Die Straßeninfrastruktur sieht sich immer größer werdenden Herausforderungen gegenübergestellt. Das Netz der Bundesfernstraßen wird immer älter bei gleichzeitig weiterhin stark ansteigendem Güterverkehrsaufkommen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, gilt es, eine dauerhafte Straßeninfrastruktur zur Verfügung zu stellen. Eine entscheidende Rolle wird dabei der bautechnischen und wirtschaftlichen Bewertung von Straßenbefestigungen zu teil, dabei ist der „Blick“ in die Straßenkonstruktion selbst von maßgebender Bedeutung. „Was passiert in der Straße?“, „Wie kann dies beschrieben werden?“ sind dabei die Fragen, die es zu beantworten gilt – Über die Weiterentwicklung der bestehenden Messsensorik – eingebunden im Straßenaufbau sowie den Einsatz verschiedener möglichst zerstörungsfreier Messsysteme, z. B. Georadarverfahren soll die strukturelle Substanz des Straßenaufbaus erfasst werden. Nach derzeitigem Bearbeitungsstand der „Richtlinien zur Bewertung der strukturellen Substanz des Oberbaus von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise“ (RSO Asphalt) wird das Georadarverfahren zur quasi-kontinuierlichen Erfassung des Straßenaufbaus eingesetzt. Aufbauend auf den Messungen werden homogene Abschnitte für die weitere Substanzbewertung gebildet. Dies passiert in gleicher Weise für die unterschiedlichen Merkmale, die für die Substanzbewertung erforderlich sind. Die Frage stellt sich, inwieweit es möglich ist, mit dem Georadarverfahren mehr Merkmale als allein die Schichtdicken des vorhandenen Aufbaus zur Beschreibung des aktuellen Zustands zu erfassen und zu bewerten. Aktuelle Forschungsprojekte gehen dieser Frage nach und schätzen das Potenzial des Messverfahrens diesbezüglich ab. Darüber hinaus gilt es, neue Messverfahren, neue Ansätze zur Bewertung der strukturellen Substanz unter möglichst realistischen Umgebungsbedingungen zu erproben und zu validieren. Hierfür bieten sich großmaßstäbliche Untersuchungen unter zeitraffender Belastung an. Diese Möglichkeit bietet die BASt in ihrer Modellstraße mit der neuen Belastungseinrichtung, dem Mobile Load Simulator MLS 10. Die Instrumentierung der Modellstraße mit Messelementen liefert mechanische Kenngrößen, die als Grundlage zur Verifizierung von Bewertungsverfahren dienen. Diese Forschungsinfrastruktur bildet die Basis für einen neuen Call im nationalen Innovationsprogramm mit dem Ziel der Weiterentwicklung von Verfahren zur Bewertung der strukturellen Substanz von Asphaltbefestigungen.

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

1 Einleitung

Im bisherigen System der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) liegt der Fokus auf Oberflächenmerkmalen. Zwar wird im Rahmen des Pavement-Management-Systems (PMS) ein Substanzwert Bestand mit berücksichtigt, dieser wird aber nicht aus tatsächlichen Messgrößen an der Straßenbefestigung selbst ermittelt, sondern ist eine Art Abschreibungsgröße in die das Alter sowie die Dicke der Schichten einfließt.

Im Rahmen der Bewertung der strukturellen Substanz liegt der Fokus im Blick in die Straßenkonstruktion selbst, also unter die Oberfläche. Ziel ist die Beschreibung und Bewertung des strukturellen Zustandes der unterschiedlichen Schichten des Oberbaus von Verkehrsflächen.

Die Herausforderung liegt dabei, zu erkennen, was passiert in der Straßenbefestigung und wie kann ich dies über Kenngrößen beschreiben und bewerten.

Für die Erfassung des strukturellen Zustandes von Straßenbefestigungen bilden zerstörungsfreie Messverfahren ein wichtiges Instrument für die Ableitung von Kenngrößen und deren Bewertung. Darüber hinaus gewinnen Großversuche im Maßstab 1:1 für Untersuchungen des Gebrauchsverhaltens am Gesamtsystem an Bedeutung.

Über die Beschreibung und Bewertung des bestehenden Straßennetzes hinaus, gilt es Untersuchungsverfahren und Methoden zu entwickeln, die kurz- bis mittelfristig zu einer Implementierung von Innovationen in die Straßenbaupraxis führen, um den Herausforderungen von heute und morgen Rechnung zu tragen.

Die Motivation und der Ansporn für Weiterentwicklungen und Innovationen innerhalb der Straßenbautechnik lassen sich im Wesentlichen auf folgende Ursachen zurückführen:

– Die notwendige und damit unvermeidbare Reaktion auf steigende Beanspruchungen des Straßenkörpers durch die Zunahme der Verkehrslasten,

– neue Vertragsformen, die dazu führen, dass Auftragnehmer in Zukunft Bauweisen mit möglichst geringem Erhaltungsaufwand anbieten und ausführen wollen

sowie

– der stetige Wunsch und das Bestreben nach Verbesserungen auch bei konstanten Rahmenbedingungen. 

2 Einsatz des Georadarverfahrens

2.1 Beschreibung des Verfahrens

Das Georadarverfahren (auch Ground Penetrating Radar (GPR)) ist ein elektromagnetisches Impulsreflexionsverfahren, welches auf der Ausstrahlung und dem Empfang elektromagnetischer Wellen beruht. Mit Hilfe dieses Verfahrens aus der angewandten Geophysik ist die zerstörungsfreie Erkundung des Straßenoberbaus und den Untergrund/Unterbau möglich. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der quasi-kontinuierlichen Aufnahme des Straßenaufbaus sowie in der sehr hohen vertikalen und horizontalen Auflösung der Messungen. 

Bild 1: Prinzipskizze des Georadarverfahrens

Das Messsystem besteht im Einzelnen aus einer zentralen Sender- und Empfangseinheit. Von der Sendeantenne werden über Impulsgeneratoren elektromagnetische Impulse mit hoher Wiederholungsrate in das Untersuchungsmedium (hier Straßenbefestigung) abgestrahlt. Die Wellenausbreitung und -reflexion hängt von den elektromagnetischen Materialeigenschaften, insbesondere der Dielektrizitätszahl εr, und der Leitfähigkeit σ ab. Schichten mit unterschiedlichen elektromagnetischen Eigenschaften und kleinräumige Strukturen wie Hohlstellen oder Objekte reflektieren oder brechen die von der Sendeantenne ausgestrahlten Wellen. Die reflektierten und gebrochenen Wellen gelangen schließlich an die Empfangsantenne. Dort werden die Laufzeiten und die Amplituden der elektrischen Feldstärke E der empfangenen Impulse aufgezeichnet. Mit Hilfe eines Computers werden diese Informationen gespeichert und können mit einer Spezialsoftware weiterbearbeitet und ausgewertet werden (Golkowski, G., 2011).

So können mit hoher Pulsfolge und bewegter Antennen bzw. Antennenarrays schnellfahrend quasi-kontinuierlich profilhafte bzw. flächenhafte Messungen durchgeführt werden. 

2.2 Einsatz des Verfahrens innerhalb der Substanzbewertung

Mit der bevorstehenden Herausgabe der „Richtlinien für die Bewertung der strukturellen Substanz des Oberbaus von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise“ (RSO Asphalt) wird erstmalig ein durchgängiges Verfahren vorgegeben mit dem bezogen auf den inneren Zustand der Konstruktion die Restnutzungsdauer abgeschätzt werden kann.

Das Verfahren unterteilt sich in unterschiedliche Arbeitsschritte. 

Bild 2: Ablaufschema zur Substanzbewertung von Asphaltbefestigungen und Einsatzfelder des Georadarverfahrens 

Beginnend mit der Zusammenstellung und Ermittlung der erforderlichen Eingangsdaten aus Verkehrs-, ZEB- gegebenenfalls Tragfähigkeits- und Aufbaudaten des Streckenabschnittes werden anhand dieser Informationen homogene Abschnitte für die einzelnen Kennwerte bestimmt. Dabei entsteht eine Vielzahl von homogenen Abschnitten, wobei Abschnitte mit vergleichbaren substanzbestimmenden Eigenschaften zusammengelegt werden können. Basierend auf den Befestigungsdaten sowie den ermittelten Materialkenndaten, überlagert mit Verkehrs- und Temperaturprognosen erfolgt die Bewertung der strukturellen Substanz. Die strukturelle Substanz ist definiert als vom Oberbau zum Bewertungszeitpunkt noch zu ertragene Anzahl an Lastwechseln durch den Verkehr (äquivalente 10-t-Achsen) bis zum Erreichen des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit.

Das Georadarverfahren wird im Rahmen dieser Richtlinie angewandt, um kontinuierliche Daten zum Aufbau und zu Schichtdicken des Oberbaus zu ermitteln. Diese Daten bilden dann eine der Eingangsgrößen zur Bestimmung von homogenen Abschnitten, in denen dann die ergänzende Ermittlung von Materialkenndaten für die Substanzbewertung erfolgt.

Das Verfahren zur Bewertung der strukturellen Substanz basiert maßgeblich auf der Ermittlung von Materialkenndaten an Bohrkernen und fußt somit auf zerstörenden Prüfungen des Asphaltoberbaus. Für die künftige Weiterentwicklung des Bewertungsverfahrens gilt es zu prüfen, inwieweit zerstörungsfreie Messverfahren wie z. B. unter anderem das Georadarverfahren vermehrt eingesetzt werden können, um Kenngrößen zu ermitteln, die den strukturellen inneren Zustand der Straße beschreiben. Dies hat zum Ziel, die Anzahl der zerstörenden Prüfungen zu minimieren. 

2.3 Potenziale des Messverfahrens

Der Einsatz des Georadar-Messverfahrens innerhalb von Forschungsprojekten der BASt hat bereits aufgezeigt, dass anhand der Messergebnisse homogene Abschnitte mit unterschiedlichen Asphaltaufbaudicken zielsicher bestimmt werden können (siehe Bild 3). 

Bild 3: Georadar- und FWD-Messergebnisse auf einer Versuchsstrecke und deren (kenngrößenbezogene) Einteilung in homogene Abschnitte 

In gleicher Weise wie die Abschnittsbildung für die aus den Georadarmessungen abgeleitete Schichtdicke des Asphaltoberbaus können auch andere Kenngrößen, wie z. B. FWD-Kennwerte zur Bestimmung homogener Abschnitte herangezogen werden. Über eine kombinierte Auswertung der Messergebnisse lassen sich bereits Hinweise auf potenzielle Schadstellen ableiten (Golkowski, G., 2011).

Da also selbst die Schichtdicke eine aus den Georadar-Messungen abgeleitete Kenngröße ist, stellt sich die Frage, ob nicht auch andere Kenngrößen abgeleitet werden können, die Hinweise auf Veränderungen in der Struktur aufzeigen. Dieser Fragestellung wird derzeit in einem Forschungsprojekt (bearbeitet durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zusammen mit dem Institut für Straßenwesen der TU Braunschweig (ISBS)) nachgegangen (Kind, T. et al., 2013).

Im ersten Arbeitspaket erfolgen systematische Untersuchungen zu den dielektrischen Eigenschaften des Asphaltes. Dazu werden die Einzelbestandteile des Asphaltes in einem Laborprüfgerät hinsichtlich ihrer dielektrischen Eigenschaften (der Permittivität) untersucht.

Grundüberlegung ist, dass sich die Gesamtpermittivität eines Asphaltes aufgrund der Randbedingungen über die Zeit verändert, dies aber nicht zwingend an den Permittivitäten der Einzelbestandteile nachvollziehen lässt. Ziel ist es somit zu analysieren, warum sich die Dielektrizität des Asphaltes verändert hat und inwieweit dies Hinweise auf strukturelle Veränderungen im Asphalt darstellen.

Darauf aufbauend sollen Messungen an Asphaltbefestigungen erfolgen. Dabei wird das Georadarverfahren auf der Strecke selbst eingesetzt und zusätzlich durch Untersuchungen der dielektrischen Eigenschaften (Permittivitätsbestimmungen) an Bohrkernen ergänzt.

Damit gilt es abzuschätzen, inwiefern über das Messverfahren zusätzliche Informationen über den inneren Zustand einer Straßenbefestigung bestimmt werden können, die als Eingangsgröße in die Substanzbewertung einfließen können. 

Bild 4: Untersuchungsprogramm zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von Asphalt (Kind, T. et al., 2013) 

3 Forschungsinfrastruktur

3.1 Bedeutung großmaßstäblicher Versuche

Aufgrund der derzeitigen Rahmenbedingungen wie die steigende Verkehrsbelastung, ein immer älter werdendes Streckennetz und die Einflüsse aus dem Klimawandel besteht zunehmend das Bestreben, innovative Straßenbefestigungen und -baustoffe in der Praxis zu etablieren. Die zusätzlich bestehenden Forderungen nach nachhaltigem Wirtschaften, nach Ressourcenschonung und dem Einsatz von Recycling-Baustoffe sowie nach erhaltungsarmen Bauweisen bedingen somit Untersuchungen hinsichtlich der grundsätzlichen Eigenschaften und Anforderungen von Bauweisen und Baustoffen sowie einer nachhaltigen Tragfähigkeit und einer dauerhaften Gebrauchstauglichkeit des Gesamtsystems, um sie innerhalb vergleichsweiser kurzer Zeit einsetzen zu können.

Dieser Sachverhalt macht deutlich, dass hierfür die bekannten Laborprüfungen an Materialproben allein nicht ausreichend sind. Da die Proben in ihren Abmessungen immer nur einen kleinen Teil des gesamten Schichtensystems darstellen können, sind Aussagen über das Zusammenwirken und die Beanspruchung der unterschiedlichen Schichten und Materialien in einer Straßenkonstruktion unter realen Randbedingungen nur bedingt möglich. Auch unterscheidet sich die Herstellung von Probekörpern im Labor grundlegend von den Einbaubedingungen in situ, z. B. hinsichtlich der Verdichtung, so dass zur Analyse des Gesamtsystems deshalb praxisnahe Prüfungen unter realitätsnaher Belastung in Form von Großversuchen an Straßenkonstruktionen im Maßstab 1:1 erforderlich sind (Golkowski, G. et al., 2006).

Für derartige Untersuchungen hält die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine Forschungsinfrastruktur, die Modellstraße mit Belastungseinheit, vor. Die Modellstraße ist in unterschiedliche Versuchsfelder eingeteilt und mit Sensoren ausgestattet, die Spannungen und Dehnungen im Inneren der Konstruktion dokumentieren. Für eine realitätsnahe Belastung der Modellstraße wird nun mehr die neue Belastungsmaschine der Mobile Load Simulator (MLS 10) eingesetzt. Hiermit kann eine definierte realitätsnahe Belastung über „rollende Räder“ zeitraffend aufgebracht werden (Golkowski, G.; Wolf, A., 2012).

Vertiefte Kenntnisse über den inneren Beanspruchungszustand von Straßenbefestigungen bilden die Grundlage für die Ableitung ihres Gebrauchsverhaltens. Sie führen zu wichtigen Erkenntnissen zum Gebrauchsverhalten von Straßenbefestigungen sowie deren Bewertung und ermöglichen die Entwicklung und Verifizierung entsprechender Messverfahren, Modelle und Bewertungsmethoden für die strukturelle Substanz von Straßenbefestigungen. Damit kann ein wichtiger Beitrag zur Optimierung von Bauweisen und deren Erhaltung geleistet werden. 

3.2 Beschreibung des Mobile Load Simulators (MLS 10)

Der MLS 10 ist eine mobile lineare Belastungseinheit, die in Versuchshallen elektrisch betrieben und gesteuert werden kann sowie über einen Dieselgenerator auch universell auf Versuchsstrecken in situ eingesetzt werden kann. In der Maschine werden vier Radsatzzüge mit jeweils einem Belastungsrad uni direktional an einer geschlossenen Kette geführt und über Linearmotoren angetrieben. Mit dieser Technik erreichen die Belastungsräder eine Höchstgeschwindigkeit von 22 km/h, dies entspricht 6.000 Überrollungen pro Stunde. Die maximale vertikale Belastung der Straßenoberfläche mit angepasster Geschwindigkeit beträgt je Belastungsrad 75 kN. Im Standarduntersuchungsbetrieb wird eine Radlast von 50 kN eingestellt. Damit wird eine Radüberrollung einer äquivalenten 10-t-Achse simuliert.

Für eine simulierte Spurverteilung ist es möglich, den MLS 10, Gesamtgewicht ca. 40 t mittels hydraulischen Lateralschienen im laufenden Betrieb beidseitig um bis zu 500 mm quer zur Belastungsrichtung programmierbar zu versetzen (Golkowski, G.; Wolf, A., 2012). 

Bild 5: Mobile Load Simulator (MLS 10) mit Ansicht eines Radsatzzuges für ein Belastungsrad

Der Einsatz des MLS 10 gewährt eine realitätsnahe Aufbringung der Belastung und dient somit:

– dem Aufbau eines Bewertungshintergrundes des Gebrauchsverhaltens standardisierter Bauweisen,

– der Validierung und Weiterentwicklung von Verfahren zur Bewertung der strukturellen Substanz mit dem Ziel der Abschätzung der Restnutzungsdauer,

– der Entwicklung beanspruchungsgerechter erhaltungsarmer und somit wirtschaftlicher Straßenbefestigungen bei Verwendung hochwertiger oder auch innovativer Materialien und neuer Bauweisen. 

4 Ausblick

Sowohl aufgrund der Altersstruktur und der steigenden Verkehrsbelastung des Bundesfernstraßennetzes sind verlässliche Aussagen über dessen Zustand notwendig. Die Beurteilung des Oberflächenzustandes stellt dabei ein wichtiges und über Jahrzehnte bewährtes Element dar. Der Einsatz von Messverfahren zur direkten aber auch indirekten Ansprache des strukturellen Zustandes des Gesamtsystems Straße blieb in der Vergangenheit meist auf die Objektebene beschränkt. Der Einsatz solcher Verfahren auf der insbesondere für das Bundesfernstraßennetz so wichtigen Netzebene war aufgrund der nicht erreichbaren Messgeschwindigkeiten nicht möglich. In jüngster Zeit ist hierbei ein deutlicher technologischer Fortschritt erkennbar. So sind beispielsweise der Einsatz von hochauflösenden Georadarverfahren und auch Tragfähigkeitsmessungen mit Messgeschwindigkeiten von mindestens 80 km/h als Stand der Technik zu vermarken.

Die Entwicklung von strategischen Ansätzen zur messtechnischen zerstörungsfreien Erfassung des strukturellen Zustandes auf Netzebene aber auch die Weiterentwicklung und Verifizierung der Messtechnik für diesen Zweck stellen einen wichtigen Arbeitsschwerpunkt für die kommenden Jahre dar.

Unabdingbar ist hierbei auch die Entwicklung und Verifizierung von Bewertungshintergründen. Mit der anstehenden Umsetzung des nationalen Innovationsprogramms Straße – Förderschwerpunkt „Innovationen im Straßenbau – Zerstörungsfreie Verfahren zur Bewertung der strukturellen Substanz“, wird hierzu ein weiterer wichtiger Schritt unternommen. Mit Hilfe des MLS 10 werden unter definierten Randbedingungen Versuchsfelder mit Standardaufbauten strukturell geschädigt. Der Ursprungszustand und der Schädigungsverlauf sollen durch die Zuwendungsempfänger des Forschungsprogramms erfasst, bewertet und prognostiziert werden. Dabei dürfen nur zerstörungsfreie Messverfahren zum Einsatz kommen. Es werden in der Praxis anwendbare Ergebnisse erwartet.

Über das Innovationsprogramm hinaus werden die Stärken des Mobile Load Simulator (MLS) 10 zukünftig vor allem für die Bewertung von innovativen Bauweisen und Baustoffen genutzt. Zusammen mit dem sich im Bau befindlichen Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareals duraBASt und auch den weiteren Versuchseinrichtungen der BASt stehen hierfür leistungsstarke und innovative Instrumente zur Verfügung.

Literaturverzeichnis

Golkowsk i, G. et al. (2006): Grundsätzliche Kriterien und Empfehlungen für die Anlage einer Großversuchsanlage zur Durchführung zeitraffender Belastungsversuche an Straßenkonstruktionen, AP 34 06005 S4, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach

Golkowsk i, G. (2011): Entwicklung von Auswertealgorithmen zur Bildung von homogenen Abschnitten für Messdaten zerstörungsfrei messender Verfahren (GPR und FWD) als Grundlage für die Bewertung von Straßenbefestigungen, AP 34 08006 S4 (Zwischenbericht), Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach

Golkowsk i, G.; W o l f, A. (2012): Nutzungskonzept MLS 10, AP 34 10001 S4, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach

K i n d, T. et al. (2013): Weiterführende Untersuchungen zu elektromagnetische Eigenschaften von Asphalt für die Substanzbewertung, FE 07.0257, Präsentation erster Ergebnisse im Rahmen einer Betreuungsausschusssitzung, Berlin