Abschätzung der herstellungsbedingten Qualität und Lebensdauer von Asphaltdeckschichten mit Hilfe der Risikoanalyse

Die Lebensdauer einer Straßenbefestigung und ihr Verhalten während der Nutzungsphase hängen in hohem Maße ab einerseits von der Qualität der verwendeten Materialien und der Herstellung und andererseits von der Belastung der Straße durch Verkehr und von den Einwirkungen aus Umwelt und Klima während der Nutzungsphase. Sie ist im Sinne der technischen Lebensdauer definiert als die Dauer von der Herstellung der Asphaltschicht bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie dem bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht mehr genügt. Der bestimmungsgemäße Gebrauch lässt sich bei der Asphaltdeckschicht mit den geforderten Oberflächeneigenschaften beschreiben, die auch im Rahmen der Zustandserfassung und ‑bewertung (ZEB) ermittelt werden. Demnach entspricht das Ende der Lebensdauer dem Zeitpunkt, an dem die betrachtete oder die relevante Eigenschaft den Warn- oder spätestens den Schwellenwert nach ZEB überschreitet. Die Qualität der verwendeten Materialien und die Rahmenbedingungen bei dem gesamten Herstellungsprozess der Asphaltschicht variieren im Straßenbau, sodass auch innerhalb der hierfür definierten Grenzwerte die resultierenden Eigenschaften der Asphaltdeckschicht und demzufolge die Erfüllung der an sie gestellten Anforderungen schwanken. Die Verkehrsbelastung lässt sich über die Lebensdauer näherungsweise prognostizieren, ihre Varianz infolge des Verkehrs bzw. der Fahrzeuge selbst sowie deren Interaktion mit dem Fahrbahnzustand bleibt nach bisheriger Vorgehensweise in der Regel unberücksichtigt. Die Einwirkungen aus Umwelt und Klima lassen sich bei einer langfristigen Betrachtung wie bei der Bemessung nach RStO 01 aufgrund der Stetigkeit des Klimas näherungsweise adäquat beschreiben. Für eine kurz- bis mittelfristige Betrachtung, wie bei der Prognose der Lebensdauer der Asphaltdeckschicht, ist aber die Berücksichtigung der von dem langjährigen Mittel abweichende Ausprägung des Wetters und der Witterung mit ihren Wahrscheinlichkeiten erforderlich. Weiterhin setzen die Untersuchungen und entwickelten Ansätze der letzten Jahre für die Prognose der Zustands­entwicklung und der (Rest-)Lebensdauer den Bestand der betrachteten Fahrbahnbefestigung und eine bestimmte vergangene Nutzungsdauer voraus. Mit der Arbeit sollte daher ein Fundament für die Abschätzung der Lebensdauer von Asphalt­befestigungen geschaffen werden, bei der die relevanten Größen einschließlich ihrer Unsicherheiten einbezogen werden. Dazu wurden die unterschiedlichen Prozesse und ihre Interaktion im Rahmen der Herstellung der Asphaltdeckschicht und die dadurch bedingte Veränderung der aus der ZEB bekannten Zustandsgrößen während der Nutzung analysiert und systematisch in mehreren theoretischen Teilmodellen – von der Herstellung des Asphaltmischguts bis hin zum Ende der Lebensdauer der Asphaltschicht – abgebildet. Diese Teilmodelle bestehen aus Eingangsgrößen, die durch verschiedene, sich aus Zuständen und Aktionen zusammensetzende Zwischenschritte in Ergebnisgrößen überführt werden. Die Teilmodelle sind miteinander verbunden, indem Ergebnis­größen eines Teilmodells Eingangsgrößen eines nachfolgenden Teilmodells sind. Mit Blick auf die Anwendung der Methode der Risikoanalyse und im Speziellen des Darmstädter Risiko-Analyse-Tools (DRAT, [Bald 1991]) wurde das theoretische Teilmodell „Entwicklung der Spurrinnentiefe“ in ein quantitatives Modell überführt, in dem die Zustände und Zusammenhänge mathematisch definiert und formuliert sind. Um die Anwendungs­möglichkeit des Modells zu prüfen, wurde die Entwicklung der Spurrinnentiefe zweier Beispielstrecken – eine in konventioneller Bauweise und eine in Kompaktasphaltbauweise – prognostiziert. Die allgemeinen Funktionen und Konstanten des quantitativen Modells wurden auf Basis der zuvor dargestellten Zusammenhänge und von zum Teil ergänzend herangezogenen Forschungsergebnissen formuliert. Die spezifischen Eingangsgrößen der Beispielstrecken stammen vorwiegend aus den Messdaten der Kontrollprüfung. Da die Beispielstrecken in unterschiedlicher Bauweise hergestellt wurden, war es für den Vergleich und im Hinblick auf die Entstehung der Spurrinnen erforderlich, neben der Asphaltdeckschicht auch die Asphaltbinderschicht als quantitatives Modell abzubilden. Dementsprechend setzt sich dann die Spurrinnentiefe aus der Verformung infolge von Nachverdichtung und der Schubverformung beider Schichten sowie dem Fahrbahnabrieb der Asphaltdeckschicht zusammen. Zum Vergleich der mit dem quantitativen Modell berechneten Spurrinnentiefe wurde die auf den Beispielstrecken im Rahmen der ZEB (nach einer Liegedauer von rund fünf Jahren) gemessene Spurrinnentiefe verwendet und als Soll-Vorgabe angehalten. Die für eine Liegedauer von fünf Jahren mit dem quantitativen Modell berechnete Spurrinnentiefe ergibt durchschnittlich eine höhere Spurrinnentiefe: Die mittlere Spurrinnentiefe liegt bei der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise um 0,36 mm (etwa 14 % der mittleren Spurrinnentiefe von 2,56 mm) über der mittleren gemessenen Spurrinnentiefe und bei der Beispielstrecke in Kompaktasphaltbauweise um 0,51 mm (etwa 34 % der mittleren Spurrinnen­tiefe von 1,40 mm). Die Form der Wahrscheinlichkeits­verteilung der berechneten Spurrinnentiefe der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise kann anhand der Standardabweichung als vergleichbar angenommen werden. Für die Beispielstrecke in Kompaktasphaltbauweise gilt dies nicht; es ist jedoch nach optischer Beurteilung der Verteilungs­kurve zu erwarten, dass mit Annäherung des Mittelwerts der berechneten Spurrinnentiefe auch die Form der Wahrscheinlichkeitsverteilung übereinstimmt. Die Berechnungsergebnisse der Spurrinnentiefe zeigt, dass diese im überwiegenden Maße aus der Schubverformung stammt. Die gesamte, aus den verschiedenen Komponenten beider Schichten resultierende Spurrinnentiefe zeigt eine plausible Abhängigkeit, zum Beispiel von dem Verdichtungsgrad, sodass das quantitative Modell insgesamt als passend bewertet werden kann. So war auch bei der gezielten Variation der Größen Härte des Mörtels und Schichtenverbund festzustellen, dass die Berechnungsergebnisse vor dem Hintergrund von Forschungsergebnissen und Erfahrungen aus der Praxis stringent sind. Durch weitere, beispielhaft durchgeführte Anpassungen der Faktoren und Funktionen lässt sich das quantitative Modell optimieren (Ansatzpunkte zum weiteren Justieren und Verbessern des quantitativen Modells und der Prognoseergebnisse werden aufgezeigt). Der zeitliche Verlauf der Spurrinnenbildung ist bei der Prognose der Entwicklung der Spurrinnen­tiefe über eine Liegedauer von 20 Jahren bei beiden Beispielstrecken schlüssig. Wird das Ende der Lebensdauer als die durchschnittliche Spurrinnentiefe definiert, die im Rahmen der ZEB dem Warnwert (10 mm) entspricht und bei dem Überlegungen über mögliche Erhaltungsmaßnahmen anzustellen sind, wäre für die Beispielstrecke in konventioneller Bauweise eine Lebensdauer von etwa 15 bis 16 Jahren bzw. unter Berücksichtigung der Korrektur (um die Abweichung, die sich bei dem Vergleich der berechneten mit den im Rahmen der ZEB gemessenen Daten zeigte) 17 bis 18 Jahre zu erwarten. Dies korrespondiert mit den Angaben in der Literatur, wonach Asphaltdeckschichten aus Splittmastixasphalt eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren und durchschnittlich 20 Jahren haben. Für die Beispielstrecke in Kompaktasphaltbauweise wurde erwartungsgemäß eine höhere Lebensdauer berechnet: Eine Spurrinnentiefe von mindestens 10 mm wird nach 20 Jahren nur auf 30 % und bei Berücksichtigung der Korrektur nur auf etwa 2 % der Beispielstrecke zu erwarten sein. Ob das Maß dieser Erhöhung der Lebensdauer stimmig ist, kann derzeit nicht beurteilt werden, da die ersten Strecken, die in Kompaktasphaltbauweise hergestellt wurden, nun erst seit etwa zehn Jahren liegen. Vergleiche mit bekannten Spurrinnentiefen anderer Strecken in Kompaktasphaltbauweise zu verschiedenen früheren Zeitpunkten lassen aber darauf schließen, dass auch für die Kompaktasphaltbauweise das Modell die Praxis passend abbildet. Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich die Anwendung der Risikoanalyse und das erstellte quantitative Modell zur Beschreibung und Prognose der Entwicklung der Spurrinnentiefe eignen; bedeutsam ist dabei allerdings die exakte Ermittlung der Eingangsgrößen. Für die übrigen Teilmodelle, die im Rahmen der Arbeit entwickelt wurden, wird daher prinzipiell ebenfalls die Anwendbarkeit bei geeigneter quantitativer Formulierung erwartet. Als weitere (noch zu entwickelnde) Anwendungsmöglichkeiten werden z. B. der Einsatz des Modells bei der Betrachtung der Lebenszykluskosten oder bei der Überarbeitung des Systems der Vergütung mit Blick auf die Folgen der Qualität für die Lebensdauer aufgezeigt