Bau und Messungen an einer Versuchsstrecke mit optimierter Kiestragschicht unter der Betondecke
(2018)
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein bereits unter Laborbedingungen bewährtes Baustoffgemisch 0/32 mm " bestehend aus gebrochenen und ungebrochenen Gesteinskörnungen - für die Herstellung einer modifizierten Kiestragschicht unter einem Betonfahrbahndeckensystem einer realen Versuchstrecke verwendet. Die messtechnische Begleitung dieses Versuchsstreckenbaus an einer Fahrgasse der Tank- und Rastanlage Köschinger Forst (BAB 9) im Sommer / Herbst 2012 umfasste unter anderem umfangreiche Tragfähigkeitsmessungen auf den einzelnen ungebundenen Schichten des Oberbaus. Die 30 cm dicke modifizierte Kiestragschicht wurde mit einer 27 cm dicken unbewehrten Betonfahrbahndecke in Plattenbauweise überbaut. Die Tragfähigkeitsmessungen auf der modifizierten Kiestragschicht wurden unmittelbar nach dem Einbau und nach 16 Tagen unter freier Witterung und Baustellenverkehr durchgeführt. Bei allen Messungen wurden die Vorgaben der ZTV SoB-StB " Ev2 ≥ 150 MPa " erfüllt. Eine Fuge der Fahrgasse wurde unverdübelt und ohne Fugenmasse ausgeführt, um durch die erhöhten Relativbewegungen der Plattenränder und den gleichzeitigen hohen Wassereintrag eine Erosion der Tragschicht im Fugenbereich zu induzieren. Im Mai 2015 erfolgten - nach 32-monatiger Liegedauer - die Wiederholungsmessungen. Die Überrollungen der unverdübelten Querscheinfuge konnten zum damaligen Zeitpunkt grob mit 350.000 Fahrzeugen (ca. 1 Mio. äquivalente 10t-Achsen) abgeschätzt werden. Für die Wiederholungsmessungen wurden zwei Einzelfahrbahnplatten der Lkw-Fahrgasse abgehoben. Es konnten hierbei keine wesentlichen Veränderungen der für eine KTSuB relevanten Performanceparameter festgestellt werden. Die in den ZTV SoB-StB und den RStO geforderten Mindestwerte der Tragfähigkeit - statischer Verformungsmodul und Verhältniswert Ev2/Ev1 - konnten an allen untersuchten Prüfpunkten eingehalten werden. Des Weiteren konnten die Bedenken hinsichtlich der Erosions- und Umlagerungsbeständigkeit im Fugenbereich beim vorliegenden - relativ langsam fahrenden Schwerlastverkehr - relativiert werden.
Ein Ansatz zur Beschleunigung von Bauzeiten und Reduzierung von Sperrdauern lässt sich in der Weiterentwicklung der Kompaktasphaltbauweise sehen. Im Rahmen des Projektes "Bauzeitenverkürzung durch optimierten Asphalteinbau" (BOA) wurden hierzu Konzepte erarbeitet, die den Einbau dicker Asphaltpakete in einem einzelnen Übergang des Fertigers zulassen. Dies erforderte die Konzeption eines neuen Trag-/Binderschichtmischguts AC 45 B/T S, welches in Dicken von 20 bis 22 cm eingebaut, als Unterlage für eine gleichzeitig einzubauende dünne Deckschicht dient und somit typische dreilagige Aufbauten ersetzt. Zudem waren Einbau- und Verdichtungsgeräte an die neue Bauweise anzupassen, sowie Bauprozesse zu optimieren. Erstmals erprobt wurde die neue Bauweise auf Versuchsfeldern. Die Einbauergebnisse waren technisch gleichwertig mit konventionellen Bauweisen. Rechnerische Untersuchungen ergaben zudem eine geringere Ermüdungsanfälligkeit der Kompakt-Asphaltaufbauten. Auf einer Versuchsstrecke an der B 68 konnte nachgewiesen werden, dass die Bauweise auch unter realen Einbaubedingungen umsetzbar ist und eine signifikante Bauzeitenverkürzung bewirkt. Als kritischer Faktor stellte sich die Ebenheit heraus. Die dicken Schichtpakete sind während des Verdichtungsvorganges besonders in den Randbereichen verformungsanfällig, weshalb die Stabilität der Kanten durch Entwicklung neuer Verdichtungsmodule verbessert werden muss.
Viskositätsverändernde Zusätze im Asphalt werden seit mehr als 15 Jahren verwendet. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Zusätze sind die Temperaturabsenkung und die Verwendung als Verarbeitungshilfe, frühere Verkehrsfreigaben sind möglich, die Maschinentechnik wird geschont. An Beispielen werden diese Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt und Hinweise zum Umgang mit viskositätsveraenderten Asphalten gegeben.
In der Vergangenheit stiegen die Verkehrsbelastung und der Anteil des Schwerverkehrs auf deutschen Straßen und Autobahnen nahezu stetig. Dies wird sich auch in der Zukunft fortsetzen. Um auch zukünftig Mobilität gewährleisten zu können, sind Bauweisen mit maximaler Nutzungsdauer und minimalen Erhaltungsaufwendungen erforderlich. In Deutschland werden Betonfahrbahndecken als unbewehrte direkt befahrene Betonfahrbahnplatten mit Querfugen in regelmäßigen Abständen gefertigt und für Nutzungsdauern von 30 Jahren konzipiert. Die Querfugen stellen dabei den schwächsten Bereich in der Konstruktion dar. Betonfahrbahndecken können auch als Durchgehend Bewehrte Betonfahrbahndecke gefertigt werden. Dabei stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, wird die Rissöffnungsweite durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung beschränkt. Die Erfahrungen zeigen, dass mit dieser Bauweise eine längere Nutzungsdauer und ein höherer Fahrkomfort erreicht werden und weniger Erhaltungsmaßnahmen erforderlich sind. Durchgehend Bewehrte Betondecken eignen sich besonders gut für eine Asphaltüberbauung, da es keine Querfugen als Störstellen gibt. Diese Komposition hat das Potenzial für eine Nutzungsdauer von 50 Jahren und erfordert geringere Kosten, wenn man den gesamten Lebenszyklus betrachtet. Um baupraktische Erfahrungen zu sammeln, wurde im Jahr 2011 auf der Bundesautobahn (BAB) A 94 bei Forstinning in Bayern eine Versuchsstrecke eingerichtet. Diese besteht aus drei Abschnitten von je etwa 4 km Länge: Durchgehend Bewehrte Betondecke mit DSH-V-Überbauung, unbewehrte Betondecke in Plattenbauweise mit DSH-V-Überbauung und unbewehrte Betondecke in Plattenbauweise mit Grinding-Oberfläche. Erste Ergebnisse bezüglich Rissbildung, Bewegungen an den Endspornen, Haftverhalten des Blacktopping und der Schallmessungen liegen vor.
Gussasphalt ohne Abstreuung
(2013)
Bedingt durch die wachsende Problematik des Verkehrslärms ist die akustische Optimierung von Asphaltdeckschichten seit über 20 Jahren eine wichtige Aufgabenstellung in der Asphalttechnologie. Nach einem ersten Forschungsschwerpunkt auf offenporige Asphalte wurde anschließend der Fokus auf dichte Deckschichten gerichtet. Eine dieser neueren Konzepte ist die Bauweise Gussasphalt ohne Abstreuung, oder auch als Gussaphalt mit offenporiger Struktur bezeichnet. Als Abkürzung wird derzeit PMA (Porous Mastic Asphalt) verwendet. Die Grundidee dieser Bauweise besteht darin, die untere Zone der Deckschicht möglichst dicht, das heisst ähnlich einem Gussasphalt auszubilden, während sich an der Oberfläche eine offene Textur einstellt, die gemeinsam mit dem kleinen Größtkorn, gute akustische Eigenschaften zeigt. Erreicht wird dies durch eine spezielle Zusammensetzung des Mischguts mit einem großen Anteil grober Gesteinskörnungen, feiner Gesteinskörnungen, die auf 1 Millimeter begrenzt sind und einem abgesenkten Fülleranteil. Diese reduzierte Mörtelmenge führt zur gewünschten definierten Ausfüllung des Korngerüsts. Zur Überprüfung dieser These bieten sich Analysen mit Röntgen-Computertomographie an, die erlauben, die wahre Hohlraumverteilung in Probekörpern zu ermitteln. Die bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin durchgeführten Messungen zeigen das grundsätzliche Funktionieren der Bauweise. Bei genauer lokaler Betrachtung jedoch können größere Schwankungen detektiert werden, die bis zum Verlassen des Konzeptes führen können. Durchgehende Hohlraumstrukturen bis zur Unterlage sind dabei möglich, die sich auch auf die Oberflächengestalt auswirken. Die bautechnischen Ursachen sind noch nicht näher geklärt. In Frage kommen alle am komplexen Prozess Asphalteinbau beteiligten Parameter, die generell, auch beim herkömmlichen Einbau von Walzasphalt, zu Schwankungen führen. Die Messung der Oberflächeneigenschaften Griffigkeit, Ebenheit und Schallemission ergab ein insgesamt homogenes Verhalten des betrachteten Streckenabschnitts. Die Ermittlung des Schallpegels nach statistischer Vorbeifahrt zeigte für Pkw bei 120 km/h eine Minderung gegenüber dem Referenzpegel von 3 dB(A). Das Optimierungsziel - dichte Asphaltdeckschicht mit guten akustischen Eigenschaften - wurde erreicht. In der Erprobung der noch jungen Bauweise PMA stellt der betrachtete Abschnitt auf der BAB A 4 aufgrund seiner Länge und Verkehrsbelastung einen wichtigen Meilenstein dar, der sich bis zum jetzigen Zeitpunkt insgesamt vielversprechend verhielt. Vor einer Aufnahme als Regelbauweise in die ZTV Asphalt-StB müssen Fragestellungen in den Themenfeldern Laborverfahren, Mischgutkonzeption beziehungsweise Einbauhomogenität und Dauerhaftigkeit beantwortet werden. Für die Themenfelder sind bereits weitergehende Forschungsaktivitäten in Bearbeitung, die bis Anfang 2014 Ergebnisse erwarten lassen. Die Frage der Dauerhaftigkeit wird die Zeit selbst beantworten.
Der Minderung des Verkehrslärms hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Der aktive Lärmschutz in Form von Wänden oder Wällen stößt an die Grenzen oder kann sogar nur durch den Einsatz von Einhausungen gewährleistet werden. Die Straßenoberfläche muss somit einen Beitrag zur Minderung der Verkehrsgeräusche an der Quelle leisten. Lärmtechnisch optimierte Deckschichten lassen sich unterschiedlich konzipieren, bis hin zum sehr wirksamen Offenporigen Asphalt (OPA), der insgesamt jedoch einen relativ großen Aufwand darstellt. Für Anwendungsfälle, die nicht der hohen Wirksamkeit von OPA bedürfen, wurde Splittmastixasphalt (SMA) ab 2005 einer lärmtechnischen Optimierung unterzogen. Ziel war es, den hohen Aufwand (Abdichtung, Entwässerungssysteme etc.) und die reduzierte Lebensdauer von OPA zu vermeiden. Die als SMA LA bezeichneten lärmoptimierten Asphaltdeckschichten sind hohlraumreicher konzipiert, werden auf einer leichten Abdichtung aus Bitumenemulsion eingebaut und nicht abgestumpft. Durch Verstärkung der akustisch günstigen Plateau/Täler-Oberflächenstruktur wird eine verbesserte akustische Wirksamkeit angestrebt. Eine erste Baumaßnahme wurde im Jahre 2005 auf der A 93 bei Schwandorf ausgeführt. Zum Einsatz kam SMA 0/8 LA, SMA 0/5 LA und ein herkömmlicher SMA 0/8 S. Die nach dem Einbau erfolgten Lärmmessungen ergaben für beide Varianten eine Lärmminderung gegenüber der Referenzoberfläche der RLS-90, nicht geriffelter Gussasphalt, von etwa 4 dB(A) für Pkw bei 120 km/h. Es zeigte sich jedoch auch, dass keine Minderung der Schallpegel für Lkw erreicht werden konnte. Die steifen Lkw-Reifen sind relativ unempfindlich gegenüber Texturänderungen. Wiederholungsmessungen der Geräuschimmission ließen eine Tendenz zur akustischen Alterung erkennen, d. h., die Pegel stiegen tendenziell an. Eine Überprüfung der Textur zeigte ein leichtes Einebnen durch den überrollenden Verkehr, der möglicherweise wichtige Anteile bei der Geräuschentstehung, wie Airpumping, ansteigen lässt. Eine abschließende Interpretation von Texturkenngrößen ist generell noch nicht möglich. Die Erstmessung der Griffigkeit direkt nach Einbau zeigte trotz eines Verzichts auf Abstumpfungsmaßnahmen keine Auffälligkeiten, wie auch die Zustandserfassung und -bewertung im Jahre 2009 nach vier Jahren Liegezeit. Seit 2005 wurde nach diesem Konzept eine ganze Reihe von Baumaßnahmen durchgeführt, die relativ zielsicher die gewünschte lärmmindernde Wirkung zumindest für Pkw zeigten. Die angestrebte Reduzierung des Aufwandes gegenüber OPA konnte erreicht, ein Nachweis der akustischen und bautechnischen Dauerhaftigkeit muss jedoch noch erbracht werden. Die Texturanalyse des SMA 0/5 LA zeigte gute theoretische Werte, die sich bei den hohen Fahrgeschwindigkeiten auf der A 93 nicht vorteilhaft auf die Schallpegel auswirkten, möglicherweise kann dieser Vorteil auf Bundesstraßen oder städtischen Straßen zur Erzielung einer guten Lärmminderung genutzt werden.
Aufgrund des im Jahr 2004 fertiggestellten Forschungsprojektes "Eignung von ziegelreichen Recycling-Baustoffen für Tragschichten ohne Bindemittel" (FE 06.073/2000/FGB) wurde nach kontroverser Diskussion in den zuständigen Gremien der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen der zulässige Ziegelanteil in den TL Gestein-StB auf 30 M.-% erhöht. Diskussionspunkte waren u.a. die gewählten Prüfverfahren und die mangelnde Praxiserfahrung mit ziegelreichen RC-Baustoffgemischen. Um die Erkenntnisse aus o.g. Forschungsprojekt zu bestätigen und Praxiserfahrungen zu sammeln, wurde durch das Ministerium für Infrastruktur und Raumordnung Brandenburg der Bau einer Erprobungsstrecke angeboten. Im Jahr 2006 wurde daraufhin eine Erprobungsstrecke im östlichen Brandenburg auf rund 1.200 m eingerichtet, die im April 2007 dem Verkehr übergeben worden ist. Die fachliche Betreuung vor Ort erfolgte durch die TU Cottbus. Die wissenschaftliche Betreuung erfolgte durch die Bundesanstalt für Straßenwesen. In Damm- und Einschnittlage sind jeweils sechs Varianten mit unterschiedlichen Baustoffgemischen für die Tragschicht ohne Bindemittel eingebaut worden. Neben einer Referenzbauweise mit natürlichen Gesteinskörnungen wurden Varianten mit 10, 20, 30 und 40 M.-% Ziegelanteil im RC-Baustoffgemisch eingebaut. Eine weitere Variante sollte aus 40 M.-% Ziegelanteil und 60 M.-% natürlichen Gesteinskörnungen bestehen. Aus baupraktischen Gründen musste der Anteil mit natürlichen Gesteinskörnungen deutlich reduziert werden und teilweise durch Betonbruch ersetzt werden. Die Dicke der Asphaltschichten und die Dicke des frostsicheren Oberbaus wurden über alle Varianten konstant gehalten. In verschiedenen Tiefen der gebundenen und ungebundenen Schichten des Oberbaus sowie im Untergrund bzw. Unterbau wurden in allen Varianten Temperatur- und Feuchtesensoren eingebaut. Die Messwertaufzeichnung erfolgte stündlich. Desweiteren wurde eine Wetterstation und eine automatische Verkehrszählung eingerichtet. Zur Dokumentation der Einwirkungen von Verkehr und Klima auf die Erprobungsstrecke erfolgten Tragfähigkeitsmessungen (Falling-Weight-Deflectometer und Benkelman-Balken) und Höhenmessungen (Feinnivellement) jeweils vor und nach Frostereignissen. Ergänzend wurden an den Baustoffgemischen, neben den Standarduntersuchungen der Eignungs- und Kontrollprüfungen, Frosthebungsversuche nach den TP BF-StB durchgeführt. Zunächst erfolgte eine Beurteilung des dreijährigen Beobachtungszeitraums. Durch die strengen Winter 2008/2009 und 2009/2010 lagen die Voraussetzungen zur Beurteilung der Frostempfindlichkeit der Bauweisen vor. Die Tragfähigkeitsmessungen zeigen im Bereich der ziegelreichen Varianten ein im Vergleich zur Referenzbauweise sehr hohes Tragfähigkeitsniveau. Mit zunehmendem Ziegelanteil ist die Tragfähigkeit zwar abnehmend, übertrifft jedoch die gestellten Anforderungen. Als wesentlich hierfür stellte sich der Anteil an Betonbruch im RC-Baustoffgemisch heraus. Wesentliche Frosthebungen wurden auf dem gesamten Streckenabschnitt nicht festgestellt. Die durch die Konsolidierung der Strecke verursachten Senkungen überlagerten Höhendifferenzen liegen lediglich im Bereich von -±2 mm. Die im Frosthebungsversuch gemessenen Frosthebungen ließen sich nicht auf die Situation der Erprobungsstrecke übertragen. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse und den Ergebnisse aus zwei weiteren Forschungsprojekten, die rein auf Laboruntersuchungen beruhen, kann die mit Einführung der TL Gestein-StB in 2004 umgesetzte Erhöhung des zulässigen Ziegelanteils in RC-Baustoffen von 30 M.-% als unkritisch angesehen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die meisten in der Erprobungsstrecke eingesetzten Baustoffgemische die Anforderungen an die mechanische Beständigkeit und Verwitterungsbeständigkeit im Rahmen der Eignungsprüfung nicht erfüllt haben und somit gemäß den TL Gestein-StB und TL SoB-StB nicht zugelassen wären. Die sehr umfangreiche Datenbasis, die nicht nur im direkten Zusammenhang mit Erforschung der Eignung ziegelreicher Tragschichten ohne Bindemittel steht, eignet sich auch als Beitrag für andere Fragestellungen der Straßenbautechnik.
Seit Jahrzehnten werden in den USA abgängige Asphalt- oder Betonfahrbahnen mit dem "Whitetopping"-Verfahren instand gesetzt, bei dem die geschädigte Fahrbahndecke mit einer neuen zwischen circa 5 und 25 cm dicken Decke überbaut wird, um ihre Tragfähigkeit und Verkehrssicherheit wieder herzustellen. In einem von der Universität Kassel gemeinsam mit der Bundesanstalt für Straßenwesen bearbeiteten Forschungsprojekt wurde untersucht, ob die Bauweise mit üblichen Straßenfertigern herstellbar und dauerhaft tragfähig ist, wenn nur circa 6 bis 8 cm dicke durchgehend bewehrte Schichten aus stahlfaserhaltigem Hochfesten Beton (HPC, Druckfestigkeit 125 Newton pro Quadratmillimeter (N/mm2)) oder Ultra-Hochfesten Beton (UHPC; 180 N/mm2) verwendet werden. Zunächst wurde der Fahrbahnaufbau mit einem FE-Programm dimensioniert, anschließend wurde das Tragverhalten unter Schwellbelastung an einem Modellaufbau im Labor ermittelt. Nachdem dort eine ausreichende Tragfähigkeit festgestellt wurde, wurde 2008 eine erste Versuchsstrecke auf einem Lkw-Parkstreifen an der Bundesautobahn (BAB) A2 gebaut.
Im Jahr 1981 wurde die erste Versuchsstrecke mit einer Betondecke auf einer Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel und einer Vliesstoffzwischenschicht hergestellt. Es zeigte sich, dass bei dieser Bauweise Probleme in Form von Plattenpumpen und Erosionen nicht auftreten. Im Rahmen von mehreren Erprobungsstrecken wurde das positive Verhalten bestätigt. Im Jahr 2001 wurden die Bauweise mit Vliesstoffzwischenschicht als eine neue Standardbauweise eingeführt und Anforderungen an die Verlegung der Vliesstoffe und die zu verwendenden Produkte festgeschrieben. Im Weiteren erkannte man, dass neben der Anwendung bei Neubaumaßnahmen der Vliesstoff auch bei der Überbauung von schadhaften Betondecken sinnvoll eingesetzt werden kann. Trotz der guten Erfahrungen blieb die Bauweise aber über Jahre eine deutsche Besonderheit, bis im Jahr 2006 eine amerikanische Delegation die Bundesanstalt für Straßenwesen besuchte und sich über Innovationen im Straßenbau informierte. Dabei wurde auch die Bauweise mit Vliesstoff vorgestellt. Man erkannte das Potenzial dieser Bauweise und im Jahr 2008 wurden zwei Versuchsstrecken mit Betondecken auf Vliesstoff in den amerikanischen Bundesstaaten Missouri und Oklahoma eingerichtet.
Betondecken können grundsätzlich in zwei Varianten ausgeführt werden: als unbewehrte Platten und Durchgehend Bewehrt (DBBD). In Deutschland wird die unbewehrte Plattenbauweise mit verdübelten Querscheinfugen im Abstand von 5 m standardisiert angewendet. Bei der DBBD werden keine Querfugen in der Betondecke hergestellt, sondern es stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, ist die Rissöffnungsweite zu beschränken. Dies wird durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung erreicht. Zahlreiche Anwendungen haben gezeigt, dass bei dieser Fahrbahn der Fahrkomfort wesentlich höher ist, die Konstruktion ein sehr gutes Tragverhalten aufweist und eine lange Nutzungsdauer erreicht wird. Daraus ergibt sich eine sehr wirtschaftliche, langlebige und unterhaltungsarme Bauweise. Es fehlt noch eine Optimierung der Bauweise für die konkrete Anwendung in Deutschland. Dazu wurden 10 Strecken mit 17 Abschnitten in Belgien, den Niederlanden, der Schweiz, Deutschland, Polen und Kanada für eine vergleichende Betrachtung ausgewählt und die Anforderungswerte und Einbaubedingungen zusammengetragen. Es erfolgten Streckenbegehungen, bei denen die vorhandenen Risse mit Lage und Öffnungsweite bestimmt wurden. Der Zustand der Strecken wurde visuell begutachtet. Auf der Grundlage dieser Informationen wurden die Strecken verglichen. Es konnten weiterführende Erkenntnisse über das Rissverhalten der DBBD gewonnen werden. Darüber hinaus werden Anforderungen an die Herstellung einer DBBD und der weiteren Anwendung benannt.