Straßen aus Schotter und Bindfaden

Empa-Wissenschaftler untersuchen, wie mit einfachen Mitteln Straßenbelag verstärkt und nach Gebrauch auf einfache Art rezykliert werden könnte. Ihre Hilfsmittel sind dabei ein Roboter und einige Laufmeter Bindfaden.

Ein Roboterarm legt einen Bindfaden in einem Mandala-ähnlichen Muster auf ein Schotterbett. Was wie eine zeitgenössische Kunstperformance wirkt, ist Grundlagenforschung, die neue Wege für den Strassenbau erkundet. Einerseits werden roboterunterstützte Bautechniken für den Strassenbau erprobt, die bisher so nur im Hochbau angewendet wurden. Andererseits soll eine neue Art von mechanischer Verstärkung den typischen Aufbau des Strassenbelags verändern und so helfen, künftig wertvolle Ressourcen zu sparen oder Strassenbeläge gar vollständig zu recyklieren.

Forschungsidee aus dem Hochbau

Die Idee stammt aus einem Projekt des Gramazio Kohler Research Labs der ETH Zürich. Hier wurde das Projekt tatsächlich als Kunst- und Forschungsprojekt aufgezogen. Rein aus Bindfaden und Schotter aufgetürmte Stelen bewiesen damals, wie enorme Stabilität nur durch die Verzahnung und Verspannung des Schotters mit einem eingewobenen Faden erreicht werden kann – ganz ohne Zement! Der Test im Labor zeigte, dass Schotterstehlen mit einer Höhe von 80 cm und einem Durchmesser von 33 cm einem Druck von 200 kN standhalten, was einer Belastung mit 20 Tonnen entspricht.

Auch Asphalt besteht aus Gestein verschiedener Grösse und dem Bindemittel Bitumen. Und so übertrugen die beiden Empa-Forscher Martin Arraigada und Saeed Abbasion aus der Abteilung «Concrete & Asphalt» dieses Konzept auf den Strassenbau: «Wir wollen herausfinden, wie man einen recyclingfähigen Belag in Zukunft herstellen könnte. Dabei setzen wir auch erstmalig digitalisierte Bauweisen im Strassenbau ein», erklärt Arraigada.

Ein Schnur-verstärkter Strassenbelag, der ohne Bitumen auskommt, verspricht einige Vorteile. Denn Bitumen wird aus Erdöl gewonnen, wobei bei der Herstellung und auch später beim Gebrauch Luftschadstoffe freigesetzt werden. Ausserdem macht es Asphalt anfällig für Risse und Verformungen und noch dazu undurchlässig für Regenwasser – auch das könnte so überwunden werden. Denkbar wäre für die Forscher auch, dass Gestein zum Einsatz kommen, das sonst für den Strassenbau nicht geeignet ist, dafür aber weniger rar sind. Nicht zuletzt macht das Verfahren einen ausrollbaren und recyclingfähigen Belag denkbar.

Ein Bindfaden und loser Schotter

Der Roboterarm legt das “Strickmuster” aus. Bild: Empa

Lösungen für die genannten Aspekte überprüfen die beiden Empa-Forscher anhand verschiedener Tests. Der Roboterarm spielt eine entscheidende Rolle. Er legt den Bindfaden in einem bestimmten einprogrammierten Muster auf die übereinander geschichteten Schotterlagen. Für die mechanischen Tests werden fünf dieser Schichten aus Schotter und Fadengewebe in einer Versuchsbox übereinandergelegt, wobei der Boden der Box mit einer Gummimatte ausgelegt ist, die das ganze Paket auf dem Untergrund fixiert. Sie simuliert das verformbare Bett, auf das der Strassenbelag aufgebracht wird. Dass es sich bei dem Bindfaden um genau denjenigen handelt, den jeder Schweizer und jede Schweizerin fürs Papierbündeln verwendet, zeigt, dass die Empa-Forscher hier völlig neue (und kostengünstige) Wege beschreiten.

Mechanische Tests und Modellierung

Das Schotter-Bindfaden-Paket wird dann mit einer rotierenden Platte und mit Druck belastet. Dieser Belastungstest zeigt: Durch die Verstrickung der einzelnen Steine mit dem Faden hält das Paket einem Druck von 5 kN stand – also eine halbe Tonne –, ohne dass sich die Steine stark verschieben. Normalerweise übernimmt der Bitumen diese Aufgabe im Asphalt.

Parallel zu ihren Laborversuchen modellieren die Forscher alles im Computer in 3D mittels «Discrete Element Method» (DEM). Hier soll sich die Verschiebung der einzelnen Steine zeigen und welche Zugkräfte auf den Faden einwirken – etwas, das im Labor nicht untersucht werden kann. Daneben werden auch verschiedene Muster und Maschenweiten sowie deren Auswirkungen auf die Stabilität des Belags näher untersucht.

Ein anwendungsreifes Produkt, das im Strassenbau eingesetzt werden könnte, gibt es zwar noch nicht. Doch die Grundlagenarbeit liefert viel Innovationspotential, um mit einfachen Mitteln einem rezyklier- und vielleicht ausrollbaren Strassenbelag näher zu kommen.

Bild ganz oben: In mehreren Testreihen untersuchen die Empa-Forscher diverse Muster. Bild: Empa