In dem vorliegenden Beitrag werden zunächst die für die Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen erforderlichen netzweiten Untersuchungen zur Erfassung und Bewertung des Straßenzustandes kurz dargestellt. Zusätzlich wird auf die Bedeutung von ergänzenden objektbezogenen Untersuchungen hingewiesen. Für diese Untersuchungen ist das Georadarverfahren von besonderer Bedeutung. Nach einigen grundlegenden Erläuterungen zur Anwendung des Georadarverfahrens, bei denen auch das Messverfahren kurz vorgestellt wird, wird eine Untersuchungsstrategie für die Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen erläutert. Nach der grundsätzlichen Darstellung der Untersuchungsstrategie wird anhand eines Beispiels deren Umsetzung in der Praxis anhand einer Erhaltungsmaßnahme im kommunalen Bereich vorgestellt.

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1 Einleitung

Die Erhaltung ist eine vordringliche Aufgabe, um die Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Straßeninfrastruktur langfristig zu gewährleisten.

Aufgrund der wachsenden Straßenbeanspruchung, der ungünstiger werdenden Altersstruktur der Fahrbahndecken und der allgemeinen Einsparungen in den öffentlichen Haushalten von Bund, Ländern und Gemeinden müssen gerade im Straßenbau möglichst wirtschaftliche Lösungen für Erhaltungs- und Erneuerungsmaßnahmen gefunden werden.

Straßenbaulastträger sind daher zunehmend gezwungen, die Erhaltung netzweit zu systematisieren, um einen technisch und wirtschaftlich optimierten und bedarfsorientierten Mitteleinsatz zu erreichen.

Die Bewertung des Straßenzustandes erfolgt hierbei zumeist netzweit mit Hilfe der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB). Anhand von Messungen und/oder einer visuellen Aufnahme werden auf der Netzebene Zustandsmerkmale von Verkehrsflächenbefestigungen ermittelt und bewertet. Häufig treten bei der anschließenden Weiterentwicklung von Erhaltungsstrategien in Richtung von Projekten auf Objektebene weitere Fragestellungen auf.

In den „Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen“ (RPE-Stra 01), die mit dem Ziel erarbeitet wurden, bei der Erhaltungsplanung zu einem systematischen und einheitlichen Vorgehen zu gelangen, stehen netzbezogene Betrachtungen im Vordergrund. Dazu gehören die Bewertung der Netzqualität, die Festlegung der Erhaltungsstrategie, das Abschätzen des mittelfristigen Erhaltungsbedarfs und das Aufstellen des mittelfristigen Erhaltungsprogramms. Die projektbezogene Umsetzung in der Ausführungsebene wird jedoch kaum behandelt (FGSV 488, 2001).

Diese Anmerkung ist nicht als Kritik an den Verfassern der RPE-Stra zu verstehen. Eine ausführlichere Betrachtung der Projektebene war gegebenenfalls auch nicht das Ziel der Überlegungen während der Erarbeitung der RPE-Stra. Es soll aus Sicht der Verfasser lediglich herausgearbeitet werden, dass es, wenn es – z. B. auf der Grundlage von ZEB-Daten – zur Planung von Erhaltungsmaßnahmen für konkrete Maßnahmen auf der Projektebene kommt, der Kenntnisstand über das Objekt von der bisher rein oberflächlichen Betrachtung durch weitere Informationen ergänzt werden muss. Dies ist den beteiligten Fachkolleginnen und Fachkollegen nicht immer bewusst.

Grundvoraussetzung für eine möglichst wirtschaftliche Erhaltungsmaßnahme auf der Projektebene ist eine möglichst genaue und lückenlose Kenntnis über die vorhandene Substanz des vorhandenen Straßenkörpers.

Besonders im kommunalen Bereich, d. h. bei ständig variierenden konstruktiven Straßenaufbauten, stößt man aber durch rein punktuelle Betrachtungen (z. B. durch die klassische Bohrkernentnahme) schnell an die Grenzen einer gesicherten Aussage.

Die daraus entstehenden Unsicherheiten und Fehlinterpretationen können wiederum zu fehlerbehafteten Ausschreibungen bzw. zu Nachträgen führen.

Hier könnte das Georadar-Impuls-Echo-Verfahren (GPR) durch die Bestimmung der Schichtdicken von Straßenbefestigungen wichtige Informationen und Daten für strukturelle Analysen und weitere bautechnische und bauwirtschaftliche Aufgabenstellungen liefern (FGSV 443A, 2016).

2 Anwendungsgebiete und Eingangsgrößen

Grundsätzlich könnte mit Hilfe des Georadarverfahrens Leitungen, Einzelobjekte und strukturelle Veränderungen im Boden wie Korngrößenänderungen und Grenzhorizonte detektiert werden. Die Ansprache und Zuordnung einzelner Lagen/Materialien basiert dabei allerdings auf Erfahrungswerten und den ergänzend gewonnenen Erkenntnissen aus Bohrkernentnahmen bzw. Rammkernbohrungen.

Bei dem im Straßenwesen angewendeten Georadarsystem ist grundsätzlich zwischen luftgekoppelten schnellfahrenden Antennensystemen (Hornantennen) und bodengekoppelten (langsam, nicht selbstfahrend) Antennensystemen zu unterscheiden. Für die Anwendung im Straßenwesen kommen nahezu ausschließlich luftgekoppelte Antennensysteme zur Anwendung, da diese an einem Trägerfahrzeug montiert und somit schnellfahrend, ohne Behinderung des fließenden Verkehrs, betrieben werden können.

Das Bild 1 zeigt beispielhaft ein Messfahrzeug mit zwei luftgekoppelten Hornantennen.

Bild 1: Messfahrzeug mit Hornantennen mit den Frequenzen 1 GHz und 2 GHz

In Abhängigkeit des jeweiligen Untersuchungsziels ergeben sich unterschiedlich zu wählende Antennenmittenfrequenzen. Anhaltswerte für die Wahl der Antennenmittenfrequenzen in Abhängigkeit des Untersuchungsziels sind der Tabelle 1 (FGSV 443A, 2016) zu entnehmen.

Tabelle 1: Anhaltswerte für die zu wählenden Antennenmittenfrequenzen für luftgekoppelte Antennen und deren charakteristischen Einsatzbereiche in Abhängigkeit vom Untersuchungsziel (FGSV 443A, 2016)

Das Georadarverfahren bietet eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten im Verkehrswegebau. Vorrangig wird das Verfahren eingesetzt, um Aufschluss über die eingebaute Anzahl der Schichten und die dazu korrespondierenden Schichtdicken zu geben.

Zur Bestimmung der geologischen Daten (beispielsweise die Stärke einzelner Schichten) wird die Laufzeit der durch die Antennen in den Untergrund initiierten Radarwellen, d. h. die Zeit, die die Wellen zu einem bestimmten Objekt und zurück benötigen, gemessen.

Durch die Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit für bestimmte Materialien werden aus den aufgenommenen Laufzeiten Tiefenangaben berechnet, wobei es durch Inhomogenitäten im Untergrund zu Abweichungen in der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. in der Tiefenbestimmung kommen kann.

Die Laufzeiten der elektromagnetischen Wellen werden aufgezeichnet und in Form von Radargrammen dargestellt, wodurch eine Interpretation der Lage vorhandener Schichtgrenzen ermöglicht wird.

Ein exemplarischer Radargramm-Ausschnitt ist im Bild 2 zu sehen.

Durch die Kenntnis des vorhandenen Aufbaus (Schichtenanzahl und Schichtstärken) kann unter anderem der erfasste Aufbau in Anlehnung an die „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen“ (FGSV 499, 2012) eingestuft werden.

Bei dieser Aufgabenstellung sind bei der Antennenauswahl Untersuchungstiefen bis 1 m zu beachten. Probenahmen in Form von Bohrkernen und gegebenenfalls Rammkernbohrungen sind zur Kalibrierung und zur weiteren bautechnischen Interpretation unverzichtbar.

Bild 2: Beispiel eines Radargramms

In (FGSV 443A, 2016) werden erste Anhaltswerte für mögliche Genauigkeiten in Abhängigkeit der Bauweisen nach den RStO 12 angegeben:

Tafel 1: Bauweisen mit Asphaltdecke

• Asphaltdecke auf ± 1 cm
• Asphalttragschichten auf ± 1 cm
• Dicke des frostsicheren Oberbaus auf ± 2,5 cm

Tafel 2: Bauweisen mit Betondecke

• Betondecke auf ± 1 cm
• Dicke des frostsicheren Oberbaus auf ± 2,5 cm

Tafel 4: Bauweisen mit vollgebundenem Oberbau

• Asphalt-/Betondecke auf ± 1 cm
• Gesamtdicke des vollgebundenen Oberbaus (Asphalt und Beton) auf ± 2,0 cm

Im Rahmen des von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) finanzierten Forschungsprojektes FE 4.0284/2014/MRB werden derzeit von der Fachhochschule Münster und der Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH „Möglichkeiten und Grenzen des Georadarverfahrens“ untersucht. Hierbei ist es u. a. das Ziel, durch Detailuntersuchungen und exemplarische Anwendungen in der Praxis, die Grenzen und Möglichkeiten des Georadarverfahrens darzulegen. Außerdem werden Überlegungen zur Erfassung und Auswertung der Substanz von Straßen auf Objekt- und Netzebene angestellt. Hierbei sollen zur Erhöhung der Prozesssicherheit und der Effizienz auch Möglichkeiten der automatisierten Auswertung betrachtet werden.

Es ist davon auszugehen, dass nach Abschluss des Projektes Erkenntnisse vorliegen, die neben den dargelegten Projektzielen auch die Erarbeitung von Erhaltungsstrategien des Straßenbaulastträgers beeinflussen werden.

3 Untersuchungsstrategie

Unabhängig von dem oben genannten Forschungsprojekt können zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden schon heute zur Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen genutzt werden. Im Folgenden wird eine mögliche Untersuchungsstrategie zur Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen vorgestellt. Hierbei kommen neben dem Georadarverfahren und gegebenenfalls Tragfähigkeitsuntersuchungen klassische Materialanalysen zur Anwendung.

Das Bild 3 zeigt eine mögliche Untersuchungsstrategie für die Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen mit dem Georadarverfahren auf.

Im ersten Untersuchungsschritt wird anhand einer Georadarmessung ein flächendeckender Überblick über den tatsächlich vorhandenen Aufbau des gebundenen und ungebundenen Oberbaus erarbeitet.

Anhand einer ersten Auswertung kann die Messstrecke differenziert und in homogene Abschnitte unterteilt werden. Gegebenenfalls können die Homogenbereiche durch zusätzliche Tragfähigkeitsuntersuchungen (z. B. mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD)) gezielt untersucht werden.

Auf Grundlage der Messergebnisse und der Bildung der homogenen Abschnitte können erste Erhaltungsstrategien entwickelt (z. B. teilweise/vollständige Erneuerung) und gezielt Entnahmestellen für weitere Erkundungsbohrungen definiert werden.

Neben der reinen Stärke der Einzelschichten bzw. des Asphaltpaketes spielen vor allem auch die strukturelle Substanz des Asphaltgefüges (Hohlraumverteilung, Porosität, Risse, Alterungsstatus) für die Bewertung der vorliegenden Substanz eine entscheidende Rolle.

Bei ausreichend festgestellter Substanz und der Möglichkeit einer teilweisen Erneuerung können erweiterte Materialanalysen zur Beurteilung der Qualität der Restsubstanz der Asphaltkonstruktion angeordnet werden.

Die Kombination der Kenntnisse

• der Schichtmächtigkeiten und des Schichtaufbaus durch Georadaruntersuchungen und Erkundungsbohrungen,
• gegebenenfalls der Tragfähigkeitsmessungen und
• der Untersuchung der strukturellen Substanz

lassen fundierte Bewertungen der vorhandenen Substanz zu und erlauben somit die Formulierung zielsicherer Erhaltungsmaßnahmen.

Bild 3: Mögliche Untersuchungsstrategie für die Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen

4 Verfahrensbeispiel

Anhand des nachfolgenden Praxisbeispiels soll die Nutzung des Georadarverfahrens zur Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen dargestellt werden. Hierbei handelt es sich um eine Hauptverkehrsstraße in Münster, die mit erheblichen Schwerverkehr belastet ist.

Auf Grundlage der im Bild 3 präsentierten Untersuchungsstrategie sollten folgende Aufgabenstellungen bearbeitet werden:

• Erfassung des vorliegenden Bestands des gebundenen und ungebundenen Oberbaus,
• Bewertung der Substanz und Formulierung von Erhaltungs- bzw. Erneuerungsmaßnahmen.

Das Bild 4 zeigt den Untersuchungsabschnitt mit einer Gesamtstreckenlänge von ca. 10 Kilometern.

Bild 4: Lageplan des Untersuchungsabschnitts in Münster

Im ersten Schritt wurde die Georadarbefahrung mit zwei luftgekoppelten Hornantennen mit Antennenfrequenzen von 1 GHz und 2 GHz durchgeführt. Anschließend wurden aus den Messdaten homogene Abschnitte bezüglich des konstruktiven Aufbaus gebildet und auf dieser Grundlage entsprechende Entnahmepunkte für Bohrkernentnahmen und Rammkernbohrungen zielgerichtet festgelegt.

Das im Bild 5 beispielhaft dargestellte Luftbild zeigt auszugsweise die festgelegten Entnahmepunkte auf der Strecke. Insgesamt wurde auf Grundlage der Vorauswertung der Georadarergebnisse bzw. der daraus gebildeten homogenen Abschnitte 18 Entnahmestellen für beide Fahrtrichtungen festgelegt. Dies entspricht bei 10 Kilometern Streckenlänge ungefähr einer Entnahmestelle (Bohrkern/Rammkernbohrung) je 555 Metern.

Mit Hilfe der entnommenen Proben wurden die Georadarmessungen kalibriert, die einzelnen Schichten angesprochen und visuell auf ihre strukturelle Substanz begutachtet und entsprechende chemische Untersuchungen durchgeführt, um eventuell anstehende Entsorgungswege festzulegen.

Bild 5: Auszug der Untersuchungsstrecke im Luftbild mit gekennzeichneten Entnahmestellen

Die Bilder 6 und 7 zeigen beispielhaft die Endauswertung der Georadarmessungen nach der Kalibrierung und der Schichtansprache der entnommenen Bohrkerne und Bodenproben.

Der im Bild 6 dargestellte Streckenabschnitt weist eine durchschnittliche Stärke des Asphaltpaketes von ca. 21 cm auf und ist durch eine homogene Verteilung der Schichtstärken charakterisiert.

Im Gegensatz zum Bild 6 zeigt der dargestellte Ausschnitt im Bild 7 einen deutlich geringeren konstruktiven Aufbau. Hierbei ist festzustellen, dass das Asphaltpaket eine Stärke von ca. 9 cm bis 23 cm aufwies.

Bild 6: Beispielhafter Auszug aus den Ergebnissen der Georadarmessungen (1)

Bild 7: Beispielhafter Auszug aus den Ergebnissen der Georadarmessungen (2)

Auf Grundlage der ermittelten Schichtenverläufe, d. h. Schichtstärken und Schichtfolgen, konnte der untersuchte Streckenabschnitt in zwei für die Erhaltung unterschiedlich zu handhabende Bereiche unterteilt werden (Bild 8).

Durch die flächenhafte und lückenlose Kenntnis des vorliegenden Aufbaus des Untersuchungsabschnitts durch die Georadarmessung konnten in Kombination mit den entsprechenden Materialanalysen, d. h. die strukturelle Bewertung der Substanz, für beide Abschnitte entsprechende Erhaltungsstrategien entwickelt werden.

In einem ersten Abschnitt wurde festgelegt, dass insgesamt 12 cm Asphalt abgefräst werden und durch eine 8,5 cm dicke Asphaltbinderschicht (AC 16 B S SG mit 10/40-65 A) sowie eine 3,5 cm Asphaltdeckschicht (AC 8 D S SP mit 25/55-55 A) ersetzt wurde. Dieser Abschnitt ist der Belastungsklasse Bk10 nach (FGSV 499, 2012) zuzuordnen. Diese Vorgehensweise ist unter anderem dadurch gerechtfertigt, da im Zuge der Auswertung der Georadarmessungen eine im Mittel eine Asphaltdicke von 21,4 cm festgestellt wurde.

Im Abschnitt 2, der ebenfalls der Belastungsklasse Bk10 (Station 1+625 bis 3+425) zuzuordnen ist, wurde aufgrund der vorliegenden Ergebnisse der Laboruntersuchungen und des stark variierenden Aufbaus des Asphaltpaketes empfohlen, die Erneuerung durch einen vollständigen Ersatz des Oberbaus durchzuführen.

Bild 8: Anhand der Georadarmessung differenzierte Erhaltungsbereiche

5 Fazit und Ausblick

Die dargestellten Überlegungen zeigen, dass die im Zuge der Zustandserfassung und -bewertung auf Netzebene gewonnenen Erkenntnisse von wesentlicher Bedeutung für die Vorbereitung von Erhaltungsmaßnahmen sind. Die entsprechenden ZEB-Daten müssen auf der Projekt- bzw. Objektebene im Zuge der konkreten Planung von Erhaltungsmaßnahmen jedoch ergänzt werden. Hierfür bietet das Georadarverfahren interessante Möglichkeiten.

In dem vorliegenden Beitrag wurde eine entsprechende Untersuchungsstrategie entwickelt, die neben zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden klassische Materialuntersuchungen berücksichtigt. Durch die Kombinationen dieser Verfahren werden Fehlinterpretationen, die sich bei punktuellen Erkundungen (z. B. Bohrkernuntersuchungen) ergeben können, vermieden.

Durch die dargestellte Vorgehensweise ergibt sich die Möglichkeit, die vorhandene Substanz des Straßenaufbaus flächendeckend zu erfassen und zu bewerten. Hierdurch ist es möglich, homogene Abschnitte bezüglich des konstruktiven Straßenaufbaus zu bilden.

In Kombination mit den angesprochenen Materialanalysen und gegebenenfalls auch Tragfähigkeitsuntersuchungen ergibt sich die Möglichkeit, eine fundierte Bewertung der (Rest)- Substanz des vorhandenen Straßenaufbaus vorzunehmen.

Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht es, Erhaltungsmaßnahmen zielgerichteter vorzubereiten und somit die vorhandenen finanziellen Mittel technisch und wirtschaftlich optimiert und bedarfsorientiert einzusetzen.

Literaturverzeichnis

1. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2016): Arbeitspapier – Anwendung des Georadars zur Substanzbewertung von Straßen, Teil A: Bestimmung von Schichtdicken des Oberbaus von Verkehrsflächenbefestigungen mit dem Georadar-Impulssystem, Ausgabe 2016, Köln, FGSV 443 A
2. Forschungsgesellschaft für das Straßen- und Verkehrswesen (2001): Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen (RPE-Stra 01), Ausgabe 2001, Köln, FGSV 488
3. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2016): Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 12), Ausgabe 2012, Köln, FGSV 499