Erhitzung über Magnetfelder: Die Induktionsmaschine im Praxiseinsatz auf dem duraBASt-Gelände. Foto: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Aus der Forschung: Selbstheilender Asphalt
Mitte Oktober 2017 wurde im Bereich des Autobahnkreuzes Köln-Ost ein Testgelände für den Straßenbau eröffnet. Auf dem Areal untersuchen die Bundesanstalt für Straßenwesen und ihre Partner seitdem innovative Baustoffe und Bauweisen. Auf seine Praxistauglichkeit getestet wurde zum Beispiel bereits ein selbstheilender Asphalt – unter dem vielversprechenden Projektnamen „Healroad“.
Die neue Straßenbau-Teststrecke ist etwa 1 km lang, hat eine Fläche von rund 25.000 m2 und heißt offiziell „Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareal der Bundesanstalt für Straßenwesen“ – abgekürzt: duraBASt. Nach Angaben der Bundesanstalt ist die Versuchseinrichtung im Osten von Köln weltweit einzigartig. Sie verfügt über 16 Untersuchungsbereiche, in denen sich Baustoffgemische, Bauweisen oder Bauverfahren realitätsnah im Maßstab 1:1 erproben lassen.
Neben der notwendigen Fläche verfügt das duraBASt auch über einzigartige Versuchsanlagen zur zeitraffenden Belastung der Streckenabschnitte. Mit deren Hilfe kann man neuartige Straßenbeläge zeitraffend belasten und auf ihre Dauerhaftigkeit hin prüfen. Die Bundesanstalt für Straßenwesen verspricht sich von den optimalen Versuchsbedingungen auf dem Gelände nicht zuletzt eine deutliche Verkürzung der Zeitspanne zwischen der Entwicklung neuer Produktideen und deren tatsächlichen Praxiseinführung. Zusätzlich bietet die Referenzstrecke die Möglichkeit, moderne Messfahrzeuge zur Zustandserfassung und -bewertung von Straßenbaustoffen zu prüfen und sie für den Einsatz auf den Bundesfernstraßen zuzulassen.
Internationales Interesse
Das Interesse am Testgelände ist groß. Nicht nur die Bundesanstalt, sondern auch viele andere Organisationen und Unternehmen aus der Straßenbaubranche nutzen das Areal für ihre Untersuchungszwecke. Dabei kommen die Interessenten auch aus dem Ausland. So steht hinter dem Forschungsprojekt Healroad ein internationales Konsortium, bestehend aus den Universitäten von Cantabria (Spanien) und Nottingham (England), dem europäischen Straßenverband ERF, dem niederländischen Bauunternehmen Heijmans und der ebenfalls niederländischen Inspektions- und Zertifizierungsgesellschaft SGS Intron. Aus Deutschland beteiligt sich die Bundesanstalt für Straßenwesen. Nicht zuletzt deshalb konntenn die Belastungsversuche für den selbstheilenden Asphalt auf dem duraBASt stattfinden.
Was ist Healroad?
Straßenasphalt besteht üblicherweise aus Gesteinskörnungen, Füllstoffen und Bitumen als Bindemittel. Bei der speziellen Variante, die im Rahmen des Healroad-Projekts entwickelt wurde, kommt noch etwas anderes hinzu: Die Rezeptur enthält kleine, magnetische Metallpartikel. Für die Funktionsfähigkeit der Asphalt-Deckschicht im täglichen Straßenverkehr spielen diese Partikel eigentlich keine weitere Rolle. Ihr Sinn enthüllt sich erst, wenn es zu Straßenschäden kommt, zu Rissen in der Fahrbahndecke.
Der Clou des neuen Belags: Bei Healroad müssen beschädigte Deckschichten nicht ausgetauscht werden, sondern lassen sich „heilen“. Das geschieht mithilfe von Induktionsmaschinen, die man über die betroffenen Straßenabschnitte fahren lässt. Diese sorgen dafür, dass sich die magnetischen Bestandteile der Asphaltrezeptur schlagartig erwärmen. Dadurch verändert sich die Viskosität des Bitumens. Es wird fließfähig und zumindest kleinere Risse werden wieder verschlossen, wodurch das Ausbrechen von Steinen verhindert wird. Daher der Name selbstheilender Asphalt.
Prinzip der Induktionserwärmung
Bis zu einem gewissen Grad verfügt jeder Asphalt von sich aus über solche Selbstheilungskräfte. Wenn im Sommer die Sonne längere Zeit auf die Straße „knallt“, wird das Bitumen ebenfalls warm und verformungsfähiger. Ganz ohne Induktionsmaschine. Das Healroad-Verfahren verstärkt diesen Effekt aber um ein Vielfaches.
Das Prinzip der Induktionserwärmung kennt man auch aus Küchen, von so genannten Induktionskochfeldern. Diese verfügen unterhalb der Kochflächen über Drahtspulen, die ein Magnetfeld erzeugen, wenn Strom durch sie fließt. Das Magnetfeld bewirkt Wirbelströme und eine Ummagnetisierung in metallischen Töpfen und Pfannen, die sich auf dem Kochfeld befinden. Dadurch erhitzt sich das Kochgeschirr, während die Kochfläche selbst kühl bleibt.
Beim Healroad-Verfahren läuft etwas ganz Ähnliches ab, wobei hier die Magnetpartikel im Asphalt das Kochgeschirr repräsentieren und die fahrbare Induktionsmaschine das Kochfeld. Die Magnetspulen in der Induktionsmaschine erzeugen ein Magnetfeld, das die Metallteilchen im Asphalt erhitzt. Mit dem nichtmetallischen Bitumen funktioniert diese magnetisch induzierte Erwärmung nicht auf direktem Weg. Deshalb bedarf es der Metallpartikel, die zunächst erhitzt werden und dann ihrerseits die Temperatur des Bitumens verändern.
Forschungsziele
Die Teststrecke im Autobahnkreuz Köln-Ost unterteilt sich in Demonstrations- (rot), Untersuchungs- (gelb) und Referenzabschnitte (grün). Grafik: BASt
Das Healroad-Projekt verfolgt das Ziel, einen Asphalt zu entwickeln, der sich länger nutzen lässt als die herkömmlichen Materialien. Insbesondere die Kosten für Erhaltungsmaßnahmen sollen sinken. Wenn sich kleinere Schäden reparieren lassen, indem man einfach die Induktionsmaschine über den Belag fahren lässt, dann verspricht das Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Reparaturmethoden. Nicht zuletzt könnten lange Bauphasen vermieden und natürliche Rohstoffe zur Herstellung von neuem Asphalt geschont werden.
Im Rahmen des Healroad-Projekts haben die Forscher zunächst in umfangreichen Laboruntersuchungen eine geeignete Asphalt-Rezeptur entwickelt, die sowohl unter technischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten überzeugt. Im Anschluss daran erfolgten weitere Laborversuche, bei denen unter anderem ermittelt wurde, wie häufig die Heilung mittels Induktionsenergie angewendet und wie das Material später einmal einer Wiederverwendung zugeführt werden könnte. Im Herbst 2017 wurde der selbstheilende Asphalt dann auf dem duraBASt im Maßstab 1:1 ausgiebig auf seine Praxistauglichkeit hin getestet.
Belastungstests abgeschlossen
Wie die Bundesanstalt für Straßenwesen mitteilte, sind die Belastungsversuche mittlerweile abgeschlossen. Zwei Testfelder wurden mithilfe eines speziellen Prüffahrzeugs – dem Mobile Load Simulator MLS30 – mit jeweils 150.000 Überrollungen zeitraffend belastet. Neben der reinen Belastung mit dem MLS30 verfügen die Versuchsstrecken über Instrumente, um Dehnungen, Druckspannungen und Temperaturen aufzuzeichnen. Beim Healroad-Asphalt wurden zusätzlich verschiedene zerstörungsfreie Verfahren für die Ermittlung der Tragfähigkeit, der Ebenheit aber auch des Oberflächenbildes eingesetzt. Nach Abschluss der Belastungsversuche hat man zudem zerstörende Prüfungen vorgenommen, um an Bohrkernen weitere Untersuchen durchzuführen.
Die Belastung durch den MLS30 erfolgte mit vier Standard-Lkw-Reifen, die jeweils eine Radlast von 75 Kilonewton aufwiesen. Im laufenden Belastungsbetrieb wurde die komplette Maschine seitlich versetzt. Nach Angaben der Bundesanstalt ermöglichte es diese Kombination, höhere Kräfte als üblich einzuleiten und somit die zeitraffende Wirkung auf die Deckschicht zu verstärken. Auf dem zweiten Belastungsfeld kam auch die Induktionsmaschine zur Selbstheilung der Deckschicht zum Einsatz. Die Praxisversuche müssen nun ausgewertet werden. Man darf gespannt sein, ob Healroad die Praxiseinführung in den realen Straßenbau gelingt.
Über den Autor
Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für
BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin
BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift
baustoffpraxis.
Kontakt:
freierjournalist@rolandgrimm.com
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