Ecological and economic aspects of road construction and operation

Abstract

Der Straßenbau trägt zu einem erheblichen Teil zu den Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen)im Bausektor bei. Ein wesentlicher Ansatz für ökologische und ökonomische Verbesserungen liegt daher in einer langlebigen Bauweise, einem emissionsarmen Unterhalt und Betrieb sowie einem effizienten Recycling. Aufbauend auf jahrelangen Erfahrungen des Forschungsbereichs mit der Alterung von Asphalt und Bitumen liefert die erste Publikation in dieser Dissertation die neuesten Forschungsergebnisse zu den THG-Emissionen von Straßenbaustoffen. In der Arbeit werden die kritischen Produktionsfaktoren im Detail analysiert. Darüber hinaus liefert eine umfangreiche Literaturübersicht eine zusätzliche Validierung der Ergebnisse im Hinblick auf evidenzbasierte Umweltproduktdeklarationen gemäß EN 15804. Ein zentrales Ergebnis der Untersuchung ist, dass die Asphaltherstellung stark von den Produktionsbedingungen abhängt, was den Vorteil der Substitution von Neumaterial durch Recyclingmaterial hervorhebt. In einem weiteren Schritt wurde ein Vergleich von Beton- und Asphaltstraßen über den Lebenszyklus auf funktionaler Ebene anhand von Straßenabschnitten mit unterschiedlichem Verkehrsaufkommen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen durchweg, dass der geringere THG-Fußabdruck der Asphalt- und Betonkonstruktion im Vergleich zu den Emissionen des Straßenverkehrs während der Nutzungsdauer relativ unbedeutend ist.Im Bereich des Straßenbetriebs macht der Winterdienst in den Alpenländern etwa 20 bis 25% der Ausgaben aus und ist daher ein guter Ansatzpunkt für umfassende ökologische und ökonomische Verbesserungen. Basierend auf umfangreichem Wissen und vorangegangenen Forschungsprojekten in diesem Bereich konzentriert sich die Arbeit auf die Entwicklung von Entscheidungskriterien für die Auswahl von Taumitteln und Additiven. Die zweite Publikation der Dissertation befasst sich daher mit der Entwicklung innovativer Prüfverfahren zur temperatur- und zeitabhängigen Bestimmung der Tauleistung. Sowohl die Literaturrecherche als auch theoretische Überlegungen und Materialprüfungen in unserem Labor haben die Tauleistung und Kosteneffizienz von NaCl im Vergleich zu fast allen bekannten Taumitteln bestätigt. Da NaCl als gängigstes Taumittel jedoch erhebliche Korrosioen verursacht, die zu einem substanziellen Verlust an Lebensdauer und Wert der Verkehrsinfrastruktur enführt, ist die Verringerung dieser Auswirkungen von entscheidender Bedeutung.Die dritte Veröffentlichung der Dissertation vergleicht daher bestehende Prüfmethoden zur Korrosionsbewertung nach internationalen Standards. Im Rahmen eines größeren FFG-Projekts werden effiziente Korrosionsprüfverfahren entwickelt, die eine hohe Wiederholbarkeit und Probenzahl bei vertretbaren Kosten ermöglichen. Die mit diesen Tests erzielten Ergebnisse liefern den optischen und analytischen Nachweis der Korrosionswirkung aller bekannten Haupttaumittel sowie verschiedener Korrosionsinhibitoren auf unlegiertem Stahl, verzinktem Stahl und Kupfer. Die Ergebnisse dieser Tests wurden bereits in der Praxis an kritischen Verkehrsinfrastrukturen angewendet und konnten die Lebensdauer bei akzeptablen Umwelteinflüssen ausreichend verlängern.Die vierte Publikation ist ein weiteres Beispiel für die Anwendbarkeit der theoretischen Überlegungen und der praktischen Versuche sowohl im Labor als auch im Feld. Da die Logistik und Lagerfähigkeit von Taumitteln im Winterdienst von zentraler Bedeutung ist und deren Festbacken ein wichtiger Faktor zur Beeinträchtigung der Lagerfähigkeit und Verfügbarkeit sein kann, wurde die Lagerfähigkeit (ausgedrückt durch die Rieselfähigkeit) von NaCl im Hinblick auf Antibackmittel und Feuchtigkeitseinfluss getestet. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Winterdienstes ist die Menge des Restschnees nach der Räumung. Die Arbeit zeigt daher ein praxisorientiertes Prüfverfahren zum Vergleich verschiedener Schneepflugsysteme. Dabei wurde ein besonderer Schwerpunkt auf praxisnahe Haltbarkeitstests zur Lebensdauerabschätzung gelegt und mit einer speziell entwickelten Feldtestmethode der Verschleiß und die Widerstandsfähigkeit verschiedener Schneeräumleisten bewertet .Zusammenfassend deckt die Dissertation ein breites Themenspektrum ab und liefert auf der Grundlage theoretischer Überlegungen sowie Tests im Labor und im Feld Hinweise auf ökologische und ökonomische Verbesserungspotenziale.

Road construction contributes to a significant part of greenhouse gas (GHG) emissions in the construction sector. Therefore, a major approach for ecological and economic improvements lies indurable construction, low emission maintenance and operation as well as in efficient recycling. Buildingon years of experience in the research department with the ageing of asphalt and bitumen, the first publication of the thesis provides the most recent research results on GHG emissions of road materials.In the paper, the critical production factors are analyzed in detail. In addition, an extensive literaturesurvey provides additional validation of the findings towards evidence based environmental product declarations in accordance with EN 15804. Highlighting a key result, the research has shown that asphalt mix production exhibits a strong dependence on the production conditions, demonstrating the advantage of substituting virgin material with recycled material. In a further step the dissertation provides acomparison of concrete and asphalt roads over the life cycle on a functional level using road sections with different volumes of traffic. As the results have consistently shown the GHG footprint of the asphaltmix and concrete construction becomes relatively insignificant compared to the road traffic emissionsduring service life.In the field of road operation, the task of winter maintenance accounts for roughly 20% to 25% of expenditures in alpine countries. It is therefore a good starting point for extensive ecological and economic improvements. Based on substantial knowledge from previous research projects in the field,the dissertation focuses on the development of a suitable set of decision criteria for selecting deicingagents and additives. As a result, the second publication focuses on the development of innovative test methods for temperature- and time-dependent determination of deicing performance. Both, the literature survey, theoretical consideration and material testing in our lab have confirmed the deicing performance and cost efficiency of sodium chloride compared to almost any known deicing chemical. However, assodium chloride triggers substantial corrosion rates leading to a significant loss in service life and assetvalue of transport infrastructure, reducing these corrosive effects is key.As a consequence, the third publication of the thesis compares existing test methods for corrosionassessment according to international standards. As part of a larger FFG project, an efficient corrosiontest method is developed providing a high repeatability and sample rates at reasonable costs. The resultsobtained from these tests provide optical and analytical evidence of the corrosion effect of all known principal deicing agents as well as various corrosion inhibitors on unalloyed steel, galvanized steel, and copper. The results of these tests have been already applied in the field on critical transport infrastructures being able to sufficiently extend the service life with acceptable environmental effects.The fourth publication is another example of the applicability of the theoretical considerations andthe practical experiments both in the laboratory and the field. As the logistics and storability of deicingagents in winter maintenance is key, the fourth paper examines the storability (expressed by pourability) of sodium chloride. From practical experience caking can be a major factor affecting storability and availability. Therefore, the pourability has been tested in regard of anticaking agents and influence of moisture. A further relevant issue in winter maintenance is the amount of residual snow after clearing.Therefore, the dissertation provides a practice-oriented test method for the comparison of different snowplow systems together with an assessment of the efficiency of commonly used equipment. As the quality and durability of snowplow blades comes with a price, special emphasis has been given on practical durability tests for service life estimation. Using a specially developed field test method, the wear under winter conditions is tested and the resistance and efficiency of different snowplow blades is assessed.In summary, the dissertation covers a wide range of topics providing evidence on ecological and economic improvement potential based on extensive theoretical considerations and tests both in the laboratory and the field.