Konventionelle Asphaltdeckschicht

In Bild 4.34 ist die durchschnittliche Entwicklung der Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise dargestellt. Weiterhin sind dem Bild die Entwicklung des Fahrbahnabriebs, der Verformung infolge von Nachverdichtung und der Schubverformung zu entnehmen. Es ist eindeutig zu erkennen, dass die Schubverformung die Spurrinnentiefe bestimmt, wie es aufgrund der ausreichenden Verdichtung der Beispielstrecke sowie der Erfahrung aus der Praxis zu erwarten ist und es sich bereits bei der Auswertung nach fünf Jahren (siehe Abschnitt 4.4.2) zeigte. Der leicht progressive Verlauf der Schubverformung und der Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht erscheint im Hinblick auf die ihnen hinterlegten Berechnungsformeln widersprüchlich, ist aber in der Entwicklung der Verkehrsbelastung begründet (vgl. Abschnitt 4.3.1 und Tabelle 4.2).

Die praktisch maximal mögliche Schubverformung, die eine fast vollständige Verdrängung des Materials der Asphaltschicht beschreibt, entspricht der theoretischen Dicke, dem Faktor m1 der Schubverformung. Wird näherungsweise der minimale Hohlraumgehalt und die Soll-Schichtdicke der Asphaltdeckschicht eingesetzt, so lässt sich die maximal mögliche Schubverformung von 42,8 mm berechnen. Die berechnete Schubverformung liegt zu allen Betrachtungszeitpunkten unterhalb dieses Wertes, sodass alle Ergebnisse im Folgenden herangezogen werden können.

Bild 4.34: Entwicklung der mittleren Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht sowie ihrer Komponenten Abrieb der Fahrbahn, Verformung infolge von Nachverdichtung und Schubverformung (berechnet mit der angepassten Formel) in Abhängigkeit der Liegedauer für die Beispielstrecke in konventioneller Bauweise

Nach einer Liegedauer von zehn Jahren beträgt die Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht 5,7 mm, nach 15-jähriger Liegedauer 9,1 mm und zum Ende des Prognosezeitraums 13,0 mm. Wird angenommen, dass etwa 8 % der Spurrinnentiefe der Asphaltdecke von der Asphaltbinderschicht ausgehen, wie es zu dem Betrachtungszeitpunkt nach fünf Jahren Liegedauer ermittelt wurde, ergibt sich anhand der Daten der Asphaltdeckschicht insgesamt nach zehn Jahren eine Spurrinnentiefe der Asphaltdecke von 6,2 mm, nach 15 Jahren von 9,9 mm und nach 20 Jahren von 14,1 mm.

Die Verformung der Asphaltbinderschicht, die für eine Liegedauer von zehn und 15 Jahren mit DRAT berechnet wird, zeigt, dass diese Annahme eine gute Näherung für die Prognose darstellt: Die auf Basis der Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht abgeschätzte Spurrinnentiefe der Asphaltdecke differiert von der mit dem Modell berechneten Spurrinnentiefe für beide Betrachtungszeitpunkte um 0,2 mm (siehe Tabelle 4.11). Die gesamte Spurrinnentiefe der Asphaltdecke ermittelt sich zu diesen Zeitpunkten mit 6,0 mm (10 Jahre) bzw. 9,7 mm (15 Jahre). Demnach nimmt der Anteil der Verformung der Asphaltbinderschicht an der Spurrinnentiefe der Asphaltdecke mit der Zeit ab auf 5 % bzw. 6 %. Somit kann aus der Verformung der Asphaltdeckschicht die gesamte Spurrinnentiefe der Asphaltdecke kalkuliert werden, wobei für die weitere Berechnung der Anteil anhand der dargestellten Ergebnisse auf 6 % angepasst wird.

10 Jahre 15 Jahre

Schätzung* Berechnung Schätzung* Berechnung

Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht [mm] 5,7 9,1

Spurrinnentiefe der Asphaltbinderschicht [mm]

0,5 0,3 0,8 0,6

Spurrinnentiefe der Asphaltdecke [mm] 6,2 6,0 9,9 9,7

Differenz [mm] 0,2 0,2

Tabelle 4.11: Vergleich der Spurrinnentiefe, die anhand der Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht abgeschätzt wurde, und der berechneten Spurrinnentiefe der Asphaltdecke in konventioneller Bauweise

* Annahme: 8 % der Spurrinnentiefe der Asphaltdecke folgt aus der Verformung der Asphaltbinderschicht

In Bild 4.35 ist die Verteilung der Spurrinnentiefe für die verschiedenen Liegedauern als Boxplot wiedergegeben, wobei die senkrechte Linie die Spannweite (Minimum und Maximum), der graue Kasten den Interquartilsabstand (Abstand zwischen oberem und unterem Quartil) und der mittlere Balken den Mittelwert der ermittelten Spurrinnentiefe darstellt. Der zum Teil sprunghafte Anstieg der Spannweiten, der besonders ab einer Liegedauer von 12 Jahren zu verzeichnen ist, erklärt sich mit der Klassenbildung. Dabei entspricht das Minimum der Untergrenze der Klasse, in der die

kumulierte Wahrscheinlichkeit mindestens den Wert 0,001 (0,1 %) erreicht, und das Maximum der Obergrenze der Klasse, in der die kumulierte Wahrscheinlichkeit den Wert 1,000 (100 %) erreicht.

Bild 4.35: Boxplot der Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise in Abhängigkeit der Liegedauer

(im Boxplot dargestellt sind der Mittelwert, das obere und untere Quartil sowie die Spannweite der Wahrscheinlichkeitsverteilung jedes Jahres)

Bei der Betrachtung des Boxplots zeigt sich, dass sowohl der Interquartilsabstand als auch die Spannweite mit zunehmender Liegedauer größer werden. Dieses Phänomen ist nicht allein auf die größeren Klassenbreiten bei den höheren Werten zurückzuführen (vgl. Abschnitt 4.6.1), die mit zunehmender Liegedauer zugleich eher mit einer Wahrscheinlichkeit belegt sind, sondern resultiert wesentlich aus der Variabilität der Faktoren. Mit zunehmender Liegedauer bzw. Verkehrsbelastung und der entsprechenden Multiplikation dieser Variabilität, erhält diese absolut betrachtet ein höheres Gewicht (ähnlich zur Fortpflanzung eines Fehlers) und die Schwankungsbreite (der mittlere Fehler) der Werte steigt.

Anhand der Lage der Quartile und des Mittelwerts im Vergleich zu der Spannweite ist zu erkennen, dass sich bei der Verteilung der Spurrinnentiefe eines Jahres bei längerer Liegedauer eine leichte Rechtsschiefe ausprägt. Dies ist plausibel, da aufgrund der Entwicklung der Spurrinnentiefe eine geringere Spurrinnentiefe häufiger anzutreffen sein wird als eine große Spurrinnentiefe; die Kombinationen der Faktoren, die nach längerer Liegedauer zu einer großen Spurrinnentiefe führen, sind seltener wahrscheinlich.

Aus den im Boxplot dargestellten Spannweiten ist zu erkennen, dass der Warnwert (10 mm) allein aus der Verformung der Asphaltdeckschicht nach einer Liegedauer von elf Jahren zumindest für vereinzelte Bereiche überschritten werden kann. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 25 %, dies entspricht dem oberen Quartil, wird der Warnwert durch die Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht nach einer Liegedauer von 15 Jahren erreicht oder überschritten. Die Wahrscheinlichkeit, den Schwellenwert allein durch die mit dem Modell kalkulierte Verformung der Asphaltdeckschicht zu überschreiten, ist im gesamten Prognosezeitraum geringer als 25 %. Nach einer Liegedauer von 19 Jahren ist jedoch in vereinzelten Bereichen mit einer Verformung der Asphaltdeckschicht von größer 20 mm zu rechnen.

Für die folgende Prognose der Spurrinnentiefe der Asphaltdecke wird aufbauend auf der kalkulierten Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht zum einen entsprechend den oben dargestellten Ergebnissen eine anteilige Verformung der Asphaltbinderschicht von 6 % an der gesamten Spurrinnentiefe angenommen und zum anderen diese gesamte Spurrinnentiefe anhand der relativen Abweichung des Mittelwerts der kalkulierten Spurrinnentiefe gegenüber dem Mittelwert der gemessenen Spurrinnentiefe zum Zeitpunkt der ZEB korrigiert (siehe den Hinweis in Abschnitt 4.6.1). Die Abweichung, die nach einer Liegedauer von fünf Jahren im Vergleich mit den Messdaten der ZEB auf dem zweiten Fahrstreifen ermittelt wurde und nun zur Korrektur verwendet wird, beträgt für die Beispielstrecke in konventioneller Bauweise +14,5 %. In Bild 4.36 sind die mit den Formeln berechnete Wahrscheinlichkeitsverteilung der Asphaltdeckschicht (SPT ADS) sowie die

wie beschrieben verschobenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Spurrinnentiefe der Asphalt-decke mit anteiliger Berücksichtigung der Verformung der Asphaltbinderschicht (SPT gesamt (ABi anteilig)) und mit der Korrektur (SPT gesamt (korrigiert)) veranschaulicht. Zum Vergleich ist ferner die relative Häufigkeitsverteilung der gemessenen Spurrinnentiefe (SPT ZEB FS2) dargestellt. Durch die Berücksichtigung der Korrektur wird die Anpassung der Verteilung der berechneten Spurinnentiefe an die Verteilung der gemessenen Spurrinnentiefe erkennbar verbessert.

Bild 4.36: Verschiebung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der kalkulierten Spurrinnentiefe der Asphaltdeckschicht (SPT ADS) durch die anteilige Berücksichtigung der Verformung der Asphaltbinderschicht (SPT gesamt (ABi anteilig)) und der Korrektur um die Abweichung (SPT gesamt (korrigiert)) für die Beispielstrecke in konventioneller Bauweise

In Bild 4.37 ist die kumulierte Wahrscheinlichkeitsverteilung der Spurrinnentiefe der Asphaltdecke für die Beispielstrecke in konventioneller Bauweise dargestellt. Die angegebene Spurrinnentiefe der Asphaltdecke (untere Skala) wird durch die Berücksichtigung der anteiligen Verformung der Asphaltbinderschicht an der resultierenden Spurrinnentiefe berechnet. An der oberen Skala

„Korrigierte Spurrinnentiefe der Asphaltdecke“ kann die, wie zuvor beschrieben, korrigierte Spurrinnentiefe abgelesen werden.

Im Sinne der Übersichtlichkeit und erleichterten Zuordnung der Kurven der einzelnen Jahre wurden die Kurven für eine Liegedauer von fünf, zehn, 15 und 20 Jahren gestrichelt dargestellt. Weiterhin sind in den Bildern für die folgende Analyse die Spurrinnentiefen dargestellt, die im Rahmen der ZEB dem Zielwert (4 mm), dem Warnwert (10 mm) und dem Schwellenwert (20 mm) zugeordnet sind. Die gepunktet eingezeichneten Grenzen beziehen sich auf die Spurrinnentiefe der Asphaltdecke (untere Skala), die gestrichelt eingezeichneten Grenzen auf die korrigierte Spurrinnentiefe der Asphaltdecke (obere Skala). Die Angaben, die sich im Folgenden auf den korrigierten Wert beziehen, werden zum leichteren Verständnis kursiv gedruckt.

Anhand des Kurvenverlaufs der kumulierten Wahrscheinlichkeit ist zu erkennen, wie auch bereits im Boxplot für die Asphaltdeckschicht bemerkt, dass mit zunehmender Liegedauer die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine größere Spannweite aufweist; der Kurvenverlauf wird flacher (siehe Bild 4.37). So beträgt die maximale Spurrinnentiefe der Asphaltdecke nach 20-jähriger Liegedauer zwischen etwa 7 mm und 24 mm, während sie nach beispielsweise einjähriger Liegedauer nur zwischen Null und etwa 1 mm variiert.

Der Zielwert, der zur Abnahme einer durchgeführten Baumaßnahme einzuhalten ist, wird bei der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise mit der prognostizierten Spurrinnentiefe erst im fünften Jahr überschritten, bei der korrigierten Spurrinnentiefe zu einem geringeren Anteil als bei der Spurrinnentiefe mit nur anteiliger Berücksichtigung der Verformung der Asphaltbinderschicht.

Innerhalb der Verjährungsfrist für Mängelansprüche (nach aktuellem Regelwerk) wäre daher ein Überschreiten der Spurrinnentiefe von 4 mm eher unwahrscheinlich. Bis zu einer Liegedauer von zehn bzw. elf Jahren wird der Warnwert nur äußerst selten überschritten und bis 18 bzw. mindestens 20 Jahre Liegedauer der Schwellenwert.

Bild 4.37: Kumulierte Wahrscheinlichkeitsverteilung der Spurrinnentiefe in Abhängigkeit der Liegedauer (ld) für die Asphaltdecke der Beispielstrecke in konventioneller Bauweise

Eine Spurrinnentiefe, die mindestens im Mittel (oder auf der Hälfte der Strecke) dem Warnwert entspricht, ist nach 15 bis 16 bzw. 17 bis 18 Jahren zu erwarten, sodass dann Untersuchungen über die Ursache und eine Planung über mögliche Erhaltungsmaßnahmen aufgenommen werden müssen. Nach 20 Jahren wäre (ohne Berücksichtigung der Korrektur) auf etwa 3 % der Strecke eine Spurrinnentiefe zu erwarten, die dem Schwellenwert entspricht bzw. darüber liegt, sodass unmittelbar eine Erhaltungsmaßnahme durchgeführt werden müsste. Bei Berücksichtigung der Korrektur wird innerhalb des Prognosezeitraums eine Spurrinnentiefe von 20 mm nicht erreicht.

Diese Zeiträume liegen im Bereich der Erfahrungen aus der Praxis; hier wird die Lebensdauer von Asphaltdeckschichten aus Splittmastixasphalt mit mindestens 15 Jahren bis hin zu durchschnittlich 20 Jahren angegeben (siehe Abschnitt 2.2.3).

Ein Vergleich der kalkulierten Spurrinnentiefe mit verschiedenen Beobachtungen in der Praxis zeigt ebenfalls eine gute Annäherung: In einer Untersuchung von 20 Autobahnabschnitten, die zwischen 1993 und 1995 mit Splittmastixasphalt 0/11 S und Asphaltbinder 0/16 oder 0/22 hergestellt wurden, zeigte sich nach zwei- bis vierjähriger Belastung eine Spurrinnentiefe zwischen 1,7 mm und 16,0 mm [Großhans, Pohlmann, Reuter 1998]. Die Verkehrsbelastung auf den Abschnitten in dieser Zeit lag zwischen 5 und 10 Mio. 10-t-AÜ für den gesamten Querschnitt. Mit dem Modell wurden Spurrinnentiefen im Mittel von 1,2 mm bis 2,3 mm bzw. 1,0 mm bis 2,0 mm berechnet, wobei die Verkehrsbelastung der Beispielstrecke deutlich geringer, zwischen 1,3 und 2,4 Mio.

10-t-AÜ lag. Eine weitere Untersuchung ergab nach zehnjähriger Liegedauer einer überwiegend horizontalen und geradlinigen Versuchsstrecke auf der BAB A 70 (Baujahr 1991) mit Asphaltdeckschichten aus Asphaltbeton und Splittmastixasphalt eine Spurrinnentiefe zwischen 3,3 mm und 6,5 mm [Huschek 2004b]. Die mit dem Modell prognostizierte Spurrinnentiefe beläuft sich im Mittel auf etwa 6,0 mm bzw. 5,3 mm, wobei die Verkehrsbelastung der Beispielstrecke etwas geringer war als die Verkehrsbelastung auf der untersuchten Versuchsstrecke.

Bei der Erhaltungsplanung wird vorausgesetzt, dass der Zustandswert der Zustandsgröße, auf der die Prognose aufbaut, größer Eins ist; dies entspricht einer Spurrinnentiefe von mehr als 4 mm.

Diese Spurrinnentiefe wird jedoch bei der Beispielstrecke auf dem zweiten Fahrstreifen nur von 3,4 % der Messdaten erreicht oder überschritten, im Mittel beträgt die gemessene Spurrinnentiefe nur 2,56 mm. Ein Vergleich der mit dem Modell prognostizierten Werte mit den Werten, die sich nach der Erhaltungsplanung im Rahmen der ZEB [AP 9/R 2001] ergeben würden, wäre daher nur begrenzt möglich und nicht sinnvoll.