Die Länderarbeitsgemeinschaften Bodenschutz (LABO), Abfall (LAGA) und Wasser (LAWA) haben im September 2005 das Bundesumweltministerium gebeten, bundeseinheitliche, rechtsverbindliche Anforderungen an die Verwertung von mineralischen Abfällen in technischen Bauwerken und in bodenähnlichen Anwendungen zu regeln. Die Umweltministerien der Länder haben in ihren Stellungnahmen zum 2. Arbeitsentwurf der Mantelverordnung Forderungen gestellt, bei deren Umsetzung der Einsatz von mineralischen Ersatzbaustoffen im Verkehrswegebau stark eingeschränkt und unwirtschaftlich würde. Der Wille zur Schonung natürlicher Ressourcen ist nicht erkennbar. Anforderungen an Straßenbauwerke, an den Umweltschutz und an die Kreislaufwirtschaft konkurrieren in vielen Bereichen miteinander. Im Gesetzgebungsverfahren sind bisher trotz Gesprächen zwischen den Ressorts auf Arbeitsebene in grundlegenden Aspekten keine Einigung oder von Allen tragbare Kompromisse erzielt worden. Der Verkehrswegebau ist Hauptabnehmer der Ersatzbaustoffe, geht mit großen Mengen des Primärbaustoffs "Boden" um, ist aber auch "Abfallerzeuger". In der Mantelverordnung werden Regelungen getroffen, die stark in die Belange des Straßenbaus eingreifen. Aus diesem Grund ist die Beteiligung der Straßenbauverwaltung erforderlich, um die bautechnische und bauvertragliche Kompetenz sicher zu stellen, das Potenzial für Boden- und Grundwasserschutz auszuschöpfen und natürliche Ressourcen zu schonen. Die wichtigsten Aspekte zum umweltgerechten Einsatz von Boden und Ersatzbaustoffen aus der Sicht des Straßenbaus werden vorgestellt.

Das Ziel dieses Projekts war das Auffinden von Zusammenhängen zwischen den chemischen Bitumeneigenschaften und dem rheologischen Verhalten, dem Alterungsverhalten sowie dem Haftverhalten des Bindemittels. Zum Erreichen dieses Ziels wurden zwölf Bitumenproben in unterschiedlichen Alterungszuständen und vier Gesteinsproben mit verschiedenen chemischen, rheologischen, physikalischen und haftbetreffenden Methoden untersucht. Bei der Gegenüberstellung der Prüfergebnisse konnte eine Vielzahl an bilateralen Korrelationen zwischen den einzelnen Kennwerten gefunden werden. Zusätzlich zu diesen bilateralen Zusammenhängen wurden weiterhin mithilfe von multiplen Regressionsanalysen Linearkombinationen erstellt, die durch eine kombinierte Berücksichtigung der Gehalte und der Molmassenmittelwerte Mn der SARA-Fraktionen die Beschreibung und Prognose einer Vielzahl von Kennwerten ermöglicht. Zu diesen Kennwerten zählen neben den rheologischen Prüfgrößen, wie dem Erweichungspunkt, der Nadelpenetration sowie dem komplexen Schermodul |G*| und dem Phasenwinkel δ, auch die Alterungsindices dieser Prüfgrößen. Somit können anhand der SARA-Fraktionen im nicht gealterten Zustand Aussagen über das Alterungsverhalten der Bitumen getroffen werden. Neben der Rheologie und dem Alterungs-verhalten ist zudem eine Beschreibung des Haftverhaltens möglich, wobei neben den SARA-Fraktionen als Gesteinskennwerte weiterhin der Siliziumdioxidgehalt sowie der isoelektrische Punkt zu berücksichtigen sind. Zudem konnte durch die Umstellung der gefundenen Linearkombinationen ein synthetisches Bindemitteldesign abgeleitet werden, sodass durch die Vorgabe der angestrebten rheologischen, alterungsbedingten und haftungsbedingten Kennwerte die zum Erreichen dieser Kennwerte erforderlichen Gehalte der SARA-Fraktionen ermittelt werden können.Dies ermöglicht die Modifizierung von Bitumenzusammensetzungen, um eine gezielte Beeinflussung der Bindemitteleigenschaften zu erreichen.

Die Wirksamkeit von Beton unter Zugabe von Polypropylen-Fasern (PP-Fasern) als vorbeugende bauliche Brandschutzmaßnahme für Tunnelinnenschalen wurde bereits in vielen Großbrandversuchen im In- und Ausland nachgewiesen. Die spezifischen Anforderungen an den PP-Faserbeton für Straßentunnel in Deutschland bedingen eine besondere Betonzusammensetzung sowie Sorgfalt bei der Herstellung und Verarbeitung des Betons, die im Rahmen eines Forschungsvorhabens unter Laborbedingungen bereits erfolgreich umgesetzt werden konnten. Die Anwendbarkeit von PP-Faserbeton unter Praxisbedingungen wurde nachfolgend beim Tunnel Westtangente Bautzen (B96) in offener Bauweise nachgewiesen. Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse dieser erfolgreichen Pilotanwendung dargestellt. Insbesondere wird auf die Erfahrungen mit der Herstellung und Verarbeitung des PP-Faserbetons sowie die durchgeführten Qualitätssicherungsmaßnahmen eingegangen.

Tunnel in Spritzbetonbauweise werden in der Regel mit einem Abdichtungssystem aus Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) gegen das anstehende Bergwasser abgedichtet. Zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit aber auch der Verkehrssicherheit (z.B. Gefahr der Glatteisbildung in undichten Tunneln) müssen die Tunnelabdichtungen aus KDB dabei über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerks von in der Regel 100 Jahren zuverlässig Ihre Funktion erfüllen. An der Entwicklung von Prüfverfahren zum Nachweis dieser Nutzungsdauer wird zurzeit national und international intensiv geforscht. Zur Verifizierung und Kalibrierung dieser Prüfverfahren können Untersuchungen an in situ gealterten KDB-Proben aus bestehenden Straßentunneln sehr nützlich sein. Im vorliegenden Beitrag werden erste Ergebnisse der Untersuchungen zu Materialeigenschaften von ausgebauten KDB Proben aus älteren Straßentunneln vorgestellt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden bereits zahlreiche Materialproben aus bestehenden Straßentunneln, die aktuell bautechnisch nachgerüstet werden, entnommen und untersucht. Bei der Entnahme der KDB-Proben wurde parallel auch die Bergwassertemperatur gemessen und an Bergwasserproben der Chemismus analysiert. Soweit möglich wurden die Produktdaten des Anlieferungs- bzw. Einbauzustandes beim Hersteller oder Bauherrn recherchiert, um so die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften durch die in situ Alterung bewerten zu können. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften nach Alterung wurden mit den Anforderungen damals gültiger und aktueller Regelwerke verglichen.

Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, sodass dann andere Baustoffe zur Herstellung der Erdbauwerke benötigt werden. Hierfür können Ersatzbaustoffe, wie Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte oder aufbereitetes Bodenmaterial verwendet werden, um natürliche Ressourcen zu schonen. Neben der bautechnischen Eignung der Ersatzbaustoffe spielt der Schutz von Boden und Grundwasser mittlerweile bei der Auswahl der Baustoffe eine wesentliche Rolle. Um diesen zu gewährleisten, ist bei Ersatzbaustoffen zu prüfen, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen in Boden und Grundwasser ausgetragen werden können. Die Bundesanstalt für Straßenwesen widmet sich diesem Themenbereich in der Forschungslinie "Die postfossile Gesellschaft: Verbesserte Nutzung endlicher Ressourcen im Straßenwesen". Das übergeordnete Ziel der verschiedenen Forschungsprojekte ist dabei, den Einsatz von Ressourcen zu optimieren, und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten. Aus Sicht des Straßenbauingenieurs reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßenbauwerk für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit vollkommen. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch unzureichend. Insbesondere sind dazu folgende Fragen offen: Wie viel Wasser gelangt in das Straßenbauwerk und wie viel Wasser durchsickert die Straßenböschung? Zum Schutz von Boden- und Grundwasser wurden im Erdbau mit Ersatzbaustoffen technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Mit diesen Bauweisen kann die Menge des Sickerwassereintrags in das Bauwerk reduziert und damit der Austrag an umweltrelevanten Inhaltsstoffen verringert oder sogar ganz vermieden werden. Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, eine belastbare Datengrundlage zur Sickerwassermenge zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Durch die ökonomisch und ökologisch optimierten Bauweisen soll das Potenzial für den Einsatz von Ersatzbaustoffe im Erdbau des Straßenbaus erhöht werden. In diesem Projekt "Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau " Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen" wird der Forschungsansatz der großmaßstäblichen Versuche verfolgt, mit dem Ziel die Wirksamkeit von TSM zu beurteilen. Hierzu wurden Lysimeter entwickelt und eine zugehörige Beregnungseinheit. Mit der Anlage wurde ein Instrument geschaffen, um unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus TSM und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 zu prüfen. Um klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, wird die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, sodass Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen durchgeführt werden können. Die Vorteile der Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen liegen in einer gut erfassbaren Wasserbilanz und der Möglichkeit, regelmäßig Wasserproben für die chemischen Untersuchungen zu gewinnen. Zu den Schwächen gehört, dass Umwelteinflüsse und Straßenabfluss nicht berücksichtigt werden und ggf. nicht erfassbare Randeinflüsse vorhanden sind. Zudem sind die Versuchsdauern lang und die Versuche sind betreuungsintensiv. Aufgrund der Abmessungen des Lysimeterkastens sind nicht alle TSM realisierbar. In dieser ersten Versuchsserie wurden ein bindiger und ein kiesiger Boden untersucht. Als TSM wurden eine Dränmatte, eine wasserabweisende Anspritzung mit Bitumen und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, sodass sich aus der Kombination von zwei Böden und drei Bauweisen insgesamt sechs Versuchsreihen ergeben. Die Lysimeterversuche wurden von September 2011 bis Dezember 2012 durchgeführt. Während der 15-wöchigen Versuchsreihe wurde jeden Tag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabflusses ermittelt. Das Sickerwasser wurde gemessen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse durchgeführt. Die wesentlichen Erkenntnisse zur Wirksamkeit der TSM sind: 1. trotz mehrfacher Bitumenanspritzung konnte für beide Böden die Sickerwassermenge nicht wesentlich reduziert werden und 2. die beste Wirkung hat die Bauweise kiesiger Boden mit Dränmatte erzielt. Dies ist erstaunlich, da diese Bauweise eigentlich nur für Baustoff mit geringer Durchlässigkeit vorgesehen ist. Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor bei den aufsummierten Frachtkurven ist die Sickerwassermenge, diese wird von der TSM beeinflusst. Es ist also möglich mit einer geeigneten TSM den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu verringern.

Für die Kontrolle der Herstellung von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) im Straßenoberbau wird eine Referenzdichte benötigt, die in Deutschland und vielen anderen europäischen Staaten durch den Proctorversuch nach DIN EN 13286-2 ermittelt wird. Während eines Proctorversuches wird mit einem Fallgewicht, das auf die Prüfkörperoberfläche nach festgesetzten Parametern fällt, der Hohlraumanteil einer Versuchsprobe reduziert und die Raumdichte erhöht. Durch Wasserzugabe wird der Verdichtungsprozess gefördert, wobei es für eine Versuchsprobe einen Wassergehalt gibt, bei dem sie sich in Abhängigkeit von der eingesetzten Verdichtungsenergie optimal verdichten lässt und eine maximal erreichbare Trockendichte erzielt. Aufgrund des relativ geringen Feinanteils der Sieblinie eines Baustoffgemisches für ToB ist der Proctorversuch hier jedoch nur eingeschränkt verwendbar, da sich vollständige Verdichtungskurven aufgrund von Entwässerungsprozessen während des Versuches häufig nicht generieren lassen. Statt konvexen werden auch konkave Kurven, lineare Anstiege oder nicht zweckdienliche Kurvenverläufe gemessen, die eine Bestimmung eines optimalen Wassergehaltes und einer Trockendichte nach der gängigen Auswertemethode (Kurvenmaximum) nicht ermöglichen. Zur Herstellung einer ToB werden Baustellenfahrzeuge und -geräte eingesetzt, die zur Verdichtung die Parameter Frequenz, Amplitude und Eigenlast nutzen. Konträr dazu erfolgt die Laborverdichtung, die für die Verdichtung entsprechend Proctorverfahren ein Fallgewicht nutzt. Neben der Tatsache, dass der Proctorversuch für dränierende Baustoffe nicht optimal geeignet ist, besteht somit eine Diskrepanz zwischen der Labor- und der In-situ-Verdichtung. Neben dem Proctorverfahren stehen europäisch genormte Laborverdichtungsverfahren zur Verfügung, die Verdichtungsparameter nutzen, die der In-situ-Verdichtung entsprechen. Aufgrund der vorgestellten Problematik des Proctorversuches wurde daher ein umfassendes Forschungsprojekt durchgeführt, welches das Ziel hatte, Lösungsansätze für dränierende Baustoffe während der Laborverdichtung zu finden. Dies beinhaltete im primären Sinne die Suche nach einem alternativen Verdichtungsverfahren, das die Problematik für dränierende Baustoffe nicht aufweist und das mehr der In-situ-Verdichtung entspricht. Das Forschungsprojekt identifizierte das Vibrationshammerverfahren nach DIN EN 13286-4 als das Verfahren, welches sehr vergleichbare Ergebnisse zum Proctorverfahren liefert. Weiterhin ist dieses Verfahren sehr in-situ konform, leicht in der Handhabung und weniger kostenintensiv. Anhand von Literaturquellen konnte die scheinbare Kohäsion als Ursache für konvexe Verdichtungskurven identifiziert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass Auswertevorgaben für derartige Kurvenverläufe existieren. Weiterhin besteht eindeutig die Möglichkeit ofentrockene Proben zu verdichten und dennoch ein vergleichbares oder leicht erhöhtes Trockendichteergebnis im Vergleich zu einer optimalen Verdichtung zu erzielen. Nachteil hierbei ist jedoch die fehlende Angabe für den Wassergehalt auf der Baustelle. Daher scheint die Vibrationshammerverdichtung mit einem Wassergehalt knapp über der Trockenverdichtung, die beide notwendigen Parameter liefert, ein erfolgversprechender Ansatz zur Lösung der Problematik des Proctorversuches für ToB-Baustoffgemische zu sein.

In dem Beitrag präsentieren die Autoren einige laufende und geplante Forschungsvorhaben der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), die wesentliche Bestandteile der Forschungslinie (FL) Q5 "Innovationen: Von der Idee in die Praxis" der mittelfristigen Forschungsplanung der BASt darstellen. Bei den konkreten Projekten geht es um die Entwicklung eines geeigneten Bewertungsverfahrens für Innovationen, um das Sichten neuer Forschungsideen aus denen neue Forschungsvorhaben resultieren können, um Nutzung von numerischen Methoden für die Entwicklung neuer Baustoffe und Bauweisen, sowie um den Aufbau einer geeigneten Untersuchungsinfrastruktur.