Versuchsstrecke "Kanalstraße"

Ausgangslage

Im Bereich des Straßenbaus werden aktuell insbesondere im Asphaltstraßenbau Technologien zur Schonung von Ressourcen und zur Minderung der CO₂-Emissionen diskutiert. Darüber hinaus ist vom Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) des Bundeministeriums für Arbeit und Soziales (BMAS) im November 2019 ein Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) verbindlich beschlossen worden. Dieser legt eine maximale Konzentration für erfasste Dämpfe und Aerosole aus Destillations- und Air-Rectified-Bitumen (nach Bitumenkondensat-Standard) von 1,5 g/m³ dieser fest. In diesem Bereich sind keinerlei Gesundheitsschäden für Personen, die diesen Dämpfen und Aerosolen während der Arbeitszeit ausgesetzt sind, zu erwarten. Dieser Grenzwert ist in der Praxis ab dem 1.1.2027 einzuhalten.

Zur Reduzierung der CO₂ – Emissionen bei der Herstellung von Asphaltmischgut und zum Schutz des Personals vor gesundheitsgefährdenden Stoffen ist z.B. vorgesehen, die Temperatur des Asphaltmischgutes bei dessen Produktion und bei dem sich anschließendem Einbau zu reduzieren.

Außerdem besteht zum Zweck der Ressourcenschonung von Primärbaustoffen ein Erprobungsbedarf bezüglich der Verwendung von Asphaltgranulat. Die einschlägigen Regelwerke lassen derzeit die Zugabe von Asphaltgranulat bei den meisten gängigen Asphaltmischgutarten zu. Für Asphaltdeckschichten aus Splittmastixasphalt ist die Zugabe von Asphaltgranulat laut den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächen aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB 07/13) jedoch noch nicht vorgesehen. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen der Versuchsstrecke „Kanalstraße“ eine Asphaltdeckschicht aus SMA unter Verwendung von Asphaltgranulat konzipiert und eingebaut.

Vorgehensweise

Zur Erprobung der beiden oben genannten Aspekte (Temperaturabsenkung und Zugabe von Asphaltgranulat) wurde im Rahmen des RekoTi-Projektes eine Versuchsstrecke angelegt. Die hierfür ausgewählte Strecke (Kanalstraße) liegt im Norden von Münster. Ihre Lage ist im Bild "Lage der Kanalstraße in Münster" dargestellt.

Lage der Kanalstraße in Münster (Quelle: Nach openstreetmap.org)

Bei dem hier betrachteten Teilstück der Kanalstraße handelt es sich um einen ca. 937 m langen Abschnitt einer überwiegend anbaufreien Hauptverkehrsstraße mit vorwiegender Verbindungsfunktion.

Die bauvorbereitende Planung wurde vom Amt für Mobilität und Tiefbau der Stadt Münster und der Forschungsgruppe Verkehrswesen (FgV) der FH Münster (IWARU-V) durchgeführt. Das Asphaltmischgut bzw. dessen Erstprüfung sowie die Lieferung wurden vom Mischwerk der Bergisch-Westerwälder Hartsteinwerke in Legden vorgenommen.

Die Bauausführung wurde von der Firma Hermann Dallmann Straßen- und Tiefbau GmbH & Co. KG aus Brasche. umgesetzt. Die FgV übernahm die wissenschaftliche Begleitung des Projektes.

Um sowohl Erfahrungen über die Temperaturabsenkung von Asphaltmischgut als auch über die Zugabe von Asphaltgranulat in Splittmastixasphalt, sowie die Kombination aus beiden Verfahren zu sammeln, wurden sechs Versuchsfelder angelegt.

Die Konzeption dieser Versuchsfelder ist Abbildung: „Versuchsfelder an der Kanalstraße“ dargestellt. Das Ziel der verschiedenen Versuchsfelder ist eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Asphaltmischgutkonzepte, die sich in den Asphaltgranulatanteilen (0 M.-%; 20 M.-% und 50 M.-%) unterschieden. Außerdem wurden jeweils drei temperaturabgesenkte sowie drei konventionell heißgemischte Varianten betrachtet.

Versuchsfelder an der Kanalstraße in Münster (Quelle: Nach openstreetmap.org)

Das ursprünglich angestrebte Ziel, als Asphaltgranulat das Asphaltmaterial, welches im Rahmen der Sanierung der vorhandenen Asphaltdeckschicht an der Kanalstraße anfällt, zu verwenden, konnte aufgrund materialtechnischer Probleme (u. A. haftkritisches Gestein) nicht umgesetzt werden. Stattdessen wurde sortenrein gewonnenes Asphaltgranulat aus einem offenporigen Asphalt verwendet. Die verschiedenen Asphaltmischgüter wurden von dem Asphaltmischwerk der Basalt Actien AG in Legden hergestellt.

Die Aufteilung der Versuchsstrecke in sechs unterschiedliche Versuchsfelder erforderte die Durchführung von sechs Erstprüfungen. Die Erstprüfungen des Splittmastixasphalts, der beim Bau der Versuchstrecke verwendet wurde, sind in den Bautechnischen Untersuchungen einzusehen.

Bau der Kanalstraße

Der Bau der Versuchstrecke Kanalstraße erfolgte im Oktober 2022. Die ausführende Baufirma war der Projektpartner Hermann Dallmann Straßen- und Tiefbau GmbH & Co. KG aus Bramsche. Die beschriebenen Versuchsfelder wurden an einem Tag in der oben dargestellten Reihenfolge nahtlos eingebaut.

Baubegleitende Prüfungen

Begleitend zum Einbau wurden verschiedene u. a. bauüberwachende Untersuchungen durchgeführt.

Raumdichtemessungen mit der Isotpensonde

Die Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH wurde hierbei mit der Durchführung von Teilen der Eigenüberwachung sowie mit der Durchführung der Kontrollprüfungen von der ausführenden Baufirma Hermann Dallmann Straßen- und Tiefbau GmbH & Co. KG und vom Amt für Mobilität und Tiefbau der Stadt Münster beauftragt. Im Rahmen der Eigenüberwachung wurden u. a. radiometrische Raumdichtemessungen mit der Isotopensonde (Verdichungskontrolle) sowie eine Überwachung der Asphaltmischguttemperatur vorgenommen.

Emissionsmessungen mit dem Photoionisationsdetektor

Zur Einstufung der beim Bau der Versuchsfelder entstandenen Schadstoff-Emissionen wurden von der Forschungsgruppe Verkehrswesen (FgV) der FH Münster zusätzliche Messungen mit Photoionisationsdetektoren (PID) durchgeführt. Anhand dieser lässt sich ein qualitativer Vergleich zwischen den Versuchsfeldern aus TA-Asphalt und konventionell heißgemischtem Asphalt, bezogen auf die Tagesmittelwerte sowie Emissionsverläufe herstellen.

Eine Einstufung gegenüber dem ab Ende 2026 geltenden Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) für Dämpfe und Aerosole aus der Heißverarbeitung von Bitumen kann mit den PID-Messungen nicht erfolgen. Hierzu müssen Arbeitsplatzmessungen nach dem in Deutschland geltenden IFA-Verfahren (Institut für Arbeitsschutz) erfolgen, welche aufgrund der Mindestprobenahmedauer von 2 Std. an der Versuchsstrecke „Kanalstraße“ nicht umgesetzt werden konnten.

Dennoch sollten durch die PID-Messungen Quellen von Schadstoff-Emissionen und Einflüsse auf diese ausfindig gemacht werden.

Erfahrungen beim Einbau

Da es bei diesem Projekt das Ziel ist, Erkenntnisse über die Anwendung eines bisher wenig erprobten Bauverfahren zu sammeln, wird das Einbaupersonal über die Erfahrungen vom Einbau befragt.

Kontrollprüfungen

Zur Durchführung der Kontrollprüfungen an der Kanalstraße wurde Asphaltmischgut an der Verteilerschnecke des Fertigers entnommen. Außerdem wurden im Nachgang Bohrkerne entnommen. Mit den Mischgutproben werden Kenngrößen wie der Bindemittelgehalt, der Erweichungspunkt Ring und Kugel (RuK) sowie die elastische Rückstellung des Bitumens und die Korngrößenverteilung des Mischgutes bestimmt. Mit den entnommenen Bohrkernen werden Kenngrößen wie die Einbaudicke, der Verdichtungsgrad, der Hohlraumgehalt und der Schichtenverbund zur Unterlage bestimmt.

Erweiterte Kontroll- und Performanceprüfungen

Im Auftrag des Amts für Mobilität und Tiefbau der Stadt Münster hat die Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH weiterführende Kontroll- und Performanceprüfungen durchgeführt. In Zusammenarbeit mit dem IWARU-V der FH Münster wurden die erhaltenen Ergebnisse zusammengeführt und bewertet.

Die erweiterten Kontroll- und Performanceprüfungen beinhalten die Ermittlung der Äquisteifigkeitstemperatur am rückgewonnenen Bindemittel nach der Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Verformungsverhaltens von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln im Dynamischen Scherrheometer (DSR) – Teil 4: Durchführung des Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahrens (AL DSR (BTSV)). Außerdem sind der Einaxiale Druck-Schwellversuch nach dem Teil 25 B 1 der Technischen Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB) sowie der Spaltzug-Schwellversuch nach den TP Asphalt-StB, Teil 26 und die Bestimmung der Kälteeigenschaften durch den Einaxialen Zugversuch und den Abkühlversuch nach dem Teil 46 A der Technischen Prüfvorschriften für Asphalt (TP Asphalt-StB) durchgeführt worden. Gemäß dem Allgemeinen Rundschreiben Nr. 09/21 vom Bundesverkehrsministerium (Quelle: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 09/21, URL: https://www.bast.de/DE/Strassenbau/Fachthemen/Daten/Erfahrungssammlung/ARS-09-2021.pdf?__blob=publicationFile&v=2, Abruf 22.07.2024) wird für den Bau von Erprobungsstrecken mit temperaturabgesenktem Walzasphalt die Durchführung der genannten Prüfungen zu Ermittlung von Performancekennwerten empfohlen.

Monitoring

Im Rahmen eines Monitorings wurde im Sommer 2023 eine erste Betrachtung der Versuchsstreck „Kanalstraße“ vorgenommen. Dabei ist es das Ziel, das Verhalten der Straße nach bestimmten Dauern unter Verkehrsbelastung zu betrachten. Beim ersten Termin erfolgte eine Fotodokumentation der Fahrbahnoberfläche sowie möglicher Besonderheiten. Darüber hinaus wurden die Griffigkeit in Anlehnung an die Technischen Prüfvorschriften für Griffigkeitsmessungen im Straßenbau Teil: Messverfahren SRT (TP Griff-StB (SRT)) und die Querebenheit untersucht.

Ergebnisse

Im Folgenden werden die Ergebnisse der verschiedenen durchgeführten Prüfungen dargestellt und eine qualitative Einordnung vorgenommen.

Baubegleitende Untersuchungen

Bei der Bestimmung der Raumdichte mit der Isotopensonde wurden in jedem Versuchsfeld Messungen an zwei Stationen durchgeführt. Der Verdichtungsgrad wurde ebenfalls bestimmt. Dazu ist die festgestellte Raumdichte auf nachträglich im Labor bestimmte volumetrische Kennwerte bezogen worden, die anhand von Marshall-Probekörpern, die zu diesem Zweck aus entnommenem Asphaltmischgut vom Einbau hergestellt wurden, bestimmt worden sind. Es wurden zumeist Werte ermittelt, die den Anforderungswert von ≥ 98 % übertreffen. Allerdings lagen die auf diesem Wege ermittelten Verdichtungsgrade an Stationen in den Versuchsfeldern VF 2 und VF 3 z.T. auch unterhalb des Anforderungswerts. Eine größere Aussagekraft besitzen jedoch die Messungen des Verdichtungsgrades, die im Rahmen der Kontrolprüfungen durchgeführt wurden.

Neben dem beschriebenen Monitoring und den durchgeführten Performanceprüfungen, erfolgte 2023 die Auswertung der PID-Messungen. Es sollten die Emissionsverläufe anhand der PID-Messungen des jeweiligen Messpunktes (Fertiger, Bohle links, Bohle rechts und Walze) dargestellt werden. Wie beschrieben, kann eine Einstufung gegenüber dem ab Ende 2024 geltenden Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) hierbei nicht erfolgen. Dennoch konnten Aussagen über die Dampf- bzw. Aerosolbelastungen an verschiedenen Positionen getroffen werden und ein Abgleich mit äußeren Einflüssen vorgenommen werden. Die Positionen der Photoionisierungsdetektoren sind in Bild: "Positionen PID" dargestellt.

Positionen PID (Aufnahmen: Thomas Schönauer)

Der Messwertverlauf des Messpunktes „Bohle rechts“ wies über den gesamten Einbauzeitraum die höchsten Messwerte auf. Die Messwerte des Messpunktes „Walze“ lagen hingegen i. d. R. am niedrigsten.

Entgegen den Erwartungen fielen die Messwerte beim temperaturabgesenkten Asphalt überwiegend höher aus als beim konventionell heißgemischten Asphalt. Die Auswertung der ebenfalls erstellten Videoaufzeichnungen vom Einbauablauf zeigte, dass die insbesondere beim temperaturabgesenkten Asphalt aufgetretenen Messpitzen mit dem Einsatz von Trennmittel zeitlich übereinstimmten. Die These, dass sich der Einsatz von Trennmittel auf die Emissionsmessungen auswirken kann, wird aktuell in weiteren Projekten geprüft.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass bezogen auf die Einbaurichtung, der Wind über den Messzeitraum überwiegend nach rechts wehte. Dementsprechend erreichte der Messpunkt auf der rechten Seite “Bohle rechts” (bezogen zur Mittelachse) den höchsten Wert. Die zur Mittelachse links gelegenen Messpunkte „Fertiger“ und „Bohle links“ erreichten hingegen einen niedrigeren Wert.

Insgesamt lieferten die Messungen mit den PID somit plausible Ergebnisse, aus welchen schlussgefolgert werden kann, dass der Einsatz von Trennmittel sowie die Windrichtung einen negativen Einfluss auf die Emissionsmessungen haben können.

Kontrollprüfungen

Die Tabelle: Kontrollprüfungsergebnisse zeigt die ermittelten Prüfergebnisse der Kontrollprüfungen am Mischgut und an der fertigen Schicht. Darüber hinaus werden die Anforderungen nach den Regelwerken als Vergleichswert mit dargestellt.

Tabelle: Kontrollprüfungsergebnisse

		3 Versuchsfelder (VF) mit Temperaturabgesenktem Asphalt (TA-Asphalt) Temperaturabsenkung um ca. 20 K Splittmastixasphalt (SMA 8 S)			3 Versuchsfelder (VF) mit konv. heißgemischtem Asphalt Einbautemperatur von min. 140 °C bis max. 190 °C Splittmastixasphalt (SMA 8 S)
Kenngröße	Anforderung nach Regelwerk	VF 1	VF 2	VF 3	VF 4	VF 5	VF 6
Asphalt- spezifikationen	-	SMA 8 S PmB 25/45 VL 0 M.-% AG	SMA 8 S PmB 25/45 VL 20 M.-% AG	SMA 8 S PmB 25/45 VL 50 M.-% AG	SMA 8 S PmB 25/55-55 A 50 M.-% AG	SMA 8 S PmB 25/55-55 A 20 M.-% AG	SMA 8 S PmB 25/55-55 A 0 M.-% AG
Bohrkernnummer	-	BK 1.1 - 1.4	BK 2.1 - 2.4	BK 3.1 - 3.4	BK 4.1 - 4.4	BK 5.1 - 5.4	BK 6.1 - 6.4
Einbaudicke	-	3,6 cm	3,0 cm	2,8 cm	2,6 cm	2,8 cm	3,3 cm
Verdichtungsgrad	≥ 98 %	99,2 %	98,2 %	98,9 %	99,5 %	99,6 %	99,8 %
Hohlraumgehalt	≤ 5,0 Vol.-%	2,8 Vol.-%	4,9 Vol.-%	2,7 Vol.-%	2,4 Vol.-%	3,2 Vol.-%	2,8 Vol.-%
Schichtenverbund zur Unterlage	≥ 15 kN	32,0 kN	35,6 kN	40,5 kN	41,8 kN	39,3 kN	34,9 kN
Quelle: Nach Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH, Daniel Gogolin

Durch die Tabelle: Kontrollprüfungsergebnisse wird deutlich, dass alle geforderten Anforderungen nach den ZTV Asphalt-StB an den SMA 8 S (SMA: Splittmastixasphalt; 8: Größtkorn in [mm]; S: für besondere Beanspruchungen) bei allen Versuchsfeldern eingehalten werden konnten. Es zeigte sich allerdings, dass bei den Versuchsfeldern mit temperaturabgesenkten Mischgütern nach Aussage des Einbaupersonals eine deutlich erhöhte Verdichtungsarbeit zum Erreichen der geforderten Einbauqualität aufgebracht werden musste.

Monitoring

Positionen der Versuche im Rahmen des Monitorings und Fotodokumentation (Aufnahmen: Thomas Schönauer)

Die Positionen der Untersuchungen der Querebenheit und der durchgeführten Griffigkeitsmessungen mit dem Ausflussmesser nach Moore und dem SRT-Pendel sowie die aufgenommenen Besonderheiten mit Auszügen aus der Fotodokumentation sind im Bild "Positionen der Versuche im Rahmen des Monitorings und Fotodokumentation" dargestellt.

Die Griffigkeitsmessungen mit dem SRT-Pendel wurden in jedem Versuchsfeld an fünf Messpunkten und die Messungen mit dem Ausflussmesser am jeweils mittleren dieser Messpunkte durchgeführt. Die Anordnung der Messpunkte erfolgte in einem Abstand von 0,5 m zum Fahrbahnrand und in einem Abstand von 5,0 m untereinander in Fahrbahnlängsrichtung. Bei diesen Untersuchungen konnten keine relevanten Unterschiede zwischen den Versuchsfeldern festgestellt werden.

Im Rahmen der Ebenheitsmessungen konnten ebenfalls keine wesentlichen Unebenheiten in Querrichtung festgestellt werden. Die Messung wurde in jedem Versuchsfeld nahe der Griffigkeitsmessungen durchgeführt.

Bei der Dokumentation etwaiger Besonderheiten an der Oberfläche der Versuchsstrecke konnten in den Versuchsfeldern VF 1 bis VF 2 und VF 4 bis VF 6 keine Auffälligkeiten festgestellt werden. Lediglich in dem temperaturabgesenkten Versuchsfeld mit dem höchsten Asphaltgranulatanteil (VF 3: TA Asphalt mit 50 M.‑% AG) waren einzelne kleinere Schadstellen zu verzeichnen. Das Bild "Positionen der Versuche im Rahmen des Monitorings und Forodokumentation" zeigt, dass u. a. eine Stelle mit mechanisch verursachten Schrammen (Bild, Foto 1) vorlag. Außerdem lag an einer weiteren Stelle ein kleiner Ausbruch aufgrund einer Faseransammlung (Bild, Foto 2) vor. Eine dritte Art von verzeichneten Schadstellen war ein Gummistück, das sich innerhalb der Fahrbahnoberfläche (Bild, Foto 3) befand.

Erweiterte Kontroll- und Performanceprüfungen

Anforderungen an die ermittelte Äquisteifigkeitestemperatur, die mit dem Dynamischen Scherrheometer (DSR) (BTSV) am rückgewonnenen Bindemittel bestimmt wird, werden vom Merkblatt für Temperaturabsenkung von Asphalt (M TA) gestellt. Laut diesem soll keine Abweichung zur Erstprüfung von > 8 K vorliegen. Diese Anforderung konnte in allen sechs Versuchsfeldern eingehalten werden.

Beim Einaxialen Druck-Schwellversuch wird das Verhalten des Asphalts bei Wärme untersucht. Die geforderten 10.000 Lastwechsel [n] konnten in den Versuchsfeldern VF 1, VF 2, VF 5 und VF 6 erreicht werden. Die Versuchsfelder VF 3 (TA-Asphalt) und VF 4 (konv. Heißgemischt) überschritten allerdings vorzeitig eine Dehnung von 80 ‰, welche als Abbruchkriterium fungiert. Demnach konnten in diesen Versuchsfeldern die 10.000 Lastwechsel nicht erreicht werden. Dieses Ergebnis ist vor dem Hintergrund des „hohen“ Asphaltgranulatanteils nachvollziehbar.

Anhand des Spaltzug-Schwellversuches wird der Steifigkeitsmodul |E*| in MPa des Asphaltes bei der Prüftemperatur (T) [°C] ermittelt. Bei der Temperatur von 20 °C lagen die Steifigkeitsmodule der Asphalte der Versuchsfelder in einem vergleichbaren Bereich.

Die Kälteeigenschaften der Asphaltmischgüter aus den einzelnen Versuchsfeldern, die mittels Einaxialem Zugversuch und Abkühlversuch ermittelt wurden, sind ebenfalls vergleichbar. Die ermittelten Bruchtemperaturen lagen zwischen ‑20,0 °C und ‑28,4 °C und liegen damit im angestrebten Temperaturbereich.

Die vorliegenden Ergebnisse der erweiterten Kontroll- und Performanceprüfungen sind vor dem Hintergrund der Konzeptionierung der Versuchsfelder als zufriedenstellend und positiv zu bewerten.