32 Zementbeton
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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.
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.
Betonfahrbahndecken werden seit vielen Jahrzehnten mit guten Gebrauchseigenschaften und langer Nutzungsdauer hergestellt. Um den wachsenden Anforderungen hinsichtlich der Verkehrssicherheit, der Umweltverträglichkeit und der Wirtschaftlichkeit gerecht werden zu können, ist eine stetige Weiterentwicklung erforderlich. Im September 2006 fand in Brüssel das 10. Internationale Betonstraßen Symposium statt. Im Rahmen umfangreicher Forschungsarbeiten und Studien auf Erprobungsstrecken wurden auf internationaler Ebene Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit von Betonfahrbahnen durchgeführt. Der vorliegende Bericht stellt die Zusammenfassung von insgesamt 12 Fachbeiträgen aus 9 Nationen zum Themenblock "Kosteneffiziente und langlebige Straßen" dar.
Walzbeton ist ein erdfeuchter Beton, der mit üblichen Straßenfertigern eingebaut und mit Walzen verdichtet wird. Er erreicht eine große Druckfestigkeit und Oberflächenfestigkeit sowie hohe Verformungsstabilität und Tragfähigkeit. Walzbeton wird im klassifizierten Straßenbau als Tragschicht mit einer dünnen Asphaltüberdeckung oder als direkt befahrene Tragdeckschicht für Industrieflächen, Werkstraßen oder ländliche Wege verwendet. Anforderungen sind im "Merkblatt für den Bau von Tragschichten und Tragdeckschichten mit Walzbeton für Verkehrsflächen" enthalten. In Laborversuchen mit Walzbeton wurde festgestellt, dass die Druckfestigkeit bei abnehmendem Hohlraumgehalt und im allgemeinen mit zunehmendem Zementgehalt und dadurch - bei annähernd gleichbleibendem optimalem Wassergehalt - abnehmendem w/z-Wert größer wurde. Auch bei niedrigem Verdichtungsgrad von nur 96 Prozent der modifizierten Proctordichte erreichten Walzbetone mit ausreichendem Zementgehalt von mindestens 240 kg/m3 die für Tragdeckschichten geforderte Druckfestigkeit von mindestens 40 N/mm2. Bei niedrigen Zementgehalten und bei Ersatz von Zement durch Steinkohlenflugasche wurde eine anforderungsgerechte Druckfestigkeit erst bei sehr sorgfältiger Verdichtung auf einen Verdichtungsgrad von mehr als 98 Prozent erreicht. Die Abwitterung bei Frostbeanspruchung lag beim Walzbeton unabhängig von der Zuschlagart und dem Zementgehalt deutlich unter dem für ausreichend hohen Frost-Tau-Widerstand üblicher Betone festgelegten Grenzwert. Einen ausreichend hohen Frost-Tau-Widerstand erreichte der untersuchte Walzbeton mit Zugabe von Luftporenbildner unabhängig vom Zusatzstoff und ohne Luftporenbildner, wenn ein hoher Zementgehalt von 270 kg/m3 und zusätzlich Basaltmehl als Zusatzstoff zugesetzt wird. Mit dem CBR-Versuch können Aussagen über die Grünstandfestigkeit von Walzbeton und die Art des Herstellens der Kerben gemacht werden, wofür aber noch keine Bewertungskriterien angegeben werden können. Im Rahmen des Baues einer Ortsumgehung einer Bundesstraße wurde eine Versuchsstrecke mit Walzbetontragschicht unterschiedlicher Dicke und dünner Asphaltüberdeckung eingerichtet. Zustand und die Qualität der Schichten wurden dokumentiert und dienen als Grundlage für Untersuchungen des Langzeitverhaltens. Mit den ermittelten Werkstoffkennwerten kann das Verhalten des Walzbetons beschrieben werden. Aufgrund der Untersuchungen sollte die Walzbeton-Tragschicht einlagig eingebaut werden und die Dicke 20 cm nicht überschreiten. Der Abstand der Querkerben sollte 3,0 m betragen, um eine kleine Kerbenöffnung und damit eine bessere Rissverzahnung und Querkraftübertragung zu erreichen. Bisher zeigte die von Verkehr befahrene Versuchsstrecke ein gutes Verhalten. Die bisherigen Forschungsergebnisse sind in die Überarbeitung des Merkblatts für Walzbeton eingeflossen. Der Bericht umfasst folgende Teile: Kompendium (Birmann,D; Burger,W; Weingart,W; Westermann,B); Teil 1: Einfluss der Zusammensetzung und der Verdichtung von Walzbeton auf die Gebrauchseigenschaften (1) (Schmidt,M; Bohlmann,E; Vogel,P; Westermann,B); Teil 2: Einfluss der Zusammensetzung und der Verdichtung von Walzbeton auf die Gebrauchseigenschaften (2) (Weingart,W; Dressler,F); Teil 3: Messungen an einer Versuchsstrecke mit Walzbeton-Tragschicht an der B54 bei Stein-Neukirch (Eisenmann,J; Birmann,D); Teil 4: Temperaturdehnung, Schichtenverbund, vertikaler Dichteverlauf und Ebenheit von Walzbeton (Burger,W).
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.
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.
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.
Betonfahrbahndecken können grundsätzlich in zwei Varianten ausgeführt werden: unbewehrt und bewehrt. In Deutschland ist die unbewehrte Plattenbauweise mit verdübelten Querscheinfugen im Abstand von 5 m bis heute die Standardbetonbauweise. Die Nutzungsdauer wird in den RStO mit 30 Jahren angegeben. In anderen Ländern, wie Belgien und USA, wird die Durchgehend Bewehrte Betonfahrbahndecke (DBBD) standardisiert ausgeführt. Bei dieser Bauweise werden keine Querfugen in der Betondecke hergestellt, sondern es stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, wird die Riss - öffnungsweite durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung beschränkt. Bei dieser Bauweise ist eine Nutzungsdauer von mehr als 30 Jahren vorgesehen. Beide Bauweisen können dünnschichtig überbaut werden und es entsteht die Kompositbauweise. Dies kann im Neuzustand erfolgen oder als Erhaltungsmaßnahme. Als Beläge sind Splittmastixasphalt (SMA), Offenporiger Asphalt (OPA), Dünnschichtkaltbelag (DSK) u. a. möglich. Bei der Plattenbauweise sind dann im Fugenbereich zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Im Falle DBBD entfällt dies. Zur Sammlung erster Erfahrungen in Deutschland wurden zwei Versuchsstrecken in DBBD angelegt und zwei Strecken mit SMA überbaut, davon eine in Plattenbauweise und eine in DBBD. Über die dabei gewonnenen Erfahrungen wird berichtet und ein Konzept für die weitere Erprobung der Kompositbauweise wird dargestellt.