Wie Straßen versagen ... und warum sie noch schlimmer werden

Keine Lust mehr auf Schlaglöcher? Dank des Klimawandels und schwerer Lastwagen werden wir in Zukunft wahrscheinlich mehr davon sehen

Schlaglöcher und andere Straßenschäden nehmen zu (AP Photo/Charles Rex Arbogast)

Wie sehen die öffentlichen asphaltierten Straßen in Ihrer nächstgelegenen Stadt aus? Sind sie glatt und dunkel, mit einer Deckschicht aus Asphalt? Vielleicht sind sie hellgrau und aus Beton. Unabhängig von ihrem Make-up ist es unwahrscheinlich, dass sie makellos sind. Stattdessen sind die meisten Straßen mit Mängeln übersät. Risse, Vertiefungen, Unebenheiten, Schlaglöcher, Bitumenflecken von früheren Reparaturen … all diese Oberflächennarben erzählen eine Geschichte über die Nutzung dieser Straße und ihre innere Struktur. Im technischen Sprachgebrauch werden diese Narben als „Straßenschäden“ bezeichnet, und „Straßenbelag“ ist die formelle Bezeichnung für „jede für den Transport vorbereitete Bodenoberfläche“. Nach dieser Definition zählt sogar ein Fußballplatz als Gehweg, in den meisten Fällen handelt es sich jedoch um eine Straße.

Anders als Sie vielleicht denken, sind Straßen (oder Gehwege) ziemlich komplexe Strukturen, die aus mehreren Schichten bestehen. Ganz unten befindet sich der Untergrund – das ist der vorhandene Boden. Darüber legen sie eine oder mehrere dicke Schichten eines körnigen Materials – oft Schotter oder Zuschlagstoffe. Dies bildet den Untergrund. Danach kommt es zu Abweichungen, je nachdem welche Art von Untergrund verwendet wird.

Wenn Sie eine starre Betonstraße bauen (in den USA weit verbreitet), besteht der nächste Schritt darin, eine bewehrte oder unbewehrte Betonplatte auf den Untergrund zu legen. Die Steifigkeit des Betons dient dazu, die Last vom Verkehr, der schließlich entlang des Betons verläuft, auf den Untergrund zu übertragen. In vielen Fällen, auch auf der deutschen Autobahn, werden mehrere Lagen Stahlbeton übereinander verlegt. Es gibt auch Fugen im Beton, um Risse zu minimieren.

Wenn Sie eine flexible Asphaltstraße bauen (typisch für Straßen in Großbritannien, Neuseeland und anderen Teilen der Welt), folgt auf den Untergrund eine Schicht aus feinerem Zuschlagstoff, der verdichtet wird und als Basis dient. Bei dieser Fahrbahnkonstruktion besteht die Aufgabe des Unterbaus darin, die verkehrsbedingten Belastungen zu verteilen. Der Zuschlagstoff in dieser Schicht kann entweder mit Bitumen vermischt oder ungebunden belassen werden. Als nächstes folgt der Binderkurs. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine Zwischenschicht, die zwischen der Basis- und der Oberflächenschicht liegt und diese miteinander verbindet. Es besteht aus mit Bitumen umhülltem Zuschlagstoff und spielt wie der Untergrund eine wichtige Rolle bei der Verstärkung der Straße, der strukturellen Unterstützung und der Verteilung der Verkehrslast. Die Oberflächenschicht – der Teil der Straße, auf dem Sie fahren oder radeln – besteht wiederum aus einer Mischung aus kleinen Steinen und Bitumen. Wenn zuerst Heißbitumen aufgetragen wird und anschließend eine Schicht ähnlich großer Steine ​​aufgetragen wird, wird die resultierende Oberfläche als Splitseal bezeichnet. Wenn das Bitumen zunächst mit Steinen unterschiedlicher Größe gemischt und diese Mischung dann aufgetragen wird, wird die Oberfläche Asphalt genannt.

Wenn Sie ein Schlagloch oder einen Fahrbahnschaden jeglicher Art sehen, liegt das daran, dass eine oder mehrere Schichten der Straße beschädigt wurden. Es stellt sich heraus, dass die Terminologie zur Beschreibung von Fahrbahnversagen vielfältig ist. Zu meinen neuen Lieblingsbegriffen gehören:Brunft(sichtbare Radrillen im Fahrbahnbelag durch wiederholte starke Verkehrsbelastung),schubsen(die Bildung von Wellen auf einer Fahrbahn, die aus horizontalen Spannungen resultieren) undschwärmen (Ablösung von Aggregatpartikeln von der Oberfläche, wodurch eine raue und lockere Textur zurückbleibt). Die Ursachen für diese Ausfälle sind vielfältig und umfassen schlechte Böden, ungeeignete Materialien und minderwertiges Design. Es gibt jedoch zwei Hauptursachen für Straßenschäden, und leider werden sich beide in den kommenden Jahren verschlimmern.

Wasser kann in die darunter liegende Struktur einer Straße eindringen und diese erodieren lassen

Zuerst istWetter und Umwelt.

Es ist bekannt, dass Feuchtigkeit und Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Straßenbelägen haben. Schlaglöcher beispielsweise sind typischerweise das Ergebnis einer längeren Wasserinfiltration durch die Oberfläche, die die darunter liegenden Schichten schwächt. Wasser kann selbst durch kleinste Lücken seinen Weg finden. Obwohl Bitumen hydrophob (wasserabweisend) ist, sind es die darin eingemischten Steine ​​nicht, und die Grenzfläche zwischen diesen Materialien ist schwach. Durch das Gewicht der Fahrzeuge bilden sich auch größere Risse, wodurch das Wasser noch mehr Gelegenheit hat, durch die Fahrbahnstruktur zu sickern und dabei das Material zu erodieren. In kalten Klimazonen kann Wasser unter der Oberfläche gefrieren und sich ausdehnen, wodurch die Fahrbahn zusätzlich belastet wird und sich schneller Schlaglöcher bilden.

Der Winter 2022 hier in Aotearoa, Neuseeland, war außergewöhnlich nass; der nasseste seit 1971. Der Regen führte in Kombination mit einem historischen achtjährigen „Einfrieren“ der Straßeninstandhaltungsbudgets zu einer Rekordzahl an Schlaglöchern auf unserem Straßennetz. Beobachtungen und Prognosen zum Klimawandel für Neuseeland deuten darauf hin, dass sich die Niederschlagsmuster in den nächsten Jahrzehnten erheblich ändern werden, wobei es in einigen Teilen des Landes weniger Regen geben wird, während es in anderen Teilen zu stärkeren Regenfällen kommen wird. Weltweit sind die Auswirkungen des Klimawandels auf die Straßeninfrastruktur gravierend.

Wo die Niederschläge häufiger und intensiver werden, kommt es zu vermehrten Überschwemmungen und einer stark erhöhten Bodenfeuchtigkeit. Dies kann die strukturelle Integrität des darunter liegenden Bodens beeinträchtigen und zu einem Durchhängen der Straße führen. In einigen Fällen kann der Untergrund durch Überschwemmungen weggeschwemmt werden, was dazu führt, dass die Fahrbahn von innen einstürzt. In anderen Fällen blockieren Erdrutsche durch gesättigte Böden die Straßen. Überschwemmungen (sowie extreme Schneefälle) stellen auch eine zusätzliche Belastung für die Fahrbahn dar – bei überlasteten Entwässerungssystemen bleibt das Hochwasser auf der Straße; Dieses zusätzliche Gewicht kann zu Rissen in der Oberfläche und zur Beeinträchtigung der Grundschichten führen.

Straßen in Küstengebieten sind besonders anfällig für Überschwemmungen durch Sturmfluten und den Anstieg des Meeresspiegels. Nach Angaben des US-amerikanischen Global Change Research Program sind bereits mehr als 60.000 Meilen Küstenstraßen gefährdet, und an der Golfküste „könnten 2.400 Meilen wichtiger Straßen in den nächsten 50 bis 100 Jahren durch den Anstieg des Meeresspiegels dauerhaft überflutet werden.“ Der Salzgehalt des Meerwassers führt dazu, dass Küstenüberschwemmungen nicht nur strukturelle Schäden verursachen; Sie können auch zu einer chemischen Zersetzung von Straßenmaterialien führen.

Wenn dürreähnlichere Bedingungen vorhergesagt werden, könnte es zu einer Bodenschrumpfung unterhalb der Straßeninfrastruktur kommen, die deren Integrität gefährdet. Waldbrände führen dazu, dass Oberflächenbitumen schmilzt, sich verformt und Risse bekommt. Aber auch weniger extreme Temperaturanstiege führen dazu, dass die Fahrbahn aufweicht und sich ausdehnt, was zur Bildung von Spurrillen führen kann. Permafrost, der Straßen, Eisenbahnen und Landebahnen von Flughäfen in Regionen mit hohen Breitengraden in Alaska, Norwegen und China stützt, beginnt bereits zu tauen. Dadurch sackt der Untergrund ab, wodurch sich die Belagschichten verformen, die Oberfläche reißt und es zu Ausfransungen und zur Bildung von Schlaglöchern kommt.

Die mit der Reaktion auf diese Risiken verbundenen Kosten sind erheblich. Das EU-finanzierte Projekt WEATHER schätzte, dass sich die Gesamtkosten extremer Wetterereignisse für das europäische Straßennetz im Jahr 2010 auf 1,8 Milliarden Euro pro Jahr beliefen. Die Forscher kamen außerdem zu dem Schluss, dass der Klimawandel diese Kosten bis 2040 um 20 % erhöht hätte. In einer separaten Studie heißt es, dass Wetterbelastungen 30 bis 50 % der aktuellen Straßeninstandhaltungskosten in Europa ausmachen; Das entspricht zwischen 8 und 13 Milliarden Euro pro Jahr.

Ich könnte weitermachen, aber du verstehst es. Der Klimawandel ist ein teurer und disruptiver Prozess.

Lkw verursachen auf Straßen mehr Verschleiß als leichtere Fahrzeuge (AP Photo/Noah Berger, File)

Kommen wir nun zur Diskussion über den zweiten Hauptverursacher von Fahrbahnversagen.Der Verkehr auf der Straße.

In den 1950er Jahren führte die American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) eine Reihe ehrgeiziger Experimente durch, um „die Leistung von Straßen- und Brückenkonstruktionen bekannter Eigenschaften unter sich bewegenden Lasten bekannter Größe und Häufigkeit“ zu untersuchen. Umgangssprachlich als AASHO-Straßentest bekannt, umfasste er den Bau von sechs zweispurigen Teststreckenschleifen entlang eines Abschnitts der späteren Interstate 80. Das Straßenbelagsdesign wurde entlang der Länge jeder Strecke variiert. Auf ihnen wurden wiederholt Fahrzeuge mit unterschiedlichem Gewicht und unterschiedlicher Achsanzahl gefahren, um die Leistungsfähigkeit der Straße zu testen und ihre Verschlechterung im Laufe der Zeit zu überwachen.

Der AASHO-Straßentest gilt als die „größte und umfassendste Straßenbauforschung des 20. Jahrhunderts“ und kostete 1960 27 Millionen US-Dollar (das entspricht fast 279 Millionen US-Dollar heute). Er legte viele der heute noch verwendeten Standards für den Straßenbau fest. insbesondere in den USA. Neben vielen anderen Erkenntnissen ergab der Test, dass die Lebensdauer und der Zustand einer Straße von der Dicke des Belags, der Anzahl der Fahrzeugdurchfahrten auf diesem Belag (d. h. dem Verkehrsaufkommen auf der Straße) und der Achslast der darauf fahrenden Fahrzeuge abhängen . Der Zusammenhang zwischen diesen Faktoren ist das sogenannte „Gesetz der vierten Potenz“. Obwohl es sich eher um eine allgemeine Faustregel als um ein echtes wissenschaftliches Gesetz handelt, sagt es uns doch, dass schwere Fahrzeuge wie mehrachsige Lastkraftwagen einen viel größeren Einfluss auf die Leistung einer Straße haben als leichtere Fahrzeuge wie Autos oder Fahrräder.

Um Ihnen ein Beispiel für diese Auswirkungen zu geben, führen wir eine kurze Berechnung durch. Hier in Neuseeland ist der 50MAX-Lkw das schwerste Fahrzeug, das auf (einigen) unserer Straßen erlaubt ist. Es verfügt über neun Achsen und ein Gesamtgewicht von 50 Tonnen, die Achslast beträgt also 5,55 Tonnen. Das meistverkaufte Auto in Neuseeland im Jahr 2022 war der Mitsubishi Outlander. Es wiegt 1,76 Tonnen, die Achslast beträgt also 0,88 Tonnen. Das Gesetz der vierten Potenz besagt, dass man zur Berechnung der relativen Belastung, die diese beiden Fahrzeuge auf eine Straße ausüben, das Verhältnis ihrer Lasten pro Achse nimmt und das Ergebnis auf die vierte Potenz erhöht. In diesem Fall ist (5,55 / 0,88)4 = 1582. In der Praxis bedeutet dies, dass ein 50MAX-Lkw die Straße genauso stark belastet wie 1.582 Autos (oder im wahrsten Sinne des Wortes Milliarden von Fahrrädern).

Diese Analyse ist nicht exakt. In Wirklichkeit beträgt der Exponent nicht immer vier (er kann zwischen 3 und 6 liegen), und Faktoren wie die Steifigkeit der Straße oder, wie wir gesehen haben, das Wetter tragen zu ihrer Verschlechterung bei. Dennoch ist das „Gesetz“ eine oft zitierte Richtlinie; eine, die Richtlinien und Vorschriften beeinflussen kann. Dies ist zum Teil der Grund dafür, dass LKWs mehr Kfz-Steuern zahlen als Autos (obwohl sie nicht 1582-mal mehr zahlen …).

Wie nicht anders zu erwarten, gehen Straßenbauingenieure bei der Planung und dem Bau einer Straße viel detaillierter vor und wählen Materialien aus, die den Belastungen, denen sie während ihrer Lebensdauer ausgesetzt ist, am besten standhalten. Da Lkw erheblich größere Kräfte ausüben und mehr Verschleiß verursachen als alles andere auf Straßennetzen, wird die Gestaltung dieser Straße durch die Anzahl der Lkw bestimmt, die voraussichtlich eine Straße nutzen werden (und die Häufigkeit der Fahrten). Faktoren wie die Dicke des Untergrunds, die Härte und Haltbarkeit des Zuschlagstoffs sowie das Oberflächenmaterial können alle abgestimmt werden, um eine zweckdienliche Straße zu schaffen. Autobahnen und andere Straßen, auf denen zahlreiche Lastkraftwagen befördert werden, werden daher so gebaut, dass sie diese befördern können. Straßen in verkehrsarmen Gebieten oder Wohngegenden können aufgrund der geringeren Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, mit dünneren und kostengünstigeren Straßenbaumaterialien gebaut werden. Wenn Lkw auf Straßen fahren, die nicht für sie ausgelegt sind, werden diese Straßen schneller als geplant verfallen.

Nach Angaben des neuseeländischen Verkehrsministeriums waren im Jahr 2021 15.357 Lkw mit einem Gewicht von mehr als 30 Tonnen auf den Straßen des Landes unterwegs. Und die jährliche Distanz, die diese Lastkraftwagen zurücklegen, nimmt von Jahr zu Jahr zu. Der Verband der europäischen Automobilhersteller gab kürzlich bekannt, dass die Zulassungen neuer Lkw im ersten Halbjahr 2023 um 20 % gestiegen sind, was fast 180.000 zusätzlichen Lkw im Einsatz entspricht. Erstaunlicherweise handelte es sich bei mehr als einem Fünftel der gesamten von Straßengüterfahrzeugen in Europa im Jahr 2020 zurückgelegten Strecke um „Leerkilometer“, d. Eine wachsende LKW-Flotte – und immer schwerere LKWs – auf unseren Straßen wird zweifellos Auswirkungen auf die Straßenstruktur haben. Die Belastungen nehmen zu, Ausfälle werden häufiger und die Wartung wird wichtiger. Darüber hinaus ist der Straßengüterverkehr ein Geschäft mit hohen Emissionen. Derzeit verursacht es 15 % der europäischen CO2-Emissionen und ist die Ursache für 80 % des weltweiten Anstiegs des Dieselverbrauchs seit 2000. aber das ist ein Artikel für sich.

Der Straßenverkehr trägt wesentlich zum Emissions-Fußabdruck der Menschheit bei und ist daher ein wichtiger Treiber des Klimawandels. Es ist auch einer der Sektoren, die am anfälligsten für die Auswirkungen des Klimawandels sind. Hoffen wir, dass sich früher oder später ein Gefühl der Selbsterhaltung einstellt.