5 Fragen: Versuchstechnik
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Mit welchen Materialien befasst sich die Laborprüftechnik im Detail?
Der Straßenbau ist für die Gesellschaft sowie für die Wirtschaft von zentraler Bedeutung, da die Straße als Verbindung und Transportweg die zentrale Rolle spielt. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Fahrbahnen: aus Asphalt und aus Beton. In Asphalten ist Bitumen enthalten, Beton besteht aus einem Gemisch von Zement und Gestein.
Im Fokus der Forschung am ISAC steht Bitumen, parallel laufen interdisziplinäre Kooperationen zur Analyse und Optimierung von Zement und Gesteinskörnungen und deren Mischung. In unserer zertifizierten Materialprüfstelle führen wir Überprüfungen der Einzelkomponenten Bitumen und Zement sowie der Baustoffe Asphalt und Beton durch. Bei Asphalt konzentrieren wir uns insbesondere auf das Verformungsverhalten, das Ermüdungsverhalten und das Verdichtungsverhalten. Bei Betonfahrbahnen(hier durchgehend bewehrte Betonfahrbahnen) steht der Lebenszyklus im Fokus.
Ein weiterer Faktor, der sich auch auf Baustoffe auswirkt, ist das Klima. Straßeninfrastrukturen müssen substantiell den klimatischen Veränderungen angepasst werden, um negative Konsequenzen zu reduzieren und den Bestand der Straßen zu sichern. Erstens steigen die Temperaturen zunehmend. Zweitens treten Niederschläge zunehmend als singuläre Ereignisse auf, wie zum Beispiel Gewitter mit Starkregen. Durch die hohe Flächenversiegelung in Innenstädten staut sich die Hitze, es entstehen sogenannte Heated Islands. Außerdem können die großen Wassermengen der Niederschläge nicht im ausreichenden Maße versickern, was zu einer Überlastung der Kanalisation und einer Überflutung der Straßen führt. Auf diese Veränderungen muss auch die Bautechnik reagieren. Ansatzpunkt ist unter anderem die Entwicklung von wasserdurchlässigen Straßenbelägen, dieauch der Hitzewirkung entgegenwirken, beispielsweise PU-Asphalt.
Wo liegen die Forschungsschwerpunkte in der Einbautechnik?
Inhaltliche Schwerpunkte in der Einbautechnik sind erstens die Digitalisierung, zweitens die Automatisierung und drittens die Optimierung von Einbauverfahren. Ziel der Forschungen ist es, Bauvorgänge prozesssicher zu gestalten. Häufige Fehlerquellen finden sich in der Abstimmung zwischen Maschinen und Menschen, zum Beispiel zwischen Fertiger und Bediener. Hier knüpft das ISAC an, mit dem Ansatz, Fertigungsprozesse zu digitalisieren, zu automatisieren und schlussendlich die Kommunikation zwischen Mensch, Maschine und Maschine zu optimieren.
Ist die Asphaltfläche einmal hergestellt, so sind Änderungen oder Verbesserungen, das Beseitigen von Fehlern, äußerst aufwendig, schlimmstenfalls ist sogar ein kompletter Neubau erforderlich. Zur Sicherstellung der Qualität und zur Verbesserung falls diese nicht ausreichend sein sollte, sieht der Regelprozess eines Bauablaufs durchaus Möglichkeiten vor, allerdings erfolgen solche Eingriffe vergleichsweise selten. Eine besondere Herausforderung bei jedem Bauprozess stellt das Messen der Qualität dar, zum Beispiel mit Blick auf Ebenheit und Verdichtung. Eine weitere Herausforderung liegt in der Homogenität der Fläche, da das gesamte Baufeld muss eine gleichmäßige Qualität – ungeachtet seines flächenmäßigen Umfangs - aufweisen.
Unter welchen Gesichtspunkten werden Oberflächen untersucht?
Der Begriff der Oberfläche ist bezogen auf die Deckschicht, die oberste Schicht einer Straße. Diese Fläche befindet sich in ständiger Interaktion mit dem Verkehrsteilnehmer, sei es nun LKW, PKW, Fahrrad oder Rollschuhe. All diese Nutzer stellen Anforderungen an die Fahrbahnoberfläche, die sich teilweise überschneiden, aber auch sehr unterschiedlich sein können.
Im Allgemeinen sollte eine Straße auf ihre Umweltbedingungen Rücksicht nehmen. In Deutschland und Nordeuropa im Allgemeinen sollte sie zum Beispiel einen hellen Belag haben, damit sie auch bei Dunkelheit oder bei schlechtem Wetter gut erkennbar bleibt. Die Griffigkeit, im Volksmund „der Grip“, ist für kurze Bremswege unerlässlich. Außerdem ist Ebenheit der Fahrbahn aus verschiedenen Gründen elementar. Eine unebene Straße wirkt sich negativ auf den Fahrkomfort im Fahrzeug aus und kann langfristig dem Rücken schaden, sie beansprucht auch Achse und Karosserie des Fahrzeugs und wirkt auf das Ladegut/Transportgutaus. Unebenheiten beanspruchen auch die Straße, z.B. treten bei Senken zusätzliche dynamische Achslasten auf.
Zudem nimmt die Oberfläche auch Einfluss auf die Akustik. Die Wahl eines entsprechenden Straßenbelags kann die Lärmbelastung in der Umgebung von Straßen, die mit hoher Geschwindigkeit befahren werden, erheblich reduzieren.
In welchen Bereichen gibt es Schnittmengen mit den anderen Fachbereichen Tunneltechnik und Verkehrstechnik?
In der Oberflächenforschung hat die Bautechnik eine bedeutende Schnittmenge mit der Tunneltechnik. Da es in Tunneln kein Tageslicht gibt, kann ein heller Straßenbelag genutzt werden, um den Beleuchtungsaufwand zu reduzieren. Außerdem wurden Überlegungen angestellt, modifizierte Straßenbeläge zur Stickoxidreduktion in Tunneln einzusetzen. Da solche Verfahren derzeit jedoch noch nicht ohne Sonnenlicht denkbar sind, wird die Umsetzung wohl noch einige Zeit in Anspruch nehmen.
Auch mit Blick auf die Digitalisierung des Verkehrs leistet die Bautechnik einen erheblichen Beitrag zur Verkehrstechnik. Das gilt zum Beispiel für die Detektion von Fahrzeugen, entweder mittels Sensoren im Fahrbahnaufbau oder anhand von sensorfähigen Fahrbahnbelägen. Durch gezielte Verkehrslenkung wird die Beanspruchung der Straßen reduziert und ihre Haltbarkeit verlängert. Visuelle Methoden aus der Verkehrstechnik, beispielsweise zur Erfassung des Zustandes von Straßen abgeleitet aus Fahrzeugdaten, ermöglicht die Konzeption einer Karte, die Informationen zur Beanspruchung von Straßenbauten liefert. Umgekehrt bietet die Finite Elemente Methode aus der Bautechnik, die Option, Beanspruchungen im Vorfeld zu simulieren.
Was macht die Forschung im Bereich der Versuchstechnik besonders spannend?
Der Reiz der Versuchstechnik besteht in der stetigen Konfrontation mit neuen Herausforderungen. Das liegt unter anderem in den sich ständig steigenden Ansprüchen an eine Fahrbahn. Zu Anfang stand man beispielsweise vor dem Problem, dass die Fahrzeuge immer schneller wurden und die Fahrbahnen dementsprechend mehr Grip benötigte. Heute stehen eher die akustischen Eigenschaften im Vordergrund, Ursache dafür ist der zunehmende Verkehr und die zunehmende Verdichtung der Wohnstruktur. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Digitalisierung des Verkehrs, an der auch die Bautechnik einen erheblichen Anteil hat. Daneben ist die Entsiegelung von Flächen im kommunalen Bereich ein zentraler Punkt: Einerseits muss auf die zunehmenden Starkregenereignisse reagiert, andererseits können Verdunstungsvorgänge auch zur Abkühlung überhitzter Innenstädte genutzt werden. Darüber hinaus kann der Regen zur Anreicherung des Grundwassers genutzt werden.
Straßenaufbauten sollten in Zukunft im kommunalen Bereich wasserdurchlässig sein, Tropfverluste und Reifenabrieb von den Fahrzeugen sollte allerdings nicht ins Grundwasser gelangen. Daher müssen Möglichkeiten der Filterung in Erwägung gezogen werden, sei es eine direkte Filterung oder tieferliegenden Filterschichten.
Was die Bautechnik - und insbesondere die Versuchstechnik – so spannend macht, ist die Verbindung eines traditionellen Gewerbes mit aktuellen Fragestellungen und immer wechselnden Herausforderungen. Und … am Ende ist es immer wieder eine große Freude, das Ergebnis in der Realität zu sehen und zu erleben!