22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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Ein funktionstüchtiges und qualitativ hochwertiges Fernstraßennetz ist für das Transitland Deutschland elementar. Im zusammenwachsenden Europa werden viele Güter über die Straße transportiert. Dabei verlaufen maßgebende transeuropäische Verkehrsachsen über das deutsche Fernstraßennetz. Es gilt, das Fernstraßennetz so auszulegen, dass die Belastungen aus dem Güterverkehr dauerhaft ertragen werden können. Grundlage für die Dimensionierung des Straßenaufbaus bilden dabei wissenschaftliche Erkenntnisse aus Untersuchungen zur Beschreibung des Baustoffverhaltens, sowie langjährige Erfahrungen beim Bau und der Nutzung von Straßenbefestigungen. Einen wichtigen Baustein für Untersuchungen zum Gebrauchsverhalten des gesamten Straßenaufbaus bilden zeitraffende Belastungsversuche im Maßstab 1:1. Dazu betreibt die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine Asphaltmodellstraße, die nach anerkannten Dimensionierungs- und Ausführungsregeln gebaut wurde. Für eine realitätsnahe, zeitraffende Belastung wurde der Mobile Load Simulator MLS30 durch die BASt beschafft. Diese Belastungseinrichtung stellt einen Meilenstein für die Dauerbelastung von Straßenkonstruktionen jeglicher Bauweisen im Großversuch dar. Durch den ersten Einsatz des Mobile Load Simulator MLS30 wurden wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen. Hierzu wurden Dehnungs-, Druckspannungs- und Temperatursensoren der instrumentierten Asphaltmodellstraße der BASt verwendet. Deutlich wurde das zueinander proportional Verhalten der Dehnungen und Druckspannungen zur Temperatur im Straßenaufbau. Die Sensoren detektierten neben der strukturellen Reaktion innerhalb des Belastungsbetriebes auch Veränderungen der Reaktion des Straßenaufbaus auf zerstörungsfreie Prüfungen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD). Weitere Erkenntnisse wurden bezüglich einer Überwachung des Mobile Load Simulator MLS30 gewonnen. Die im Versuchsfeld integrierten Sensoren konnten Veränderungen der Lasteinleitung detektieren. Zusätzlich wurden erste Erfahrungen zur Temperaturerhöhung durch den MLS30 gemacht. Die gewonnenen Erkenntnisse aus dem ersten Versuchsbetrieb werden bei zukünftigen Projekten in der Straßenbauforschung einfließen und die realitätsnahe Simulation von Verkehrsbelastungen weiter prägen. Mit Hilfe von ausgereiften Sensorkonzepten, entsprechender Messwerterfassung und Software, ist es möglich in Großversuchen das Gebrauchsverhalten von Straßenaufbauten zu analysieren. Seit der technischen Abnahme im Fruehjahr 2013 wurden durch den Mobile Load Simulator MLS30 rd. 4,8 Mio. Überrollungen auf Asphalt- und innovativen Betonaufbauten realisiert.
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.
Flexible Straßenbefestigungen werden durch den Verkehr mit nichtzeitkonstanten Kräften belastet und reagieren mit nichtzeitkonstanten Spannungen und Dehnungen. Bei linearelastischen Körpern sind Spannung und Dehnung durch ein Modul verknüpft. Für den viskoelastischen Baustoff Asphaltbeton hingegen gilt dies nicht in der herkömmlichen Form: Das "Modul" ist eine von der Temperatur und der Belastungszeit abhängige Funktion. Eine solche Modulfunktion kann zur Beschreibung des viskoelastischen Baustoffes benutzt werden und Materialkennwerte für Bemessungsrechnungen liefern. Hierfür wird häufig der temperaturabhängige absolute Modul /E/ bei einem Frequenzwert von 10 Hz verwendet. Die experimentelle Ermittlung von Modulfunktionen für bituminöse Straßenbaustoffe war das Thema der vorliegenden Arbeit. Hierzu wurden grobe Körper aus Mischgut hergestellt oder aus Ausbruchstücken oder Bohrkernen gesägt und in Belastungseinrichtungen sinusförmigen Kräften unterworfen. Die Probekörpertemperatur wurde variiert. Mehrere einfache Lastfälle wurden benutzt: Ein Biegeversuch, ein Zug-Druckversuch, zwei Schubversuche und ein Torsionsversuch. Nachteil der Belastungseinrichtungen war eine Beschränkung auf geringe Kräfte, Vorteile lagen in der großen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Problemstellungen. Durch die Messung von Kräften, Dehnungen und Bewegungen werden die Verformungswiderstände der Probekörper, die Steifigkeiten, bestimmt. Zwischen diesen Werkstückgrößen und den Werkstoffgrößen, den Moduli, schafft ein die Versuchsanordnung beschreibender "Formfaktor" die Verknüpfung. Die Berechtigung, einen solchen mit den Mitteln der Elastizitätstheorie abgeleiteten Formfaktor auch bei viskoelastischen Baustoffen und zeitveränderlichen Belastungen anwenden zu dürfen, wird nachgewiesen. Dabei muss Linearität zwischen Spannung und Dehnung vorausgesetzt werden. Die Querkontraktionszahl, die für linearelastische Stoffe die Verknüpfung der Moduli E und G beschreibt, ist ebenfalls temperatur- und frequenzabhängig. Auch für viskoelastische Stoffe lässt sich eine Verknüpfung zwischen den Modulfunktionen E und G mit Einschränkungen nachweisen. Eine Weiterverarbeitung der experimentell ermittelten Modulfunktionen wird nicht vorgenommen. Es kann hier aber auf eine theoretische Arbeit in der Bundesanstalt für Straßenwesen verwiesen werden, die die gefundenen Modulfunktionen benutzt und zu einem weitgehenden Verständnis des Verhaltens bituminöser Straßenbaustoffe führen konnte.
An fünf Forschungseinrichtungen wurden statische und dynamische Versuche durchgeführt, um mit den Ergebnissen ein neues Stoffmodell für Asphalt zu validieren. Zur Untersuchung des Verformungswiderstandes wurden neben Triaxialversuchen mit dynamischer Radialspannung auch Versuche in dem Spurbildungsgerät durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden durch Spurbildungsversuche an Ausbauplatten im Großmaßstab mit praxisgerechten Reifen ergänzt. Das Ermüdungsverhalten wurde mittels einaxialer Zug-Schwell-Versuche sowie dynamischer Spaltzugversuche untersucht. Sowohl die dynamischen Spaltzugversuche als auch die einaxialen Zug-Schwell-Versuche sind geeignet, das Ermüdungsverhalten von Asphalt zu untersuchen. Die aus einer Versuchsstraße entnommenen Probekörper wiesen große Unterschiede im Hohlraumgehalt auf, die zu relativ hohen Streuungen der Ergebnisse der Versuche führten. Die Zug-Schwellversuche wurden bei Temperaturen zwischen "15 -°C, -2,5 -°C sowie +10 -°C und die Spaltzugversuche bei "5 -°C, +5 -°C und +20 -°C durchgeführt. Durch Variationen der Prüfbedingungen in den dynamischen Spaltzugversuchen wurde festgestellt, dass das Aufbringen einer Unterlast zur Simulation kryogener Unterspannungen zu einer deutlichen Reduzierung der Resistenz gegenüber Ermüdung führt. Weiterhin konnten Einflüsse durch verschiedene Lastimpuls- und Lastpausenlängen auf das Ermüdungsverhalten nachgewiesen werden. Bei der Ermittlung der statischen Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls wurden unterschiedliche Aussagen der beiden Versuchsarten festgestellt. Der unterschiedliche Spannungszustand in den Versuchen hat einen großen Einfluss auf die ermittelten Parameter. Mit dem an Hand der Ergebnisse der axialen Zug-Schwell-Versuche validierten Stoffmodell konnte der komplexe Beanspruchungszustand im Spaltzugversuch erfolgreich simuliert werden.
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.