Abriebe von Fahrbahnoberflächen

V 352: Ingo Düring, Wolfram Schmidt, Knut Johannsen:
Abriebe von Fahrbahnoberflächen
116 S., 57 Abb., 56 Tab., ISBN 978-3-95606-628-3, 2021 € 19,00

Ziel des Projektes war es, systematische Untersuchungen zum Abriebverhalten und damit zur Partikelemission verschiedener Fahrbahnoberflächen durchzuführen, die Ergebnisse zu quantifizieren und eine Empfehlung für die Berücksichtigung abgeleiteter Emissionsfaktoren in den FGSV-Richtlinien RLuS „Richtlinien zur Ermittlung der Luftqualität an Straßen ohne oder mit lockerer Randbebauung“ zu geben. Dazu wurden • eine umfassende Literaturrecherche und Auswertung zum Thema durchgeführt, • abriebrelevante Kenngrößen für 27 typische in Deutschland eingesetzte Fahrbahnbeläge bestimmt, • Laborversuche zum Abriebverhalten von 21 dieser Fahrbahnbeläge durchgeführt, • Emissionsberechnungen für nicht motorbedingte Partikel (AWAR) mit dem Modell NORTRIP (Non-exhaust road traffic induced particle emission modelling) in seiner Version 3.2 durchgeführt und auch die resultierenden PM10-Straßenabriebemissionsfaktoren ausgewiesen. • diese Berechnungsergebnisse mit AWAR-Emissionsfaktoren nach DÜRING et al. (2011) bzw. HBEFA4.1 verglichen. • die NORTRIP-Berechnungsergebnisse des dort integrierten NOx-Tracermodells mit Immissionsmessungen an der Frankfurter Allee in Berlin und Am Neckartor in Stuttgart verglichen, • Empfehlungen zur Anwendung von NORTRIP gegeben sowie • aus den NORTRIP-Berechnungen erzeugte PM10-¬AWAR- und -Straßenabriebemissionsfaktoren für die Anwendung in RLuS abgeleitet. Folgende in Deutschland am häufigsten eingesetzte Fahrbahnbeläge wurden untersucht: • Asphaltbeton, • Offenporiger Asphalt (OPA), • Gussasphalt, • DSH (Dünne Asphaltdeckschicht in Heißbauweise), • Waschbeton und • Splittmastix-Asphalt (SMA). Folgende wesentliche Ergebnisse wurden abgeleitet: • Quantifizierung der Abriebmaße Abgesehen von der Art des Reifens (insbesondere der Einsatz von Spikereifen), dem Fahrverhalten (Beschleunigungsanteile) und der Fahrgeschwindigkeit (höhere Geschwindigkeiten führen zu höheren Abriebraten) sind weitere wesentliche Faktoren, die sich auf die Partikelerzeugung aus dem Abrieb der Fahrbahn auswirken, – die Art/Festigkeit und die Korngröße des in der Fahrbahn verwendeten Gesteinmaterials – eventuell auch die Art des Bindemittels (polymer modifiziertes Bindemittel scheinen positiv zu wirken) – eventuell bewirkt eine starke Modifizierung des Bindemittels (z. B. Gummimodifizierung) und die sich dadurch einstellenden dickeren Bindemittelfilme eine Verminderung der PM10-Fahrbahnabriebemissionen. Die Höhe der Reduktion hängt hier wahrscheinlich von der Ausbildung der Oberfläche ab. Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden die Gesteine auf die Kenngrößen NBM, PSV und LA untersucht. Es konnten keine Korrelationen der Kennwerte aus PSV-, LA- und NBM-Tests untereinander gefunden werden. Die im Rahmen des vorliegenden Projektes durchgeführten Abriebversuche im Labor zeigten, dass die verwendeten Splittmastixasphalte (SMA) unabhängig von der betrachteten Fraktion die niedrigsten Abriebwerte lieferten. Offenbar ist vor allem die Kombination aus Splittmastixasphalt mit einem modifizierten Bindemittel geeignet, die Entstehung von Abrieb und dessen Emission in die Umgebungsluft effektiv zu reduzieren. Der OPA-Belag mit modifiziertem Binder lieferte ähnliche Abriebwerte. Mit dem von NORTRIP empfohlenen Abriebmodell wurden für die untersuchten Fahrbahnen aus den o. g. Kenngrößen Abriebwerte (hpave) berechnet. Diese Werte variieren demnach zwischen 1.5 (SMA 11 mit Rhyolith) und 4.7 (Asphaltbeton 8 mit Grauwacke) und unterscheiden sich damit maximal um einen Faktor 3. Geringe Abriebwerte haben mit 1.8 auch der SMA 8 mit Quarzit und der Asphaltbeton 8 4 mit Quarzit bzw. Rhyolith. Abriebwerte über 4 haben Beläge mit Diabas, Kalkstein und Grauwacke. Die Waschbetonfahrbahnen haben hpave-Werte zwischen 1.9 (Rhyolith) und 3.9 (Diabas). Es gibt allerdings deutliche Unterschiede im Abriebverhalten der untersuchten Fahrbahnen zwischen den Vorhersagen aus NORTRIP (hpave) und den Abriebversuchen im Labor. Neben dem NBM-Wert scheinen beim Einsatz von Reifen ohne Spikes weitere Parameter eine wichtige Rolle zu spielen, wie das Volumen der groben Gesteinskörnung am Marshallkörper, der Hohlraumgehalt am Marshallkörper, das Volumen des Asphaltmörtels am Marshallkörper, die Mischgutart sowie die Bindemittelart. Deshalb wurde anhand einer Regressionsanalyse ein alternativer (erweiterter) Ansatz zur Beschreibung der Abriebfestigkeit der untersuchten Fahrbahnoberflächen abgeleitet, der diese Kenngrößen berücksichtigt. Für die untersuchten Fahrbahnoberflächen variieren hier die mittleren PM10-Abriebemissionsraten untereinander bis zu einem Faktor von ca. 4. Wir empfehlen, die Absolutwerte der mit NORTRIP1 berechneten AWAR- und Straßenabriebemissionsfaktoren für hpave = 1.5 als Referenzfall zu verwenden. Der Einfluss der Fahrbahneigenschaften könnte (pragmatisch) zusätzlich durch einen Fahrbahneinflussfaktor FFahrbahn multiplikativ auf die Straßenabriebemissionen des Referenzfalls abgebildet werden. Für Screeningmodelle, wie z. B. RLuS, könnte deshalb folgende zweistufige Klassifizierung als möglicher Ansatz zur Berücksichtigung der Ergebnisse dienen: • Sieblinie mit Ausfallkörnung oder Einkorn-Gemisch unter Verwendung eines Polymermodifizierten Bitumen: FFahrbahn = 0.4 • andere Beläge (Referenzfall): FFahrbahn = 1.0 Mit diesem Ansatz wurden mit NORTRIP berechnete AWAR- und Straßenabriebemissionsfaktoren in Abhängigkeit von der Straßenabriebklassifizierung den RLuS-Verkehrssituationen zugewiesen. Für die Fahrbahnhersteller könnte zur Optimierung der Abriebeigenschaften das normierte Regressionsmodell nach EUROVIA (siehe Kapitel 4.4.5) anwenden, welches die konkreten Rezepturen der Fahrbahnbeläge quantitativ bewertet. Zur Absicherung dieser Ergebnisse sind weitere systematische Untersuchungen des Abriebverhaltens, z. B. vergleichende Messungen am Road Simulator mit Stahlradversuchen, erforderlich. Weiterhin wird empfohlen, die Güte dieses Ansatzes der zweistufigen Klassifizierung des Abriebverhaltens durch Freilandversuche an Autobahnen mit Bestimmung der AWAR-Emissionsfaktoren zu verifizieren.