3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 289 Kombinierte Bauweise Beton - Asphalt VIF-Forschungsprojekt KOMBAS Dipl.-Ing. Dr. Alfred Weninger-Vycudil FH Campus Wien, Österreich Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Michael Wistuba ISBS TU Braunschweig Zusammenfassung Die kombinierte Bauweise einer Asphaltdeckschicht auf einer Betondecke (KOMBAS-Bauweise) ist eine Antwort auf die zunehmende Schwerverkehrsbelastung auf vielen Abschnitten des österreichischen Autobahn- und Schnellstraßennetzes und eine innovative Straßenoberbaulösung, speziell vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit im Bereich Bau, Erhaltung und Wiederverwendung. Dabei spielen die Auswahl der Baumaterialien, die Dimensionierung im Neubaufall, der Schichtverbund sowie die wirtschaftlich-ökologische Lebenszyklusbewertung vor dem Hintergrund der höchstmöglichen Verfügbarkeit der Strecken für die „Kunden des Straßennetzes“ eine entscheidende Rolle. 1. Einführung Die zunehmende Schwerverkehrsbelastung auf vielen Abschnitten des österreichischen Autobahn- und Schnellstraßennetzes erfordert innovative Lösungen auch für den Straßenoberbau, speziell vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit im Bereich Bau, Erhaltung und Wiederverwendung. Unter Bezugnahme auf diese Anforderungen bestand das Hauptziel des VIF-Forschungsprojektes KOMBAS (Kombinierte Bauweise Beton - Asphalt) in der Entwicklung und Bewertung der bautechnischen Anforderungen an die kombinierte Bauweise „Betondecke mit Asphaltdeckschicht“ (auch häufig als „Black-Topping“ bezeichnet) sowie in der Bereitstellung eines umfassenden Leitfadens für die Bewertung und die praktische Umsetzung auf dem Straßennetz der ASFINAG. Dieser Leitfaden liefert die Grundlage für eine zukünftige Standardisierung (z.B. RVS-Merkblatt). Dabei spielen die korrekte Auswahl der Baumaterialien (mit Schwerpunkt lärmmindernde Deckschichten), die optimale Zusammensetzung der geschichteten Konstruktion (Dimensionierung im Neubaufall), der Schichtverbund, sowie auch die wirtschaftlich-ökologische Lebenszyklusbewertung vor dem Hintergrund der höchstmöglichen Verfügbarkeit der Strecken für die Nutzer (Kunden des Straßennetzes) eine entscheidende Rolle (Weninger-Vycudil A., et al. (2022) [1]). Dieses von der ASFINAG (österreichische Autobahngesellschaft) und dem Bundesministerium für Klimaschutz finanzierte Projekt wurde im Rahmen der Verkehrsinfrastrukturforschung 2019 (FFG) von der Fa. Deighton GmbH, dem Institut für Straßenwesen der TU-Braunschweig (ISBS) und der Fa. Nievelt Labor GmbH unter der Leitung der beiden Autoren durchgeführt und im Frühjahr 2022 erfolgreich abgeschlossen. 2. Zusammenstellung der Grundlagen 2.1 Stand der Technik Aufgrund der Tatsache, dass mehr als 30 % des Straßenoberbaus auf dem ASFINAG-Netz in der Betonbauweise ausgeführt sind, entstand bereits sehr früh die Überlegung, die Betondecken mit einer dünnen Asphaltdeckschicht (wenige cm) zu überbauen. Aus diesem Grund gibt es bereits eine Reihe von Erfahrungen bei der praktischen Umsetzung dieser Bauweise, wobei in einigen Bereichen bereits sehr früh Schäden (z. B. in Form von Blasenbildungen) aufgetreten sind. Der erste Schritt im Rahmen des Forschungsprojektes bestand somit darin, diese Erfahrungen systematisch zu sammeln, aufzubereiten und als Grundlage für die geplanten Festlegungen zu verwenden. Dabei handelte es sich primär um folgende Informationen: • Grundlagen und Literatur aus Österreich, speziell von der vorhandenen Langzeitteststrecke A1 Böheimkirchen - St. Pölten Süd • Aktuelle Anforderungen und Vorgaben aus Deutschland (M BEB [2]) und Österreich (ASFINAG [3]) • Aktuelle Erfahrungen aus anderen europäischen Ländern (z. B. Belgien und Deutschland) sowie aus Nordamerika Die Recherche zeigte, dass in jenen Ländern, wo seit vielen Jahrzehnten Betondecken im größeren Umfang errichtet wurden oder werden, auch die Überbauung mit Asphalt häufig ausgeführt wird. Der Grund hierfür liegt einerseits in einer Verlängerung der technischen Nutzungsdauer der Betondecke aber auch in der Erfüllung von erhöhten Griffigkeits- und Lärmanforderungen. Hier kommen dann in erster Linie lärmmindernde Beläge zum Einsatz. Folgende Anwendungsfälle konnten daraus kategorisiert werden: 290 3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 Kombinierte Bauweise Beton - Asphalt • Entspannung der alten Betondecke und Überbauung mit Asphalt mit erforderlicher Dicke zur Aufnahme der Verkehrslasten (Erneuerung im Hocheinbau in Asphalt) • Überbauung der alten, durchgehend bewehrten Betondecke mit einer Asphaltdeckschicht • Überbauung der alten durchgehend bewehrten Betondecke mit Binder- und Asphaltdeckschicht, ggf. mit einer SAMI-Schicht direkt auf der Betondecke • Überbauung der alten Betondecke in Plattenbauweise (vorweg mit Sanierung von Schadstellen und Austausch von einzelnen geschädigten Betonplatten) mit Binder- und Asphaltdeckschicht • Überbauung der alten Betondecke in Plattenbauweise (vorweg mit Sanierung von Schadstellen und Austausch von einzelnen geschädigten Betonplatten) mit Asphaltdeckschicht 2.2 Untersuchungs- und Teststrecken Als zusätzliche Grundlage für die Empfehlungen im Leitfaden wurden neben der Auswertung von Fragebögen, die von den Experten der ASFINAG für ausgewählte Abschnitte beantwortet werden konnten, sowie den aktuellen Ergebnissen der bestehenden Langzeituntersuchungsstrecke auf der A1, weitere Untersuchungstrecken definiert und umfassend bewertet (siehe Tabelle 1). Tab. 1: Auswahl Untersuchungsstrecken Straße Abschnitt Station RFB A2 Kottingbrunn - Wr. Neustadt mehrere Abschnitte 29,0 - 46,0 Graz A2 Wr. Neustadt - Seebenstein 46,0 - 58,0 Wien A9 Deutschfeistritz 166,0 - 172,0 Spielfeld Folgende Eigenschaften der Oberbauschichten dieser ausgewählten Strecken wurden unter Heranziehung von vor Ort genommenen Bohrkernen untersucht und miteinander verglichen: • Schubfestigkeit • Haftzugfestigkeit • Verformungsanfälligkeit (Spurbildungstest) • Scherermüdungsbeständigkeit der Schichtgrenze mittels zyklischem Scherversuch Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen (siehe beispielsweise Abb. 1 für die Schubfestigkeit), dass die spezifischen Anforderungen (sofern definiert) fast überall erfüllt werden und die Ergebnisse auch für die Fragestellungen im Rahmen Dimensionierung (im Neubaufall) verwendet werden konnten. Abb. 1: Ergebnisse der Schubfestigkeitsbestimmung [1] 3. Analysen der KOMBAS-Bauweisen 3.1 KOMBAS-Bauweisen Auf der Grundlage der umfassenden Recherchen, wurden die in Abb. 2 dargestellten KOMBAS-Bauweisen entwickelt und im Detail untersucht. Die Sonderbauweise SBE1 entspricht nach RVS 03.08.63 [4] einer Bautype BE1 mit einer SMA S2 Deckschicht oder SMA S3 Deckschicht (lärmmindernd) und die Sonderbauweise SBE2 der Bautype BE2 (hydraulisch gebundene Tragschicht), wiederum mit SMA S2 oder SMA S3. Abb. 2: KOMBAS-Bauweisen nach [1] 3.2 Dimensionierung Die im Rahmen des Projektes vorgestellten Lösungen und Empfehlungen gelten primär für den Neubau aber auch für die Instandsetzung oder Erneuerung einer Bestandsbetondecke, wobei die Dimensionierung sich ausschließlich auf den Fall Neubau bezieht (gem. den Anforderungen nach RVS 03.08.63 [4]). 3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 291 Kombinierte Bauweise Beton - Asphalt Dabei wurde untersucht, inwieweit eine Überbauung von Betondecken durch eine Asphaltdeckschicht, ggf. unter Variation der Dicke der Asphaltdeckschicht und der Betondecke, die theoretische Lebensdauer der Straßenbefestigung beeinflusst. Als Eingangsgrößen für die Dimensionierungsberechnungen wurden die Asphaltsteifigkeiten an im Labor hergestellten Asphalt-Probenkörpern sowie an Bohrkernen aus 2 Entnahmestellen aus der Teststrecke A2 (SMA 11 S2) ermittelt. Die theoretischen Grundlagen der Berechnungen sowie die Begründungen für die Auswahl des Rechenverfahrens (Ermüdungsnachweis entsprechend der Hypothese nach Miner) können dem Endbericht des Projektes entnommen werden (Weninger-Vycudil A., et al. (2021) [1]). Die Berechnungen zeigen, dass die Überbauung mit Asphalt zu einer deutlichen Reduktion der Schädigungssumme (nach Miner) am Ende der Bemessungsperiode führt und somit von einer Tragfähigkeitsreserve gesprochen werden kann, wenn die Betondeckendicke nicht vermindert wird. Die im Rechenmodell angesetzte Betondickendicke wirkt sich entscheidend auf die rechnerische (theoretische) Lebensdauer bei einer Überbauung aus. Weil das Rechenmodell (Mehrschichtentheorie für Mischbauweisen) nicht ohne Weiteres auf die Realität übertragen werden sollte, wird empfohlen, rechnerische Vorteile bezüglich einer Reduktion der Betondicke bautechnisch nicht ohne weitere Untersuchungen umzusetzen und stattdessen die rechnerischen Vorteile dieser Reserve zu nutzen und bei den Zustandsprognosemodellen über den Verkehrsbelastungskoeffizienten (VBI) zu berücksichtigen. Daher wurden im Rahmen der holistischen Lebenszyklusbetrachtung die Oberbauvarianten ohne Reduktion der Betondicke betrachtet. 3.3 Holistische Lebenszyklusbewertung In einem weiteren Schritt wurden die KOMBAS-Bauweisen einer holistischen Lebenszyklusbetrachtung unterzogen und mit den Standardbauweisen nach RVS 03.08.63 [4] verglichen. Die Berechnung erfolgte dabei nach den Vorgaben des „Handbuches Pavement Management in Österreich 2016“ [5] sowie den standardisierten Lebenszyklen für den Straßenoberbau der ASFINAG. Im Zuge der Analysen wurden folgende Schwerpunkte gesetzt: • Wirtschaftliche Beurteilung im Rahmen einer Lebenszykluskostenanalyse • Ökologische Bewertung im Rahmen einer vereinfachten Öko-Bilanzierung unter Heranziehung des GWP (Global Warming Potential) • Vergleich der Verkehrsbeeinträchtigung während der gesamten technischen Nutzungsdauer Diese Art von holistischer Lebenszyklusanalyse (Nachhaltigkeitsanalyse) wurde für den Straßenoberbau in dieser umfassenden Art und Weise erstmalig in Österreich angewendet und zeigt, dass neben der ökonomischen Bewertung auch der ökologische und nutzerbezogene (soziale) Aspekt in den Entscheidungsprozess integriert werden sollte. Als maßgebende Kenngröße des Vergleichs im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung wurden die Annuitäten herangezogen. Hier zeigt sich bei den neuen Oberbauvarianten „Asphalt auf Beton“ zunächst sehr deutlich der Einfluss der „Dimensionierungsreserve“ aus der Überbauung mit Asphalt, da die überbauten Betondecken eine geschätzte technische Nutzungsdauer von ca. 50 Jahren erreichen. Die erhöhten Erhaltungskosten gleichen sich somit durch längere technische Nutzungsdauern aus, sodass die Differenz der Annuitäten zwischen den untersuchten Oberbauvarianten deutlich geringer ausfällt. Ein wirtschaftlicher Vorteil ist bei der Standardbauweise der Betondecke und bei der KOMBAS-Bauweise mit der SMA D deck S2 Deckschicht zu erkennen (siehe Abb. 3). Abb. 3: Relativer Vergleich Annuitäten der Oberbauvarianten in Bezug zur Variante AS1 LK42 SMA S2 [1]. Die KOMBAS-Bauweisen repräsentieren die beiden rechten Balken. Die geringen Annuitäten der Betondecke ohne Überbauung sowie der KOMBAS-Bauweise BE1 LK40 SMA S2 sind natürlich wesentlich von den Errichtungskosten der Betondecke abhängig. Inwieweit der Vorteil der Betonbauweise gegenüber den anderen Varianten bei einer Erhöhung des Einheitspreises der Betondecke bleibt, wurde ebenfalls untersucht (Erhöhung der Errichtungskosten für die Betondecke um 10%). Die Erhöhung der Einheitspreise führt dabei zu einer deutlichen Annährung der Annuitäten. Ein ähnlicher Vergleich ist auch bei der vereinfachten Ökobilanz möglich, die als weiterer Bewertungsschritt durchgeführt wurde. Auch hier lässt sich das gesamte GWP auf einen jährlichen Wert normieren. Dabei konnte festgestellt werden, dass die beiden neuen KOMBAS- Bauweisen ein geringeres mittleres jährliches GWP aufweisen, im Vergleich zur konventionellen Betondecke und der Asphaltbauweise mit SMA S2 (mit und ohne Berücksichtigung des Recyclingpotentials am Ende der technischen Nutzungsdauer). Dieser Vergleich ist in der nachfolgenden Abb. 4 graphisch auf bereitet und zeigt nochmals den Vorteil der KOMBAS-Bauweisen gegenüber den Standardkonstruktionen Asphalt mit SMA D deck S2 und Beton. 292 3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 Kombinierte Bauweise Beton - Asphalt Abb. 4: Vergleich GWP pro Jahr gesamter Lebenszyklus zu AS1 LK42 SMA S2 ohne Berücksichtigung des Recyclingpotentials [1]. Die KOMBAS-Bauweisen repräsentieren die beiden rechten Balken. Der letzte Vergleich erfolgte über den Indikator „Verfügbarkeit“ bzw. „Verkehrsbeeinträchtigung“. Dabei wurde ein vereinfachter relativer Vergleich vorgenommen, der es ermöglicht, über die mittlere jährliche Verkehrsbeeinträchtigung eine Aussage zu tätigen. Die auf die technische Nutzungsdauer bezogene mittlere jährliche Verkehrsbeeinträchtigung ist bei der KOMBAS-Bauweise BE1 LK40 SMA S3 (lärmmindernd) am höchsten, was auf den Umstand zurückzuführen ist, dass die Erhaltungsintervalle für diese Deckschichtart mit 12 Jahren geschätzt wurden und somit eine Erhaltungsmaßnahme mehr aufweisen als die SMA S2 KOMBAS-Variante, welche die geringste Verkehrsbeeinträchtigung zeigt. Die Werte können in Abhängigkeit von der örtlichen Situation und besonders in Abhängigkeit von der Länge des Bauloses stark streuen, sodass vor allem die Standardbauweisen als „gleichwertig“ einzustufen sind. Ein gewisser Vorteil kann jedoch der KOMBAS-Bauweise BE1 LK40 SMA S2 zugeordnet werden. 4. Leitfaden und Empfehlungen Das Ergebnis dieser Untersuchungen und Analysen ist der KOMBAS-Leitfaden. Dieser ist so aufgebaut, dass er die Anforderungen für die Ausführung der KOMBAS- Bauweise grundsätzlich bauchronologisch beschreibt und somit dem Anwender einen guten Überblick von der Planung, der Ausführung bis zur Erhaltung bzw. zum Abbruch gibt. Der KOMBAS-Leitfaden ist eine Empfehlung, wobei eine detaillierte Untersuchung auf Projektebene in allen Fällen vorzunehmen ist. Der KOMBAS-Leitfaden beinhaltet dabei folgende Vorgaben [1]: • Allgemeine Grundsätze der KOMBAS-Bauweise • Anwendungsbereich • Technische Anforderungen und Empfehlungen Planung • Technische Anforderungen und Empfehlungen Ausführung • Technische Anforderungen und Empfehlungen bauliche Erhaltung • Hinweise zum Abbruch und zum Recycling • Quellenverzeichnis Die Erfahrungen mit der KOMBAS-Bauweise zeigen, dass eine Aufnahme in das Technische Regelwerk (RVS) sinnvoll und zweckmäßig ist. Dies bezieht sich dabei in erster Linie auf die RVS 03.08.63 [4] für die Dimensionierung im Bereich Neubau, also die Errichtung einer neuen Betondecke und einer bituminösen dünnen Asphaltdeckschicht von Beginn an. 5. Fazit Die Ergebnisse des KOMBAS-Projektes zeigen ein sehr hohes Anwendungs- und Entwicklungspotential der KOMBAS-Bauweise auf dem Straßennetz der ASFI- NAG. Die bis dato mit der KOMBAS-Bauweise ausgeführten Streckenabschnitte im Netz der ASFINAG erzielen mit wenigen Ausnahmen - dort wo Blasenbildungen festgestellt wurden - eine gute praktische Anwendbarkeit, wobei gerade im Bereich des Neubaus bei der Gestaltung der Betondecke eine Reihe von Fragen noch im Detail zu beurteilen wären. Dies betrifft vor allem die Gestaltung der Oberfläche, der in einschichtiger Bauweise zu errichtenden Betondecke. Darüber hinaus wurde empfohlen, Versuchsstrecken mit unterschiedlichen Betondeckenvorbehandlungen zu vergleichen und auch die Frage speziell nach der Gestaltung bzw. Ausführung der Fugen in der Neubaubetondecke zu untersuchen. Literatur [1] Weninger-Vycudil A., Wistuba M., Buchta M., Grönninger J., Chankov G. und Litzka J.: KOM- BAS - Kombinierte Bauweise Beton - Asphalt. Verkehrsinfrastrukturforschung 2019, Projekt finanziert von ASFINAG und BMK, Endbericht, Wien, 2021 [2] M BEB - Merkblatt für die bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen aus Beton. Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen (FGSV), Köln, 2009 [3] B.3 Technische Vertragsbestimmungen für den Straßen- und Brückenbau der ASFINAG, be203030 V18, gültig ab 2022-01-01 [4] RVS 03.08.63: Bautechnische Details - Oberbaubemessung. Richtlinien und Vorschriften für das Straßenwesen, Österreichische Forschungsgesellschaft Straße - Schiene - Verkehr, Wien, 2016 [5] Weninger-Vycudil A., Brozek B. Simanek P., Litzka J.: Handbuch Pavement Management in Österreich 2016. Handbuch im Auftrag der ASFINAG (unveröffentlicht), Wien, Fassung 2019