INNO-BOND

Simulationsgestützte Entwicklung neuer Straßenbaustoffe und innovativer Herstellungs- und Einbautechnologien

Aufgrund der stark zunehmenden Wirtschaftsleistung, sowie größtenteils aufgehobenen Grenzen in Europa nimmt der Schwerlastverkehrsanteil und damit auch die Belastung der Verkehrswege in Deutschland jährlich enorm zu. Das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) hat für den Zeitraum von 2004 bis 2025 eine Zunahme des Verkehrsaufkommen von 55 % (Mio. t) sowie eine Zunahme der Verkehrsleistung von 84 % (Mrd. tkm) prognostiziert. Weiterhin stellen durch den Klimawandel hervorgerufene stärkere Temperaturdifferenzen weitere starke, ständig steigende Belastungen für die Verkehrswege dar. Neben den Bestrebungen, die Verkehrswege nachhaltiger zu gestalten, ist durch eine langfristig zu erwartende Ressourcenverknappung, insbesondere der Ölprodukte mit einer weiteren dramatischen Preisentwicklung der Rohstoffpreise zu rechnen.

Um diesen Herausforderungen zukünftig effizient entgegen wirken zu können, bedarf es dringend einer Optimierung der vorhandenen Standardbauweisen bzw. der Entwicklung neuartiger, innovativer Bauweisen und Baustoffe.

Eine derartige Entwicklung kann jedoch nur durch eine interdisziplinäre Kombination von theoretischen und experimentellen Überlegungen sowie technologischer Grundlagen unter Zuhilfenahme simulationsgestützter, numerischer Optimierungsverfahren erfolgen.

Im Rahmen des FE-Projektes „INNO-BOND – Simulationsgestützte Entwicklung neuer Straßenbaustoffe und innovativer Herstellungs- und Einbautechnologien“ sollen die zuvor genannten Ziele durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener universitärer Forschungseinrichtungen mit Wirtschaftsunternehmen effizient realisiert werden.

Innerhalb dieses FE-Vorhabens sollen dabei mehrere Ziele gleichzeitig verfolgt werden.

Zum einen ist ein numerisches Simulationsmodell zu entwickeln, welches als simulationsgestütztes, numerisches Optimierungsverfahren für eine effiziente Entwicklung neuartiger Straßenbaustoffe verwendet werden kann. Ziel dieses Modells soll es sein, eine effiziente sowie zeit- und kostengünstige Entwicklung neuartiger Straßenbaustoffe sowie eine zielgerichtete Verbesserung konventioneller Straßenbaustoffe zu ermöglichen. Hierfür bilden insbesondere Kenntnisse zum materialspezifischem Verhalten innovativer Bindemittel, deren Zusammensetzung sowie die Interaktion zu Gesteinen, insbesondere hinsichtlich der Hafteigenschaften. Weiterhin soll mit Hilfe dieses Modells ein virtuelles Labor modelliert werden, mit welchem experimentelle Untersuchungen sowohl an Bindemittel-, als auch an Asphaltproben nachgebildet werden können und somit das derzeitige „try and error-Prinzip“ der experimentellen Laborversuche ersetzt werden kann.

Zum anderen ist auf Basis dieses numerischen Simulationsmodells unter Einbezug experimenteller Analysen eine neuartige offenporige bzw. dichte, alternativ gebundene Straßendeckschicht für die Bauklasse SV zu konzipieren. Zur prüftechnischen Ansprache der neu konzipierten Straßendeckschichten soll im Rahmen dieses Projektes eine Prüfsystematik entwickelt werden, welche gezielt die Eigenschaften des alternativen Baustoffes anspricht.

In einem weiteren Schritt ist die neuartige Straßendeckschicht auf einer Testfläche mit geeigneten, modifizierten Herstellungs- und Einbauverfahren zu realisieren und zu bewerten. In diesem Zusammenhang werden theoretische, experimentelle und technologische Grundlagen zur Herstellung und zum Einbauverfahren für Straßenbaustoffe mit alternativen Bindemitteln erarbeitet und erprobt. Bei der Umsetzung kann dabei von der langjährigen Praxiserfahrung der beteiligten Projektpartner aus der Wirtschaft profitiert werden

Durch die Ergebnisse des vorliegenden FE-Projektes werden dem Straßenbaulastträger simulationsgestützte Verfahren zur Verfügung gestellt, mit Hilfe derer auf Materialkomponentenebene (Mikro-Skale) einerseits eine computergestützte Optimierung vorhandener Baustoffe und andererseits die Entwicklung neuartiger Straßenbaumaterialien realisiert werden können. Das Modell soll weiterhin zur Analyse vollständiger Befestigungsaufbauten genutzt werden (Makro-Skale), indem spezielle Algorithmen zur skalenübergreifenden Modellierung herangezogen werden (Konzept des repräsentativen Volumenelementes). Die Funktionalität des Optimierungsverfahrens wird im Projekt anhand einer neu zu entwickelnden Deckschicht nachgewiesen, die auch bei erhöhter Beanspruchung aufgrund des steigenden Schwerlastverkehrs und Extremwetterereignissen positives Langzeitverhalten und ausreichende Tragfähigkeit sowie Verformungsstabilität aufweist. Weiterhin wird der Verknappung konventioneller Rohstoffe und Bindemittel durch den Einsatz innovativer Bauweisen und neuartiger (nachhaltiger) Bindemittel entgegengewirkt.