Zusammenfassung der Erkenntnisse. Master-Thesis. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen. Unterhaltung von Straßenausbrüchen

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1 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Master-Thesis Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen erstellt von Sebastian Mertes M.Eng. an der in Kooperation mit

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3 Fazit Grundsätzlich empfiehlt es sich nicht nur im Vorfeld von Straßenbaumaßnahmen eine Voruntersuchung des Untergrundes sowie des Straßenaufbaues durchzuführen. Besonders beim häufigen Auftreten von Straßenschäden sollte die Schadensursache im Vorfeld ermittelt werden, so dass anschließend eine sinnvolle wirtschaftliche und dauerhafte Sanierung des geschädigten Straßenaufbaus erfolgen kann. Eine dauerhafte bauliche Unterhaltung von Straßenausbrüchen ist, unabhängig vom verwendeten Reparaturmaterial, nur dann von Dauer, wenn sowohl mit dem Untergrund als auch mit dem angrenzende Straßenbestand ein ausreichender Verbund hergestellt werden kann. Sollte dies nicht der Fall sein, so ist der marode Bestand, wie in der ZTV BEA-StB beschrieben, bis zum Erreichen einer standfesten Umgebung zu entfernen. Erkenntnisse zu den einzelnen Reparaturvarianten Kaltmischgut Lose Ware (Probefelder 3 und 8) Eine Aussage hinsichtlich der Verbundwirkung und der Wasserdurchlässigkeit konnte weder bei der Einbauvariante Kaltmischgut mit Vorbehandlung des Untergrundes mit einem Primer auf Basis von Bitumenemulsion (Probefeld 8), noch bei der Vorbehandlung mit einem Bindemittel auf Polyurethanbasis (Probefeld 3) erfolgen. Eine Entnahme von Ausbauproben war auf Grund des unzureichenden Erhärtungsprozesses des eingebauten Kaltmischgutes bis zum Abgabezeitpunkt der Thesis nicht möglich. Jedoch erfüllten beide eingebauten Varianten die Aufgabe, die Verkehrssicherheit kurzfristig wieder herzustellen. Hierbei handelt es sich jedoch um Provisorien und nicht um eine dauerhafte Lösung. Es ist davon auszugehen, dass Schadstellen, die mit Kaltmischgut verschlossen werden, auf längere Sicht gesehen in regelmäßigen Abständen erneuert werden müssen. Vorteile: geringe Vor-/Nachlaufzeit auf dem Betriebsgelände, keine zusätzlichen Gerätschaften erforderlich, keine Abhängigkeit von Dritten, da das Material lagerfähig ist, Verkehrsfreigabe kann direkt nach Fertigstellung erfolgen. Nachteile: hohe Unterhaltungskosten, geringe Lebenserwartung, nicht TL Asphalt-StB konform. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 1

4 Eimerware (Probefeld 4) Das eingebaute Kaltmischgut musste bereits nach 2 Monaten in der Versuchsstrecke erneuert werden. Dies ist auf den hohen Hohlraumgehalt, die daraus resultierende unzureichende Verformungsbeständigkeit sowie die Wasserdurchlässigkeit zurückzuführen. Um in Zukunft einen hohen Hohlraumgehalt zu vermeiden, ist es empfehlenswert die Verdichtungsarbeiten nicht mit einem Handstampfer sondern mit einem kleinen Flächenrüttlers durchzuführen. Die Ausbauproben lieferten einen Hohlraumgehalt von 26,4 Vol.-%. Die im Labor hergestellten Proben wiesen hingegen bei optimaler Verdichtungsarbeit einen Hohlraumgehalt von 5,4 Vol.-% auf. Vorteile: geringe Vor-/Nachlaufzeit auf dem Betriebsgelände, keine zusätzlichen Gerätschaften erforderlich, keine Abhängigkeit von Dritten, da das Material lagerfähig ist, Verkehrsfreigabe kann direkt nach Fertigstellung erfolgen. Nachteile: sehr hohe Unterhaltungskosten, sehr geringe Lebenserwartung, nicht TL Asphalt-StB konform. Kaltmischgut Reaktionsmischgut (Probefeld 2): Das eingebaute Reaktionsmischgut ist für die Sanierung von Straßenausbrüchen mit einer mittleren Tiefe von 4 cm ungeeignet. Eine Untersuchung des Materials als Ausgleichmasse für Spurrillen und Unebenheiten sowie zum Angleichen von Schächten bis 2 cm Tiefe -wie vom Herstellerseite vorgesehen- wurde im Rahmen der Bearbeitung dieser Thesis nicht durchgeführt. Warmasphalt (Probefeld 5) Die Herstellung der Probeflächen sollte mit einem Warmasphalt mit einer Körnung 0/5 mm erfolgen. Das gelieferte Asphaltmischgut wies eine Körnung 0/11 mm auf und konnte im Weiteren keinem normkonformen Asphaltmischgut, entsprechend den TL Asphalt-StB 07, zugeordnet werden. Es sollte diesbezüglich mit dem Asphalthersteller Rücksprache gehalten werden, sodass in Zukunft garantiert werden kann, dass auch beim Bezug von Mindestmengen ein qualitativ hochwertiger Asphalt bereitgestellt wird. Es empfiehlt sich, die Zusammensetzung des Asphaltmischgutes von einer unabhängigen Prüfstelle regelmäßig kontrollieren zulassen. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 2

5 Vorteile: mittlere Unterhaltungskosten bei geringer Lebenserwartung, geringe Vor-/Nachlaufzeit auf dem Betriebsgelände. Nachteile: Abgabe von Asphaltmischgut an der Asphaltmischanlage durch Mindestabnahmemengen für kleinere Reparaturmaßnahmen nicht geeignet, Einbau zeitlich begrenzt. Ab einer Mischguttemperatur von kleiner 140 C darf dieses nicht mehr eingebaut werden und muss entsorgt werden, keine direkte Verkehrsfreigabe nach Fertigstellung. Dies kann erst ab einer Oberflächentemperatur von 40 C erfolgen, zusätzliches Reparaturmaterial muss für kurzfristige Unterhaltungsarbeiten vorgehalten werden, zusätzliche Gerätschaften erforderlich (Asphalt-Wärmecontainer), zusätzliche Wegstrecke zur Asphaltmischanlage, abhängig von Öffnungszeiten und Auslastung der Asphaltmischanlage, zusätzliche Verkehrssicherungskolonne beim Einsatz im fließenden Verkehr nötig, das gelieferte Material war nicht TL Asphalt-StB konform. Gussasphalt Allgemein ist bei der Verwendung von Gussasphalt darauf zu achten, dass die Unterlage vor Beginn der Arbeiten trocken und vorgewärmt ist. Ein Aufheizen sollte durch indirekte Wärmeeinwirkung so lange erfolgen, bis eine Erweichung der Oberfläche zu erkennen ist. Auf die Vorbereitung des Untergrundes mit einer Bitumenemulsion oder einem Haftmittel kann beim Einbau von Gussasphalt verzichtet werden. [L1] Lose Ware (Probefeld 1) Auf Grund des großen Feinsandanteiles (73 M.-%) ist langfristig von einer Verformungsanfälligkeit auszugehen. Der verarbeitete Gussasphalt in gebrochener Form entspricht nicht den Anforderungen der TL Asphalt-StB. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 3

6 Vorteile: geringe Unterhaltungskosten bei langer Lebenserwartung, Einbau zeitlich nicht begrenzt; durch ständiges Erhitzen des Asphaltmischgutes im Gussasphaltkocher ist eine Unterschreitung der Einbautemperatur vermeidbar, Überschüssiges Material kann nach Abkühlen erneut erhitzt und verwendet werden und muss nicht entsorgt werden. Hierbei sollte jedoch bedacht werden, dass bei jeder erneuten Erhitzung eine Alterung im Bitumen stattfindet, keine Abhängigkeit von Dritten, da das Material lagerfähig ist. Nachteile: hohe Vor-/Nachlaufzeiten auf dem Betriebshof und für kleinere einzelne und kurzfristige Reparaturmaßnahmen daher eher ungeeignet, zusätzliches Reparaturmaterial muss für kurzfristige Unterhaltungsarbeiten vorgehalten werden, hoher Feinsandanteil (73 M.-%). Langfristig ist von einer Verformungsanfälligkeit auszugehen, zusätzliche Gerätschaften erforderlich (Gussasphaltkocher), keine direkte Verkehrsfreigabe nach Fertigstellung. Dies kann erst ab einer Oberflächentemperatur von 40 C erfolgen, zusätzliche Verkehrssicherungskolonne beim Einsatz im fließenden Verkehr nötig, nicht TL Asphalt-StB konform. Eimerware Bei dem getesteten Gussasphalt in Pelletform handelt es sich entsprechend der TL Asphalt- StB 07 um einen MA 5 S. Neben dem Einbau des Materials im Gussasphaltkocher kann dieser ebenso schichtweise mittels Flammgerät eingebaut werden. Dies ist für kurzfristige, kleine Reparaturmaßnahmen von Vorteil. So können bei der Sanierung von kleineren Schadstellen die hohen Vor-/Nachlaufzeiten auf dem Betriebshof infolge des Einsatzes eines Gussasphaltkochers vermieden werden. Außerdem müssen bei diesem Material keine zusätzlichen Reparaturmaterialien vorgehalten werden. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 4

7 Einbau mittels Gussasphaltkocher (Probefeld 6) Vorteile: geringe Unterhaltungskosten bei sehr langer Lebenserwartung, kein zusätzliches Reparaturmaterial für kurzfristige Unterhaltungsarbeiten erforderlich. Kleinflächen können mittels Flammgerät eingebaut werden, Einbau zeitlich nicht begrenzt. Durch ständiges Erhitzen des Asphaltmischgutes im Gussasphaltkocher ist eine Unterschreitung der Einbautemperatur vermeidbar, Überschüssiges Material kann nach Abkühlen erneut erhitzt und verwendet werden und muss nicht entsorgt werden. Hierbei sollte jedoch bedacht werden, das bei jeder erneuten Erhitzung eine Alterung im Bitumen stattfindet, keine Abhängigkeit von Dritten, da das Material lagerfähig ist, TL Asphalt-StB konform. Nachteile: hohe Vor-/Nachlaufzeiten auf dem Betriebshof; für kleinere einzelne Reparaturmaßnahmen somit eher ungeeignet. Hier kann jedoch ein Einbau mittels Flammgerät erfolgen, zusätzliche Gerätschaften erforderlich (Gussasphaltkocher), keine direkte Verkehrsfreigabe nach Fertigstellung. Dies kann erst ab einer Oberflächentemperatur von 40 C erfolgen, zusätzliche Verkehrssicherungskolonne beim Einsatz im fließenden Verkehr nötig. Einbau schichtweise mittels Flammgerät (Probefeld 7) Die Einbauzeit des Gussasphalts in Pelletform mittels Flammgerät ist stark personenabhängig. Je routinierter der Einbau erfolgt, desto geringer ist die Einbauzeit. Vorteile: mittlere Unterhaltungskosten bei mittlerer Lebenserwartung, geringe Vor-/Nachlaufzeit auf dem Betriebsgelände, keine zusätzlichen Gerätschaften erforderlich, keine Abhängigkeit von Dritten, da das Material lagerfähig ist, TL Asphalt-StB konform. Nachteile: Keine direkte Verkehrsfreigabe nach Fertigstellung Dies kann erst ab einer Oberflächentemperatur von 40 C erfolgen. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 5

8 Bewertungsmatrix Im Weiteren wurden die ermittelten Parameter Dokumentation der Verformung der Probefelder, Ermittlung labortechnische Kenngrößen, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der einzelnen Reparaturmaterialien, zusammengestellt. Hierdurch soll ein besserer Vergleich der einzelnen Reparaturvarianten ermöglicht werden, sodass die die Wahl der wirtschaftlichsten und dauerhaftesten Unterhaltungsmaßnahme den Entscheidungsträger von Kommunen und Straßenverwaltungen erleichtert wird. Dabei wurde zwischen der Sanierung im Rahmen einer maximalen Tageseinbauleistung und einer kleineren anfallenden Einzelreparaturmaßnahme unterschieden. Um eine bessere Abgrenzung der ermittelten Ergebnisse untereinander zu erhalten, wurden diese in ein Punktesystem überführt. Die Punkte für die getätigten Untersuchungen wurden wie folgt vergeben: Für die ermittelten Ergebnisse des Schichtenverbunds und der Haftzugfestigkeit in der Schichtgrenze wurden jeweils für die verwendeten Einbauvarianten mit dem höchsten ermittelten Ergebnis 100 Punkte vergeben. Die Punkte für die restlichen Einbauvarianten wurden entsprechend ihrem prozentualen Anteil der ermittelten Ergebnisse verteilt. Die zu vergebenden Punkte für die Haftzugfestigkeit in der Anschlussnaht wurden auf Grund des Verhältnisses der Haftzugfestigkeit in der Schichtgrenze und der Anschlussnaht aus den dabei erreichten Versuchsergebnissen und den dazugehörigen Punkten abgeleitet. Bei der Bewertung der Verformung wurden für die Einbauvarianten, die zum Zeitpunkt der letzten Begutachtung keine Verformung aufwiesen, 100 Punkte vergeben. Ab einer Verformung von 0,5 cm wurden keine Punkte mehr vergeben. Für die Bewertung dazwischenliegender Verformungen, wurden die Punkte durch Interpolation ermittelt. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 6

9 Bei der Wasserdurchlässigkeit im Material sowie in der Anschlussnaht wurden die Punkte wie folgt verteilt: wasserundurchlässige Einbauvarianten wurden mit 100 Punkte bewertet, 75 Punkte erhielten sehr schwach durchlässige Einbauvarianten, schwach durchlässige Einbauvarianten erhielten 50 Punkte, Einbauvarianten, die durchlässiger waren, wurden mit 0 Punkten bewertet. Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurden die angegebenen Punkte wie folgt ermittelt: Für die niedrigsten Unterhaltungskosten wurden 100 Punkte vergeben. Für die restlichen Einbauvarianten wurden die Punkte entsprechend ihrem prozentualen Anteil der ermittelten Kosten abgeleitet. Anschließend wurden dieso ermittelten Punkte für die fixen Unterhaltungskosten im beruhigten Bereich und im fließenden Verkehr entsprechend derselben Tageseinbauleistung gemittelt. Materialien, die den Anforderungen der TL Asphalt-StB 07 entsprachen, erhielten zusätzlich 100 Punkte. Insgesamt konnten 1000 Punkte erreicht werden. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 7

10 Bewertungsmatrix für einzelne, kleinere anfallende Reparaturmaßnahmen 900,00 Verwendetes Material: Gussasphalt, Lose Ware, Einbau mittels Kocher Kaltasphalt, Lose Ware + Bindemittel auf Polyurethanbasis Kaltasphalt, Eimerware Warmasphalt 0/5 Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Kocher Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Flammgerät Kaltasphalt, Lose Ware Probefeld Nr.: Beobachtungen an der Versuchsstrecke: Verformung: 100,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00 0, a Labortechnische Untersuchungen: Schichtenverbund: 46,26 n.e. 9,51 11,58 100,00 7,48 n.e. Haftzugfestigkeit zwischen Reparaturmaterial und Bestand: 54,44 n.e. 7,78 13,33 100,00 0,00 n.e. Bruchfläche, Haftzugfestigkeit zwischen Reparaturmaterial und Bestand: 86,67 n.e. 30,00 48,33 100,00 0,00 n.e. Haftzugfestigkeit in der Anschlussnaht: 2,94 n.e. 2,78 13,88 n.e. n.e. n.e. Bruchfläche, Haftzugfestigkeit in der Anschlussnaht: 50,00 n.e. 50,00 2,50 n.e. n.e. n.e. Wasserdurchlässigkeit im Material: 100,00 n.e. 0,00 0,00 100,00 50,00 n.e. Wasserdurchlässigkeit in der Anschlussnaht: 50,00 n.e. 0,00 0,00 75,00 n.e. n.e. Materialeigenschaften: TL Asphalt-StB 07 Konform: 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00 0,00 - Wirtschaftlichkeit: Betrachtungszeitraum 8 Jahre: 83,92 33,10 11,02 entfällt 100,00 69,46 36, Von möglichen 1000 Punkten wurden erreicht: entfällt Erwartete Lebensdauer: 6 0,5 0, ,5 Platzierung: 2 *1 6 4 entfällt *2 1 *1 3 5 Anmerkung: n.e. = nicht ermittelt Schichtenverbund: Der geforderte Schichtenverbund nach ZTV Asphalt-StB 07, Abs , wurde ab einer Punktzahl von 31 erbracht. Haftzugfestigkeit zwischen Reparaturmaterial und Bestand: Die geforderten Haftzugfestigkeiten nach ZTV BEA-StB 09, Abs , wurden für Heißbauweise ab einer Punktezahl von 55 und für Kaltbauweise ab einer Punktezahl von 28 erbracht. *1 Auf Grund der hohen Vor-/Nachlaufzeiten auf dem Betriebshof, bedingt durch die Nutzung eines Gussasphaltkochers, ist die Anwendung bei kleineren Schadstellen eher als ungeeignet zu sehen. Eine schnelle Sanierung ohne weiteren Aufwand ist hiermit nicht möglich. *2 Eine Sanierung von einzelnen kleineren Ausbrüchen mit Warmasphalt ist auf Grund der Mindestbezugsmenge von der Asphaltmischanlage nicht möglich. Tabelle 1: Bewertungsmatrix für einzelne kleine anfallende Reparaturmaßnahmen siehe Anlage 14.7.a 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 Palzierung: Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Kocher Gussasphalt, Lose Ware, Einbau mittels Kocher Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Flammgerät Kaltasphalt, Eimerware Kaltasphalt, Lose Ware Kaltasphalt, Lose Ware + Bindemittel auf Polyurethanbasis Diagramm 1: Platzierung bei kleinen Reparaturmaßnahmen Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 8

11 Bewertungsmatrix bei maximaler Tageseinbauleistung 900,00 Verwendetes Material: Gussasphalt, Lose Ware, Einbau mittels Kocher Kaltasphalt, Lose Ware + Bindemittel auf Polyurethanbasis Kaltasphalt, Eimerware Warmasphalt 0/5 Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Kocher Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Flammgerät Kaltasphalt, Lose Ware Probefeld Nr.: siehe Anlage 800,00 700,00 Beobachtungen an der Versuchsstrecke: Verformung: 100,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00 0, a 600,00 Labortechnische Untersuchungen: Schichtenverbund: 46,26 n.e. 9,51 11,58 100,00 7,48 n.e. Haftzugfestigkeit zwischen Reparaturmaterial und Bestand: 54,44 n.e. 7,78 13,33 100,00 0,00 n.e. Bruchfläche, Haftzugfestigkeit zwischen Reparaturmaterial und Bestand: 86,67 n.e. 30,00 48,33 100,00 0,00 n.e. Haftzugfestigkeit in der Anschlussnaht: 2,94 n.e. 2,78 13,88 n.e. n.e. n.e. Bruchfläche, Haftzugfestigkeit in der Anschlussnaht: 50,00 n.e. 50,00 2,50 n.e. n.e. n.e. Wasserdurchlässigkeit im Material: 100,00 n.e. 0,00 0,00 100,00 50,00 n.e. Wasserdurchlässigkeit in der Anschlussnaht: 50,00 n.e. 0,00 0,00 75,00 n.e. n.e. 14.7a 500,00 400,00 300,00 200,00 Materialeigenschaften: TL Asphalt-StB 07 Konform: 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00 0,00 - Wirtschaftlichkeit: Betrachtungszeitraum 8 Jahre: 98,20 22,70 6,25 43,36 98,76 40,69 26, Von möglichen 1000 Punkten wurden erreicht: Erwartete Lebensdauer: 6 0,5 0, ,5 Platzierung: Anmerkung: n.e. = nicht ermittelt Schichtenverbund: Der geforderte Schichtenverbund nach ZTV Asphalt-StB 07, Abs , wurde ab einer Punktzahl von 31 erbracht. Haftzugfestigkeit zwischen Reparaturmaterial und Bestand: Die geforderten Haftzugfestigkeiten nach ZTV BEA-StB 09, Abs , wurden für Heißbauweise ab einer Punktezahl von 55 und für Kaltbauweise ab einer Punktezahl von 28 erbracht. Tabelle 2: Bewertungsmatrix bei Tageseinbauleistung 100,00 0,00 Palzierung: Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Kocher Gussasphalt, Lose Ware, Einbau mittels Kocher Gussasphalt, Eimerware, Einbau mittels Flammgerät Warmasphalt 0/5 Kaltasphalt, Eimerware Kaltasphalt, Lose Ware Kaltasphalt, Lose Ware + Bindemittel auf Polyurethanbasis Diagramm 2: Platzierung bei Tageseinbauleistung Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 9

12 Unabhängig davon, ob eine Sanierung eines Straßenausbruches im Rahmen einer größeren oder einer schnellen kleineren Reparaturmaßnahme erfolgt, ist zu bedenken, dass bei der Verwendung eines Produktes mit geringer Lebenserwartung nicht nur durch wiederholte Reparaturen Kosten entstehen, sondern vielmehr durch die mehrfachen Störungen des Verkehrs ein wesentlich höherer volkswirtschaftlicher und umwelttechnischer Schaden entsteht. Diese zusätzlichen Sanierungen führen zu einer erhöhten CO 2 - und Lärmbelastung sowie - durch die entstehenden Behinderungen des fließenden Verkehrs - zu einem großen Zeitverlust. Diese Faktoren wurden bei der Betrachtung der Kosten nicht berücksichtigt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass hierdurch der Einsatz von günstigen Reparaturmaterialen, die nur eine geringe Lebenserwartung aufweisen, aus umwelttechnischer und volkswirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll ist. Literaturverzeichnis [L1] Hutschenreuther J., Wörner T. (2010): Asphalt im Straßenbau (2. Auflage). Bonn: Kirschbaum Verlag Die auszugsweise Vervielfältigung bzw. Veröffentlichung der Zusammengestellten Erkenntnisse bedarf der Zustimmung durch Für Rückfragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung. Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zur baulichen Unterhaltung von Straßenausbrüchen Seite 10