Offenporiger Asphalt (OPA) – Wirkungen auf

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Lehrstuhl für Straßenplanung und Straßenbau
Offenporiger Asphalt (OPA) –
Wirkungen auf Verkehrssicherheit und Verkehrslärm
5. Deutsch-Russische Verkehrssicherheitskonferenz
Irkutsk, 21.-22.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Ressel
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Inhalt
 Straßenverkehrslärm und Wirkungen von
Offenporigem Asphalt (OPA)
 Entstehung von Aquaplaning und Wirkungen
von Offenporigem Asphalt
 Nachteile und Einsatzgrenzen von
Offenporigem Asphalt
 Strömungssimulation – Strukturanalysen des
Offenporigen Asphalts
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Wirkung und Entstehung
STRASSENVERKEHRSLÄRM
3
50
45
40
Anteile in Prozent
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Wirkung – Lärmbelästigung der Bevölkerung
35
30
25
20
15
mittelmäßig belästigt
stark oder äußerst belästigt
10
5
0
(LfU,
2004)
„Lärm ist eben kein Lärm, sondern Schall, der zur falschen Zeit am
falschen Ort zu hören ist“ (Palmerston)
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Wirkung
 Physische Auswirkungen
 Akute Gehörschäden in Extremfällen, Lärmschwerhörigkeit
 Physiologische Reaktionen z.B. Erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen
 Schlafstörungen
 Psychische Auswirkungen
 Nervosität
 Störung des Wohlbefindens, üble Laune
 Abnahme des Konzentrationsvermögens und der Lernfähigkeit
 Soziale Auswirkungen




Störung der Sprachverständlichkeit, dadurch Störung der Kommunikation
Veränderung des Wohnverhaltens
Veränderung der Sozialstruktur (ruhige Wohnlagen sind teurer als laute)
Beeinträchtigung des Sozialverhaltens, u.a. Abnahme der Hilfsbereitschaft
 Ökonomische Auswirkungen




Kosten für Gesundheitsbeeinträchtigungen infolge Lärm
Wertminderung von Grundstücken
Kosten für Fehler, die durch die Leistungsminderung und infolge von Lärm entstehen
105 Mio. €/Jahr zur Lärmvorsorge (bei Aus- und Neubaumaßnahmen) an
Bundesfernstraßen (BMVBW, 2001)
(LfU,
2007)
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Entstehung Straßenlärm – Interaktion Reifen/Fahrbahn
 Mechanische Schwingungen, Frequenzen < 1 kHz (tieffrequent)
 Aerodynamische Effekte, Frequenzen > 1 kHz (hochfrequent)
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OPA – Lärmmindernde Wirkung
 Reduzierung der aerodynamischen Effekte
 Airpumping
 Horn-Effekt
 Wirkung als poröser Absorber
 Absorptionsgrad abhängig vom Hohlraumgehalt
 Lage der Absorptionsmaxima abhängig von Schichtdicke
 Breite der Absorptionsmaxima abhängig von Strömungswiderstand
 Verschiebung in bestimmte Frequenzbereiche möglich!
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OPA – Lärmmindernde Wirkung
 Sieblinien Asphaltmischgut
 Entwicklung Hohlraumgehalt
Generation
Zeitraum
Hohlraumgehalt
1
1986-1993
15-18 %
2
1988-1996
17-20 %
3
1996-heute
> 22 %
8
 Absorptionsfrequenzgang und Anpassung eines
„idealen“ offenporigen Asphalts
100
Schichtdicke
Schichtdicke
80
Strömungswiderstand
40
20
0
125
125
Strömungswiderstand
Hohlraumgehalt
60
Hohlraumgehalt
Absorptionsgrad in %
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OPA – Lärmmindernde Wirkung
250
1093,75
500
2062,5
1000
3031,25
2000
4000
Frequenz in Hz
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Wirkung und Entstehung
AQUAPLANING
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Aquaplaning – Entstehungsmechanismus
 Reifen kann Wasser nicht mehr schnell genug verdrängen
→ Wasserkeil schiebt sich unter den Reifen
→ kein Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn
→ keine Übertragung von Kräften
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Aquaplaning – Einflussfaktoren
Regenintensität
Geschwindigkeit
Reifenprofiltiefe
Rauheit des
Fahrbahnbelags
Trassierung
Wasserfilmdicke
Aquaplaninggeschwindigkeit
Simulationsbeispiel Aquaplaning auf dreistreifiger Richtungsfahrbahn (ISV)
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Entwässerung – Vorteile beim Einsatz von OPA
 Verminderung der Aquaplaninggefahr
 Geringere Sprühfahnenbildung und Blendwirkung
 Rückhaltevermögen von Niederschlagswasser
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OPA aus asphalttechnologischer Sicht
 Abdichtung über der Binderschicht
(SAMI-Schicht)  kein Einsickern des
Wassers in tiefere Schichten
 Einlagige oder zweilagige Ausführung
(Zweilagig (ZWOPA)):
grobkörnige untere Schicht und
feinkörnige obere Schicht
OPAOPA
(einschichtig)
(einschichtig)
ZWOPA
ZWOPA
(zweischichtig)
(zweischichtig)
OPA
(einschichtig)
ZWOPA
(zweischichtig)
Feinkörnige
Feinkörnige
Schicht
Schicht~ 2cm~ 2cm
Offenporiger
Offenporiger
Asphalt
Asphalt~ 4cm~ 4cm
Abdichtung
Abdichtung
Trag &Trag
Binderschicht
& Binderschicht
Abdichtung
Abdichtung
Grobkörnige
Grobkörnige
Schicht
Schicht
~ 5cm~ 5cm
Trag &Trag
Binderschicht
& Binderschicht
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Nachteile und Einsatzgrenzen
OFFENPORIGER ASPHALT (OPA)
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Eigenschaften von OPA – Nachteile
 Winterdienst
 Niedrigere Oberflächentemperatur als geschlossene Decken
 Feuchtigkeit kann in der Deckschicht gespeichert werden  Reifbildung
 Tausalz sickert in die Decke ein und steht an der Oberfläche nicht mehr zur
Verfügung  erhöhter Salzbedarf
 Probleme mit Schneeräumung und Schneeketten  Kornausbrüche
 Hohe technische Anforderungen an die Mineralstoffe und das Bitumen
(Polierresistenz, Schlagzertrümmerung, Haftung des Bitumens)  Kosten
 Stärkere Alterung und Versprödung des Bitumens durch vermehrten Luftzutritt
 Erhöhte Gefahr von Kornausbrüchen
 Griffigkeit, Spurrinnen
 Erhaltung
 Flickstellen unterbrechen die offenporige Struktur hinsichtlich der Entwässerung
 Verlust der Lärmminderung durch Verschmutzung
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OPA – Verschmutzung
 Verschiedene Verschmutzungsmechanismen




Adhäsion an Porenwänden
Einbettung von Schmutzpartikeln in den Bitumenfilm
Verfüllung/Verstopfung von Poren
Eigenverschmutzung durch
 Fülleransammlungen und deren Herausbrechen aus dem Verbund
 herausgebrochene Bitumenpartikel
 Wirkungsweise der Verschmutzung
 Verringerung des Hohlraumgehalts
 Unterbrechung des zusammenhängenden Porenraums
 geringere Schallabsorption
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OPA – Verschmutzungszustände
unverschmutzt
verschmutzt
Rasterelektronenmikroskopie
Hohlraum
Gestein/
Mineralstoff
Polarisationsmikroskopie
Bitumenfilm
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Lösungen
 Hochdruckreinigung mit Wasser
Methode 1:
„konventionell“
Methode 2:
„Neuer Ansatz“
 Reinigungsergebnisse
sind noch nicht
zufriedenstellend!
 Veränderung der Porenoberflächeneigenschaften
 keinen negativen Einfluss auf
das akustische Verhalten
Beschichtung
Methode 3:
ISV
 Schmutzauswaschung bei
Beregnung und
Verschmutzung größer
 Drainagevermögen geringer
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Simulation des Lebenszyklus
OFFENPORIGER ASPHALT (OPA)
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Vom Großversuch zum Computermodell
Ziele:
 Computermodell des „Lebenszyklus
Offenporiger Asphalt“
 Verkürzung der Testzyklen
 Besseres Verständnis der Prozesse und
Verbesserung der akustischen Lebensdauer
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Strömungs- und Transportsimulation in OPA
 Digitalisierung
 Computertomografische Erfassung
 Auflösung 1 : 1.000 100 µm/Voxel
 Rekonstruktion der Oberflächen
 Berechnung von Isoflächen
 Rekonstruktion der Geometrie
 Simulation
 Lösung der diskreten Boltzmann-Gleichung
 Modellierung des Transports auf zwei Skalen:
 Explizit modellierte Partikel
 Kleinstpartikel über Konzentration
 Kooperation mit der TU Braunschweig
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Rekonstruktion der Oberflächen
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