Zustand von Asphaltstraßen: Kontinuierliche Überwachung durch biobasiertes Gewebe mit integrierter Sensorik

Das Herzstück der Lösung ist ein Sensorgewebe im Asphalt. KI-Algorithmen zur Datenanalyse ergänzen das System. Das Zusammenspiel von Sensorik und KI soll künftig helfen, den konstruktiven Straßenzustand in Echtzeit zu beurteilen.

Verkehrs- und Umweltbelastungen verursachen bei Straßen langfristig Risse und andere Mängel im Asphalt. Mikrorisse und Schäden in den tiefer liegenden Schichten sind mit bloßem Auge jedoch nicht erkennbar. Zur Beurteilung des strukturellen Zustands der Asphalttragschicht werden derzeit Bohrkerne entnommen – ein zerstörendes, aufwändiges Messverfahren, das die Straße zusätzlich schädigt und Straßensperrungen erfordert. Zudem kann diese Methode nur lokal sehr begrenzt angewandt werden. Dies führt mitunter zu langwierigen und ineffektiven Straßensanierungen, da das ganze Schadensausmaß oftmals nicht rechtzeitig erkannt wurde. 

Wie lassen sich Straßensanierungen also nachhaltiger, wirtschaftlicher, langfristig und mit weniger Verkehrsstörungen als bisher planen? 

Dieser Aufgabe widmen sich Forschende des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI gemeinsam mit Partnern im Projekt SenAD2 (siehe unten). Sie entwickeln ein intelligentes Mess- und Auswertesystem, mit dem sich der Zustand der Asphalttragschicht kontinuierlich, flächendeckend und zerstörungsfrei für eine bessere Planbarkeit von Straßensanierungen überwachen lässt. Das System soll künftig die Bestimmung und Prognose des Degradationsgrades von Asphaltstraßen ermöglichen. 

„Unser Ziel ist es, langfristiger planen zu können, die Veränderung des Straßenzustands permanent zu beobachten und darauf basierend Prognosen abzuleiten und in das Instandhaltungsmanagement zu überführen“, sagt Christina Haxter, Wissenschaftlerin am Fraunhofer WKI. „Das macht die Straßen nicht haltbarer, aber es verbessert die Zustandsüberwachung.“

Herzstück des Systems ist ein Gewebe aus Flachsfasern und Sensorikkomponenten, das sich kostengünstig herstellen und somit flächendeckend einsetzen lässt. Der Sensorikdraht mit einem Durchmesser von unter einem Millimeter wird direkt im Webprozess in das Naturfasergewebe integriert, das sich durch eine hohe Verschiebefestigkeit auszeichnet. Hohe Garnstärken und große Garnabstände stabilisieren das Material. 

„Das Gewebe muss so ausgelegt sein, dass es zu keiner Gefügestörung im Asphalt kommt. Auch darf die Sensorik weder beim Webprozess noch beim Einlassen in die Straße geschädigt werden“, erläutert die Forscherin. Zudem muss es bei Bauarbeiten dem Gewicht von Lkw und Straßenfertigern standhalten. 

Hergestellt wird das Sensorgewebe auf einer Doppelgreifer-Webmaschine des Fraunhofer WKI. Die Webbreite beträgt 50 Zentimeter, die Länge kann beliebig gewählt werden. Haxter: „Das Gewebe ist so konzipiert, dass es Installationsbelastungen und Umweltbedingungen standhält, wie wir in ersten Tests nachweisen konnten.“

Das im Asphalt eingebettete Sensorgewebe soll kontinuierlich Messwerte liefern, aus denen sich Aussagen über den internen Zustand der Asphalttragschicht ableiten lassen. Durch die Belastungen, denen Straßen ausgesetzt sind, entstehen Beanspruchungen in der Asphalttragschicht und somit verändert sich auch der Zustand der elektrisch leitenden Sensorik. 

Die Dehnung des Sensormaterials verändert seinen elektrischen Widerstand. Dies lässt sich messen – die Widerstandsänderung kann in Relation zu den Beschädigungen der Asphalttragschicht bzw. zum Straßenzustand gebracht werden. Der Sensordraht wird an der Seite der Straße an eine Messeinrichtung angeschlossen, die die Daten speichert und an die Auswertesoftware überträgt.

Eine weitere Innovation des Projekts liegt in KI-Verfahren zur Analyse der Daten aus der Asphalttragschicht. Neu dafür entwickelte Berechnungsmodelle bestimmen den aktuellen Zustand des Straßenbelags und prognostizieren zugleich den zu erwartenden Schädigungsverlauf. Auf dieser Basis können Straßenbauverwaltungen frühzeitig erforderliche Straßenerhaltungsmaßnahmen initiieren und zeitlich und finanziell in ihre Planungen integrieren. 

Die Visualisierung der Daten erfolgt über eine im Projekt entwickelte Internet-Plattform mit Dashboard. Geplant ist, für Behörden, Anlieger, Unternehmen, Verkehrsteilnehmer und sonstige Betroffene von Bau- und Erhaltungsmaßnahmen alle relevanten Informationen über die Plattform aufzubereiten und zur Verfügung zu stellen.

Nach ersten erfolgreichen Machbarkeitstests im Labor finden derzeit Tests mit einem Demonstrator auf einer ebenen Probestrecke in einem Gewerbegebiet statt. Das Sensorgewebe ist über den kompletten Straßenquerschnitt verlegt und somit über die Breite der gesamten Fahrspur eingebracht. Auswertemessknoten erfassen bei Überfahrung des Demonstrators die Widerstandsänderungen in der Sensorik. 

Erste Testmessungen zeigen, dass das System die durch die Überfahrten eines Belastungsfahrzeugs (Test-Lkw) hervorgerufenen Verformungen erfassen kann. Dabei werden in den Messergebnissen sowohl die unterschiedlichen Achslasten als auch die Achskonfiguration des Fahrzeugs deutlich erkennbar.

Quelle und Fotos: Fraunhofer WKI