22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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Zur Untersuchung des Tragverhaltens von Pflasterbefestigungen und ihrer möglichen Optimierung wurden Großversuche an einer Straßenprüfmaschine sowie Laborversuche sowohl unter dynamischer als auch statischer Beanspruchung durchgeführt. Neben einer Modifizierung von Druckschwell- und Spreizversuchen wurde auch ein neues Verfahren - der Pflasterscherversuch - entwickelt, mit dem der horizontale Verschiebungswiderstand von verdichteten Pflasterdecken mit vergleichsweise geringem Aufwand ermittelt werden kann, indem das Pflaster auf der Bettung unter kontinuierlicher Erfassung des Kraft-Verformungsverhaltens abgeschert wird. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen konnte der Einfluss der einzelnen Komponenten einer Pflasterdecke - Pflastersteine, Bettung, Fugen und Verband - auf deren vertikalen Verformungs- und horizontalen Verschiebungswiderstand ermittelt werden. Insgesamt wurde festgestellt, dass die Tragfähigkeit einer Pflasterbefestigung maßgeblich durch die Steifigkeiten der einzelnen Schichten beeinflusst wird. Um die Steifigkeit der Pflasterdecke selbst zu erhöhen, sind Mineralstoffe mit hohem Scherwiderstand und ausreichender Kornfestigkeit zu verwenden (beispielsweise gebrochene Gemische der Körnung 0/8 mm) und die Bestandteile der Pflasterdecke so zu kombinieren, dass eine möglichst große Verbundwirkung zwischen den einzelnen Pflastersteinen entsteht. Dem gegenüber wird die Standfestigkeit bei horizontaler Beanspruchung größtenteils durch eine ausreichende Einbettung der Pflastersteine in das Bettungsmaterial (zum Beispiel mit einer Bettung der Körnung 0/5 mm) und einen möglichst hohen Reibungswiderstand zwischen den Mineralstoffen von Bettung und Fuge einerseits und den Pflastersteinen andererseits sowie eine lastverteilende Anordnung der Steine positiv beeinflusst. Um den Aufbau einer Pflasterdecke im jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren, können im Rahmen von Voruntersuchungen der vertikale Verformungswiderstand von Bettungs- und Fugenmaterialien vereinfachend mit einem Druckschwellversuch unter behinderter Seitendehnung sowie der horizontale Verschiebungswiderstand einer Decke mit dem neu entwickelten Pflasterscherversuch überprüft werden.
In Norddeutschland sind wegen der stark gestiegenen Belastung durch Schwerverkehr auf den Bundesautobahnen vermehrt Schäden aufgetreten. Es wird vermutet, dass einkörnige Sande, die dort im Straßenunterbau verwendet wurden, an der Schadensentstehung beteiligt sind. Im Forschungsvorhaben wird das elastische und plastische Verformungsverhalten von einkörnigen Sanden aus Brandenburg im Triaxialversuch ermittelt. Weiter wird das Verformungsverhalten des Sandes unter Beimischung von Straßenbetonaufbruch mit unterschiedlichen Anteilen getestet. Ziel ist die Optimierung der Zugabemenge des Straßenbetonaufbruchs, um das Verformungsverhalten und damit die Langzeitstandfestigkeit des Sandes positiv zu beeinflussen. Die Versuchseinrichtung, der Versuchsablauf und die Auswertung hinsichtlich des Verformungsverhaltens werden beschrieben. Es lassen sich Aussagen zum elastischen und plastischen Verformungsverhalten der einkörnigen Sande machen.
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
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.