Henning Balck, Rolf Breitenbücher, Robin Przondziono, Volker Jakobi

• Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ist auch heute noch eines der weltweit größten Probleme für die Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken. Betroffen waren und sind auch zahlreiche Autobahnabschnitte in Deutschland. Zur Planung und Einleitung nachhaltiger Maßnahmen bedarf es einer möglichst frühzeitigen Feststellung von AKR-Schäden, welche anhand sogenannter Substanzmerkmale (Oberflächenschäden) erfolgen kann. Im Frühstadium einer AKR sind dies Verfärbungen und / oder feinste Rissbildungen. Im Prozess der netzweit und zyklisch durchgeführten messtechnischen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) ist eine Codierung von Verfärbungen bis dato nicht vorgesehen. Für eine Auswertung feinster Risse ist nicht sichergestellt, dass die eingesetzte Messtechnik den Anforderungen entspricht. Auch eine Systematik für die Bewertung von AKR-Schädigungen an Betonfahrbahnen ist über die Regelwerke der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) nicht definiert. Auf Grundlage der bis dato durchgeführten ZEB-Kampagnen lässt sich demnach eine belastbare Erhaltungs- und Finanzplanung in Bezug auf AKR-geschädigte Betonfahrbahnen nicht ableiten. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) war daher zu untersuchen, wie ein praxistaugliches Verfahren zur netzweiten Erfassung und Bewertung von AKR-bedingten Schäden im Frühstadium realisiert werden kann. Vorgehen im Projekt: Zur Erfassung von Substanzmerkmalen wurde zunächst ein schnellfahrendes Messsystem entwickelt, welches auf den in einer klassischen ZEB eingesetzten Verfahren basiert. Erweitert um zwei hochauflösende Oberflächenkameras in Kombination mit entsprechender Beleuchtungstechnik wurden statische und dynamische Testerfassungen durchgeführt. Dabei konnten sehr gute Resultate bei der Erkennung von feinsten Rissen (≥ 0,2 mm) erzielt werden. Andererseits zeigte sich, dass in den Oberflächenaufnahmen die AKR-spezifischen, dunkel-gräulichen Verfärbungen an Quer- und Längsfugen der einzelnen Betonplatten nur sehr bedingt bis gar nicht erkennbar sind. Für die Erfassung von Verfärbungen wurde daher in erster Linie auf die Frontkameraaufnahmen zurückgegriffen, wobei u.a. eine Abhängigkeit von den Lichtverhältnissen besteht. Zur Validierung der Erfassungstechnik wurden sechs Strecken auf Bundesautobahnen bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen befahren und die daraus codierten Schadensmerkmale mit den Ergebnissen zweier jahreszeitlich versetzten, in situ absolvierten Referenzerfassungen verglichen. Dies führte u.a. zu der Erkenntnis, dass die durch Inaugenscheinnahme erkannten Rissbreiten ≥ 0,1mm auch in den dynamisch erfassten Oberflächenbildern gut identifiziert werden können, womit die ursprünglichen Anforderungen an das Bildmaterial übertroffen wurden. Ebenso konnte vor Ort das Problem der Erkennbarkeit von Verfärbungen nachvollzogen werden. Spezielle, für die Codierung der AKR-Schädigungen notwendige, Substanzmerkmale wurden definiert und in einem Leitfaden für die Auswertung beschrieben. Die an hochauflösenden Bildschirmen durchgeführte Codierung stellte sich als vergleichsweise zeitaufwändig dar und erforderte eine hohe Konzentration und Disziplin der ausführenden Personen. Anders als zu Projektbeginn angenommen, ergab sich keine Möglichkeit aus den codierten Substanzmerkmalen oder deren Kombination direkt auf eine AKR-Schädigung zu schließen oder diese in eine Schadenskategorie zu überführen. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die Festlegung einer AKR-Schädigung und deren Kategorisierung weiterer Betrachtungen durch einen AKR-Experten und / oder AKR-Gutachter anhand weiterer Daten bedarf. Bei dem hierzu entwickelten Modell versucht ein Experte, auf Basis der durch Auswerter durchgeführten Codierung der definierten AKR-Substanzmerkmale, zunächst aufgrund der vorhandenen Bild- und Bestandsdaten (Baustoffe, Alter, Einbaubedingungen etc.) einen AKR-Verdacht abzuleiten oder eine Klassifizierung vorzunehmen. Ist dies nicht möglich, kann in einem weiteren Schritt ein Gutachter hinzugezogen werden. Um netzweite oder auch objektbezogene Daten zu untersuchten Strecken zielgerichtet verwalten und nutzen zu können, erscheint der Aufbau einer zentralisierten Datenbank empfehlenswert. Auf der Ebene eines Erhaltungsmanagements ließen sich diese Daten dann mit den Daten einer ZEB verschneiden. Folgerungen: Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass das entwickelte Verfahren zur Erfassung und Auswertung von Substanzmerkmalen einer im Frühstadium befindlichen AKR als Grundlage für die Klassifizierung von betroffenen Abschnitten eingesetzt werden kann. Eine direkte Einteilung in Schadenskategorien kann hieraus jedoch nicht vorgenommen werden. Diese ist in einem nachgelagerten Prozess durch Experten und eventuell Gutachter vorzunehmen. Das Erfassungs- und Auswerteverfahren könnte in das bestehende ZEB-Verfahren integriert werden, jedoch ergäbe sich dadurch ein deutlich höherer Zeit- und Kostenaufwand bei Erfassung, Auswertung und Datenverarbeitung. Ebenso scheint aufgrund der teilweise rasch voranschreitenden Entwicklung der AKR-Schädigungen ein Erfassungs-rhythmus ≤ 2 Jahren notwendig, was ebenso für zwei getrennte Verfahren spricht.
• Initial situation: Alkali-silica reaction (ASR) is still one of the biggest problems for the durability of concrete structures worldwide. Numerous motorway sections in Germany have been and still are affected. In order to plan and initiate sustainable measures, ASR damage needs to be detected as early as possible, which can be done on the basis of so-called substance characteristics (surface damage). In the early stages of ASR, these are discolouration and/or very fine cracks. In the process of network-wide and cyclical metrological condition monitoring and assessment (ZEB), coding of discolouration has not yet been provided for. There is no guarantee that the measurement technology used meets the requirements for analysing the finest cracks. A system for the evaluation of ASR damage on concrete carriageways is also not defined in the regulations for condition monitoring and assessment (ZEB). On the basis of the ZEB campaigns carried out to date, it is therefore not possible to derive a reliable maintenance and financial plan for ASR-damaged concrete carriageways. On behalf of the Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), it was therefore necessary to investigate how a practical procedure for the network-wide monitoring and assessment of ASR-related damage at an early stage could be realised. Project procedure: To record substance characteristics, a high-speed measuring system was initially developed based on the methods used in a classic ZEB. Enhanced by two high-resolution surface cameras in combination with appropriate lighting technology, static and dynamic test fixtures were carried out. Very good results were achieved in the detection of the finest cracks (≥ 0.2 mm). On the other hand, the surface images showed that the ASR-specific, dark greyish discolouration at the transverse and longitudinal joints of the individual concrete slabs was only very partially visible or not visible at all. For the detection of discolouration, the front camera images were therefore primarily used, whereby there is a dependency on the lighting conditions, among other things. To validate the detection technique, six stretches of German motorway were travelled under different environmental conditions and the resulting coded damage characteristics were compared with the results of two in situ reference surveys carried out at different times of the year. Among other things, this led to the realisation that the crack widths ≥ 0.1 mm detected by visual inspection can also be easily identified in the dynamically captured surface images, thus exceeding the original requirements for the image material. The problem of recognising discolouration could also be reproduced on site. Special substance characteristics required for the coding of ASR damage were defined and described in a guideline for the evaluation. The coding itself, which was carried out on high-resolution screens, proved to be comparatively time-consuming and required a high level of concentration and discipline on the part of the people carrying out the work. Contrary to what was assumed at the beginning of the project, it was not possible to draw direct conclusions about ASR damage from the coded substance characteristics or their combination or to transfer them into a damage category. Rather, it has been shown that the determination of ASR damage and its categorisation requires further consideration by an ASR-expert and / or ASR-assessor on the basis of additional data. In the model developed for this purpose, an expert first attempts to derive a suspected ASR or categorise it on the basis of the coding of the defined ASR substance characteristics carried out by evaluators, using the available image and inventory data (building materials, age, installation conditions, etc.). If this is not possible, an assessor can be consulted in a further step. In order to be able to manage and use network-wide or even object-related data on investigated routes in a targeted manner, the creation of a centralised database seems advisable. At the level of maintenance management, this data could then be merged with the data of a ZEB. Conclusions: To summarise, it can be said that the method developed for monitoring and assessing the substance characteristics of an ASR in its early stages can be used as a basis for classifying affected sections. However, a direct categorisation into damage categories cannot be made from this. This must be carried out in a downstream process by experts and possibly assessors. The monitoring and assessment procedure could be integrated into the existing ZEB procedure, but this would result in significantly higher time and cost expenditure for survey, evaluation and data processing. Similarly, due to the sometimes rapidly advancing development of ASR damage, a recording frequency of ≤ 2 years seems necessary, which also speaks in favour of two separate procedures.