Forschung

Kooperationspartner:

• Technischen Universität Dresden
• Laserinstitut, Hochschule Mittweida
• SINUS Messtechnik GmbH Leipzig,
• Wolf Straßen- und Tiefbau GmbH
• Chemnitzer Baustoffprüfgesellschaft mbH
• Gesellschaft für Akustikforschung Dresden mbH

Fördermittel:

Arbeitsgemeinschaft Industrielle Forschung (AIF) im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Laufzeit:  2020 -2023

Ziel des Projektes ist die Erforschung und Entwicklung einer neuartigen opto-akustischen Messtechnologie für die fahrende, zerstörungsfreie Bestimmung des strukturellen Zustands von Asphaltfahrbahnen. Diese basiert auf der Impulseinkopplung hochenergetischer Laserpulse (laserinduzierten Schockwellenanregung), die in der Fahrbahnoberfläche eingetragen werden. Aus den Ausbreitungs- und Reflexionsmustern der so generierten Körperschallwellen sollen Informationen zur Steifigkeit bzw. mechanischen Eigenimpedanz des Schichtaufbaus gewonnen werden, über die sich Rückschlüsse auf die innere Zusammensetzung, den Schichtverbund & Eigenschaften der Asphaltstruktur ziehen lassen. Dies macht eine Modellierung der zeitlichen Veränderung der Asphaltstruktur möglich und bietet einen fundierteren Ansatz für die Vorhersage zur Haltbarkeit/ Lebensdauer des Fahrbahnaufbaus. Im Fokus stehen dabei zunächst Asphaltbeläge, die sich i. d. R. dreischichtig aufbauen und die größten Anteile der Autobahnen und Bundesstraßen auf sich vereinen.

Kooperationspartner:

• Pof. Wellner, N. Michailenko, TU Dresden,
• Prof. Zander, M. Buch, Universität Siegen,
• Pof. Hübelt, J. Röder, Hochschule Mittweida

Fördermittel:

Bundesanstalt für Straßenwesen
Nationales Innovationsprogramm Straße
„Innovationen im Straßenbau
–Zerstörungsfreie Verfahren zur Bewertung der strukturellen Substanz“

 Bericht:ForschungsberichtFE 88.0136/2014.pdf

Laufzeit:  2014 -2016

Ziel des Forschungsprojektes war es, Grundlagen für ein zerstörungsfreies Prognoseverfahren zu schaffen und ggf. zu bewerten.

Zunächst wurde im Rahmen des Projektes ein Schichtenmodell der Asphaltstruktur erweitert und mit den Messergebnissen des Druckschwellversuchs erfolgreich verglichen. Weiterhin wurden in-situ-Messungen auf Oberbauvarianten der Modellstraße der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt. Für dessen Auswertung sind das Punktimpedanz-Verfahren und das Transferimpedanz-Verfahren weiterentwickelt und zur Anwendung gebracht worden. Grundsätzlich konnte nachgewiesen werden, dass die Schwingungamplituden auch berührungslos mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers bestimmt werden können.

Laborversuche an verschiedenen Asphaltgemischvarianten zeigten außerdem, dass es offenbar möglich sein kann, durch die Verfolgung der Masterfunktion über die Nutzungsdauer und bei vorab asphaltspezifisch bestimmter Ermüdungsfunktion, Prognoseberechnungen durchzuführen. Aufbauend auf die vorliegenden Untersuchungsergebnisse und aus den Laborversuchen ist für ein zerstörungsfreies Prognoseverfahren die folgend dargestellte Vorgehensweise denkbar:

-        Bestimmung der relevanten Funktionen (Masterfunktion und Ermüdungsfunktion) an den Asphalten unmittelbar vor (Entnahme an der Mischanlage) oder ggf. nach dem Einbau (an Bohrkernen). Aus den Ergebnissen der Laboruntersuchungen des Projektteiles der TU Dresden kann in erster Näherung davon ausgegangen werden, dass sich während der Nutzungsdauer infolge voranschreitender Schädigung zwar die Masterfunktion ändert (Verringerung des Steifigkeitsmoduls = Absolutbetrag des Komplexen Elastizitätsmoduls), die Ermüdungsfunktion näherungsweise jedoch als unveränderlich über die Zeit angenommen werden kann.

-        zerstörungfreie Ermittlung der Veränderung der Masterfunktion während der Nutzungsdauer (Niveau und Streuung des Steifigkeitsmoduls) für die einzelnen Asphaltschichten. Hierfür kann das Verfahren, entwickelt in dem Projektteil der HS Mittweida angewendet werden. Mit Hilfe der so bestimmten Masterfunktion und der am Ausgangsasphalt bestimmten Ermüdungsfunktion können dann mit dem Verfahren nach den RSO Asphalt während der Nutzungsdauer zerstörungsfrei Prognoserechnung zur Bestimmung der Nutzungsdauer erfolgen, vorausgesetzt der Temperaturverlauf in den Asphaltschichten während des Messzeitpunktes ist bekannt.

Hierzu könnten entweder Temperatursensoren, welche in die Befestigung in verschiedenen Tiefen eingebaut werden, dienen. Möglicherweise kann der Temperaturverlauf auch auf der Grundlage der Ermittlung der maßgebenden Einflussfaktoren (Lufttemperatur, Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit, Oberflächentemperatur), beobachtet über einen ausreichend langen Zeitraum vor der Messung, rechnerisch ermittelt werden.

Auch der Einfluss der Alterung sowohl auf die Entwicklung des Steifigkeitsmoduls (Masterfunktion) als auch auf die Ermüdungsfunktion ist weitestgehend unbekannt. Zur Temperatur- und Alterungsproblematik besteht dringender Forschungsbedarf.

Denkbar ist eine Überprüfung der auf den zerstörungsfrei ermittelten Berechnungsgrundlage berechneten Nutzungsdauern, in größeren Zeitabständen zur Validierung der Ergebnisse und Kalibrierung des Verfahrens.

Zusammenfassend ist dringender Forschungsbedarf zu den folgenden Themen abzuleiten:

-        Auswirkung der Lastpausen auf die relevanten Funktionen (Master- und Ermüdungsfunktion),

-        Auswirkung der Alterung auf die relevanten Funktionen,

-        Bestimmung des Temperaturverlaufes über die Höhe des Asphaltschichtenpaketes zum Messzeitpunkt,

Weiterentwicklung des Transferimpedanz-Verfahrens, um ebenfalls Aussagen zur Binderschicht treffen zu können.

Eine fundierte und abgesicherte Ermittlung des Zustandes der vorhandenen strukturellen Fahrbahnsubstanz einhergehend mit der Berechnung der Restnutzungsdauer ist für alle Straßenbauverwaltungen für die Prognose von Aufwendungen sowie für die bauliche Erhaltung von herausragender Bedeutung. Die dringende Notwendigkeit einer Substanzbewertung auf Netzebene erfordert den Einsatz eines Messsystems, das in der Lage ist, Strukturparameter von Streckenabschnitten hinreichend genau und vor allem sachgerecht interpretierbar zu erfassen.

Bisher wird der Zustand von Fahrbahnbelägen anhand von Bohrkernen ermittelt. Dabei werden der Fahrbahn Proben entnommen, die erst im Anschluss im Labor untersucht werden können. Das Verfahren ist somit nicht zerstörungsfrei und kann darüber hinaus nur an ausgewählten Stellen eingesetzt werden.

Das nunmehr im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Hochschule Mittweida entwickelte Verfahren basiert auf der harmonischen Kraftanregung des Fahrbahnbelages. Hierbei werden zwei Beschleunigungsaufnehmer in unter­schiedlichen Abständen vom Anregungsort positioniert. Anhand der komplexwertigen Übertragungsfunktion zwischen den Sensorsignalen kann auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Körperschallwellen in der Fahrbahn und somit auf den Zustand des Belages geschlossen werden. Das Verfahren funktioniert zerstörungsfrei, kann flächendeckend Anwendung finden und liefert die Ergebnisse unmittelbar nach der Messung.

Fördermittelgeber: Bundesanstalt für Straßenwesen

Im Rahmen des Forschungsprojektes werden Untersuchungen zur Onlineprozessüberwachung für die Bearbeitungsprozesse Laserschweißen, Laserschneiden und –strukturieren, sowie das Lasersintern durchgeführt.

Derzeit sind dafür optische Sensoren im Einsatz. Diese stoßen jedoch im Hinblick auf Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Aussagekraft an ihre Grenzen. Mit der Anwendung schalltechnischer Sensoren, wie Mikrofon und Beschleunigungssensor, sollen daher neue Möglichkeiten der Prozessüberwachung untersucht werden. Denkbar ist auch der Einsatz einer Kombination aus optischen und akustischen Sensoren. Dieser Ansatz erlaubt unter Umständen eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Prozessüberwachung und der Aussagekraft der Messwerte.

Fördermittelgeber: ESF und Land Sachsen

Der zugängliche Hohlraumgehalt von offenporigen Asphalten wird in der Regel an Bohrkernen bestimmt. Dieses Verfahren bedingt die Entnahme von Material aus der Asphaltdeckschicht und kann somit nicht als zerstörungsfreie Methode angesehen werden. Die Bestimmung des Hohlraumgehaltes kann auf diese Weise nur exemplarisch an bestimmten Stellen, jedoch nicht flächendeckend und somit i.d.R. nicht mit statistischer Sicherheit bestimmt werden. Da der zugängliche Hohlraumgehalt erst nach dem Einbau an der bereits erkalteten Deckschicht ermittelt werden kann, ist darüber hinaus eine Einflussnahme auf die Verdichtung noch während der Bauausführung ausgeschlossen.

Es erweist sich somit als erforderlich, eine zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung des zugänglichen Hohlraumgehalts zu entwickeln, die ein Intervenieren während des Verdichtungsprozesses erlaubt.

Aufbauend auf dem phänomenologischen Modell für poröse Absorber wurde ein Verfahren entwickelt, das die Berechnung des zugänglichen Hohlraumgehalts aus der Oberflächenimpedanz der offenporigen Asphaltschicht ermöglicht. Zur Messung der Wandimpedanz wurde eine PU-Sonde verwendet. Ihre prinzipielle Eignung für den Anwendungszweck ist hierbei in Laboruntersuchungen getestet worden. Ein erster Prototyp eines Messsystems wurde entwickelt und unter Praxisbedingungen eingesetzt. Seine Weiterentwicklung sowie weitere messtechnische Untersuchungen an realen Probestrecken sind vorgesehen.

• Jörn Hübelt, Christian Kühnert, Uta Figula, Frohmut Wellner, Anita Blasl: Zerstörungsfreie Prüfung des zugänglichen Hohlraumgehalts von offenporigen Fahrbahnbelägen. Deutsche Jahrestagung für Akustik, Berlin, 2010.
• Jörn Hübelt, Christian Kühnert, Uta Figula, Frohmut Wellner, Anita Blasl: Estimation of the porosity of asphalts by surface impedance measurement. 17th International Congress on Sound and Vibration (ICSV17), Cairo, 2010.

Fördermittelgeber: AIF mit Unterstützung des Deutschen Asphaltinsituts