Construction material and structural optimised asphalt pavements

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. F. Wellner; Dr.-Ing. A. Zeißler, Dresden

Ausgangspunkt ist die Unzulänglichkeit der derzeit in der Praxis angewandten Methoden zur Dimensionierung von Befestigungen sowie zur Optimierung der Baustoffe in Anbetracht der bereits erreichten und der zu erwartenden Steigerung der Verkehrsbelastung und der Veränderung des Klimas. Beispiele zeigen, wie sich bei detaillierter Betrachtung der Zusammenhänge diese Unzulänglichkeiten erkennen lassen um Grundlagen zur Lösung zu schaffen.

The starting point is the shortage of the methods for the analytical design of pavements in practice as well as the methods for the optimization of the building materials used in pavement construction under consideration of the traffic volume rise reached and expected and the climate change. Examples show how deficits can be identified by a detailed investigation of the relationships in order to form a basis for solving these deficits.

Possibilities and limits of the Ground Penetrating Radar for asphalt
Dr.-Ing. M. Hülsbömer, Münster

Im Sommer 2020 wurde das FE-Projekt „Möglichkeiten und Grenzen des Georadarverfahrens“ (FE 04.0284/2014/MRB) im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, durch den Forschungsnehmer FH Münster, in Kooperation mit der Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH und der Rudolf Hilgenroth GmbH & Co. KG, erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Projekts war die Eruierung der derzeitigen Einsatzmöglichkeiten des zerstörungsfrei agierenden Georadars bei der Untersuchung von Straßenbefestigungen aus Asphalt unter Anwendung objekt- und netzbezogener Messungen. Anhand umfassender Versuchsprogramme auf einer eigens konzipierten Versuchsstrecke im sauerländischen Sundern (Objektebene) sowie im Bundesfernstraßennetz in drei Bundesländern (Netzebene) wurden Untersuchungen in Bezug auf die Quantifizierung der elektromagnetischen Materialeigenschaften von Asphalt (insbesondere der relativen Permittivität εr), sowie Analysen und Interpretationen von Strukturen in den Straßenbefestigungen durchgeführt. Hierzu zählten insbesondere die Untersuchung der Detektierbarkeit und Erkennung von lokalen Strukturen, wie zum Beispiel Substanzschädigungen in Form von Rissen, sowie von flächigen Strukturen, wie zum Beispiel vollflächige Schichtablösungen durch mangelhaften Schichtenverbund. Hierbei stand ebenfalls die Untersuchung von potenziellen eindeutigen Identifikationsmerkmalen im Fokus, um eine Grundlage für standardisierte Auswertealgorithmen anhand spezifischer und wiederkehrender Muster in den Georadar-Daten zu schaffen, um zukünftige Auswertungen und Interpretationen zu systematisieren. Darüber hinaus wurden Vorschläge für die Abschätzung homogener Abschnitte anhand mehrerer Homogenitätskriterien, wie das Schichtenmodell oder flächige Strukturelemente (Schichtablösungen oder hohlraumreiche Asphaltschichten) entwickelt. Das Projekt diente zudem der Schaffung eines breiteren Erfahrungshintergrunds in Bezug auf die erzielbare Messgenauigkeit des Verfahrens unter Berücksichtigung der derzeit einsetzbaren Messtechnik bei der Wiedergabe von einzelnen Schichten in einer Asphaltbefestigung.

In summer 2020, the FE project "Possibilities and limits of the Ground Penetrating Radar" (FE 04.0284/2014/MRB) was successfully completed on behalf of the Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure, represented by the Federal Highway Research Institute, by the research contractor University of Applied Sciences Münster, in cooperation with the engineering company PTM Dortmund mbH and Rudolf Hilgenroth GmbH & Co. KG. The aim of the project was to investigate the current application possibilities of the non-destructive Ground Penetrating Radar (GPR) during the investigation of asphalt road pavements using object and network-related measurements. Based on comprehensive test programmes on a specially designed test track in Sundern (Sauerland) (object level) and in the federal trunk road network in three federal states (network level), investigations were carried out with regard to the quantification of the electromagnetic material properties of asphalt (in particular the relative permittivity εr), as well as analyses and interpretations of structures within the road pavements. This included, in particular, the investigation of the detectability and recognition of local structures, such as structural damages in form of cracks, as well as of two-dimensional structures, such as full-surface layer detachment due to defective layer bonding. The focus was also on the investigation of potential unique identification features in order to create a basis for standard evaluation algorithms based on specific and recurring patterns in the GPR data in order to systematise future evaluations and interpretations. Furthermore, proposals for the estimation of homogeneous sections based on several homogeneity criteria, such as the layer model or twodimensional structural elements (layer detachments or asphalt layers with a lot of voids) were developed. The project also served to create a broader background of experience with regard to the achievable measurement accuracy of the method, taking into account the measurement technology currently available for reproducing individual layers in an asphalt pavement.

Use of concrete construction with continuous reinforcement– Current status and planned activities in Germany

ORR Dipl.-Ing. S. Höller, Bergisch Gladbach

Die Verkehrsbelastung und der Anteil des Schwerverkehrs auf deutschen Straßen und Autobahnen steigen nahezu stetig. Hinzu kommen die Auswirkungen des Klimawandels, die Verknappung von Ressourcen und ein zunehmender Fachkräftemangel. Bisher konnte die Straßeninfrastruktur trotz der vielfältigen Herausforderungen auf einem hohen Niveau gehalten werden, aktuelle Untersuchungen zeigen aber, dass dafür eine hohe Anzahl und Dauer von Baustellen erforderlich ist, wodurch die Verfügbarkeit zunehmend eingeschränkt wird. Um die Mobilität zukünftig zu gewährleisten, sind deshalb Bauweisen mit maximaler Nutzungsdauer und minimalen Erhaltungsaufwendungen bei minimalen Verkehrseinschränkungen und minimalem Personalaufwand während des gesamten Lebenszyklus erforderlich. In Deutschland werden Betonfahrbahndecken als unbewehrte Platten mit Querfugen in regelmäßigen Abständen gefertigt und für Nutzungsdauern von 30 Jahren dimensioniert. Die Querfugen stellen dabei den schwächsten Teil in der Konstruktion dar. Betonfahrbahndecken können auch in einer anderen Bauweise gefertigt werden: als durchgehend bewehrte Betonfahrbahndecken (DBB). Dies wird u. a. in Belgien und den USA standardisiert ausgeführt. Dabei werden keine Querfugen hergestellt, sondern es stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, wird die Rissöffnungsweite durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung beschränkt. Als fugenlose Bauweise eignet sich die DBB in besonderem Maße für eine direkte oder spätere Überbauung mit einer Asphaltdeckschicht. Ausländische Erfahrungen zeigen, dass mit der DBB eine längere Nutzungsdauer und ein höherer Fahrkomfort erreicht werden und weniger Erhaltungsmaßnahmen erforderlich sind als mit anderen Bauweisen. Aufgrund der höheren Kosten dieser Bauweise ist es erforderlich, ihre Wirtschaftlichkeit – oder gar ihre Nachhaltigkeit – über den gesamten Lebenszyklus abzuschätzen, bevor eine größere Anwendung in Deutschland in Betracht gezogen werden kann. Von 1997 bis heute wurden in Deutschland sechs Versuchsstrecken mit DBB eingerichtet und dabei alle Teilaspekte dieser Bauweise betrachtet. Im Rahmen des laufenden Forschungsprojekts „Asphaltdeckschicht auf durchgehend bewehrter Betondecke“ untersuchen das ISAC, die RWTH Aachen und das Ingenieurbüro AB Road aus Brüssel im Auftrag der BASt diese Strecken, vergleichen sie mit Strecken in Belgien und nehmen eine Bewertung vor. Die Ergebnisse werden im Rahmen einer neuen Erprobungsstrecke baupraktisch umgesetzt. Gleichzeitig erarbeitet der FGSV-Arbeitskreis 8.3.4 ein Merkblatt und ebnet damit den Weg für eine standardisierte Anwendung auf Bundesautobahnen.

The traffic load and the proportion of heavy traffic on German roads and motorways are increasing almost constantly. Added to this are the effects of climate change, the scarcity of resources and an increasing shortage of skilled workers. So far, the road infrastructure has been able to be kept at a high level despite the many challenges, but current studies show that this requires a large number and duration of construction sites, which means that availability is increasingly restricted. In order to guarantee mobility in the future, construction methods with a maximum service life and minimum maintenance costs with minimum traffic restrictions and minimum personnel are required over the entire life cycle. In Germany, concrete pavement are manufactured as unreinforced slabs with transverse joints at regular intervals and dimensioned for a service life of 30 years. The transverse joints represent the weakest part of the construction. Concrete pavement can also be manufactured in a different way: as continuously reinforced concrete pavement (CRCP). This is standardized in Belgium and the USA, among others. There are no transverse joints, but a free crack pattern with narrow strips of slabs. In order to ensure the transmission of shear forces, the crack opening width is limited by the arrangement of a continuous longitudinal reinforcement. As a construction without joints, CRCP is particularly suitable for direct or later use of an asphalt top layer. Experiences from abroad show that CRCP achieves a longer service life and greater driving comfort and that fewer maintenance measures are required than with other types of construction. Due to the higher costs of this type of construction, it is necessary to assess its economic viability – or even its sustainability – over the entire life cycle before a larger application in Germany can be considered. From 1997 up to now, six test sections with CRCP have been set up in Germany and all aspects of this construction method have been considered. As part of the current research project "Asphalt top layer on continuously reinforced concrete pavement", the ISAC, the RWTH Aachen University and the consultant AB Road from Brussels are examining these sections together with the BASt, comparing them with sections in Belgium and making an assessment. The results will be implemented in a practical manner as part of a new trial site.At the same time, the FGSV working group 8.3.4 is developing a manual, paving the way for standardized use on federal motorways.