Wann eine Asphaltstraße sanierungsreif ist, wird derzeit nur vom Zustand der Fahrbahnoberfläche abhängig gemacht. Der Zustand der darunterliegenden Tragschicht bleibt oft (zu lange) unerkannt, da er nicht so leicht zu messen ist. Eine neue Lösung des Fraunhofer WKI könnte dies ändern. Die Forschenden haben ein Monitoringsystem entwickelt, mit dem sich der Zustand von Asphalttragschichten dauerhaft und zerstörungsfrei überwachen lässt.
Herzstück der Lösung ist ein Sensorgewebe im Asphalt – genauer sagt in der Tragschicht von Asphaltstraßen. Darunter versteht man im Straßenbau die Schichten unterhalb der Fahrbahndecke. Bei Asphaltstraßen bestehen diese genauso wie die Deckschicht aus Gesteinskörnungen und Bitumen als Bindemittel – nur dass die Korngröße der verwendeten Mineralstoffe von oben nach unten immer mehr zunimmt.
Forschungsprojekt SenAD
Im ihres Projekts „SenAD“ („Sensorintegration in Asphalt für ein Daten-basiertes Degradationsmonitoring“ haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung (Fraunhofer WKI) in solche gebundenen Tragschichten ein spezielles Sensor-Gewebe eingebaut. Dabei handelt es sich um ein elektrisch leitendes Material – integriert in ein Naturfasergewebe.
Die Aufgabe des Sensorgewebes besteht darin, durch Verkehrs- und Umweltbelastungen in der Tragschicht entstandene Schäden frühzeitig zu erkennen. Die Sensoren sollen kontinuierlich Messwerte liefern, aus denen sich Aussagen über den Zustand der tieferen Straßenschichten ableiten lassen. Möglich ist das, weil die äußeren Beanspruchungen, die auf die Tragschicht einwirken, auch den Zustand der elektrisch leitenden Sensorik beeinflussen. Eine Dehnung des Sensormaterials verändert dessen elektrischen Widerstand. Das lässt sich messen und in Relation zum Straßenzustand bringen.
Ein großer Vorteil dieses Monitoringsystems ist, dass es – einmal installiert – zerstörungsfrei funktioniert. Bei Straßenneubauten könnte man Sensorgewebe künftig von Anfang an einbauen. Und im Rahmen notwendiger Sanierungen – wenn die alte Fahrbahndecke ohnehin aufgebrochen werden muss – lässt es sich natürlich auch nachträglich in Bestandsstraßen installieren.
Permanente Zustandsüberwachung
Derzeit ist es dagegen üblich, zur Beurteilung des Zustands der Tragschicht Bohrkerne aus dem Straßenquerschnitt herauszuschneiden. Dieses aufwändige Verfahren schädigt die Asphaltschichten zusätzlich und erfordert zudem Straßensperrungen. Es lässt sich daher auch lokal nur sehr begrenzt anwenden. Auch deshalb werden Schäden an Tragschichten vielerorts erst sehr spät erkannt.
Der nur punktuelle Einsatz von Bohrkernprüfungen führt mitunter zu langwierigen Straßensanierungen, weil erst dann etwas unternommen wird, wenn der Schaden so groß ist, dass man ihn nicht mehr übersehen kann. Eine Ausweitung der Prüfungen ist aber ebenfalls unpopulär. Vor allem dann, wenn sich hinterher herausstellt, dass gar kein Straßenschaden vorliegt. Schließlich weiß man bei solchen Prüfungen „auf Verdacht hin“ anfangs noch gar nicht sicher, ob tatsächlich etwas kaputt ist.
Mit den Sensoren des Fraunhofer WKI könnten Straßensanierungen künftig auf Basis gesicherter Informationen stattfinden. Wenn Informationen zum Zustand der Asphalttragschichten jederzeit „live“ nachverfolgbar sind, lassen sich Ausbesserungen zudem langfristiger und mit weniger Verkehrsstörungen planen. Man könnte zum Beispiel notwendige Arbeiten eher außerhalb der Ferienzeiten erledigen. Sperrungen aufgrund von Bohrkernprüfungen würden zudem der Vergangenheit angehören.
„Unser Ziel ist es, langfristiger planen zu können, die Veränderung des Straßenzustands permanent zu beobachten und darauf basierend Prognosen abzuleiten und in das Instandhaltungsmanagement zu überführen“, bestätigt Christina Haxter, Wissenschaftlerin am Fraunhofer WKI. „Das macht die Straßen nicht haltbarer, aber es verbessert die Zustandsüberwachung.“
Flachsfasern und leitfähiger Draht
Das Sensorgewebe wurde bereits im ersten Teil des SenAD-Projekts (10/2020 bis 06/2021) vom Fraunhofer WKI in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IFAM und der Hochschule Magdeburg-Stendal entwickelt und hergestellt. Es handelt sich um ein Trägergewebe aus Flachsfasern, das mit elektrisch leitfähigem Draht verwoben ist. Dieser Draht hat einen Durchmesser von weniger als 1 mm und wird direkt während des Webprozesses in das Naturfasergewebe integriert.
Das Gewebe lässt sich nach Fraunhofer-Angaben kostengünstig herstellen und daher auch flächendeckend einsetzen. Wobei das in der Praxis gar nicht notwendig sein wird. Die Forschenden fanden nämlich auch heraus, dass sie die Sensorik nur in bestimmten Abständen in die Asphaltschicht einzubauen brauchen, um dann nahezu für die gesamte Straße Messergebnisse zu erhalten.
„Das Gewebe ist so konzipiert, dass es Installationsbelastungen und Umweltbedingungen standhält, wie wir in ersten Tests nachweisen konnten“, sagt Christina Haxter. Hergestellt wird es derzeit auf einer Doppelgreifer-Webmaschine des Fraunhofer WKI. Die Webbreite beträgt 50 cm, die Länge kann beliebig gewählt werden.
Der Sensordraht wird auf einer Straßenseite an eine Messeinrichtung angeschlossen, die die Daten speichert und an eine Software zur Auswertung überträgt. Diese Datenanalyse gehört zu den inhaltlichen Schwerpunkten des Folgeprojekts SenAD2 („Machine Learning-basiertes Degradationsmonitoring für Asphaltstraßenbefestigungen“), das im Juni 2024 begonnen hat und noch bis Mai 2027 dauern soll.
KI-Verfahren zur Datenanalyse
Die Forschenden arbeiten derzeit unter anderem an KI-Verfahren zur Analyse der Daten aus der Asphalttragschicht. Sie haben dafür Berechnungsmodelle entwickelt, die den aktuellen Zustand des Straßenbelags bestimmen und zugleich den zu erwartenden Schädigungsverlauf prognostizieren sollen.
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Die Visualisierung der Daten erfolgt über eine im Projekt entwickelte Internet-Plattform. Geplant ist, für Behörden, Anlieger, Unternehmen, Verkehrsteilnehmer und sonstige Betroffene von Bau- und Erhaltungsmaßnahmen alle relevanten Informationen über die Plattform zur Verfügung zu stellen.
Tests im Gewerbegebiet
Nach ersten erfolgreichen Machbarkeitstests im Labor finden derzeit im Rahmen von SenAD2 auch Tests mit einem Demonstrator auf einer ebenen Probestrecke in einem Gewerbegebiet statt. Dort hat man das Sensorgewebe über den kompletten Straßenquerschnitt verlegt. Beim Überfahren des Demonstrators werden die Widerstandsänderungen in der Sensorik automatisch erfasst.
Erste Testmessungen zeigen, dass das System die durch die Überfahrten eines Belastungsfahrzeugs (Test-Lkw) hervorgerufenen Verformungen erfassen kann. Dabei werden in den Messergebnissen sowohl die unterschiedlichen Achslasten als auch die Achskonfiguration des Fahrzeugs deutlich erkennbar.
Dieser Text ist eine Aktualisierung des Beitrags „Asphalt: Messsystem für Straßenschäden“ von Januar 2022.
