Forschungspaket: Lärmarme Beläge innerorts / EP 2: Labortechnische Bestimmung der Dauerhaftigkeit lärmarmer Beläge

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: ASTRA2010/011
• Projekttitel Englisch: EP2: Laboratory assessment of the durability of low noise pavements

Schlüsselwörter (Deutsch)

Lärmarme Beläge, akustische Dauerhaftigkeit, Makrotextur

Schlüsselwörter (Englisch)

Low noise pavement, Acoustic durability, Macrotexture

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der Vorschlag des Projektteams IMP Bautest AG und Müller-BBM erfüllt die Vorgabe der Ausschreibung; es werden folgende Punkte bearbeitet:

–     Festlegung der Prüfparameter für die labortechnische Beanspruchung von Platten (Festlegung des Reifenprofils, Reifendruck und Auflast, Schlupf und Temperatur sowie Anzahl Belastungszyklen).

–     Die neue Prüfmethode IMPACT basiert auf der Laborverdichtung mittels Walz-Segmentverdichter. Für die Herstellung derartiger Platten werden Mischgutmengen benötigt, welche problemlos mit einem Labormischer hergestellt werden können.

–     Die festgelegten Prüfbedingungen (optimale Kombination von Temperatur, Schlupf und Anzahl Belastungs-Zyklen) wird an Probeplatten aus dem EP1 und an Proben aus den Teststrecken angewendet.

Schliesslich wird die hier entwickelte Labormethode mit den jährlichen Lärmmessungen an Teststrecken verglichen und voraussichtlich validiert

Kurzbeschreibung (Englisch)

The research project presented by IMP Bautest AG and Müller-BBM complies with the requests of the tender procedure:

–     Assessment of test parameters to achieve mechanical strain of slab surfaces (tyre profile, tyre pressure, load applied onto specimen, slippage, temperature and number of passes)

–     The novel test method called IMPACT uses slabs which are compacted with a smooth steel roller compactor. The hot-mix volume needed to produce this kind of slab does not exceed the capacity of a traditional laboratory mixer

–     The optimal combination between stiffness (temperature), fatigue (load) and creep (slip) will be applied on slabs from EP1 and from test fields.

–     Finally the novel test method will be validated by comparing the laboratory results to the annual acoustic measurements on site.

Projektbeschreibung (Deutsch)

1.1              Entwicklung der Prüfmehtode

Aufgrund der bei IMP durchgeführten Vorarbeiten mit einem Prototyp I wurde ein Prototyp II der IMPACT-Prüfmaschine gebaut. Diese Maschine erlaubt es folgende Parameter zu variieren:

 

–     Reifenprofil

–     Reifen-Innendruck

–     Radauflast

–     Schlupf von ca. -50% (Beschleunigung) bis ca. +50% (Bremsen) in Schritte von ca. 5 % einstellbar

–     Temperatur (Raumtemperatur bis ca. 60 °C)

–     Anzahl Zyklen

Die Herausforderung besteht nun darin, aus dieser Vielzahl der verschiedenen Prüfparameter diejenige Kombination zu wählen, bei welcher oberflächennahe Veränderungen der Textur erfolgen, ohne dass plastische Deformationen (Spurrinnen) entstehen.

 

1.1.1           Wahl des Reifenprofils

Der Reifen darf weder profillos sein (analog Reifen für Spurbildungsversuch), noch dürfen die einzelnen Profilklötze zu gross sein. Zudem muss das Profil des Reifens derart beschaffen sein, dass eine gleichmässige, vollflächige Beanspruchung der Prüfkörperoberfläche stattfindet. Bei der Wahl zu grosser Profilklötze entstehen Zwischenräume, welche eine unrealistische Beanspruchung der Strasse bilden. Erste Abklärungen haben ergeben, dass Reifen mit unregelmässiger Verteilung der Prüfklötze sehr geeignet wären. Möglicherweise müssten mehrere Reifen mit unterschiedlichen Profilen gezielt hergestellt werden. Da industriell hergestellte Reifen in unbezahlbar teure Formen hergestellt werden, müssen andere Lösungen gesucht werden. Offenbar gibt es die Möglichkeit einen bestehenden Reifen aufzugummieren, um das Profil nachträglich manuell einzuschneiden.

1.2              Pneu-Innendruck und Belastung des Rades

Die Wahl des Pneu-Innendruckes sowie der Belastung des Rades erfolgt einerseits aufgrund von Angaben über die Reifen-Charakteristik sowie den Vergleich der Druck- und Spannungsverhältnisse im Strassenverkehr. Andererseits können die Erfahrungen der Prüfstelle aus dem Vorarbeiten mit dem IMPACT-Prototyp I beigezogen werden.

1.3              Festlegung der Prüftemperatur sowie des Schlupfes

In einem ersten Arbeitsschritt werden vergleichende Untersuchungen mit Brems– und Beschleunigungs-Schlupf durchgeführt. Aufgrund dieser Vorabklärungen soll die Wahl getroffen werden, ob versuchstechnisch ein Brems-Schlupf oder ein Beschleunigungs-Schlumpf vorteilhafter ist. Für die Beanspruchungen auf der Strasse sind wir der Meinung, dass beide Schlupfarten nahe bei der Praxis liegen. Für die Wahl des entsprechenden Schlupfes werden lediglich labortechnische Gründe beigezogen werden. Es werden 3 Belastungs-Versuche mit visueller Prüfung vorgesehen.

Es ist vorgesehen 10 verschiedene Kombinationen der Temperatur (20/30/40/50 °C) sowie des Schlupfes (0/10/20/30%)  auf einem Standardmischgut AC MR 8 abzufahren. Es ist vorgesehen die Platten bis zu 240'000 Belastungs-Zyklen zu beanspruchen.

Die Veränderungen an der Oberfläche werden einerseits visuell erfasst; andererseits werden sie auch messtechnisch erfasst (Laserprofilometrie, Messung des Luftströmungswiderstandes, akustische Absorption sowie eine Berechnung des Reifen-Fahrbahn-Geräusches mittels SPERoN). Es ist vorgesehen die akustischen Prüfungen in enger Zusammenarbeit mit unserem Kooperationspartner Müller-BBM durchzuführen.

1.4              Evualuation der Prüfbedingungen mit weiteren Mischgutsorten

Die obenaufgeführten Arbeitsschritte 3.1 bis 3.3 erlauben es, Prüfbedingungen für die mechanische Beanspruchung festzulegen. Da diese Prüfbedingungen anhand einer Mischgutsorte AC MR 8 festgelegt wurden, gilt es nun diese Prüfbedingungen im Hinblick auf die Beanspruchung anderer Mischguttypen zu überprüfen. Allenfalls sind belagsspezifische Anpassungen erforderlich. Es ist vorgesehen, die Evaluation mit einem zweiten ACMR 8, einem AC MR4 und einem AC MR6 sowie eventl. einem PA4 durchzuführen.

1.5               Validierung der Prüfmethode

Die Prüfmethode wird anhand der Begleitung und des Monitorings von Pilotstrecken validiert. Ebenfalls werden Platten aus dem EP1 sowie aus den Pilotstrecken ausgebaute Prüfkörper untersucht.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Festlegung einer Labormethode welche eine Prognose der akustischen Dauerhaftigkeit von lärmarmen Belägen ermöglicht. Eine solche Labormethode könnte Teil einer zukünftigen Klassifikation und/oder eines Labels und/oder einer Erstprüfung sein.

Der Nutzen einer Laborprüfung ist entsprechend hoch wenn die Kosten und Zeitaufwand einer Teststrecke betrachtet wird. Die Laborprüfung ist bei innovativen Vorversuchen unumgänglich. Sie beschleunigt die Entwicklungsphase der Rezepturen.

Eine derartige Prüfung bringt gewaltige Vorteile für Bauherren und Bauunternehmungen mit sich:

·          Bauherren (Kantone, Gemeinden)

-          Sicherheit, dass eingebaute Beläge nachhaltig Lärm reduzieren

-          Vergleichbarkeit verschiedener Angebote

-          Sorgfältiger Umgang mit Steuergeldern

·          Baufirmen

-          Massiver Zeitgewinn bei der Entwicklung neuer Beläge

-          Nachhaltige Kostenreduktionen

-          Motivation/Impuls für eigenen Beitrag an Entwicklung leiser Strassenbeläge

Die direkten Nutzniesser sind die Mischgutanlagen, Bauunternehmen und Bauherren die mit relativ geringem Aufwand lärmarme Beläge mischen, prüfen und anbieten können. Indirekter Nutzniesser ist die Bevölkerung die in absehbarer Zeit kostengünstig und flächendeckend überall wo notwendig den Vorteil von lärmarmen Belägen wahrnehmen kann.

Methoden (Deutsch)

Siehe Projektbeschreibung

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Stahlwalzverdichter, Laborverkehrssimulator (IMPACT)

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Die verschiedenen lärmarmen Beläge werden aufgrund des Hohlraumgehaltes in dichte (z.B. MA mit Abstreuung), semi-poröse (z.B. ACMR) und poröse (z.B. PA) Bauweisen eingeteilt. Semi-poröse und dichte Fahrbahnbeläge werden in der Regel als dünne Schichten ausgeführt, während poröse Bauweisen (aus akustischen Gründen) mit grösseren Schichtdicken, teilweise auch zweischichtig, eingebaut werden.

Die Entstehung der Reifen-Fahrbahn-Geräusche basiert auf verschiedene Vorgänge, welche im Wesentlichen durch 3 Parameter der Belagsoberfläche beeinflusst werden:

–     Textur (Fahrbahnrauigkeit)

–     Porosität (Hohlraumgehalt, Grösse, Form und Zugänglichkeit der Poren)

–     Nachgiebigkeit bzw. Elastizität.

Alle drei Parameter lassen sich durch bautechnische Massnahmen steuern. Die Textur wird hauptsächlich durch Korngrösse und -form beeinflusst; aber auch die Art der Verdichtung des Belages – Glattmantelwalze, Vibrationswalze, Abstreuung – sowie die gewählte Schichtdicke, beeinflussen die Textur. Die Porosität wird primär durch Ausfallkörnungen im Korngemisch sowie durch Bindemittelgehalt bestimmt. Aber auch Korngrösse und Form der Gesteinskörnungen beeinflussen die Porosität [5], während poröse Zuschlagstoffe weitere Möglichkeiten eröffnen. Massgebend ist letztlich nicht der Hohlraumgehalt alleine, sondern die Zugänglichkeit der Poren, welche sich einerseits mit der Prüfung des Luftströmungswiderstandes und andererseits durch die Bestimmung der Schallabsorption charakterisieren lässt. Die Elastizität wird in erster Linie durch die gewählten Baustoffe, insbesondere der Bindemittelsorte beeinflusst. Um bei diesem Parameter einen nennenswerten Einfluss auf die Entstehung des Reifen-Fahrbahngeräusches zu erzielen wird es erforderlich sein, entweder das Bitumen in ganz anderen Grössenordnungen zu modifizieren als dies bisher der Fall war, oder andere Bindemittel zu verwenden.

Die aktuelle Herausforderung ist die langfristige Erhaltung der drei genannten Merkmale unter Verkehr und Umwelteinflüsse. Veränderungen der akustischen Eigenschaften entstehen durch oberflächennahe Verformungen, Umlagerungen, Abrieb und Kornausbruch, sowie Verschmutzung der Hohlräume. Diese langsamen, kontinuierlichen Prozesse gilt es durch bautechnische Massnahmen (Wahl der Baustoffe, spezieller Zusätze und Modifikationen, Mischgutzusammensetzung, Herstellung) zu bremsen. Dabei sind angemessene Kompromisse zwischen den akustischen Zielvorstellungen und den bautechnischen Notwendigkeiten, sowie den Anforderungen der Verkehrssicherheit gefragt.

Bis zum heutigen Zeitpunkt wurde auf nationaler sowie auf internationaler Ebene vorzugsweise über Erfahrungen mit erfolgreichen und weniger erfolgreichen Teststrecken publiziert. Dieses Vorgehen ist nicht nur sehr kostspielig, sondern auch zeitraubend. Erkenntnisse über Erfolg oder Misserfolg einer getroffenen Massnahme hinsichtlich der akustischen Dauerhaftigkeit sind erst nach Jahren verfügbar. Dieser Zustand ist sehr innovationshemmend.

Da die Veränderungen der akustischen Eigenschaften auf verschiedene Einflüsse zurückzuführen sind -Verkehrsbeanspruchung, Witterung, etc. - muss für die Entwicklung einer Laborprüfung der wichtigste Einflussparameter bekannt sein. Im Rahmen des Forschungspaketes LAB2003 konnte gezeigt werden, dass die Anzahl Überrollungen der entscheidende Einflussparameter ist. Diese Erkenntnis ist für die Entwicklung einer Laborprüfmethode zentral, denn die Entwicklungsarbeiten können dadurch auf die mechanische Beanspruchung durch Überrollen fokussiert werden.

Auf Eigeninitiative und mit eigenen Mitteln hat IMP ein derartiges Gerät konzipiert und erste Versuche gefahren. Dieser Prototyp I diente vor allem dazu, die Machbarkeit des Prüfverfahrens auszuloten und die Anforderungen an einen Prüfstand festzulegen.

Projektziele (Deutsch)

Festlegung der Prüfparameter für die labortechnische Beanspruchung von Platten

Um das Langzeitverhalten im Zeitraffer zu simulieren, ist die Oberflächenstruktur derart zu beanspruchen, dass weder Spurrinnen noch Abdrücke der Reifen-Profilklötze erzeugt werden. Die Oberfläche des Prüfkörpers soll im Labor praxisnah und vollflächig beansprucht werden, um die gleichen Mechanismen der Veränderungen der Oberfläche nachzubilden, wie sie in der Praxis entstehen.

Verwendung üblicher oder neuer Laborprüfverfahren

Die Prüfmethode soll mit Mischgutmengen durchführbar sein, welche im Labor mit üblichen Mischern hergestellt werden können. Übliche Labormischer sind in der Lage Chargen von ca. 50 bis 80 kg zu mischen. Für grössere Mengen sind spezielle Mischer erforderlich. Die Verdichtung soll gemäss EN 12697-33 mit einer Stahl-Glattmantelwalze erfolgen. Für die eigentliche mechanische Beanspruchung gibt es keine geeigneten Prüfgeräte auf dem Markt.

Validierung

Die Prüfmethode wird anhand der Begleitung und des Monitorings von Pilotstrecken validiert. Ebenfalls werden Platten aus dem EP1 sowie Prüfkörper (Belagsausschnitte) untersucht, welche aus den Pilotstrecken ausgebaut wurden.

Projektziele (Englisch)

Assessment of the testing parameters for the mechanical solicitation of specimen

To simulate the in situ long term behaviour, the surface structure has to be strained in way that avoids rutting as well as imprints of the tyre profiles. The specimen has to be strained over its whole surface in a very similar way as it happens in practice. 

Make use of traditional or novel laboratory test methods

The volume of hot-mix necessary to the test method should not exceed the patch volume of a traditional laboratory mixer. A traditional laboratory mixer produces batches of 50 to 80 kg. To produce larger volumes special mixers are needed. The compaction is achieved according to EN 12697-33 with a smooth steel roller compactor. No appropriate apparatus is available in the market for the mechanical solicitation of the surface.

Validation

The validation of the test method occurs through the long term monitoring of test fields. A further validation will be achieved by testing slabs from EP1 and from the test fields.

Forschungsplan (Deutsch)

 siehe Tabelle unten

Zugehörige Dokumente

• Tabelle.pdf [PDF] 79 kB

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Im Rahmen der Umsetzung der Lärmschutzverordnung sollten alle Lärmsanierungen entlang der Haupt- und übrigen Strassen erfolgt sein. Das Umweltschutzgesetz sieht in Art. 11 grundsätzlich vor, dass der Lärm an de Quelle zu begrenzen ist.

In diesem Zusammenhang leistet eine Beschleunigung der bisherigen Innovationsprozesse (bisher ca. 5 Jahre Beobachtungszeit) um Faktor 50 (IMPACT sollte Information innert Monatsfrist liefern) einen entscheidenden Impuls zur Bewältigung der anstehenden Probleme.

Berichtsnummer (Deutsch)

1559

Berichtsnummer (Englisch)

1559

Literatur (Deutsch)

[1]       Angst C., Beltzung F., Bosshardt D., Grolimund H.-J., Pestalozzi H., Lärmarme Strassenbeläge innerorts, Schlussbericht 2007, www.umwelt-schweiz.ch/div-6002-d (2008)

[2]       Angst C., Beltzung F., Bosshardt D., Grolimund H.-J., Bühlmann E., Lärmarme Strassenbeläge innerorts, Jahresbericht 2009, www.umwelt-schweiz.ch/ud-1022-d (2010)

[3]       Beckenbauer T., Spiegler P., Blokland G., Kuijpers A., Reinink F., Huschek S., Einfluss der Fahrbahntextur auf das Reifen-Fahrbahngeräusch, Bonn, Bundesministerium für Verkehr, FSS Heft 847 (2002)

[4]       Bendtsen H., Lu Q., Kohler E., Acoustic aging of asphalt pavements, Danish Road Institute, Report 171 (2009)

Pouteau B., Ech M., Yotte S., Breysse D., Laboratory assessment of road macrotexture durability, 4th Eurasphalt & Eurobitume Congress, Copenhagen (2008)