Vibrationshammerverfahren zur Bestimmung der Bezugsgröße für den Verdichtungsgrad von Schichten ohne Bindemittel

Vibrating hammer method to determine the reference density of the degree of compaction of layers without binders

  • In Deutschland ist zur Bestimmung der Referenzdichte ungebundener Baustoffgemische der Proctorversuch nach DIN EN 13286-2 [1] festgelegt. Die Laborpraxis hat gezeigt, dass der Proctorversuch für dränierende Baustoffgemische, die für ungebundene Schichten verwendet werden, nicht optimal geeignet ist. Im Forschungsvorhaben FE-Nr. 06.099/2012/EGB [2] wurde die Eignung des Vibrationshammerverfahrens nach DIN EN 13286-4 [3] als alternatives Laborverdichtungsverfahren untersucht und festgehalten, dass dieses Laborverdichtungsverfahren in-situ konform verdichtet und sehr vergleichbare Ergebnisse zum Proctorverfahren unter Verwendung eines festgelegten Wassergehaltes erzielt. Hinzu kommt eine leichtere Handhabung, kostengünstigere Anschaffung und eine Prüfdurchführung, die deutlich weniger zeitintensiv ist. Ein weiterer Vorteil dieses Verdichtungsverfahren ist, dass es wahrscheinlich zu einer geringeren Kornverfeinerung während der Probenverdichtung neigt [4]. Weiterhin wurde festgestellt, dass der optimale Wassergehalt des Vibrationshammerverfahrens etwa 5 bis 10 Prozent unterhalb dem des Standard-Proctorversuches lag [5] und somit etwa dem optimalen Wassergehalt eines modifizierten Proctorversuches (nahezu in-situ konform) entspricht. Seit vielen Jahren wird die Wasserdurchlässigkeit von SoB-Gemischen im Labor mit einer in der DIN 18130-1 [6] beschriebenen Methode bestimmt, bei denen die Wasserdurchlässigkeit im gesättigten Probenzustand ermittelt wird. Während der Herstellung und der Nutzungsphase einer SoB hingegen werden immer ungesättigte Zustände vorliegen, weshalb die Ergebnisse des Laborversuches nach DIN 18130-1 [6], nicht der in-situ Wasserdurchlässigkeit entsprechen. Durch die Entwicklung des Standrohr-Infiltrometerverfahrens nach TP Gestein-StB, Teil 8.3.1 [7], wurde versucht, die in-situ Wasserdurchlässigkeit im Labor besser abzubilden, beispielsweise, indem zum einen Probekörper mit modifizierter Proctorenergie hergestellt werden und zum anderen Wassergehalte während der Probenherstellung zum Einsatz kommen, die unterhalb des optimalen modifizierten Wassergehaltes (0,8 · mod. wPr < w < mod. wPr) liegen. In-situ konforme Prüfbedingungen auf Laborebene sind notwendige Voraussetzungen, um hier Messergebnisse zu generieren, die mit Feldergebnisse vergleichbar sind. Sowohl für die Referenzdichte (Proctordichte) des Verdichtungsgrades, der einen Rückschluss auf die geleistete Verdichtungsarbeit ermöglicht, als auch für die Wasserdurchlässigkeit stehen bis dato Prüfmethoden im Labor zur Verfügung, die aufgrund ihrer Verfahrensparameter nicht den Feldbedingungen entsprechen und häufig nicht vergleichbare Ergebnisse liefern. Entsprechend ist es notwendig mit performance orientierten Prüfverfahren diesen Umstand zu optimieren. Bzgl. der Verdichtung von ungebundenen Baustoffgemischen bietet sich womöglich das Verdichtungsverfahren nach DIN EN 13286-4 [3] als zukunftsweisendes Laborprüfverfahren an, das nach ersten Erkenntnissen besser zur Verdichtung von ungebundenen Gemischen geeignet ist. Zur Weiterentwicklung des Kenntnisstandes zum Vibrationshammer war zu untersuchen, welchen Einfluss die Verwendung eines Vibrationshammers auf die Kornzertrümmerung hat und wie eine Probenherstellung im Verdichtungstopf C (250 mm) mittels Vibrationshammer zur Messung des Infiltrationsbei-wertes ki(10) erfolgen kann, da dies bis dato nicht in der DIN EN 13286-4 [3] beschrieben wird. Ergänzend sollten diese beiden Aspekte auch unter Verwendung unterschiedlicher Vibrationshämmer mit unterschiedlicher Schlagenergie untersucht und bewertet werden. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde eine Literaturstudie durchgeführt, über die dargelegt werden konnte, dass die Fragestellungen des Forschungsvorhabens bzgl. der Kornzertrümmerung und Verdichtung von Baustoffen im Verdichtungstopf C unter Verwendung eines Vibrationshammers teils, wenn auch thematisch anders gelagert, behandelt wurden und gute Ansätze für das weitere Vorgehen innerhalb des vorliegenden Forschungsprojektes lieferten. Primäre Elemente dabei waren die Verdichtung in einem elf inch (279 mm) Probentopf mittels Vibrationshammer nach DRENEVICH, EVANS und PROCHASKA [15] und der Verfeinerungsgrad nach SCHREIBER [25]. Entsprechend wurden diese Ansätze in das Forschungsvorhaben integriert, um die Eignung des Vibrationshammerverfahrens als zukunftsorientiertes Laborverdichtungsverfahren von ungebundenen Gemischen weiter zu belegen. In das Forschungsvorhaben wurden vierzehn ungebundene Baustoffgemische eingebunden, an denen eine Materialcharakterisierung durchgeführt wurde. Aus dieser ging hervor, dass die Baustoffgemische anforderungsgerechte Eigenschaften entsprechend dem nationalen Regelwerk aufwiesen und aufgrund ihrer variablen technischen Bandbreite als charakteristische Stellvertreter handelsüblicher Baustoffgemische eingestuft werden konnten. Erste Laborversuche zur Fragestellung der erzielbaren Trockendichten durch Proctorverdichter und Vibrationshammer und zur Kornzertrümmerung erfolgten an 0/32 mm Korngemischen ohne Überkorn. Über diese Versuche konnte gezeigt werden, dass der Einsatz eines Vibrationshammers mit einer Schlagenergie von 8,3 Joule zu einer leichten Trockendichtezunahme (2 bis 15 %) für rezyklierte und industrielle Baustoffgemische im Vergleich zum Proctorergebnis führte und sich eine Ergebniszunahme unter Verwendung eines Vibrationshammers mit nahezu doppelter Schlagenergie (16,8 Joule) für alle untersuchten Baustoffgemische einstellte (natürliche Baustoffgemische: 2 bis 7 %, rezyklierte und industrielle Baustoffgemische: 16 bis 31 %). Bzgl. der bestimmten optimalen Wassergehalte zeigten rezyklierte und industrielle Baustoffgemische unter Einsatz eines Vibrationshammers tendenziell eine leichte Reduktion und natürliche Gesteinskörnungen einen nahezu gleichen Ergebniswert wie beim Proctorverfahren. Im Folgenden wurde die im FE-Nr.06.0099/2012/EGB [2] aufgestellte These, dass Baustoffgemische mit einem festgelegten Wassergehalt von 3 M.-% bzw. 5 M.-% verdichtet werden können und dennoch gleichwertige Trockendichten, wie bei einer Verdichtung mit einem optimalen Wassergehalt, erzielen, überprüft. Vorteil bei dieser Vorgehensweise wäre für viele Baustoffgemische die Vermeidung einer Wasserdränage während des Verdichtungsversuches und eine Reduktion der Einzelprobenanzahl. Zwischen der Vorgehensweise einer Verdichtung mit optimalen Wassergehalt und eines festgelegten Wassergehaltes konnten sowohl für das Proctorverfahren als auch für das Vibrationshammerverfahren Korrelationskoeffizienten minimal kleiner 1 bestimmt werden. Die Trockendichtekorrelationen zwischen den Vibrationshammerergebnissen (fester Wassergehalt) und den Proctorergebnissen (optimaler Wassergehalt) ergaben Korrelationskoeffizienten oberhalb von 0,8. Bei der Verwendung eines festgelegten Wassergehaltes für das Vibrationshammerverfahren wurde eine Ergebniszunahme bei der Trockendichte von gemittelt ca. 6,5 % (Vibrationshammervariante A mit 8,3 Joule) bzw. ca. 11,5 % (Vibrationshammervariante B mit 16,8 Joule) festgestellt. Anhand von Siebanalysen, die nach der Probenherstellung mittels Vibrationshammervariante A durchgeführt wurden, konnte gezeigt werden, dass ein festgelegter Wassergehalt zu einer vermehrten Kornzertrümmerung für industrielle und RC-Baustoffgemische, im Vergleich zu einer Verdichtung mit einem optimalen Wassergehalt, führt. Für die untersuchten natürlichen Baustoffgemische stellte sich eher ein konstantes bis gegenläufiges Ergebnisbild bzgl. der Kornzertrümmerung ein. Beim Einsatz der Vibrationshammervariante B mit einer Schlagenergie von 16,8 Joule wurde nahezu durchweg eine stärkere Zunahme der Kornzertrümmerung unter Verwendung eines festgelegten Wassergehaltes belegt. Abschließend wurde untersucht, wie eine Baustoffgemischverdichtung mit einem Vibrationshammer in einem 250 mm Verdichtungstopf durchgeführt werden kann, welche Trockendichten erzielt werden, welche Kornzertrümmerung dabei auftritt, welche Infiltrationsbeiwerte ki(10) mit derart hergestellten Probekörpern erzielt werden und ob die potenziell auftretende Kornzertrümmerung evtl. einen Einfluss auf den Infiltrationsbeiwert hat. Die Ergebnisse der dazu durchgeführten Untersuchungen wurden im Vergleich zu Proctorversuchen bewertet. Die Trockendichten der für die Infiltrationsmessungen hergestellten Probekörper zeigten, auf das jeweilige Verdichtungsverfahren und ungebundene Baustoffgemisch bezogen, sehr geringe Standardabweichungen. Entsprechend lieferten die Verdichtungsverfahren reproduzierbare Trockendichten. Für das Vorgehen mittels Proctorverfahren konnte eine Trockendichtezunahme zwischen ca. 4 und 25 % (im Mittel ca. 12 %) beim Wechsel von Verdichtungstopf B (Ø 150 mm) zu C (Ø 250 mm) bestimmt werden, wobei hierbei beachtet werden muss, dass die Probeherstellung im Verdichtungstopf C mit modifizierter Proctorenergie erfolgte. Eine ähnliche Tendenz zeigte sich beim Wechsel von Verdichtungstopf B zu Verdichtungstopf C unter Einsatz des Vibrationshammers A mit 8,3 Joule Schlagenergie. Hier lag die Ergebniszunahme bzgl. der Trockendichte zwischen ca. 2 und 14 % (im Mittel bei ca. 6 %). Konträr dazu zeigte sich das Ergebnisbild durch den Wechsel von Verdichtungstopf B zu Verdichtungstopf C unter Verwendung des Vibrationshammers B mit 16,8 Joule Schlagenergie. Hier kam es zu einer Abnahme der Trockendichteergebnisse zwischen ca. 1 und 7 % (im Mittel bei ca. 4 %). Die mit dem Proctor- bzw. Vibrationshammer hergestellten Probekörper zeigten überwiegend einen Infilrationsbeiwert oberhalb, zum Teil weit oberhalb, von 10-6 m/s. Da die Ergebnisschwankungen der Infiltrationsresultate, die mit Proctor- bzw Vibrationshämmern hergestellt wurden, relativ gering ausfielen, konnte mit Ausnahme weniger Messwerte kein verdichtungsverfahrensabhängiger Einfluss auf das Infiltrationsergebnis aufgezeigt werden. Ergänzend wurden auch Siebanalysen nach der Probenherstellung zur Bestimmung der auftretenden Kornzertrümmerung vorgenommen, die die folgenden Interpretationen zu-ließen. Das modifizierte Proctorverfahren bedingt während der Probekörperherstellung im 250 mm Verdichtungstopf C den größten und der Vibrationshammer A mit einer Schlagenergie von 8,3 Joule den geringsten Einfuss auf die Kornzertrümmerung. Verfahrensunabhängig zeigten industrielle und RC-Baustoffgemische eine größere Tendenz zur Kornzertrümmerung als natürliche Baustoffgemische. Anhand der Nachsiebungen bzw. berechneten Verfeinerungsgrade konnte kein direkter mathematischer Zusammenhang zwischen An- oder Abstieg des Infiltrationsbeiwertes und An- oder Abstieg an Kornzertrümmerung nachgewiesen werden. Das Forschungsvorhaben konnte weiterführend die Eignung des Vibrationshammerverfahrens als Alternative zum Proctorverfahren aufzeigen und ermöglichte die Abfassung eines Entwurfs einer TP Gestein-StB zur Herstellung von Prüfkörpern mit einem Vibrationshammer für Infiltrationsversuche im 250 mm Verdichtungstopf. Auch die These einer Verdichtung mit einem festgelegten Wassergehalt konnte weiter ausgebaut werden. Damit verbunden sind eine leichte Zunahme an Trockendichte und Kornzertrümmerung. Infiltrationsversuche an Proben, die mit ähnlichen Wassergehalten hergestellt wurden und eine ähnliche Kornzertrümmerung aufwiesen, zeigten jedoch, dass die Kornzertrümmerung keinen Einfluss auf den Infiltrationsbeiwert der untersuchten Proben hatte.
  • In Germany, the Proctor test according to DIN EN 13286-2 [1] is widely used to determine the reference density of unbound materials. Laboratory practice has shown that the Proctor test is not optimal for draining unbound mixtures that are used for unbound layers. In research project FE-Nr. 06.099 / 2012 / EGB [2] the vibration hammer method according to DIN EN 13286-4 [3] was presented as a compaction method, which works in-situ conform and delivers very similar results compared to the Proctor method using a specified water content. In addition, the handling is easier, less cost intensive and the test procedure is less time consuming. Another advantage of this compaction method is that it tends to have a lower grain size refinement during sample compaction [4]. Furthermore, it was found that the optimal water content by using the vibratory hammer test was about 5 to 10 percent below the standard Proctor test [5] and thus gives approximately optimal water contents of the modified Proctor test (approx in-situ compliant). For many years, the laboratory water permeability of unbound mixtures was determined by a method described in DIN 18130-1 [6], where the water permeability of a saturated sample is determined. In contrast, during the production and use of an unbound layer, there will always be an unsaturated state. Therefore the results of the laboratory test according to DIN 18130-1 [6] cannot correspond to the in-situ water permeability. The development of the vertical tube infiltrometer method according to TP Gestein-StB, Part 8.3.1 [7], attempted to better illustrate the in-situ water permeability in the laboratory, for example by preparing a test specimen with modified Proctor energy and by using water contents during sample preparation below the modified optimum water content (0.8 • mod. wPr < w < mod. wPr). In-situ compliant test conditions during laboratory testing are necessary prerequisites for generating results that are comparable with field results. For the reference density (proctor density) of the degree of compaction, which allows a conclusion on the performed compaction work, as well as for the water permeability testing, laboratory test methods are in use, which do not correspond to field conditions. In addition, they do not provide comparable results. Accordingly, it is necessary to optimize this circumstance with performance-oriented test methods. Concerning the laboratory sample compaction maybe the compaction method according to DIN EN 13286-4 [3] offers a future-oriented laboratory test procedure, which, according to preliminary findings, is better suited for the compaction of unbound mixtures. One goal of the research project is to understand the influence of the vibration hammer on grain size fragmentation and how a sample preparation in Proctor mold C (250 mm) can be carried out by using the vibratory hammer, since this is not described in DIN EN 13286-4 [3]. In addition, these two aspects should also be investigated and evaluated using vibration hammers with different impact energy. At the beginning of this research project, a literature study was carried out. This study has shown that the questions of the research project concerning the grain size fragmentation and compaction of building materials in the compression mold C by using a vibratory hammer were partly treated and good approaches for the further procedure within the present research project were provided. Primary elements were densification in an 11-inch sample mold using a vibration hammer according to DRENEVICH et al.[15] and the degree of refinement according to SCHREIBER [25]. Accordingly, these approaches were integrated into the research to further validate the suitability of the vibrating hammer as a future orientated laboratory densification method of unbound mixtures. Fourteen unbound materials were included in the research project. On these materials a material characterization was carried out. From this it emerged that the unbound mixtures had requirements oriented properties in accordance with national regulations and could be classified as characteristic representatives of common unbound mixtures due to their variable technical range. Initial laboratory tests to investigate the achievable dry densities by the Proctor respectively vibration hammer compaction and the induced grain size fragmentation were carried out on 0/32 mm mixtures without oversize material. Through these experiments, it was shown that the use of a vibrating hammer with a striking energy of 8.3 Joule resulted in a slight increase in dry density (2 to 15 %) for recycled and industrial unbound mixtures compared to the Proctor results. An increase of dry density was observed by using a vibratory hammer with almost twice the impact energy (16.8 Joule) for all examined unbound mixtures (natural unbound mixtures: 2 to 7 %, recycled and industrial unbound mixtures: 16 to 31 %). Concerning the determined optimum water contents, recycled and industrial unbound mixtures showed a reduction and natural aggregates nearly the same values by using a vibrating hammer in comparison to Proctor densification. In the following, the theory stated in FE No. 06.0099 / 2012 / EGC [2] that unbound mixtures can be densified with a specified water content of 3 M.-% respectively 5 M.-% and achieve equivalent dry densities, as during a compaction with an optimal water content, was verified. An advantage of this approach would be the avoidance of water drainage during the compaction for many unbound mixtures and a reduction of test samples. Between the procedure of a compaction with optimal water content and a fixed water content, correlation coefficients could be determined slightly smaller than 1 for the Proctor method as well as for the vibration hammer method. The dry density correlations between the vibration hammer results (fixed water content) and the Proctor results (optimal water content) gave correlation coefficients above 0.8. By using the vibratory hammer method and a fixed water content an increase in dry density of about 6.5 % (vibration hammer variant A with 8.3 Joule) respectively about 11.5 % (vibration hammer variant B with 16.8 Joule) was found. On basis of sieve analyzes, which were carried out after sample compaction with the vibration hammer variant A, it was shown that a fixed water content leads to an increase in grain size fragmentation for industrial and recycled unbound mixtures, compared to a compaction with an optimal water content. For the investigated natural unbound mixtures a rather constant to opposite picture with regard to grain size fragmentation occurred. By using the vibration hammer variant B with a strike energy of 16.8 Joule, a greater increase in grain size fragmentation was demonstrated for almost all investigated materials. Finally, it was shown how compaction of an unbound mixture can be carried out with a vibrating hammer in a 250 mm compaction mold. The investigated parameters included dry densities, grain size fragmentation occurs, infiltration coefficients ki(10) and whether the potentially occurring grain size fragmentation may have an influence on the infiltration coefficient. The results of the investigations were evaluated in comparison to Proctor experiments. The dry densities of the specimens prepared for the infiltration measurements showed very low standard deviations with respect to the particular compaction method and unbound mixture. Likewise, the compression processes produced reproducible dry densities. For the procedure by means of the Proctor method, an increase of dry density between approx. 4 and 25 percent (average approx. 12 percent) could be determined when changing from compaction mold B (Ø 150 mm) to C (Ø 250 mm), whereby it has to be considered that the sample preparation in the compression mold C was conducted with modified proctor energy. A similar tendency was observed when changing from compression mold B to compression mold C using the vibratory hammer A with 8.3 Joule impact energy. In percentage of dry density the increase was calculated between 2 and 14 percent (average around 6 percent). Conversely, the switch from compression mold B to compression mold C by using the vibrating hammer B with 16.8 Joule impact energy resulted in a decrease of dry density between about 1 and 7 percent (average about 4 percent). The specimens produced with the Proctor or vibration hammer method showed mostly an infiltration coefficient above 10-6 m/s. Since the fluctuations in the results of the infiltration results produced with Proctor or vibration hammers were relatively small, no method-dependent influence on the infiltration result could be demonstrated, with exception of a few measured values. In addition, sieve analyzes were carried out after the sample preparation to determine the occurring grain size fragmentation. From these tests the following interpretations could be formulated. The modified Proctor test causes the largest and the vibrating hammer A with impact energy of 8.3 Joule the smallest effect on grain size fragmentation during test sample preparation in the 250 mm compaction mold C. Irrespective of the test method, industrial and recycled materials showed a greater tendency to grain size crushing than natural building materials. On basis of the sieving analysis and the calculated refinement coefficient, no direct mathematical correlation could be established between increase or decrease in infiltration coefficient and increase or decrease in grain size fragmentation. The research project was able to demonstrate the suitability of the vibration hammer method as an alternative to the Proctor method and enabled the draft version of a TP Gestein-StB for test specimen fabrication with a vibratory hammer for infiltration experiments in a 250 mm densification mold. The thesis of a compaction with a fixed water content could be further developed. Associated with this is a slight increase in dry density and grain size fragmentation. Infiltration experiments on samples that were prepared with similar water contents and similar grain size fragmentation, leds to the conclusion that grain size fragmentation had no influence on the infiltration coefficient of the investigated test samples.

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Metadaten
Author:Derik Demond, Thomas Reiche, Sonja Haas, Sven-Olaf Schmidt
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-25848
ISBN:978-3-95606-649-8
ISSN:0943-9323
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau (166)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2021/12/28
Date of first publication:2021/12/28
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2021/12/28
Tag:Kornverteilung; Prüfverfahren; Schicht; Schwingung
Number of pages:63 Seiten
Comment:
Bericht zum Forschungsprojekt 06.0115
Vibrationshammerverfahren zur Bestimmung der Bezugsgröße für den Verdichtungsgrad von Schichten ohne Bindemittel 

Fachbetreuung
Christine Kellermann-Kinner

Referat 
Nachhaltigkeit, Ressourcenschutz und Erdbaustoffe im Straßenbau
Institutes:Abteilung Straßenbautechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoBASt

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