Chenwen Liu, Johannes Neumann, Lukas Renken, Nicolas Carreno, Milad Moharekpour, Christian Schulze, Frederic Otto

• Bei der Betonbauweise von Betondecken auf Hydraulisch gebundene Tragschichten (HGT) besteht die Möglichkeit zur Trennung des Verbundes anstelle von Vliesstoffen eine Asphaltzwischenschicht unter Beton (AZwiSuB) einzusetzen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden Möglichkeiten der Optimierung dieser Bauweise bezüglich ihrer mechanischen und hydraulischen Eigenschaften untersucht. Hierfür werden an existierenden Streckenabschnitten im öffentlichen Straßennetz Bohrkerne entnommen (ex-vivo) sowie eine Untersuchungsstrecke zwecks Entnahme von Referenzbohrkernen (ex-vitro) hergestellt. Diese Bohrkerne wurden sowohl mechanischen als auch hydraulischen Untersuchungen unterzogen. Im Rahmen der mechanischen Untersuchungen wurden relevante Parameter an den ex-vivo Bohrkernen untersucht, einschließlich Schichtdicken und Schichtenverbund. In einem schadensgeprägten Straßenabschnitt wurden umfangreiche Beprobungen durchgeführt und mögliche Schadensursachen identifiziert. Die hydraulischen Untersuchungen befassten sich insbesondere mit der Vorbeugung von Erosionserscheinungen in der HGT im Fugenbereich. Es wurden sowohl Möglichkeiten der Verbesserung der Erosionsbeständigkeit auf Materialebene (Zugabe von Additiven in die HGT-Rezeptur) als auch auf konstruktiver Ebene (Einsatz von Flachdrains zur Fugenentwässerung) untersucht. Darüber hinaus wurden Finite-Elemente-Modelle erstellt, um den kritischen Beanspruchungszustand der AZwiSuB sowohl in der Plattenmitte als auch an der Fuge bzw. am Riss zu simulieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Zugspannung innerhalb der AZwiSuB an der Fuge bzw. am Riss unter kritischer thermischer Belastung größer als die Biegezugfestigkeit des Asphalts ist, was zum Versagen der AZwiSuB führen kann. Anschließend zeigt eine nachträgliche Dimensionierung eines Abschnitts der A7 bei Ellwangen, dass das aktuelle Dimensionierungsverfahren eine deutlich dickere Betondeckendicke erfordert. Die Einflussfaktoren der Bauweise auf die Betondeckendicke wurden gründlich untersucht, um das Dimensionierungsverfahren zu optimieren. Die Ergebnisse der Parameterstudie zeigen, dass der größte Einflussfaktor auf die Betondeckendicke der AZwiSuB-E-Modul ist, gefolgt von der Bettungszahl und der AZwiSuB-Schichtdicke. Aus den hydraulischen Untersuchungen konnte abgeleitet werden, dass zur Verbesserung der Erosionsbeständigkeit der HGT die Zugabe von Faserstoffen oder Stabilisatoren eine Möglichkeit darstellen. Dies empfiehlt sich jedoch vorrangig nur bei einer gründlichen Erneuerung oder einem Neubau des AZwiSuB-Aufbaus. Eine weitere Maßnahme ist der Einsatz eines Flachdrains zur Entwässerung der Fugen. Hier hat sich eine Anordnung unter der Asphaltzwischensicht als zielführend herausgestellt, da beim Einbau unter Beton sich der Flachdrain durch Zementmörtel zusetzen kann und somit seine Wirkung nur teilweise entfaltet. Ein offener Punkt ist die praktische Umsetzung der Montage und Installation der Flachdrains auf der Baustelle, wofür noch geeignete Konzepte entwickelt werden müssen. Aus den Ergebnissen der Simulation und der nachträglichen Dimensionierung wird vorgeschlagen, die Schwankungen des E-Moduls der AZwiSuB mit der Temperatur zu minimieren, um eine stabile Leistung der Bauweise zu gewährleisten, da der E-Modul der AZwiSuB empfindlich auf Temperaturschwankungen reagiert. Ein guter Zustand der HGT beim Einbau ist ebenso wichtig, um die Bettungszahl konstant zu halten, was mit den Anforderungen aus der hydraulischen Untersuchung übereinstimmt. Im Vergleich zu den Materialparametern ist die Schichtdicke der AZwiSuB nicht kritisch für den Beanspruchungszustand der Bauweise. Die entsprechenden Vorgaben für die Schichtdicke im RDO-Beton können beibehalten werden. Das Ziel, die Optimierung der Bauweise AZwiSuB hinsichtlich mechanischer und hydraulischer Eigenschaften zu erreichen, wurde erfolgreich umgesetzt. Die im Rahmen des Projekts durchgeführten Versuche, Simulationen und nachträglichen Dimensionierungen bilden eine solide Grundlage für die Optimierung der Verbund- und Unterlagenbedingungen. Dies ermöglicht, Schäden an der AZwiSuB-Bauweise zu vermeiden und die Nutzungsdauer zu verlängern.
• By the construction of concrete pavements on hydraulically bound base layer (HGT), there is the possibility of using an asphalt interlayer under concrete (AZwiSuB) instead of geotextiles for separating the bond. Within the framework of this research project, possibilities for optimizing this construction method with respect to its mechanical and hydraulic properties were investigated. For this purpose, core samples were taken from existing sections in the public road network (ex-vivo) and a test section was created to take reference core samples (ex-vitro). These cores were subjected to both mechanical and hydraulic investigations. In the context of mechanical investigations, relevant parameters were examined on the ex-vivo cores, including layer thicknesses and layer bonding. Extensive sampling was conducted in a damage-prone road section, and potential causes of damage were identified. The hydraulic investigations focused particularly on preventing erosion in the HGT in the joint area. Both materiallevel improvements in erosion resistance (addition of additives to the HGT formulation) and structural improvements (use of flat drains for joint drainage) were investigated. Furthermore, finite element models were created to simulate the critical stress state of the AZWiSuB both in the slab center and at the joint or crack. The simulation results show that the tensile stress within the AZWiSuB at the joint or crack under critical thermal load is greater than the tensile strength of the asphalt, which can lead to the failure of the AZWiSuB. Subsequently, a post-design of a section of the A7 near Ellwangen shows that the current design procedure requires a significantly thicker concrete pavement than the actual construction. The influencing factors of the construction method on the concrete slab thickness were thoroughly examined to optimize the design procedure. The results of the parameter study show that the most significant influencing factor on the concrete slab thickness is the Young's modulus of the AZWiSuB, followed by the bedding number and the AZWiSuB layer thickness. From the hydraulic investigations, it was deduced that adding fiber materials or stabilizers could improve the erosion resistance of the HGT. Another measure is the use of a flat drain for joint drainage. Here, an arrangement under the asphalt interlayer proved to be effective, as embedding under concrete can cause the flat drain to clog with cement mortar and thus only partially effective. A remaining issue is the practical implementation of the installation and mounting of the flat drains on the construction site, for which suitable concepts still need to be developed. Based on the simulation and post-design results, it is suggested to minimize fluctuations in the Young's modulus of the AZWiSuB with temperature to ensure stable performance of the construction method, as the AZWiSuB modulus of elasticity is sensitive to temperature fluctuations. A good condition of the HGT during installation is also important to keep the bedding number constant, which aligns with the requirements from the hydraulic investigation. Compared to the material parameters, the AZWiSuB layer thickness is not critical to the stress state of the construction method. The corresponding specifications for the layer thickness in RDO-Beton can be maintained. The goal of optimizing the AZWiSuB construction method with respect to mechanical and hydraulic properties has been successfully achieved. The tests, simulations, and post-designs conducted within the project provide a solid foundation for optimizing bond and subgrade conditions. This enables the prevention of damage to the AZWiSuB construction method and extends its service life.