrag geführt hat, nicht. Im Bild 8 ist dargestellt, dass das Blockcopolymer P(E₁₆EO₄₀) mit einem Kontaktwinkel von nur knapp 60° ebenfalls zu einem verbleibenden Schmutzanteil von nur 1,5 M.-% geführt hat. Der Rolling Bottle Test war jedoch vollständig fehlgeschlagen,
• Eine Beimischung des Polymers in granularer Form direkt in den Mischprozess ist möglich und damit praxistauglich.

Das Polymer TEGOPREN wird aufgrund dieser Ergebnisse als einziges an den Versuchen mit zyklischer Bewitterung und Verschmutzung großer Probekörper teilnehmen.

Bild 8: Ergebnis der Vorversuche. Masse des auf dem Bitumenfilm verbleibenden Schmutzes (linke Y-Achse) und des Kontaktwinkels q (rechte Y-Achse) in Abhängigkeit vom eingesetzten Polymer (Lehrstuhl für Straßenplanung und -bau, Universität Stuttgart und FPL, Stuttgart)

4 Untersuchung der Strömungsverhältnisse in offenporigen Fahrbahndecken

Die computertomographischen Aufnahmen von OPA-Probekörpern der BAM konnten in so hoher Auflösung und Qualität geliefert werden, dass anhand der dreidimensionalen Bilddaten der Hohlraum- und Festkörperstruktur Rechnersimulationen zur Strömungsdynamik durchgeführt werden konnten. Die Berechnungen der Simulation erfolgten auf einem Hochleistungsrechner des Leibniz Rechenzentrums der TU München. Das Bild 9 zeigt die digitale Repräsentation eines quaderförmigen Ausschnitts aus einem realen Bohrkern mit 100 mm Durchmesser einer OPA 0/8 Deckschicht im unverschmutzten Zustand. Dieser virtuelle Probekörper mit einem Volumen von 30 x 30 x 30 mm³ wurde in das strömungsdynamische Rechenmodell eingespeist. Der Hohlraumgehalt des Quaders beträgt 22 Vol.-%.

Bild 9: Digital erzeugter quaderförmiger Ausschnitt eines Bohrkerns einer OPA 0/8 Deckschicht, der mit Hilfe eines Computertomographen gescannt wurde (BAM)

Das Bild 10 zeigt auf der rechten Seite als Ergebnis der strömungsdynamischen Berechnungen Stromfäden des Wasserflusses in den Hohlräumen des Probekörpers bei Beaufschlagung mit einem Druck von 1 mm Wassersäule (9,8 Pa). Die Farben geben die Strömungsgeschwindigkeit in einem Bereich zwischen 0 mm/s (dunkelblau) und 20 mm/s (dunkelrot) wieder.

Die Ergebnisse der Simulation lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Die Strömungsgeschwindigkeiten v verteilen sich folgendermaßen über den Porenraum:
  v < 0,05 mm/s                               40,6 Vol.-%
  0,05 mm/s < v < 1,0 mm/s            21,0 Vol.-%
  v > 1,0 mm/s                                 38,4 Vol.-%.

• Das bedeutet, dass der weitaus größte Anteil der Hohlräume (62 %) Strömungsgeschwindigkeiten von weniger als 1,0 mm/s aufweist, das heißt das Wasser sickert durch diese Hohlräume mehr als dass es fließt.
  
  Die inhomogene Porenstruktur führt zu einer sehr inhomogenen Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten.

• Der hohe Anteil sehr geringer Strömungsgeschwindigkeiten verhindert den Partikeltransport.
  
  
• Eine Homogenisierung der Hohlraumabmessungen im Porenraum würde hierfür Abhilfe schaffen.

In weiteren Simulationen und praktischen Versuchen konnte gezeigt werden, dass die Wirkung des schnell rollenden Reifens eine deutlich größere Tiefenwirkung als herkömmliche Reinigungsverfahren haben. Außerdem können herkömmliche Reinigungsverfahren aufgrund der fehlenden Tiefenwirkung Schmutzpartikel nicht in Bewegung setzen, die Wirkung bleibt also oberflächlich. Ein verbessertes Reinigungsverfahren ist dahingehend zu konzipieren, dass der bei herkömmlichen Druckspülsaugverfahren auftretende „Kurzschluss“ am Düsenrand durch Abdeckung der Oberfläche verhindert wird. Das Problem geringer Vorschubgeschwindigkeit eines derartigen Reinigungsverfahrens muss jedoch als Nachteil gesehen werden, da es nur verhältnismäßig langsam über die Oberfläche bewegt werden kann, um entsprechende Reinigungswirkung zu entfalten. Im Bild 11 ist dargestellt, wie gleichmäßig der Wasserdruck über die gesamte Dicke von 5 cm einer OPA-Deckschicht verteilt werden kann, wenn der Wasseraustritt an der Oberfläche der Deckschicht, also der „Kurzschluss“ durch Anbringen einer Abdeckung (Platte) an der Wasserstrahldüse mit einer Länge von etwa 20 cm verhindert wird.

Bild 10: Strömungsgeschwindigkeiten von Wasser in den Hohlräumen einer Deckschicht aus OPA 0/8. Größe des betrachteten Volumens 30 x 30 x 30 mm³, Wasserdruck an der Oberfläche ca. 10 Pa. Farbskala der Strömungsgeschwindigkeit in mm/s (Fachgebiet Hydromechanik, TUM)

Bild 11: Verteilung des Wasserdrucks in einer 5 cm dicken OPA-Deckschicht bei Beaufschlagung des Fahrbahnbelages mit einem Wasserdruck von 50 kPa und Verhinderung des Wasseraustritts an der Oberfläche durch eine 20 cm lange Platte an der Düse (Fachgebiet Hydromechanik, TUM)

5 Verbesserung des Schallabsorptionsvermögens offenporiger Fahrbahnbeläge

Das Lärmminderungspotenzial offenporiger Asphalte liegt eindeutig in dem gegenüber dichten Fahrbahnbelägen ausgeprägten Schallabsorptionsvermögen. Die Schallabsorption direkt an der Schallquelle führt dazu, dass nicht nur die Reifen-Fahrbahn-Geräusche sehr stark, sondern teilweise auch die Antriebsgeräusche der Fahrzeuge, bereits bevor sie sich vom Fahrzeug ausgehend in die Umgebung hinein ausbreiten können, gemindert werden.

Die Schallabsorption kommt durch einen ausgeprägten Anteil an Hohlräumen im Fahrbahnbelag zustande. Hier liegt der Schlüssel der Leistungsfähigkeit dieser hochwirksamen geräuschmindernden Fahrbahnbeläge. Im Bild 12 ist die mittlere Schallemission für Pkw und schwere Lkw nach [1] in Form des Schallleistungspegels in dB(A) getrennt nach Reifen-Fahrbahn-Geräuschen und Antriebsgeräuschen in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Die dem Schallleistungspegel zugeordnete Farbskala umfasst einen Bereich von 80 dB(A). Die Werte gelten für eine Geschwindigkeit von 80 km/h. Zusätzlich ist die Dämpfung, die durch die Schallabsorption des Fahrbahnbelages auf dem Schallausbreitungsweg zwischen Schallquelle und einem Aufpunkt in 7,5 m Abstand und 1,2 m Höhe über Fahrbahnoberkante bewirkt wird, aufgetragen. Die Dämpfung ist im Bild 12 getrennt für Antriebsgeräusche und Reifen-Fahrbahn-Geräusche dargestellt und ebenfalls einer Farbskala, die einen Bereich von 10 dB(A) umfasst, zugeordnet.

Bild 12: Oberes Bild: Schallleistungspegel der Reifen-Fahrbahn-Geräusche und Antriebsgeräusche für v = 80 km/h von Pkw und schweren Lkw in Abhängigkeit von der Frequenz
Mittlere und untere Bilder: Frequenzabhängige Dämpfung der Antriebsgeräusche (Mitte) und Reifen-Fahrbahn-Geräusche (unten) für einen 4 cm und einen 7 cm dicken offenporigen Asphalt

Wie aus dem Bild 12 zu entnehmen ist, ist der Frequenzbereich höchster Schallintensität bei Pkw auf Frequenzen zwischen 1 000 Hz und 3 000 Hz konzentriert. Die Reifen-Fahrbahn-Geräusche überwiegen dabei bei weitem. Bei schweren Lkw sind die Fahrzeuggeräusche dagegen über einen deutlich breiteren Frequenzbereich verteilt. Außerdem herrscht praktisch Gleichgewicht zwischen Roll- und Antriebsgeräuschen. Beim Blick auf die Dämpfung, also die Pegelminderung auf dem Weg von der Schallquelle zum Empfänger, fällt auf, dass durch das Schallabsorptionsvermögen des Fahrbahnbelages nicht nur die Reifen-Fahrbahn-Geräusche, sondern, wie oben bereits erwähnt, auch die Antriebsgeräusche gemindert werden. Dies gilt sowohl für Pkw als auch für Lkw. Die Dämpfung hängt jedoch von der Frequenz ab.

Die größere Schichtdicke von 7 cm, die mit zweischichtigen offenporigen Asphalten ohne weiteres realisiert werden kann, führt zu einer breitbandigeren, also gleichmäßigen Dämpfung der Geräusche in einem größeren Frequenzbereich. Die Wirkung ist dabei nicht nur breitbandiger, sondern beginnt bereits bei tieferen Frequenzen. Dämpfungswerte von über 8 dB werden bei einem 4 cm dicken OPA bei etwa 1 000 Hz erreicht. Bei einem 7 cm dicken ZWOPA treten diese hohen Dämpfungswerte dagegen bereits bei Frequenzen um 600 Hz auf. Damit wirken zweischichtige offenporige Asphalte auf die Fahrgeräusche von Lkw so geräuschmindernd wie kein anderer Fahrbahnbelag

Dem Stand der Technik entsprechende offenporige Asphalte wirken jedoch immer frequenzselektiv und sind somit nicht vollständig an das zu dämpfende breitbandige Reifen-Fahrbahn-Geräusch angepasst (siehe Bild 1). Aufgrund des Aufbaus aus bituminös gebundenen Mineralstoffen mit ausgeprägter Ausfallkörnung ist es im Vergleich zu bauakustischen, faserigen Absorbern nicht möglich, alle relevanten Absorberkennwerte hinsichtlich einer hohen und breitbandigen Absorption beliebig zu optimieren. Der frequenzselektive Absorptionsfrequenzgang kann durch weitere bautechnische Optimierung nicht behoben werden. Er ist damit systemimmanent.

Ein Ansatz zur Steigerung der absorbierenden Wirkung ist die Kombination von offenporigem Asphalt mit Helmholtzresonatoren, sogenannten reaktiven Absorbern, um so die Frequenzbereiche geringer Absorption zu verbessern. Helmholtzresonatoren sind Hohlkörper (Bild 13), deren Resonanzfrequenz über das eingeschlossene Luftvolumen V, die Längelund den Durchmesser d des sogenannten Resonatorhalses bestimmt ist. Die Abmessungen der hier benötigten Resonatoren liegen in der Größenordnung von 1 cm.

Die besonderen Einbaubedingungen in Verbindung mit offenporigem Asphalt, die Notwendigkeit der Anpassung an die räumlich stark begrenzte Schallquelle (Reifen-Fahrbahn-Kontakt) und die Zielfrequenz im Bereich der minimalen Absorption des offenporigen Asphalts liefert dabei enge Vorgaben an die Dimensionierung der Resonanzabsorber. In dem hier interessierenden Bereich der Resonanzfrequenzen von ca. 800 Hz bis 1 600 Hz ergeben sich verhältnismäßig kleine äquivalente Schallabsorptionsflächen, wodurch eine verhältnismäßig hohe Anzahl von Resonatoren pro m² zu planen ist. Dabei muss beachtet werden, dass sich die äquivalenten Schallabsorptionsflächen der einzelnen Resonatoren nicht überdecken, um eine gegenseitige Beeinflussung zu verhindern.

Erste Versuche durch Einbau von Resonatorelementen, die 6 Einzelresonatoren auf einer Fläche von 15 x 18 cm² in sich vereinen, verliefen positiv. Im Bild 14 ist dargestellt, dass zwei Alternativen der Kombination von OPA und Resonatoren zur Verfügung stehen. Im linken dargestellten Fall kommt das System mit einer verhältnismäßig geringen Gesamtschichtdicke zwischen 5 und 6 cm aus. Die Resonatoren müssen tieffrequent und mittelfrequent abgestimmt werden (rote Kurven), erfordern jedoch größere Abmessungen als im dargestellten rechten Fall, bei dem kleinere Resonatoren im mittleren Frequenzbereich ausreichen. Die Gesamtschichtdicke ist mit etwa 8 cm jedoch so groß, dass ein zweischichtiger Aufbau der OPA-Deckschicht notwendig wird. Das Prinzip ist in beiden Fällen jedoch das selbe. Die Resonanzfrequenzen der reaktiven Absorber ergänzen den Frequenzgang des Schallabsorptionsgrades des OPA so, dass resultierend ein breiter Frequenzbereich zwischen etwa 500 Hz und 2 kHz mit einem gleichmäßigen Frequenzverlauf des Absorptionsgrads, der keine tiefen Minima mehr aufweist, abgedeckt wird.

Bild 13: Geometrie eines Helmholtzresonators

Bild 14: Alternativen des Schichtaufbaus mit tief- und mittelfrequent abgestimmten Helmholtzresonatoren und dazugehörige Frequenzgänge des Schallabsorptionsgrades der OPA-Deckschicht (schwarz) und der Resonatoren (rot) sowie des resultierenden Absorptionsfrequenzgangs

Die im Bild 14 auf der rechten Seite dargestellte Kombination von OPA und Resonatoren wird im Projekt weiter verfolgt und auf dem Versuchsgelände Sperenberg in der Praxis realisiert werden.

6 Erprobung

Ab Frühjahr 2009 werden auf Autobahnabschnitten in Nordrhein-Westfalen und Brandenburg Erprobungsstrecken geplant und gebaut werden, auf denen einige der Ergebnisse des Verbundprojekts Leiser Straßenverkehr 2 in die Praxis umgesetzt und den Einflüssen und Belastungen des realen Straßenverkehrs ausgesetzt werden sollen. Ein Großteil der Testfelder wird auf einem Abschnitt der BAB A 24 bei Neuruppin realisiert werden (Bild 15). Die BASt wird über die Entstehung dieser Testfelder, die Ergebnisse bautechnischer und akustischer Messungen und Erfahrungen aus dem Straßenbetrieb in den nächsten Monaten und Jahren berichten.

Bild 15: Teilprojekt Erprobung im Leisen Straßenverkehr 2

Die Ergebnisse des Verbundprojekts werden auf einer Schlussveranstaltung und in einem gemeinsamen Schlussbericht im Jahr 2009 veröffentlicht werden.

Danksagung

Der Dank gilt an dieser Stelle allen, die zu diesem Bericht über das Teilvorhaben Integrale Verbesserung offenporiger Asphalte im Verbundprojekt Leiser Straßenverkehr 2 beigetragen haben: Prof. Wolfram Ressel und Herrn Stefan Alber vom Lehrstuhl für Staßenplanung und Straßenbau der Universität Stuttgart, Prof. Claus Eisenbach und Dr. Klaus Dirnberger vom Forschungsinstitut für Pigmente und Lacke in Stuttgart, Prof. Michael Manhart und Herrn Matthias Haselbauer vom Fachgebiet Hydromechanik der Technischen Universität München und Herrn Christoph Recknagel von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung.

Das Verbundprojekt Leiser Straßenverkehr 2 wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie.

Literaturverzeichnis

1 Blokland, G.J.; Peeters, B. (2007): The Noise Emission Model for European Road Traffic, Deliverable 11 des Projekts IMAGINE im 6. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union – Improved Methods for the Assessment of the Generic Impact of Noise in the Environment, Januar 2007, www.imagine-project.org