Laboruntersuchungen zum sommerlichen Temperaturverhalten von bitumengebundenen Deckschichten als Maßnahme zur Reduzierung von städtischen Hitzeinseln

Abstract

Durch das ständige Wachstum von Städten bei gleichzeitig erhöhten globalen Temperaturen werden urbane Hitzeinseln ein immer größeres Problem. Versiegelte Flächen führen dazu, dass Wärme absorbiert wird und Niederschlagswasser schnell abrinnt. Nicht immer sind Begrünungen und Beschattungen oder der Verzicht auf Versiegelung im dicht verbauten Gebiet möglich. Einen Großteil der versiegelten Flächen im städtischen Ballungsgebiet machen Straßenbeläge aus. Aus diesem Grund ist es von Interesse, herkömmliche Asphalte durch sogenannte „Cool Pavements“ zu ersetzen, um weiterhin das Mobilitätsbedürfnis der Anwohner:innen in Städten zu befriedigen. „Cool Pavements“ sind Straßenbeläge, deren Wärmeübertragung unter solarer Einstrahlung reduziert wirkt.Nach einer ausgiebigen Literaturrecherche wurden ausgewählte Ansätze für „Cool Pavements“ aufgegriffen und anschließend Prüfplatten hergestellt. Im Zuge dessen wurden Variationen aus offenporigen Asphalten, halbstarren Deckschichten mit/ohne Zugabe von Zeolithen und Asphaltbeläge mit transparentem Bindemittel, sowie ein herkömmlich eingebauter Gussasphalt hergestellt. Die Straßenbeläge wurden zur Verbesserung des Wärmerückstrahlvermögens, der Wasserrückhaltekapazität und des Abkühlverhaltens modifiziert. Die Forschung in dieser Diplomarbeit beschränkt sich auf Deckschichten, welche Einsatz im Geh- und Radwegebau finden sollen.Durch einen konzipierten Prüfstand konnten das Temperaturverhalten und das Rückstrahlvermögen der oben angeführten Deckschichten bei annähernd gleichbleibenden Laborbedingungen getestet werden. Durch mehrstündige Bestrahlungszyklen wurden Tages- und Nachtphasen sommerlicher Hitzeperioden simuliert und somit lokale Maximal- und Minimaltemperaturen und Abkühlraten ermittelt.Die alternativen Mischgutkonzeptionen schnitten im Vergleich zu dem Gussasphalt durch unterschiedliche Temperatureigenschaften gut ab. Die getesteten offenporigen Asphalte hatten hohe Maximaltemperaturen, dafür aber ein rasches Abkühlverhalten. Durch den Austausch von Bitumen mit transparentem Bindemittel konnten Prüfkörper mit ausgeprägtem Rückstrahlvermögen und niedrigen Temperaturen bei geringem Aufwand erzeugt werden. Bei den in der Herstellung aufwendigeren halbstarren Deckschichten konnte ein erhöhtes Wasserspeichervermögen und Rückstrahlvermögen, sowie niedrige Temperaturen gemessen werden.Die Ergebnisse der Versuchsdurchführungen dieser Arbeit bestätigen die These, dass derzeit in Österreich häufig eingebaute Gussasphalte kein vorteilhaftes Temperaturverhalten für sommerliche Hitzeperioden haben. Welche „Cool Pavements“ die geeignetsten Eigenschaften haben, um urbane Hitzeinseln zu entlasten, sollte je nach klimatischer Region, finanziellen Mitteln und Anwendungsgebiet entschieden werden.

Due to the steady growth of urban areas and the simultaneous rise in global temperatures, urban heat islands are becoming increasingly problematic. Sealed surfaces cause heat to be absorbed and rainwater to run off quickly. In urban agglomerations, pavement makes up a large part of the sealed surfaces. Revegetation, shading or the dispense of sealed surfaces are not always an option in densely built-up areas. For this reason, it is of great interest to replace conventional asphalt with road surfaces which show a decrease in the heating development under solar radiation, so called “Cool Pavements”. After an extensive literature research, different approaches for reducing the summer overheating of urban spaces by road surfaces were selected and slabs were produced in the laboratory. Variants of pervious asphalt, semi-rigid surface courses and asphalt pavements with transparent binder as well as conventionally paved mastic asphalt were produced. The pavements were modified to improve heat reflectivity, water retention and cooling behaviour of the materials. The research in this diploma thesis is limited to surface courses used in the construction of walk- and bikeways. A test stand was designed and constructed to record the temperature and reflectivity behaviours of the above-mentioned test specimens under roughly constant laboratory conditions. Day and night phases of summer heat periods were simulated by irradiation cycles of several hours. Thus local maximum and minimum temperatures and cooling rates were determined. The implemented “Cool Pavement” designs exhibit different advantages compared to the reference specimens in their cooling properties. The tested porous asphalts have high maximum temperatures but rapid cooling behaviour. By replacing bitumen with transparent binder, it was possible to produce test specimens with pronounced reflectivity and low temperatures. With the semi-flexible surface courses, which are more complex to produce, it was possible to measure an increased water retention and reflectivity, as well as low temperatures. The results of the tests carried out in this work confirm the thesis that mastic asphalt pavements currently installed in Austria can be improved regarding their temperature behaviour during hot summer periods. The type of “Cool Pavement” used should be selected depending on the climatic region, financial resources and application area.