Entwicklung der Griffigkeit

Die Griffigkeitsschwankungen entstehen aus der Wechselwirkung von einerseits polierenden Effekten und andererseits aufrauenden Effekten. Dabei sind auf wenig belasteten Straßen (Landstraßen) größere Schwankungen zu beobachten als auf stark befahrenen Straßen (Bundes-autobahnen). Nach den gängigen Theorien folgen sie insbesondere der Verkehrsbelastung, der Verwitterung und den auf der Fahrbahnoberfläche als „Straßenschmutz“ vorhandenen Partikel.

Beobachtungen, dass die Griffigkeit saisonal schwankt (vgl. zur Theorie saisonaler Schwankungen zum Beispiel [Huschek 1995]), lassen sich nicht durchgängig mit Daten bestätigen. Eine Theorie besagt, dass die saisonalen Schwankungen infolge des Polierens der Mikrotextur und des Abtrags der Makrotextur entstehen [Saito, Henry 1983]. Allerdings zeigte sich statistisch kein Zusammen-hang zwischen den saisonalen Schwankungen der Griffigkeit und der Mikrotextur [McDonald, Crowley, Turochy 2009]. Für den Parameter der Temperatur (im Sommer ist üblicherweise eine vergleichsweise geringe Griffigkeit und im Frühjahr die höchste Griffigkeit zu messen) ließ sich ein Zusammenhang mit den Griffigkeitswerten herstellen, wodurch die thermodynamische Theorie gestützt würde. Die thermodynamische Theorie besagt, dass Griffigkeit der Energieübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn entspricht. Bei einer geringeren Temperatur der Fahrbahnoberfläche geht bei der Griffigkeitsmessung mehr Energie der Reibung in der Erhitzung der Prüffläche verloren als bei einer hohen Temperatur, sodass weniger Energie in den Gleitkörper eingetragen wird und das Messergebnis geringer ist. [McDonald, Crowley, Turochy 2009] Dies bedeutete allerdings, dass die Griffigkeitsschwankung weniger ein materialspezifisches Phänomen wäre.

Bild 3.15: Griffigkeitsschwankungen in Zusammenhang mit feuchten und trockenen Straßenzuständen [Maclean, Shergold 1958]

(Die gestrichelte Linie gibt die auf eine Bezugstemperatur von 20 °C korrigierten SRT-Werte wieder.)

Werden nicht die Jahreszeiten, sondern die Wetterbedingungen betrachtet, können Griffigkeits-zunahmen bei länger anhaltend feuchten Straßenzuständen (zum Teil vergleichbar bei saisonaler Betrachtung mit dem Winter) verzeichnet werden und Griffigkeitsabnahmen in Trockenperioden (Sommer), siehe Bild 3.15. [Maclean, Shergold 1958] In dieser Zeit werden die gröbere Partikel des Straßenschmutzes auf der Fahrbahn gebunden und erzielen daher nach einer weiteren Theorie eine aufrauenden Effekt [Bald, Rosauer 2008]. Eine Untersuchung und Analyse der Griffigkeitsdaten im Rahmen von Langzeitbeobachtungen von Strecken in den USA und Kanada stützt diesen Zusammenhang teilweise: Es zeigte sich, dass die langfristige Entwicklung der Griffigkeit hauptsächlich von der Klimazone beeinflusst wird. Die Klimazone wurde dabei zum einen in Abhängigkeit der Regenhäufigkeit in nass und trocken und zum anderen in Abhängigkeit der Frosteinwirkung in Frost und kein Frost eingeteilt, sodass in der Kombination insgesamt vier Klimazonen entstehen. Wenn das Wetter vorwiegend trocken ist und auch wenn vorwiegend kein Frost vorhanden ist, wurde eine höhere Griffigkeit ermittelt. Ein Einfluss der durchschnittlichen Jahrestemperatur oder der durchschnittlichen Anzahl an Regentagen im Jahr auf die Griffigkeit konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. [Ahammed, Tighe 2009]

Das Abstreuen der Fahrbahnoberfläche beim Einbau der Asphaltdeckschicht dient, wie in den Abschnitten 3.6.4 und 3.6.6 beschrieben, zur Sicherstellung der Anfangsgriffigkeit. Demnach ist die Griffigkeit zu Beginn der Nutzungsphase stark von den Eigenschaften des Abstreumaterials und seiner Einbindung in die Asphaltdeckschicht abhängig. Mit Beginn der Nutzung werden das Abstreumaterial und nach einer bestimmten Zeit auch der Bitumen- bzw. Mörtelfilm an der Oberfläche der Asphaltdeckschicht abgefahren, sodass schließlich die Oberfläche der Fahrbahn von den Gesteinskörnern der Asphaltmischung, dem dazwischen befindlichen Mörtel und den Hohlräumen gebildet wird. Diese Komponenten bestimmen die Griffigkeit der Fahrbahn während des überwiegenden Teils der Lebensdauer und ergeben sich aus der Zusammensetzung des Asphaltmischguts und bei dessen Einbau.

Die Dauer, bis das Abstreumaterial und der Bitumen- bzw. Mörtelfilm abgefahren sind und tatsächlich die Eigenschaften des Asphalts die Griffigkeit der Fahrbahnoberfläche bestimmen, kann in Abhängigkeit der Materialeigenschaften, der Einbindung des Abstreumaterials und der Stärke der Belastung aus Verkehr und Wetter zwischen rund sechs Monaten und zwei Jahren liegen. In dieser Zeit steigt die Griffigkeit häufig an. ([Bellanger u.a. 1996], [Ahammed, Tighe 2009]) Diese Aussagen decken sich mit Ergebnissen, die im Rahmen von Untersuchungen zur Haltbarkeit von Oberflächenbehandlungen ermittelt wurden (siehe hierzu [Senadheera, Yazgan 2008], [Sutor-Fiedler 2008]).

In Deutschland wird üblicherweise Abstreumaterial der Kornklasse 1/3 oder 2/5 verwendet [ZTV Asphalt-StB 07]. Eine deutlich feinere Körnung wird seit einigen Jahren in Frankreich auf die Oberfläche aufgestreut; bei dem als „Micro-Incrustation“ bezeichneten Verfahren werden feinste Gesteinskörnungen zwischen 0,1 mm und 0,3 mm verwendet [Dupont, Delalande 2005].

Unterschiede hinsichtlich der Auswirkung auf die Griffigkeit (und den Lärm) sind nicht bekannt.

Die in der Forschung und Praxis bekannten und bei der Asphaltkonzeption berücksichtigten Zusammenhänge zwischen der Griffigkeit einer Fahrbahnoberfläche und den Eigenschaften des Asphalts spiegelt die Auswertung einer Expertenbefragung wider: Nach Meinung der befragten Fachleute wird die Griffigkeit hauptsächlich und in einem deutlichen Maße durch die Art des Gesteins bzw. dessen PSV bestimmt. Weiterer, jedoch nur mäßiger Einfluss wurde dem Bitumengehalt, der Korngrößenverteilung, dem fiktiven Hohlraumgehalt und dem Hohlraumgehalt der Asphaltschicht zugewiesen. [Fuchs, Litzka 1998] Statistisch lässt sich jedoch kein Zusammen-hang zwischen dem fiktiven Hohlraumgehalt oder dem Hohlraumgehalt der Asphaltschicht und der langfristigen Veränderung der Griffigkeit nachweisen. Dies wird damit erklärt, dass diese Parameter zwar Eigenschaften der Asphaltschicht sind, aber die Griffigkeit eine externe Eigenschaft ist, die nur die Fahrbahnoberfläche betrifft (nicht wie der Hohlraumgehalt die gesamte Schicht) und daher nicht allgemein und unmittelbar von diesen beeinflusst wird. [Ahammed, Tighe 2009]

Die Auswertung von Griffigkeitsmessungen, die im Rahmen der ZEB auf etwa 300 km Autobahn-Hauptfahrstreifen durchgeführt wurden, und dem Vergleich dieser Griffigkeitsmessungen mit

ausgewählten Parametern sowie den Eignungs- und Kontrollprüfungen zeigt folgende Ergebnisse:

Die Griffigkeit sinkt erwartungsgemäß mit steigender Liegezeit und steigender Verkehrsbelastung (kumuliertes Aufkommen des Schwerverkehrs). Das Maß der Abnahme der Griffigkeit variiert allerdings stark und ist von weiteren, aber nicht in der Untersuchung identifizierten Faktoren abhängig. Es kann jedoch gefolgert werden, dass die Griffigkeit nicht alleine von der Polierresistenz der Gesteine abhängt, da die auf der Straße gemessene Griffigkeit eine größere Spannweite aufweist als die jeweils zugehörigen PSV der Gesteine. [Pätzold, Steinhoff 2002]

Die Beobachtung und systematische Untersuchung von Versuchsstrecken in Frankreich, die mit Asphalt „Béton bitumineux drainant“ (vergleichbar mit Drainasphalten) und „Béton bitumineux très mince“ (BBTM, vergleichbar mit Dünnen Asphaltdeckschichten in Heißbauweise) unterschiedlicher Zusammensetzungen und Gesteinskörnungen hergestellt wurden, zeigte nach dreijähriger Liegedauer, dass die Mikrorauheitzwischen der Rauheit der verwendeten Gesteinskörner im

„Neuzustand“ und dem zugehörigen Wert, der entsprechend dem PSV-Verfahren ermittelt wurde, lag. Allgemein zeigte sich, dass die Mikrorauheit zu Beginn stieg, nach etwa sechs Monaten ihren Höchstwert aufwies und anschließend allmählich sank. Die Makrotextur zeigte bei den Strecken mit BBTM kaum eine Veränderung. Die Griffigkeit hingegen, die mit dem Messsystem Adhéra (ein

„Longitudinal Friction Coefficient“ (LFC)-Messgerät, vergleichbar zu dem in Deutschland eingesetzten GripTester) ermittelt wurde, nahm innerhalb der ersten zwei Jahre der Betrachtungsdauer zu. [Bellanger u.a. 1996]

Die Textur wirkt neben ihrer Möglichkeit der Drainage auch über die Profiltiefe (ähnlich wie bei dem Reifen) auf die verfügbare Griffigkeit: Die Texturtiefe beeinflusst in hohem Maße den möglichen vertikalen Kontaktdruck, insbesondere bei einer positiven Textur („Tal mit Bergen“). Bei einem höheren Kontaktdruck steigt das Poliermaß des Gesteins und die Griffigkeit sinkt. Bei einer relativ feinen und ebenen Oberfläche ist die Kontaktfläche größer, sodass der vertikale Kontaktdruck abnimmt und das Gestein weniger poliert wird. [Woodside, Woodward 2002] Jedoch kann eine hohe Makrotextur mit kantenfesten und gut geformten Gesteinskörnern keine schlechte oder geringe Mikrotextur kompensieren und zu einer guten Griffigkeit führen [Bellanger u.a. 1996].

Ist die positive Textur stark ausgeprägt, können größere horizontale Kontaktdrücke entstehen, die im Verlauf der Überrollung in unterschiedliche Richtungen wirken. [Woodside, Woodward 2002]

Sie können die Polierwirkung weiter verstärken und in Abhängigkeit der Adhäsion zwischen Bitumen und Gestein sowie der Einbindungstiefe des Gesteinskorns auch zum Kornausbruch führen.

Dies gilt besonders für das Abstreumaterial.

Der Polierwiderstand von Sand besitzt nach Erkenntnissen von Huschek (2004) nur zu Beginn der Lebensdauer eine Bedeutung für die Griffigkeit, dann nimmt sein Einfluss auf die Griffigkeit ab.

Dies führt er auf die Ausmagerung der Fahrbahnoberfläche infolge von Witterung und Verkehr zurück.

Aufgrund von Langzeitbeoabachtungen bestimmte Huschek eine allgemeine Formel für die Entwicklung der Griffigkeit, die über den Reibbeiwert μ gemessen wird:

=c⋅t1^b

wobei t die Liegedauer, c die Anfangsgriffigkeit und b eine Konstante zur Beschreibung der Griffigkeitsentwicklung sind. Über die Liegedauer wird mittelbar die Verkehrsbelastung berücksichtigt. Ist b negativ, nimmt die Reibbeiwert mit der Zeit ab, ist b positiv, steigt der Reibbeiwert. Das Phänomen einer steigenden Griffigkeit kann jedoch nur temporär und auf wenig belasteten Straßen beobachtet werden. Zwischen den Reibbeiwerten, die zum einen mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM, früher bezeichnet als Sideways Force Coefficient Routine Investigation Maschine SCRIM) und zum anderen mit dem Stuttgarter Reibungsmesser (SRM) ermittelt wurden, besteht ein linearer Zusammenhang, sodass die obige Formel mit der Anpassung der Parameter auch für die Betrachtung des jeweils anderen Messverfahren gilt. [Huschek 2004]

(Für die Verfahren siehe zum Beispiel [Huschek 1995].) Wenn die Parameter angepasst werden, kann die Formel auch als Logarithmus-Funktion angegeben werden (vgl. [Scazziga 2008]).

Wird mit der Poliermaschine nach Wehner/Schulze (weitere Informationen zu diesem Verfahren siehe [Huschek 2007] und die dort angegebenen Literaturhinweise) die Griffigkeit einer Asphaltmischung bzw. einer Asphaltdeckschicht gemessen und prognostiziert, lässt sich der Verlauf der Griffigkeitskurve mit der folgenden Formel beschreiben [Do u.a. 2007]:

=a⋅e^−bN−c⋅Nd,

mit N der Anzahl der Rotationen in dem Prüfverfahren und a, b, c und d den Parametern zur Anpassung der Kurve des betrachteten Asphalts. Eine gute Anpassung an die Messergebnisse zeigt diese Formel allerdings erst, wie auch die Formel von Huschek, nach einer bestimmten Polierdauer:

Beispielsweise ist bei N = 0, das heißt wenn noch kein Poliervorgang stattgefunden hat, auf der Asphaltoberfläche ein Bitumen- bzw. Mörtelfilm vorhanden, der zu geringeren Reibbeiwerten führt.

Für die „richtige“ Anpassung der Kurve an die Ergebnisse der späteren Lebensdauer muss aber μ(N=0) = a + d in der Regel höher gewählt werden. Ein Zusammenhang konnte zwischen dem anfänglichen Messwert und der Korngröße an der Oberfläche bestimmt werden. Ein Zusammen-hang zwischen dem „anfänglichen“ Reibbeiwert und der Polierresistenz der Gesteine konnte nicht nachgewiesen werden. Der Parameter b bestimmt den Kurvenverlauf, entsprechend den Untersuchungsergebnissen gibt er die Steigung der Kurve zu Beginn wieder. Weiterhin besteht ein inverser Zusammenhang zwischen dem Parameter b und der Polierresistenz der Gesteine; dies ist plausibel, da die Polierresistenz in erheblichem Maße die Griffigkeit der Straße in der Nutzungs-phase beeinflusst – je höher die Polierresistenz, desto länger muss der Poliervorgang bis zum Erreichen eines bestimmten Griffigkeitsniveaus sein und desto geringer ist der Parameter b.

Zwischen dem Parameter d und der Polierresistenz zeigte sich folgender Zusammenhang: mit steigendem PSV steigt der Parameter d. Eine Erklärung fehlt hierfür allerdings. [Do u.a. 2007]

Die Entwicklung der Griffigkeit zu Beginn, wenn die Bitumen- bzw. Mörtelschicht an der Asphaltoberfläche abgefahren und die Gesteinskörnung freigelegt werden muss, wurde in den vorherigen Ansätzen nicht abgebildet. Dies ist mit folgendem Ansatz möglich, der ebenfalls auf Ergebnissen mit dem Polierverfahren nach Wehner/Schulze basiert [Do u.a. 2007]:

=a₁⋅





Auch hier ist N die Anzahl der Rotationen in dem Prüfverfahren und die Parameter a1 bis a5 dienen der Anpassung des Kurvenverlaufs. Da jedoch in der Praxis das Interesse zur Prognose des anfänglichen Griffigkeitsverlaufs fehlt, eine geringe Anfangsgriffigkeit einfach mit verschiedenen Maßnahmen behoben oder vermieden werden kann (zum Beispiel Abstreuen der Oberfläche) und die Bestimmung der fünf Parameter aufwändig und nicht praktikabel ist, wurde dieser Ansatz nicht weiter verfolgt. [Do u.a. 2007]

Basierend auf langjährigen Griffigkeitsmessungen und der Auswertung von dazugehörigen Daten der Verkehrsbelastung, des Wetters und derAsphaltkenngrößen von 256 Straßen in den USA und Kanada konnten folgende Formeln zur Prognose der Entwicklung der Griffigkeit mit einem linearen Ansatz ermittelt werden. Die Griffigkeit wurde mit einem schnellfahrenden Messsystem mit blockiertem Rad entsprechend ASTM E 274 ermittelt, das dem Stuttgarter Reibungsmesser ähnlich ist. Die erste Formel gilt bei Betrachtung des Alters der Straße in Jahren (Y), die zweite Formel bei Betrachtung der kumulierten Verkehrsbelastung in Mio. Fahrzeugübergängen (V), beides nach der anfänglichen Entwicklung (und Zunahme) der Griffigkeit, für die hier eine Dauer von durchschnittlich 1,5 Jahren bestimmt wurde [Ahammed, Tighe 2009]:

SN_S=63,079−1,208⋅Y5,321⋅DW2,697⋅FNF−0,179⋅S−0,242⋅T bzw.

SN_S=59,644−0,265⋅V5,901⋅DW3,691⋅FNF−0,133⋅S−0,293⋅T.

Dabei ist DW ein binärer Parameter für das durchschnittlich vorhandene Wetter (DW = 0 bzw.1 bei nassem bzw. trockenem Wetter), FNF ein binärer Parameter für das durchschnittliche Vorhandensein von Frost (FNF = 0 bzw. 1 bei überwiegend bzw. keinem Frost), S die Geschwindigkeit bei der Messung in km/h und T die Temperatur in °C während der Messung. Demnach reduziert sich die Griffigkeit durchschnittlich um 1,2 Einheiten pro Jahr bzw. 0,27 Einheiten pro Mio.

Fahrzeugübergänge. [Ahammed, Tighe 2009]

Teilmodell für die Entwicklung der Griffigkeit

Zur Erläuterung der grafischen Darstellungen siehe Abschnitt 2.4. Eine vergrößerte Darstellung des Modells ist in dem Anhang, Abschnitt 8.4.7 abgebildet.