Environmental sustainability potentials along the life cycle of road constructions

Univ.-Prof’in Dr.-Ing. T. Kessel; C. Falter, M. Sc., Braunschweig

Die zunehmende Ressourcenverknappung und der voranschreitende Klimawandel führen zum Umdenken und der Restrukturierung von Prozessen in jeglichen Wirtschaftszweigen. Die Straßeninfrastruktur ist eine wesentliche Grundlage zur Sicherung privater und gewerblicher Verkehrsströme und ist folglich ein wichtiger Baustein zur Sicherung der fortwährenden Prosperität des Wirtschaftsstandorts Deutschland. Gleichzeitig stellt der Infrastrukturbau einen wesentlichen Verbraucher von Ressourcen und Emittenten von Treibhausgasen dar. Zur langfristigen Sicherung der Verfügbarkeit der Straßeninfrastruktur unter gleichzeitiger Reduzierung ökologischer Auswirkungen, die durch Errichtung und Instandhaltung sowie Erneuerung entstehen, ist es notwendig, Einsparpotenziale entlang des Lebenszyklus eines Straßenbauwerks zu identifizieren sowie diese Potenziale zu heben. Straßenbauwerke zeichnen sich durch besonders lange Nutzungsdauern sowie einen hohen Ressourcenverbrauch im Zuge der Errichtung und der Erhaltungsmaßnahmen während der Betriebsphase aus. Simultan zur Ermittlung der wirtschaftlichen Aufwendungen der baulichen Maßnahmen sind Betrachtungen der ökologischen Dimension der Nachhaltigkeit des Einzelbauwerks anzustellen. Entlang des Lebenszyklus sind Einsparpotenziale zu qualifizieren und auf Basis rechnerischer Nachweise auch quantitativ zu ermitteln, um damit eine belastbare Entscheidungsgrundlage für den Bauherrn zu bilden. Zur Abbildung der ökologischen Aufwendungen, die im Rahmen der baulichen Maßnahmen von der Errichtung über den Betrieb bis zur Entsorgung der Straße anfallen, lässt sich der Lebenszyklus einer Straßenbaumaßnahme in zwei Phasen unterscheiden. Die lineare Phase verläuft von der Materialgewinnung bis zur finalen Errichtung der Straße. Mit dem Übergang in die Betriebsphase der Straße setzt die zyklische Phase des Lebenszyklus ein. Das Ziel der baulichen Instandhaltungs- und  Erneuerungsmaßnahmen ist es, die Straße jederzeit in den betriebsbereiten Zustand zu versetzen und damit die Verfügbarkeit zu gewährleisten. Im Rahmen des Forschungsprojekts „Ökologische Nachhaltigkeitspotentiale im Lebenszyklus der Straße“, welches das IIM gemeinsam mit dem Institut für Straßenwesen (TU Braunschweig), der PwC GmbH und der Umtec Technologie AG im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchführt, werden die baulichen Maßnahmen entlang des Lebenszyklus hinsichtlich des Ressourcenverbrauchs, des Energieverbrauchs sowie der Freisetzung von Treibhausgasemissionen analysiert. Die Einsparmaßnahmen zu den drei Wirkungskategorien werden modular den einzelnen Aktivitäten entlang des Lebenszyklus zugeordnet. Grundlage dieser modularen Darstellung bilden die Informationsmodule gemäß DIN EN 15643.

The increasing scarcity of resources and advancing climate change are leading to a change and restructuring of processes in every sector of the economy. Road infrastructure is an essential basis for securing private and commercial traffic flows and is consequently an important building block for ensuring the continued prosperity of economies, such as Germany as a vital business location. At the same time, infrastructure construction consumes a significant amount of resources and is a leading emitter of greenhouse gases. To ensure the long-term availability of road infrastructure while at the same time reducing the ecological impact of construction, maintenance and renewal, it is necessary to identify potential savings along the life cycle of a road structure and to exploit this potential. Road structures are characterized by particularly long useful lives and a high consumption of resources in the course of construction and maintenance measures during the operating phase. Simultaneously with the determination of the economic expenditure of the construction measures, the ecological dimension of the sustainability of each individual structure must be considered. Along the life cycle, savings potentials need to be qualified and determined quantitatively on the basis of mathematical evidence in order to form a reliable basis for decision-making for the client. The life cycle of a road construction can be divided into two phases in order to illustrate the environmental expenses incurred in the course of the construction measures, from construction to operation to disposal of the road. The linear phase runs from material extraction to the final construction of the road. The cyclical phase of the life cycle begins with the transition to the operational phase of the road. The aim of the structural maintenance and renewal measures is to ensure that the road is ready for operation at all times and thus to guarantee its availability. The scope of the research project "Environmental Sustainability Potentials in the Life Cycle of Road Constructions" includes the analysis of structural measures along the life cycle with regard to resource consumption, energy consumption and greenhouse gas emissions. The savings measures for the three environmental impact categories are assigned to the individual activities along the life cycle in a modular way. The modular structure is based on the principles according to the DIN EN 15643.

doi.org/10.53184/STA4-2023-1

On the way to digital processes and test data in road construction

Dipl.-Ing. S. Kübler, Bonn

Der Umgang mit Eignungsnachweisen, Kontrollprüfungen und Kontrollprüfergebnissen im Straßenbau basiert bisher vielfach auf der Nutzung von papierbasierten Formaten. Dies führt dazu, dass die gewonnenen Informationen nur sehr eingeschränkt oder gar nicht langfristig vorgehalten werden und in Folgeprozessen im Lebenszyklus der Straße häufig nicht mehr zur Verfügung stehen, um sie dort weiter zu nutzen (z. B. im Rahmen des  Erhaltungsmanagements oder zur Beurteilung von unterschiedlichen bautechnischen Fragestellungen). Dies führt dann zu wenig Effizienz und zusätzlichen Kosten für die nachträgliche Ermittlung von Informationen, die in der Bauphase bereits in hoher Qualität vorgelegen haben. Zudem können aus technischer Sicht viele Rückschlüsse nicht gezogen werden (z. B. zur möglichen Ursache von ungewöhnlichen Zustandsveränderungen), die auf Grundlage von verlässlichen Angaben auch im Nutzungszeitraum der Straßen einen Bezug zu Informationen aus der Bauphase notwendig machen. Es ist daher erforderlich, die im Rahmen von Kontrollprüfungen gewonnenen Angaben zukünftig in digitaler Form zu erzeugen, auszutauschen und weiterzuverarbeiten. Mit dem Projekt EQUBAR wird hierfür eine zentrale Plattform geschaffen, für die die Nutzung des Objektkatalogs für das Straßen- und Verkehrswesen (OKSTRA) eine technologische Grundlage darstellt. In der Vorphase des Projekts sind Weiterentwicklungen und neue Produkte im OKSTRA-Umfeld erstellt worden, um die Grundlagen für den Umgang mit digitalen Prozessen und Prüfdaten im Straßenbau zu schaffen.

In the execution phase of road construction projects, a large amount of information is generated in the course of testing the used materials, the mixtures of materials and the finished work during the maintenance, reconstruction, extension or new construction of roads. In many cases, the analog usability of this information ends with the acceptance of the construction work. Since 2017, the Federal Ministry for Digital and Transport has conceived, initiated and driven forward the realization of functional and content-related additions and extensions in the OKSTRA environment in order to provide and establish a standard format as a basis for the digitization of test data in road construction. These are already available for use in other applications. With the EQUBAR system, the OKSTRA-XML data format is to be used for the generation and exchange of test data containing quality-assured information from suitability certificates and control test results, in order to be able to exchange and further process these between the involved parties. The software platform required for this purpose is scheduled to go live in 2024 and support the digital generation and use of test data in road construction.

doi.org/10.53184/STA4-2023-2

Water susceptibility of sand for asphalt

Dipl.-Ing. Dr. H. Kugler, A-Trumau, Österreich

Der Qualität von feinen Gesteinskörnungen (< 2 mm) im Anwendungsbereich Asphalt wird lediglich eine untergeordnete Bedeutung zugewiesen, eine Prüfung erfolgt derzeit nur über das Methylenblau(MBF)- sowie das Sandäquivalent(SE(10))-Verfahren. Für beide Verfahren könnten in absehbarer Zeit auf europäischer Ebene Kategorien definiert werden, denen auf nationaler Ebene Qualitäten zugeordnet werden müssen. Daher wurden das MBF- und das SE(10)-Verfahren sowie alternativ das Schüttelabriebverfahren im Rahmen des Forschungsprojekts „Qualifine“ hinsichtlich ihrer Aussagekraft evaluiert. Dazu wurden sowohl definierte künstliche als auch 35 natürliche Mineralgemenge herangezogen und im Hinblick auf mineralogische Zusammenhänge ausgewertet. Ergänzend wurden Datensammlungen aus Deutschland zur Prüfung der Wasserempfindlichkeit feiner Gesteinskörnungen für Asphalt ausgewertet, um die Forschungsergebnisse zu prüfen. Die Daten konnten die Forschungsergebnisse bestätigen und erweitern. Demnach hat sich das SE(10)-Verfahren als ungeeignet erwiesen, weil es nicht sensitiv gegenüber hohen Anteilen quellbarer Tonminerale ist. Der MBF-Versuch weist zumindest im niedrigeren Wertebereich (< 10 [g/kg]) eine unbefriedigende Wertespreizung und Differenzierbarkeit natürlicher Materialien auf. Dies trifft in gleichem Maß auf die Beurteilung der Wasserempfindlichkeit Ws gemäß DIN EN 1744-4 zu. Der Schüttelabrieb stellt hingegen wegen seines Performance-Charakters sowie einer guten Differenzierbarkeit der untersuchten Materialien den geeignetsten Versuch zur Bewertung der Qualität von feinen Gesteinskörnungen dar. Dem wird dahin gehend Rechnung getragen, dass der Schüttelabrieb am Sand, aber auch am Füller in den TL-Gestein-StB implementiert wird und umgekehrt weder MBF- noch SE(10)-Werte ermittelt werden müssen. Hinsichtlich Anforderungswerten besteht in Deutschland bundesweit noch kein Konsens, eine im Anhang A der TL-Gestein-StB angeführte Tabelle mit gestein sspezifischen Wertebereichen von Schüttelabrieben kann aber als Beurteilungsgrundlage zur Einschätzung der Sandqualität herangezogen werden.

The quality of fine aggregates (< 2 mm) in the asphall application area is only assigned secondary importance. Testing is currently only carried out using the methylene blue (MBF)and sand equivalent (SE (10))-method. For both methods, categories could be defined at European Ievei in the foreseeable future, to which qualities must be assigned at national Ievel. Therefore, the MBF- and SE (10)-method as weil as alternatively the method of shaking abrasion lest were evaluated within the research project “Qualifine” with regard to their informative value. For this purpose, both defined artificial and 35 natural mineral aggregates were used and evaluated with regard to mineralogical correlations. in addition, data collections from Germany for testing the water sensitivity of fine aggregates for asphall were evaluated to verify the research results. The data could confirm and extend the research results. According to this, the SE (10)-method proved to be unsuitable because it is not sensitive to high proportians of swellable clay minerals. At least in the lowervalue range (< 10 [g/kg]), the MBFtest shows an unsatisfactory spread of values and differentiability of natural materials. This also applies to the assessment of the water sensitivity Ws according to DIN EN 1744-4. The shaking abrasion test, on the other hand, is the most suitable lest for assessing the quality of fine aggregates due to its performance character and the good differentiability of the materials tested. This is Iaken into account in that the shaking abrasion test on the sand, but also on the filler, is implemented in the TL-Gestein-StB and, conversely, neither MBF nor SE (10) values have to be determined. There is still no nationwide consensus in Germany on the required values, but a table in Annex A of the TL-Gestein-StB with rock-specific ranges of values for shaking abrasion test can be used as a basis for assessing the sand
qualities.

doi.org/10.53184/STA4-2023-3