26 Entwässerung, Frost, Auftauen
Im Rahmen des Forschungsprojektes FE 15.0541/2011/BRB "Fachtechnische Vorbereitung von geothermischen Pilotanwendungen bei Grund- und Tunnelbauwerken" wurde durch das Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart das geothermische Potential der Tunneldrainagewasserschüttungen an den Portalen des Tunnel Rennsteig (BAB 71, Thüringer Wald) und des Grenztunnels Füssen (BAB 7, Bayern) ermittelt und die chemisch-physikalische Eignung zur thermischen Nutzung untersucht. Im Ergebnis können am Tunnel Rennsteig Wärmeströme zwischen 50 kW (Heizbetrieb) und 590 kW (Kühlbetrieb) und am Tunnel Füssen zwischen 150 kW (Heizbetrieb) bis 440 kW (Kühlbetrieb) nutzbar gemacht werden. Für die Tunnelportale wurden Konzepte zur Nutzung der thermischen Energie entwickelt und gesamtheitlich bewertet. Verglichen wurden klassische Nutzungen aus dem Bereich der Gebäudeklimatisierung, der Eis- und Schneefreihaltung von Freiflächen sowie die thermische Nutzung des Tunneldrainagewassers zur Fischzucht. Hierbei zeigten sich die Temperierung von Freiflächen sowie die Klimatisierung von Betriebsräumen der Tunneltechnik als technisch und energetisch sinnvolle Varianten der Energienutzung. Für die Nordportale der Tunnel Füssen und Rennsteig wurden diese Konzepte im Sinne einer Vorplanung vertieft betrachtet sowie monetär und auf der Basis weiterer Kriterien, wie der technischen Realisierbarkeit und des späteren Betriebs, bewertet. Für das Nordportal des Grenztunnels Füssen wurden im Rahmen einer Entwurfsplanung Anlagen zur Temperierung von Freiflächen sowie zur Klimatisierung der Tunnelbetriebsräume entwickelt. In beiden Fällen erfolgt die Nutzung des Tunneldrainagewassers direkt und passiv, d.h. es erfolgt kein Temperaturhub und das Wasser zirkuliert direkt durch die entsprechenden Wärmeübertrager. Das am Tunnel Füssen existierende geothermische Potential für den Kühlfall wird durch die geplante Anlage nur zu einem geringen Teil ausgenutzt, so dass die Auskopplung weiterer Kühlenergie möglich ist.
Es war zu untersuchen, ob durch das nachträgliche Einschneiden von Rillen in die Straßenoberfläche mit der Funktion eines zusätzlichen Drainagesystems die Verkehrssicherheit bei Nässe nachhaltig verbessert werden kann. Dazu wurden in einer Versuchsstrecke alle wichtigen Rillenarten und verschiedene Rillenmuster abschnittsweise angeordnet du über einen mehrjährigen Zeitraum messtechnisch angeordnet und über einen mehrjährigen Zeitraum messtechnisch beobachtet. Hinzu kamen drei weitere Beobachtungsstrecken sowie 24 Rillenabschnitte im Autobahnnetz. Die Untersuchungen umfassten Kraftschlussmessungen im Wasserbett, Griffigkeitsmessungen mit dem "Stuttgarter Reibungsmesser", Geräuschmessungen nach der Methode des Vorbeifahrpegels, Rauheitsmessungen mit dem Pendelgerät, dem Ausflussmesser und der Sandfleck-Methode sowie Profilschnittaufnahmen. Die wichtigsten Ergebnisse sind: i) Längs- und Querrillen sind in der Lage und geeignet, das Kraftschlussangebot von Straßenoberflächen bei Nässe zu erhöhen. Dabei verbessern Rillen entscheidend die sogenannte "dynamische Drainage" der Reifenaufstandsfläche: Sie bieten ähnlich dem Reifenprofil zusätzliche Fluchtwege, sodass die Masse des Wassers schneller verdrängt werden kann. Rillen wirken somit dem Aquaplaning-Effekt entgegen. ii) Alle untersuchten Längsrillenmuster sowie Querrillenmuster mit effektiven Rillenbreiten kleiner als 4,5 mm bringen keine signifikante Erhöhung des Reifengeräusches. Entsprechend sollten stets feine Rillenmuster gewählt werden mit rillenbreiten um 4 mm, Rillentiefen ebenfalls um 4 mm und Rillenabstände zwischen 20 und 25 mm. Feine Rillenmuster mit dem angegebenen Abmessungen sind auch in Längsrichtung aus Gründen der Verkehrssicherheit für Motorräder erforderlich. iii) In Fahrbahndecken aus Beton können feine Rillenmuster ohne wesentliche Beeinträchtigung des baulichen Bestandes im nassen Verfahren (in Anlehnung an die Fugenschneid-Technik) mit Diamantscheiben geschnitten werden. Von der Anwendung des trocken arbeitenden Fräsverfahrens ist abzuraten. Rillen in bituminösen Deckschichten sind problematisch, da ihre Wirkung infolge Verschleiss und plastischer Verformung der oberflächennahen Zonen nicht so lange vorhält wie in Betondecken. iv) Obwohl die Querrillen bei Annässungsverhältnissen um 1 mm Wasserfilmdicke günstiger zu bewerten ist als die Längsrille, deuten Ergebnisse des Wasserbett-Untersuchungen eher auf eine gleichgünstige Wirkung beider Formen hin, wenn mit dickeren Wasserschichten gerechnet werden muss. Aus herstellungstechnischen Gründen ist die Anlage von Längsrillen wirtschaftlicher und praktikabler als von Querrillen.
Obwohl rezyklierte Baustoffe und industrielle Nebenprodukte verstärkt im Ober- und Unterbau von Straßen eingesetzt werden, fehlt zurzeit ein genormtes Prüfverfahren zur Beurteilung des Frostverhaltens dieser Baustoffgemische. Gleiches gilt für die Beurteilung des Frostverhaltens von kalkbehandelten Böden. Zur realitätsnahen Simulation der Frostbeanspruchung wurde eine neue Versuchs- und Messeinrichtung auf Grundlage der in der Forschungsarbeit von WEINGART, WIELAND "Weiterentwicklung des Frosthebungsversuches" festgelegten Rahmenbedingungen zur Durchführung von Routineprüfungen erprobt. Dazu wurden Vergleichsuntersuchungen an unterschiedlichen Böden und Baustoffgemischen, mit denen die Bandbreite der im Straßenbau eingesetzten Tragschichten erfasst und unterschiedliche frostempfindliche Böden untersucht werden sollten, von insgesamt 7 Versuchsteilnehmern durchgeführt. Von 4 Teilnehmern wurde das neu entwickelte Frosthebungsgerät verwendet, 3 Teilnehmer führten die Versuche mit anderen Frosthebungsgeräten durch. Die Versuchsrandbedingungen wurden in einer Arbeitsanweisung vorgegeben, um die bestmögliche Vergleichbarkeit der Versuche zu garantieren. Mit dem neuen Frosthebungsgerät können jeweils Doppelversuche in getrennten Versuchskammern durchgeführt werden. Zur Minimierung der Wandreibung bestehen die Probezylinder aus Teflonringen, die sich während des Versuches voneinander lösen können, um die frostbedingte Hebung des Materials zu ermöglichen. Die Proben stehen in einem Wasserbad, damit während des gesamten Versuchszeitraumes Wasser nachgesaugt werden kann. Die Befrostung wird durch einen Kühlkopf von oben auf die Probe aufgebracht. Nach einer 24-stündigen Temperierungsphase folgt die 4-tägige Absenkphase, in der die Kühlkopftemperatur so gesteuert wird, dass die 0-°C-Isotherme mit konstanter Geschwindigkeit in Probenmitte erreicht wird. Diese Lage wird während der 3-tägigen Befrostungsphase beibehalten. Während der 24-stündigen Auftauphase erfolgt das vollständige Auftauen der Probe. Gemessen werden die Temperatur an der Oberfläche und in der Mitte der Probe sowie die Temperatur des Wasserbades. Daneben wird die Hebung der Probe bestimmt. Waehrend des gesamten Versuches werden diese Messdaten in 5-minütigen Intervallen vollautomatisch gemessen und aufgezeichnet. Um Kriterien zur Beurteilung der Frostempfindlichkeit festzulegen wurden mehrere Parameter untersucht und bewertet. Hierzu wurden die Quellung in der 24-stündigen Temperierungsphase, die maximale Frosthebung, die nach dem Auftauen verbleibende Resthebung sowie die maßgebende Frosthebungsgeschwindigkeit (die Hebungsdifferenz zwischen letztem und vorletztem Befrostungstag) untersucht. Zusätzlich wurden die Kornverfeinerung, der Wassergehalt und die Tragfähigkeitsabnahme durch Vergleich der CBR-Werte vor und nach Befrostung, ausgewertet. Verglichen wurden diese Größen mit dem Kornverteilungskriterium gemaess ZTVE-StB und den Festlegungen in Österreich und in der Schweiz zur Beurteilung der Frostempfindlichkeit. Die geringe und variierende Anzahl der Versuche ermöglicht keine statistischen Vergleiche. Das neue Frosthebungsgerät eignet sich zusammen mit dem festgelegten Befrostungsregime zur Durchführung von Frosthebungsversuchen an RC Baustoffgemischen, industriellen Nebenprodukten und kalkbehandelten Böden. Für die Beurteilung der Frostempfindlichkeit sollte die maximale Frosthebung bewertet und limitiert werden. Daneben ist die massgebende Frosthebungsgeschwindigkeit zu begrenzen. Nur wenn während der Befrostungsphase eine deutliche Abflachung der Hebungskurve erreicht wird, sind die gemessenen maximalen Hebungen aussagekräftig. Es werden Verbesserungsvorschläge für die Festlegung der Einbaubedingungen gemacht. Auf Grundlage der Ergebnisse der Vergleichsuntersuchungen wurde der Entwurf einer Technischen Prüfvorschrift für Frosthebungsversuche an kalkbehandelten Boeden, rezyklierten Baustoffen und industriellen Nebenprodukten weiterentwickelt und konkretisiert. Zur Festlegung von Kriterien zur Klassifizierung der Frostempfindlichkeit sind die Durchführung und Auswertung weiterer Versuche an unterschiedlichen natürlichen und rezyklierten Baustoffen und Baustoffgemischen und kalkbehandelten Böden nach den Vorgaben dieser Technischen Prüfvorschrift erforderlich.
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.
Tauleistungsmessungen im Labor widersprechen der häufig geäußerten Annahme, dass Feuchtsalz aufgrund der Anfeuchtung deutlich schneller reagiert als getrocknetes Natriumchlorid. Auf Eisplatten aufgetragenes trockenes Natriumchlorid beginnt praktisch sofort mit einer Tauwirkung. Die bessere Wirkung des Feuchtsalzes im Vergleich zu trocken ausgebrachten Tausalz in der Praxis entsteht nur durch wesentlich geringeren Verwehverluste während und nach dem Ausbringen. Ausgehend von dieser Erkenntnis entstand die Überlegung, inwieweit durch eine Verringerung des Lösungsanteils bei der Anfeuchtung des Trockenanteils (Anfeuchtungsgrad) im gleichen Umfang eine Verwehung verhindert werden kann. Eine Verringerung der Lösungsanteile soll Kosten für die Lösungen senken, die heute erforderliche, im Vergleich zum Trockensalz lange Ladezeit senken und gegebenenfalls die mögliche Lademenge von tauwirksamen Trockenstoffen für eine längere Streustrecke erhöhen. Zunächst fanden Tauleistungsmessungen im Labor mit Natriumchlorid und unterschiedlichen Anfeuchtungsgraden statt, anhand deren Ergebnissen sich keine Senkung der Tauleistung infolge der Reduzierung der Lösungsmenge bei gleichbleibendem Trockenstoffanteil ableiten ließ. Die Messergebnisse führten allerdings zu teilweise unterschiedlichen Aussagen, die vorrangig auf die Genauigkeit des Messverfahrens zurückgeführt werden. Durchgeführte Praxisversuche zeigten, dass eine reduzierte Anfeuchtung nicht zu höheren Verwehverlusten führen muss. Die Streubilder wurden dabei visuell beim Ausbringen durch eine Hinterherfahrt beurteilt. Ein geänderter Anfeuchtungsgrad führt nach den durchgeführten Beobachtungen zu einem geänderten Flugverhalten der Tausalze vom Streuteller. Dieses führte wiederum zu ungleichmäßigeren Verteilungen der Tausalze auf der Fahrbahn. Eine Korrektur dieses geänderten Wurfverhaltens war an den eingesetzten Streumaschinentypen nicht möglich. Anhand der Versuche waren auch sehr deutliche Unterschiede zwischen den eingesetzten Streumaschinentypen erkennbar. Während ein Maschinentyp eine Absenkung des Anfeuchtungsgrades unter 30 ohne wesentlich höhere Verwehverluste zulässt, hatte ein anderer Maschinentyp Schwierigkeiten, bei dem Anfeuchtungsgrad 30 eine vollständige Anfeuchtung zu erreichen. Eine verringerte Lösungsmenge ohne Erhöhung der Verwehverluste setzt nach den Beurteilungen eine optimale Anfeuchtungstechnik voraus, die bei einem eingesetzten Typ nach einer Korrektur des Wurfverhaltens auch erreichbar scheint. Diese Korrektur war aber an der eingesetzten Streumaschine nicht möglich. Ein weiteres wesentliches Ergebnis der Versuche war der Einfluss der Tausalze auf die Streubilder. Bei der Streudichte konnten bei gleichen Einstellungen Differenzen über 25 % infolge unterschiedlicher Salzqualitäten (Korngrößen, Feuchtigkeitsgehalt) erkannt werden. Ebenso ergab sich ein sehr unterschiedliches Wurfverhalten bei den unterschiedlichen Tausalzqualitäten. Diese Erkenntnisse zeigen den sehr hohen Einstellbedarf für die Streumaschinen in Bezug zu den eingesetzten Tausalzen. Da die genutzten Streumaschinen sich bei einem verringerten Anfeuchtungsgrad nicht so einstellen ließen, dass ein optimales Streubild erreicht wird, wurden die Untersuchungen eingestellt. Zwischenzeitlich erkannte Mängel an weiteren Streumaschinen aus dem laufenden Betrieb verschiedener Straßenbauverwaltungen mit dem FS30-Verfahren weisen auf einen erhöhten Prüf- und Justierbedarf hin. Diese Probleme müssen zunächst geklärt werden, bevor an eine weitere Optimierung der Tausalzausbringung gearbeitet wird. Technische Weiterentwicklungen der Streumaschinen für eine verringerte Anfeuchtung im Sinne des ursprünglich geplanten Projektzieles laufen ebenfalls. Die müssen dann gegebenenfalls in ihrer Wirkung geprüft werden.