Geokunststoffe mit Transponder Technologie

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Geokunststoffe, wie Geotextilien, Geoverbundstoff, Geogitter (gewebt, geraschelt oder aus monolithischen Bändern) und dergleichen, die bei der Sanierung bzw. bei der Herstellung von Asphalt- und Betonflächen oder bei Herstellung von Erdbewehrungen Verwendung finden und die eine Funktion zur Speicherung zum Abruf und Nachverfolgung von produkt-, zustands- und projektbezogene Daten aufweisen.

[0002] Geokunststoffe, die zur Sanierung und zur Herstellung von Asphalt - oder Betonflächen, wie Straßenbauten, Flughafenpisten und dergleichen verwendet werden, sind bekannt.

[0003] Derartige Geokunststoffe bestehen vorwiegend aus Polyolefinen, beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, deren Co-polymeren oder PVA Mischungen, sowie aus Polyester und Glas.
Sie werden in Form von Geotextilien, Geoverbundstoff, Geogitter und dergleichen verwendet.

[0004] Der Geokunststoff wird dabei im Unterbau in die Konstruktion der Asphalt oder Betonfahrfläche, insbesondere zur Befestigung des Untergrunds und zur Drainagierung verwendet.
Durch die Verwendung des Geokunststoffs in der Asphalt- oder Betonfläche wird das Eindringen von Niederschlagswasser, verhindert, die Biegezugspannung zwischen Decke und Untergrund wird vermindert. Reflektionsrisse, sowie die Rissfortpflanzung in der Asphalt- oder Betondecke wird vermindert. Die Verwendung des Geokunststoffs bewirkt eine Bewehrung der gesamten Konstruktion.

[0005] Die Überprüfung des Straßenzustands oder des Zustands des Unterbaus kann jedoch bis her nur durch in Augenscheinnahme oder Entnahme von Probestücken erfolgen.

[0006] Aufgabe der Erfindung war es, Geokunststoffe zur Verwendung bei der Sanierung oder Herstellung von Asphalt- oder Betonflächen bereitzustellen, die zusätzlich die Möglichkeit bieten produktbezogene oder zustandsbezogene Daten zu speichern. Diese Daten sollen auch abrufbar sein.

[0007] Gegenstand der Erfindung sind daher Geokunststoffe, wie Geotextilien, Geoverbundstoffe oder Geogitter, dadurch gekennzeichnet, dass der Geokunststoff einen darauf applizierten Transponder zur Speicherung und zum Abruf von produkt- und/oder zustandsbezogene Daten aufweist.

[0008] Der Geokunststoff besteht dabei vorzugsweise aus Thermoplasten, insbesondere Polyolefine, wie Polypropylen, Polyethylen, deren Co-polymeren oder Mischungen oder Blends oder PVA , aus Polyester und Glas und deren Mischungen.
Vorzugsweise werden Vliese aus endlosen Thermoplastfäden eingesetzt. Die Thermoplastfäden sind beispielsweise Fäden aus Polypropylen, Polyamiden oder Polyester.
Die Vliese können mechanisch verstreckt und/oder vemadelt oder thermisch verfestigt sein.
Besonders geeignet sind beispielsweise handelsübliche Produkte wie Produkte aus der Polyfelt® PGM - Gruppe, Polyfelt TS, Polyfelt Rock PEC, Polyfelt Rock G und dergleichen.

[0009] Auf diesen Geokunststoff, vorzugsweise auf das Vlies werden nun in definierten Abständen Transponder appliziert.

[0010] Die Transponder sind selbstklebend und es werden mindestens 2 Transponder pro Rolle appliziert.

[0011] Als Transponder können beliebige Datenspeicher eingebracht werden, die drahtlos, d.h. über eine Luftschnittstelle auslesbar sind. Vorzugsweise werden passive Transponder eingesetzt, die als elektronische Komponenten eine Antenne, ggf. mit Abstimmungselementen, und eine kompakte Elektronik z.B. in Form eines Chips besitzen. Die Elektronik umfasst einen Analog-Empfangs- und -Sendekreis mit nachgeschaltetem Digitalisierer und Datenverarbeitungseinheit. Diese greift auf einen Speicher zurück, der unveränderliche wie veränderliche Daten enthalten kann.
Hierin werden z.B. eine unveränderliche, eindeutige Nummerierung des Transponders, wie auch ggf. zu aktualisierende Informationen über den Straßenzustand abgelegt.

[0012] Die Elektronik wird aus dem Kommunikationsfeld mit Energie gespeist, die ebenfalls über die Antenne aufgenommen wird. Damit erübrigt sich beim passiven Transponder eine eigene Batterieversorgung. Das hat insbesondere zum Vorteil, dass der Transponder aus einer minimalen Anzahl von Bauteilen besteht, damit günstig zu produzieren ist, robust für die hier beschrieben Anwendung ausgestaltet werden kann, letztendlich in großer Zahl für die hier beschrieben Anwendung zur Verfügung steht.

[0013] Als Kommunikationsfelder kommen alle physikalisch möglichen Felder in Frage, dies sind elektrische oder magnetische Wechselfelder, oder auch elektromagnetische Wellen. Aufgrund der einfachen Bauform bieten sich heute Transponder mit Arbeitsfrequenzen im Hochfrequenzbereich ("HF", z.B. 13,56 MHz) oder im Ultra Hochfrequenz-Bereich (UHF, z.B. um 866 MHz in Europa oder um 916 MHz in USA) an.
Während HF-Transponder heute mit magnetischen Wechselfeldern arbeiten, interagieren UHF-Transponder mit elektromagnetischen Wellen.
Beide Sorten von Transpondem können für die hier beschriebene Anwendung eingesetzt werden.
Bevorzugt sind aber HF-Transponder. Man findet, dass diese erheblich geringer auf äußere Umgebungseinflüsse reagieren und auch in tieferen Asphalt- und Betondecken und insbesondere bei Anwesenheit von Wasser noch gut les- und beschreibbar sind.
Der vorzugsweise verwendete Transponder umfasst daher eine Basisschicht aus vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) Polyester-Folie mit Dicken typisch um 50 µm.
Darauf ist eine strukturierte Metallisierung aufgebracht, die als Antenne fungiert. Auf die Enden der Antenne ist die elektronische Schaltung, in diesem Fall ein Silizium RFID-Chip kontaktiert. Diese Kontaktierung kann vielfältig ausgeführt werden.
Bevorzugt wird die "Flip-Chip"-Technologie eingesetzt. Dabei wird der Chip auch durch einen als "underfiller" bezeichneten, flüssigen oder pastösen Klebstoff mechanisch auf der Antennenstruktur / Basismaterial verklebt, wodurch nach dem Aushärten auch die mechanische Belastbarkeit erheblich gesteigert wird.

[0014] Der Transponder-Aufbau für die hier beschriebene Anwendung umfasst einen Klebstoff unterhalb des Basismaterials und einen mechanischen Schutz oberhalb der Antennen / Chip-Struktur. Die mechanische Belastung des Transponders bei der Anwendung der Geokunststoffe, wie auch beim späteren Verbleib im Gestein sind für den Transponderchip hoch. Punktuelle Drücke können zur Dekontaktierung des Chips von der Antenne oder zum Chip-Bruch führen. Der mechanische Schutz hat daher zur Aufgabe, die Belastungen großflächig vom Chip abzuleiten. Generell sind rigide Gehäuse denkbar. Dagegen sprechen aber die aufwendige Herstellung und das starke Auftragen solcher Transponder. Besser geeignet sind flache Transponder-Etiketten, da sie speziell für die hier beschriebene Anwendung konzipiert sind.

[0015] Als Klebstoff kann jede Art eingesetzt werden, die die Polyesterfolie fest mit dem Geokunststoff verbindet und die mechanischen und thermischen Anforderungen bei der Verarbeitung der Geokunststoffe erfüllt. Als vorteilhaft haben sich Spezial-Adhesiv-Klebstoffe erwiesen, die bei Kontakt des Transponders mit dem Geokunststoff sofort eine feste Klebverbindung ohne weitere Härtung eingehen. Hier kommen insbesondere Acrylat-Klebstoffe in Betracht. Eine spezielle Harzmodifikation ermöglicht die Verklebung auf den oben zitierten niederenergetischen Geokunststaffoberflächen. Eine größere Dicke von z.B. 200 µm gleicht die textile Oberflächenrauhigkeit aus und sichert eine vollflächige Verklebung. Eine Eignung über einen weiten Temperaturbereich (z.B. von -40°C bis 120°C kurzzeitig bis 160°C) garantiert die Verklebung bei allen Witterungen und auch bei der Verarbeitung des Geokunststoffes im Asphaltierbereich.

[0016] Für einen mechanischen Schutz kommen dickere Folienlagen in Betracht. Weiterhin hat überraschenderweise ein Kunststoff-Überguss die besten Resultate ergeben. Dabei zeigten Vergüsse mit einer mittleren Härte die sicherste Abdeckung. Der Überguss, z.B. aus Polyurethan, gleicht die punktförmigen Unebenheiten der belastenden Gesteinsschichten aus. Kräfte, die von einzelnen Gesteinsspitzen ausgehen und die den Chip durch punktuelles Einwirken mit einem sehr hohen Druck beaufschlagen und zerstören können, werden durch ein Benetzen mit der Gussschicht großflächig aufgefangen und gleichmäßig flächig auf den Transponder verteilt.
Eine somit allseitig auf den Chip wirkende Kraft zerstört diesen auch nicht bei der Verdichtung der Asphaltdecke. Als besonders geeignet haben sich Vergussdicken von 1 - 3 mm ergeben, die dann im Wesentlichen die GesamtDicke des Transponders bestimmen.

[0017] Eine weitere Verstärkung des Schutzes der Elektronik lassen sich aus Kombinationen dieser Verguss-Schutzschicht mit darunter liegenden Abdeckfolien erreichen. Dabei zeigt sich, dass eine PET-Folie mit 50 µm Dicke bereits eine gute Barriere für tief in die Vergussmasse eindringende Gesteinspitzen darstellt.

[0018] Eine wesentliche Größe für die Lesereichweite ist die Antennenfläche eines HF-Transponders. Sie bestimmt die Empfindlichkeit und damit auch möglichen Lesedistanzen. Daneben muss noch zwischen eher kurzreichweitigen Transponder-Chips für Geldkarten- oder Sicherheitsanwendungen und langreichweitigen Transponder-Chips für Logistik-Anwendungen unterschieden werden. Vorteilhafterweise werden in dieser Anwendung letztere zusammen mit größeren Transponder-Antennen eingesetzt

[0019] So werden mit Scheckkarten großen Transponder-Antennen und Mid-Range-Lesegeräten Distanzen von bis zu 0,5 Meter und mit Long-Range-Lesegeräten Distanzen bis zu 0,8 Meter überbrückt. Mit Transpondem vom doppelten Scheckkarten-Format können auch 1 m Lesedistanzen sichergestellt werden. Bei der Speicherung wird etwas mehr Energie im Transponder benötigt, weshalb die Reichweiten für Speicherungen etwa 10 bis 20 % zu den vorangegangenen Werten abfallen können. Die angegebenen Distanzen reichen dann aber immer noch aus, Tranponder inmitten von Asphalt- oder Betondecken zu detektieren.
HF-Transponder weisen unterschiedliche Speicherumfänge auf. Allen gemein ist eine meist 8 Byte lange einzigartige Kennnummer, die vom Chip-Hersteller unveränderlich einprogrammiert wird. Daneben stehen dem Anwender heute je nach Chiptyp weitere 32 bis 1024 Byte oder mehr Nutzerspeicher zur Verfügung.

[0020] Auf einem Transponder werden dann Produktdaten und Zustandsdaten gespeichert. So können beispielsweise Daten über verwendete Art und Menge von Geokunststoffen und Baumaterialen, Schichtdicken, Verkehrsbelastung, Straßenzustand, klimatische Bedingungen, Qualitätskennzahlen und dergleichen gespeichert werden.

[0021] Anschließend wird der Geokunststoff zur Herstellung und/oder Sanierung von Schäden, wie Rissen und dergleichen in bereits bestehenden Asphalt- und Betondecken eingebaut.
Zudem wird der Geokunststoff auch bei Neukonstruktionen eingesetzt.

[0022] Dabei wird beispielsweise bei der Herstellung neuer Asphalt- oder Betondecken (Neukonstruktionen) eine Tragschicht, meistens eine zementstabilisierte Kiessandtragschicht hergestellt. Anschließend wird der Geokunststoff verlegt und gegebenenfalls ein Bindemittel aufgebracht, oder der Geokunststoff direkt in das Bindemittel verlegt. Anschließend kann die Aufbringung der neuen Asphalt- oder Betondecke erfolgen. Der Geokunststoff wird so verlegt, dass zwischen den Bahnen des Geokunststoffs sowohl eine Überlappung, als auch keine Überlappung erfolgt.

[0023] Bei der Sanierung von bestehenden Asphalt- oder Betonflächen wird der Geokunststoff in analoger Weise auf den alten Belag, der gegebenenfalls teilweise entfernt werden kann, aufgebracht und anschließend erfolgt die Aufbringung des neuen Belags unter Verwendung des Geokunststoffs wie oben beschrieben.
Gegebenenfalls kann es erforderlich sein vor der Aufbringung des Geokunststoffs etwaige Schlaglöcher oder tiefer gehende Risse und dergleichen mit einem Fugenfüller zu verfüllen oder bei stark zerstörter Fahrbahndecke einen Profilausgleich, beispielsweise kaltes oder heißes Mischgut aufzubringen.

[0024] Nach der Installation des Geokunststoffs in der Asphaltschicht können nun im Zuge von Kontrollfahrten oder Überprüfungen die auf dem Transponder gespeicherten Daten abgefragt, mit den bei diesen Fahrten ermittelten Daten verglichen und die neu ermittelten Daten wieder auf dem Transponder gespeichert werden.

[0025] Somit kann beispielsweise der Abrieb oder der Verschleiß einer Asphalt- oder Betondecke in Abhängigkeit von der Belastung und dem Zeitraum der Belastung ermittelt werden.

[0026] Diese Daten und deren Veränderung können dann als Entscheidungshilfe über die Sanierung oder neuerliche Sanierung der Straße verwendet werden.

Ansprüche

1. Geokunststoffe, wie Geotextilien, Geoverbundstoffe oder Geogitter (gewebt, geraschelt oder aus monolithischen Bändern), dadurch gekennzeichnet, dass der Geokunststoff mindestens einen darauf applizierten Transponder zur Speicherung und zum Abruf von produkt- und/oder zustands- und/oder projektbezogene Daten aufweist.

2. Geokunststoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Transponder in definierten Abständen vorhanden sind.

3. Geokunststoffe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Transponders mit dem Geokunststoff durch kleben erfolgt.

4. Geokunststoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Transponder Daten über Verkehrsbelastung, Straßenzustand, verwendete Baumaterialien, Schichtdicken und dergleichen gespeichert sind.

5. Geokunststoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisch verfestigtes Geotextil aus Endlosfäden aus Polypropylen verwendet wird.

6. Geokunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geoverbundstoff, bestehend aus mechanisch verfestigtes Vlies aus Endlosfäden aus Polypropylen, Polyester, Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Aramid, Basalt, Carbon und Glasfilamenten als Bewehrung verwendet werden.

7. Geokunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geogitter, bestehend aus beschichteten oder unbeschichteten Filamenten verwendet wird.

8. Geokunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Transponder ein passiver Transponder verwendet wird.

9. Geokunststoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder einen dicken Adhesiv-Klebstoff zum Geotextil aufweist

10. Geokunststoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Adhesiv-Klebstoff ein Acrylat-Klebstoff ist.

11. Geokunststoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Adhesiv-Klebstoff für einen Temperaturbereich von -40°C bis 160°C einsatzfähig ist.

12. Geokunststoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder eine Schutzschicht aufweist.

13. Geokunststoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einer Vergussmasse besteht.

14. Geokunststoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse mittelhart aushärtet.

15. Geokunststoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse durch eine darunter liegende, 50 µm dicke Folienschicht verstärkt wird.

16. Geokunststoff nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder eine für Lesereichweiten von bis zu 1 m geeignete Antennenfläche aufweist.

17. Geokunststoff nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Transponder eine für Lesereichweiten von 0,5 bis 0,8 m geeignete Antennenfläche aufweist.

18. Geokunststoff nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder einen Speicher für unveränderliche und veränderliche Daten aufweist.