22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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Der Benkelman-Balken zählt zu den weltweit verbreitesten Untersuchungsverfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der elastischen Verformung einer Straßenbefestigung unter statischer Belastung. Der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen im bituminös gebundenen Oberbauteil auf die Einsenkungsmesswerte ist allerdings für die in Deutschland festgelegte Messmethodik und die hier vorhandenen Befestigungen noch nicht näher betrachtet worden. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wird dazu auf theoretischem und empirischem Weg eine eingehende Analyse dieses Einflusses vorgenommen. Auf der Basis umfangreicher Temperaturmessreihen werden schließlich Angaben über die Temperatur in 10 cm Tiefe eines bituminösen Oberbaus in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Oberflächentemperatur abgeleitet. Für Temperaturen über 20 Grad Celsius an der Straßenoberfläche können die Oberbautemperaturen dabei je nach Befestigungsart und Tagesstunde aus Tabellen abgelesen werden. Darauf aufbauend wird eine mittlere Oberbautemperatur definiert, die anschließend als Grundlage von Umrechnungsverfahren für Einsenkungsmesswerte auf eine Standardtemperatur von 20 Grad Celsius dient. Die Verfahren werden für Straßenbefestigungen ohne und mit hydraulisch gebundenen Tragschichten getrennt entwickelt. Dabei kann die mittlere Oberbautemperatur zwischen 5 und 36 Grad Celsius liegen. Einsenkungswerte sind damit untereinander vergleichbar und die Bewertung der Wirkunken anderer Einflüsse im Straßenkörper auf die Tragfähigkeit wird möglich.
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.
As investigations by BASt have shown, a bond between concrete surfaces and bases may be a disadvantage when water penetrates via joints and from the sides if the bond becomes partially detached at an early stage. Free water may penetrate into the area between the concrete surface and the base and build up in areas where the bond is still intact. The high pressure caused by lorry wheels rolling over the pavement causes hydrodynamic pumping. This creates very high flow speeds with considerable corrosion power. This results in the base course surface being eroded in the areas where heavy vehicles drive over the road and may even lead to water and fine particles from the base courses being expelled through the longitudinal joints between the pavement slab and the lower hard shoulder or first overtaking lane. The erosion of the base leads unavoidably to the bearing conditions deteriorating and increased loading of the concrete surface. Cracks may occur and, later stepping-off and tilting of the plates components. This significantly deteriorates the evenness and consequently the service value of the road. This finally leads to a reduction in the service life of the concrete surface. To avoid such damage water which has penetrated must be able to lose pressure and to then seep away. A possible solution is: A nonwoven fabric substance between concrete suface and bound base course. This construction method has proved himselve on numerous test road sections and were rightly included in the new Codes of Practice for the Standardisation of the Upper Structure of Traffic-Bearing Surfaces (Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen- RStO).
Betondecken auf Schottertragschichten sind bewährte Bauweisen. Bei der Anwendung von Schottertragschichten unter Betondecken (STSuB) werden besondere Anforderungen nach TL/ ZTV SoB-StB 04 gestellt. Ob mit Kiestragschichten mit optimiertem Anteil gebrochener Gesteinskörnung die geforderte Umlagerungs- und Erosionsbeständigkeit unter Betondecken erreicht werden kann, wurde an 5 Varianten einer Tragschicht ohne Bindemittel (ToB) untersucht (2 STSuB, 1 Kiestragschicht (KTS), 2 modifizierte Kiestragschichten). Die Anforderungen an die bodenmechanischen Kennwerte (Korngrößenverteilung, Proctordichte, CBR-Wert, Wasserdurchlässigkeit) wurden in der Regel eingehalten. Dauerschwellversuche mit Lastplatte auf ToB, die schweren Baustellenverkehr simulieren sollen, zeigen eine Zunahme der plastischen Verformung der ToB mit dem Logarithmus der Lastwechselzahl, womit eine vergleichende Bewertung ermöglicht wird. Beim Dauerschwingversuch im Großprüfstand mit Betonplatte mit Fuge auf ToB wurde die Belastung der Fugenränder und die Phasenverschiebung so eingestellt, dass die Überfahrt eines schweren Lkw über die Fuge mit stufenweiser Zunahme der Schwingweite in 4 Versuchsphasen simuliert wird. Die gezielte Wasserzugabe über die Fuge führte zu einer starken Zunahme der bleibenden Verformung. Die größere Einsenkung und bleibende Einsenkung am "zuletzt befahrenen" Fugenrand steht in Übereinstimmung mit den Beobachtungen der Stufenbildung in situ (in Fahrtrichtung abwärts), ebenso ein stärkeres Freilegen der groben Gesteinskörnung an der Oberseite infolge Pumpens. Eine Feinkornumlagerung an die Unterseite der ToB konnte aus der Korngrößenverteilung nicht abgelesen werden. Eine tendenzielle Veränderung der Wasserdurchlässigkeit vor und nach dem Dauerschwingversuch war nicht festzustellen. Bei der Versuchsreihe war der CBR-Wert kein geeignetes Kriterium für die Beurteilung der Tragfähigkeit einer ToB unter Betondecken. Von den untersuchten Kiestragschichten wies eine modifizierte Kiestragschicht die beste Eignung für die Anwendung unter einer Betondecke auf. Das korngestufte Baustoffgemisch bestand aus gebrochener Gesteinskörnung <8 mm (Korngruppe 0/2 mm gewaschen) und ungebrochener Gesteinskörnung >8 mm, Erweiterung des Sieblinienbereichs von STSuB bei 2 mm von 28 auf 31 %, Feinanteil < 0,063 mm im eingebauten Zustand <5 Masse %, Wasserdurchlässigkeit in der Laborprüfung mit Durchlässigkeitsbeiwert k ≥ 5,4 • 10-5 m/sec. Eine theoretische Untersuchung zeigte, dass eine Reduzierung des EV2-Wertes einer ToB von 180 auf 150 N/mm2 unter Verkehrslast nur eine geringe Spannungserhöhung in der Betondecke herbeiführt. Bei modifizierten KTS mit einem entsprechend optimierten Anteil an gebrochener Gesteinskörnung kann auch bei Auflagerung auf einer Frostschutzschicht die Anforderung an den Verformungsmodul auf der Oberfläche der ToB mit EV2 ≥ 150 N/mm2 beibehalten werden. Gegen den Einsatz entsprechender ToB unter Betondecken bestehen keine Bedenken.
Im derzeitigen Regelwerk der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen können mit Bitumenemulsion gebundene Tragschichten nur unzureichend auf Basis empirischer Erfahrungswerte bei der Dimensionierung eines Oberbaus berücksichtigt werden. Hierzu fehlen Erfahrungen über die Höhe der dimensionierungsrelevanten Materialkenndaten und deren beeinflussende Parameter. Die Auswertung der begleitenden Untersuchungen einer großflächigen Baumaßnahme mit einer bitumendominaten Tragschicht in Kaltbauweise (BAB 30) belegt eine zwar gleichmäßige, aber wenig tragfähige Materialqualität. Mit dem Ziel der Optimierung der dimensionierungsrelevanten Kennwerte einer bitumendominaten Tragschicht in Kaltbauweise wurden zunächst Art und Gehalt der Bitumenemulsion und des Asphaltgranulates variiert. Zur Festlegung der Gemischzusammensetzungen wurden die volumetrischen Kenndaten sowie die zeitliche Entwicklung der Steifigkeiten im Spaltzugversuch ermittelt. Die ermittelten Steifigkeiten zeigen, dass statische Spaltzugfestigkeiten von 1,1 bis über 1,5 MPa nach 28 Tagen Probenlagerung erreicht werden können. Die zum Vergleich herangezogene statistische Auswertung von baubegleitenden Untersuchungen der BAB 30 belegt einen deutlichen Unterschied. Hier lagen die mittleren Spaltzugfestigkeiten nach 28 Tagen nur bei 0,5 bis 0,7 MPa. Die Bruchdehnungen der in diesem Forschungsprojekt untersuchten Gemische von über 2,5 ‰ dokumentieren zudem einen eindeutigen emulsions-dominaten Mischgutcharakter. Auch die statischen E-Moduln sind mit bis zu 5000 MPa als hoch für eine Bitumenemulsion gebundene Asphalttragschicht einzustufen. Mit den ausgewählten Gemischen wurden anschließend Probeplatten mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellt. Hierzu wurden die Verdichtungsbedingungen leicht modifiziert. An den aus den Probeplatten herausgebohrten Bohrkernen wurden mittels dynamischem Spaltzug-Schwellversuch die Steifigkeiten bei Prüftemperaturen von -10 bis 20 -°C, sowie bei den Prüffrequenzen von 0,1, 1, 5 und 10 Hz bestimmt. Darüber hinaus wurde, ebenfalls im Spaltzug-Schwellversuch, das Ermüdungsverhalten bei 20 -°C ermittelt. Die Ergebnisse der dynamischen Spaltzug-Schwellversuche zeigen, dass die Steifigkeiten der mit Bitumenemulsion gebundenen Asphalttragschichten nicht das Niveau einer Heißasphalttragschicht erreichen. Fast über den gesamten Temperatur- und Frequenzbereich sind deutlich niedrigere Steifigkeiten ermittelt worden. Tendenziell erreichen die Gemischvarianten mit dem weicheren Asphaltgranulat zumindest bei niedrigeren Prüftemperaturen und/oder niedrigeren Prüffrequenzen höhere Steifigkeiten im Vergleich zu den Gemischen mit dem härteren Bindemittel im Asphaltgranulat. Die aus den Laborversuchen abgeleiteten Ermüdungskurven zeigen im Vergleich zum Referenzasphalt eine ähnliche Situation. Auch hier ist ein signifikant schlechteres Verhalten im Vergleich zum Niveau einer Heißasphalttragschicht erkennbar. Ebenso zeigt die Mehrzahl der Gemischvarianten mit dem weicheren Bindemittel im Asphaltgranulat im Vergleich zu den Varianten mit dem härteren Asphaltgranulat ein etwas besseres Ermüdungsverhalten. Die Dimensionierungsberechnungen haben ergeben, dass die Einbindung einer Kaltasphalttragschicht in den hohen Belastungsklassen nur sehr bedingt möglich ist. Hier lassen sich lediglich unter Berücksichtigung einer konventionellen Asphalttragschicht als unterste Asphaltschicht brauchbare Lösungen errechnen. Bei Belastungsklassen Bk3,2 und niedriger konnten wirtschaftlich und bautechnisch sehr sinnvolle Lösungen dargestellt werden. Hier bietet sich offensichtlich ein sehr interessantes Anwendungsgebiet für Kaltasphalttragschichten an. Allerdings haben nur wenige der untersuchten Gemischvarianten zu einer wirtschaftlichen Oberbaudicke geführt. Die Varianten mit dem weicheren Asphaltgranulat (AG1), und hier besonders die Varianten mit hohem Asphaltgranulatanteil lieferten die wirtschaftlichsten Oberbaukonzepte. Zukünftige Forschungsprojekte mit Kaltasphaltbauweisen sollten die mechanische Wirksamkeit des Emulsionswassers in zeitlicher Betrachtung berücksichtigen. Hierzu konnte gezeigt werden, dass auch weit über 28 Tage hinaus noch eine deutliche positive Veränderung der mechanischen Eigenschaften an mit Bitumenemulsion gebundener Asphalttragschichten zu erwarten ist.
Die Bauweise "Fahrbahndecke auf Tragschicht ohne Bindemittel (Schottertragschicht)" ist seit 1997 als Nebenangebot zur Ausführung empfohlen worden. Sie gelangte nach positiven Ergebnissen bei Versuchs- und Erprobungsstrecken im Autobahnbau zu breiterer Anwendung. Sie ist in den neuen Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 2001) nunmehr als Regelbauweise enthalten. Zur Bewertung dieser Bauweise wurden die Bundesländer gebeten, über ihre Erfahrungen bei der Bauausführung zu berichten und gegebenenfalls auf Probleme hinzuweisen. Erfasst wurden 35 Baulose mit einer Gesamtfläche von 290.000 Quadratmetern. Abgefragt wurden: Das Herstellen des Tragschichtmaterials, das Herstellen der Tragschicht, die Eigenschaften der fertigen Schicht sowie die Arten des Tragschichtmaterials. Die Abfrageergebnisse bestätigten, dass die Bauweise in guter Übereinstimmung mit den gestellten Anforderungen hergestellt werden kann. Die Eignung von Recyclingbeton aus Straßenaufbruch als Teil der Schottertragschicht konnte bestätigt werden.
Durch vergleichende Untersuchungen an einem RC-Baustoffgemisch, bei dem die Gesteinskörnung aus einem AKR-geschädigten Autobahnabschnitt gewonnen worden ist, und einem Referenzgemisch (ohne AKR-Vorschädigung) sollte die Eignung des AKR-RC-Gemisches als Baustoffgemisch für hydraulisch gebundene Tragschichten untersucht werden. Umfassende Untersuchungen zur Charakterisierung der beiden Ausgangsmaterialien, der Baustoffgemische und an daraus hergestellten HGT-Probekörpern wurden durchgeführt. Im Ergebnis der Untersuchungen kann gezeigt werden, dass das AKR-geschädigte RC-Baustoffgemisch bezüglich seiner körnungsspezifischen Eigenschaften das Potenzial für eine Verwendung als Frostschutzschicht und auch für eine hydraulisch gebundene Tragschicht besitzt. Eine entsprechende Klassierung zum Erreichen bzw. Einstellen der nach Norm geforderten Kennwerte ist ohne weiteres möglich. Auch die erreichbaren Druckfestigkeiten des Baustoffgemisches liegen mit deutlich über 10 N/mm2 (im Mittel 15 N/mm2) in einem Bereich, der das Material für den Anwendungsfall HGT interessant erscheinen lässt. An diesen Festigkeiten ändert sich auch signifikant nichts bei Veränderung der Umgebungsbedingungen (erhöhte Temperaturen bis 40-°C, hohe Luftfeuchten bis 100% und Alkalizufuhr). Deutliche Einschränkungen gelten für das Formänderungsverhalten der mit den AKR-geschädigten RC-Baustoffgemischen hergestellten HGT-Proben, insbesondere dann, wenn diese den reaktionsbeschleunigenden Bedingungen einer AKR-Performance-Prüfung ausgesetzt sind. Die an den Baustoffproben gemessenen Dehnungen sind mit ca. 1 mm/m recht hoch, nicht nur im Vergleich zum aktuell geltenden Grenzwert von 0,5 mm/m (der hier nicht anzusetzen ist), insbesondere im Vergleich zu den Messwerten, die am Referenzmaterial ermittelt werden. Anhand des Kurvenverlaufes ist ersichtlich, dass der Dehnungs-Endwert nach 10 Zyklen noch nicht erreicht ist. Als Ursache für dieses Verhalten muss eine Kombination/Überlagerung aus weiterhin stattfindender schädigender AKR (was durch die Untersuchungen unter dem Mikroskop aber nicht zweifelsfrei bestätigt werden konnte) und einer sekundären Ettringitbildung in Betracht gezogen werden. Aus diesen Ergebnissen sollte eine Verwendung von AKR-geschädigten RC-Baustoffgemischen für HGT für jede Baumaßnahme separat bewertet werden.