Im Rahmen dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Adhäsion und die bisherigen Veröffentlichen über die Anwendung von thermodynamischen Messverfahren zur Untersuchung der adhäsiven Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gestein zusammenfassend dargestellt. Die mit Hilfe des Kontaktwinkelmessverfahrens gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften von Bitumen- und Gesteinsoberflächen sowie die Spreiteigenschaften von Bitumen in direktem Kontakt mit Gesteinsoberflächen werden vorgestellt. Darüber hinaus werden die Eigenschaften von zur Verbesserung der Haftung verwendeten Additiven mit Hilfe dieser Methoden untersucht. Die empirische "Rolling Bottle Prüfmethode" wird derzeit als ein mögliches Verfahren zur messtechnischen Ansprache der Adhäsion diskutiert. Im Einzelnen sind folgende Ergebnisse festzuhalten: 1. Die Kontaktwinkel-Messmethode ist geeignet, um die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Gesteins- und Bitumenoberflächen messtechnisch zu erfassen. Nach einer geeigneten Probenpräparation ist es möglich, Informationen über die Oberflächenenergie und Polarität von Gesteinsoberflächen und von Bitumen zu gewinnen. 2. Durch Anwendung einer Hochtemperaturmesszelle kann die Benetzbarkeit von Gesteinsoberflächen durch Bitumen direkt gemessen werden. Die Messungen sollten möglichst bei einer Temperatur gleicher Viskosität (Äquiviskositätstemperatur) durchgeführt werden, um sicher zu stellen, dass das Spreitverhalten unterschiedlicher Bitumen ausschließlich auf die physikalisch-chemische Wechselwirkung mit der Gesteinsoberfläche zurückzuführen ist und nicht auf die unterschiedliche Viskosität der Bindemittel. 3. Um eine Gesteinsart hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften mit Hilfe der Kontaktwinkelmessungen charakterisieren zu können, muss eine größere Anzahl an Gesteinsproben präpariert und gemessen werden. Nur über eine repräsentative Auswahl und statistische Betrachtung lässt sich ein entsprechender Kennwert ermitteln. Diese Vorgehensweise ist umso wichtiger, je inhomogener die Gesteinsart beschaffen ist. 4. Bei den im Straßenbau verwendeten Gesteinen handelt es sich sehr häufig um Plutonite und Vulkanite. Die Untersuchungen zeigen, dass die üblicherweise im Straßenbau eingesetzten Gesteinsarten hinsichtlich ihrer thermodynamischen Oberflächeneigenschaften messbare Unterschiede aufweisen. Die niedrigste Oberflächenenergie weist Kalkstein auf und die höchste Oberflächenenergie besitzen Taunusquarzit beziehungsweise Gabbro. Generell besteht die Tendenz, dass mit steigendem Siliziumdioxidgehalt die Oberflächenenergie zunimmt. Die Unterschiede sind allerdings weniger groß als erwartet. So können die Unterschiede innerhalb derselben Gesteinsart größer sein als zwischen verschiedenen Gesteinsarten. Die in der Praxis festgestellten deutlichen Unterschiede hinsichtlich der Hafteigenschaften ähnlicher Gesteine, sind offenbar weniger thermodynamisch begründet, sondern vielmehr auf Unterschiede in der Mikrotextur der gebrochenen Gesteinsoberflächen zu-rückzuführen. 5. Der Rolling-Bottle-Test simuliert zeitraffend die schädigende Wirkung von Wasser und mechanischer Abrasion auf die Haftung des Bitumens am Gestein. Während der Beanspruchung überlagern sich somit mehrere physikalische Effekte, die die isolierte Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung erschweren. Die Kontaktwinkelmessmethode ist eine relativ einfache und schnelle Methode, um die adhäsiven Eigenschaften von Gesteinen und Bitumen auf thermodynamischer Grundlage zu charakterisieren. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass ausschließlich die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen messtechnisch erfasst werden und andere Einflussparameter die Messung nicht beeinträchtigen. Dieser Vorteil stellt allerdings auch einen Nachteil dar, da zum Beispiel Rauigkeit und Mikrotextur der Gesteinsoberflächen die Stärke der adhäsiven Wechselwirkung durchaus beeinflussen. Die Methode der Kontaktwinkelmessung ist auch auf gealterte Bitumenproben anwendbar. Generell besteht ein erheblicher Einfluss der feinen Gesteinspartikel auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bitumens. Bei der Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung wird dieser Einfluss bisher nicht berücksichtigt. Es besteht somit eine Informationslücke, die durch geeignete Experimente geschlossen werden sollte.rnrn

Mit dem Ziel die Verkehrssicherheit zu verbessern sowie den intermodalen Verkehr und die Nachhaltigkeit im Straßenbau zu fördern, legten im Jahr 2003 die OECD -Mitgliedsländer ein Verkehrsforschungsprogramm auf. In diesem Rahmen wurde das Projekt \"Beurteilung der Wirtschaftlichkeit langlebiger Straßenbeläge\" initiiert. Phase I dieses Projektes beinhaltete dazu eine internationale Studie. Ein Ergebnis der Studie ist, dass der Einsatz langlebiger Deckschichten trotz anfänglich höherer Baukosten für stark beanspruchte Straßen aufgrund geringerer Unterhaltungsarbeiten und damit Verzögerungen für den Straßennutzer wirtschaftlich vorteilhaft sein können. Darüber hinaus konnten zwei Materialien gefunden werden, die sich derzeit in der Entwicklung befinden beziehungsweise bisher in Kleinprojekten eingesetzt wurden, die den Anforderungen an eine langlebige Deckschicht genügen könnten - Epoxid-Asphalt und zementgebundene Hochleistungsmaterialien (HPCM). Mit einer Phase II wurde die Eignung der beiden Materialien hinsichtlich ihrer Verwendung als langlebige Straßendeckschicht im Labor beurteilt. Dafür wurden zwei Projektgruppen gebildet. Die Projektgruppe zur Entwicklung des HPCM arbeitet unter der Leitung des französischen Forschungsinstitutes Laboratoire Central des Pontes et Chaussées. Teil dieses Berichtes sind die Untersuchungen der Oberflächeneigenschaften des HPCM, die von der BASt selbst durchgeführt beziehungsweise in Auftrag gegeben wurden. Für die Untersuchungen war es erforderlich eigene HPCM-Probekörper herzustellen. Nach umfangreichen Vorversuchen mit dem angelieferten HPCM-Trockenmörtel sowohl mit als auch ohne Faserzugabe konnten Probeplatten mit der vorgegebenen Mörtelschichtdicke von 8 Millimeter zielsicher hergestellt werden. Die von der OECD-Projektgruppe empfohlene Abstreutechnik der groben Gesteinskörnung wurde dahingehend modifiziert, dass wassergesättigte Gesteinskörner manuell aufgestreut und anschließend mit einer nicht klebenden Platte angedrückt worden sind. Dadurch konnte der Kornverlust an der Oberfläche deutlich reduziert werden. Die Oberflächeneigenschaften und deren Verhalten unter den Einflüssen von Witterung und Verkehr wurden im Labor mit Hilfe des kombinierten Labor-Beanspruchungszykluses (Technische Universität München) sowie des Hybridmodells SperOn (Müller BBM) simuliert. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Mikro- und Makrotextur hinsichtlich des zu erwartenden Griffigkeitsverhaltens der Oberfläche sehr gute Eigenschaften aufweisen. Werden jedoch die Gestalt der Oberfläche, die die akustischen Eigenschaften beeinflusst, mit betrachtet, so weist die Oberfläche eine ungünstige Gestalt auf. Die Eigenschaften der HPCM-Oberfläche sollten unter Berücksichtigung der Hinweise für geräuschreduzierende Oberflächengestaltungen, wie zum Beispiel Reduzierung des Größtkorns oder Ausbildung der Oberfläche als Plateau mit Schluchten, weiter optimiert werden. Darüber hinaus ist das Verhalten der Oberfläche hinsichtlich des Kornverlustes und damit nicht weiter vorhandenem Griffigkeitspotenzial weiter zu untersuchen. Im Rahmen der Phase II werden großformatige Probeflächen mittels Rundlaufprüfanlagen in Frankreich und England untersucht. Die Ergebnisse könnten weiteres Optimierungspotenzial aufzeigen. Der Abschluss des OECD-Projektes, Phase II ist für Sommer 2007 geplant. Im Anschluss an die Phase II ist geplant, diese Ergebnisse sowie die dann verfügbaren Ansätze aus anderen EU-Projekten zu verknüpfen und einen langlebigen Straßenbelag im Originalmaßstab auf einer Versuchsstrecke zu erproben (Phase III).

Ziel des Projektes "Griffigkeitsprognose an offenporigen Asphalten (OPA)" ist die Weiterentwicklung und Optimierung der angewendeten Messverfahren sowie die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Griffigkeitsprognose für offenporige Asphalte (OPA). Mit Ersterem sollen vor allem Erfahrungen mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM) auf offenporigen Asphalten zur Definition und Verbesserung entsprechender bauvertraglicher Regelungen gewonnen werden, während die anderen Messverfahren dazu dienen, die Verhältnisse "ins Labor" zu holen. Im Rahmen des ersten Teilprojektes "Bestandsaufnahme an vorhandenen Strecken" wurden Strecken zur Untersuchung ausgewählt, die bereits mehrere Jahre unter Verkehr lagen. Auf den Strecken wurden SKM-Messungen (Seitenkraftmessverfahren) sowie SRT-Messungen (Skid Resistance Tester) durchgeführt. Hinsichtlich der Ergebnisse der SRT-Werte wird deutlich, dass die Polierresistenz des Gesteins für die resultierende Griffigkeit der Fahrbahnoberfläche eine zentrale Rolle spielt. Die durchgeführten Untersuchungen zur Geschwindigkeitsabhängigkeit bei SKM-Messungen haben, im Gegensatz zu den Ergebnissen der dichten Beläge, bei den offenporigen Asphalten keine beziehungsweise eine nur sehr geringe Geschwindigkeitsabhängigkeit ergeben. Im Weiteren wurden Bohrkerne entnommen, an denen Messungen und Untersuchungen zur Griffigkeitsprognose mit dem Prüfverfahren nach Wehner/Schulze sowie Texturmessungen durchgeführt werden konnten. Bei den Ergebnissen der Griffigkeitsprognose zeigt der Vergleich der PWS-Werte mit den PSV der eingesetzten Gesteine eine deutlich erkennbare, den PSV entsprechende Reihung. Außerdem deuten die Ergebnisse eindeutig darauf hin, das bei einer Griffigkeitsprognose mit 90.000 Überrollungen Ergebnisse erzielt werden, die deutlich jenseits der Beanspruchungen aus achtjähriger Verkehrsbelastung liegen. Demzufolge ist davon auszugehen, dass eine maximale Überrollungsanzahl von 180.000 Überrollungen für eine Griffigkeitsprognose in jedem Fall ausreichend sein sollte. Die bei SKM-Messungen beobachtete geringe Geschwindigkeitsabhängigkeit des OPA kann durch die PWS-Werte bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf den Bohrkernen nicht bestätigt werden. Dies kann an dem gegenüber SKM-Messungen deutlich größeren Wasserüberschuss bei Messungen mit der Wehner/Schulze-Anlage liegen. Fahruntersuchungen (Bremsversuche) wurden auf dem Versuchsgelände der BASt in Sperenberg sowie auf einer mit OPA erneuerten Landesstraße durchgeführt. Asphaltbeläge mit einem hohen Mörtelanteil wie der Gussasphalt und der dichte Asphaltbeton, die dem Reifen eine größere Berührungsfläche bieten, haben einen um ca. 10 % höheren mittleren Reibungskoeffizienten als OPA und SMA, bei denen der Reifen vornehmlich über die Flächen des Größtkorns abrollt und dadurch die Berührungsflächen geringer und demzufolge die Reibungskräfte kleiner werden. Ergänzend zur messtechnischen Erfassung erfolgten auch Untersuchungen zur Entwicklung des Unfallgeschehens. Dabei ist sowohl auf den untersuchten OPA-Strecken als auch auf den zum Vergleich ausgewählten Kontrollstrecken eine rückläufige Unfallentwicklung eingetreten. Das Unfallgeschehen hat sich zwar nicht auf allen OPA-Strecken rückläufig entwickelt, dennoch zeigt sich bei Zusammenfassung aller OPA-Strecken, dass diese Deckschichten in der Summe keinen negativen Einfluss auf das Unfallgeschehen haben. Der zweite Teil "Neue Baumaßnahmen" des Projektes "Griffigkeitsprognose an offenporigen Asphalten (OPA)" ist in Teilen bereits durchgeführt, beispielsweise die Fortführung der Untersuchungen zur Griffigkeitsprognose, Messungen der Textur an Bohrkernen sowie eventuell Wiederholungsmessungen in situ und weitere SKM-Messungen.

Die vorliegende Studie dokumentiert, welche mineralischen Straßenbaustoffe in Deutschland in welcher Qualität lieferbar sind. Dazu wurden die Qualitätsmerkmale von Mineralstoffen erfasst und ausgewertet. Die Auswertung des Datenmaterials wurde nach gesteinsspezifischen Eigenschaften und nach Ländern getrennt vorgenommen. Berücksichtigt wurden Produkte der Jahre 1990 bis 1994 von Mineralstoffbetrieben aus den alten (1.070 Betriebe) und neuen Bundesländern (409) sowie aus Importländern (77). Die nach den Richtlinien für die Güteüberwachung von Mineralstoffen im Straßenbau fremdüberwachten Lieferbetriebe sind in der Lage, Mineralstoffe für den Straßenbau in guter Qualität entsprechend den Forderungen des Technischen Regelwerkes herzustellen. Die Anforderungen des Regelwerkes werden teilweise mühelos erreicht. Ob die Gütesicherung von Mineralstoffen effektiver gestaltet werden kann (zum Beispiel Änderung des Prüfrhythmus, Verzicht auf Prüfungen), lässt sich erst nach wiederholter Datenerfassung beurteilen. Die vorliegenden Ergebnisse sind für die Straßenverwaltungen bedeutsam bei der Abschätzung der Forderungen an die Hersteller. Auf EU-Ebene können die Ergebnisse unter anderem als Grundlage zur Beurteilung der in den EU-Papieren vorgeschlagenen Anforderungen herangezogen werden.

Bei den abzugsrelevanten Merkmalen - Verdichtungsgrad und Hohlraumgehalt - liegt die Bestimmung der Raumdichte am Ausbaustück oder Marshallprobekörper entsprechend den nationalen Prüfvorschriften zugrunde. Zur Bestimmung der Raumdichte ist bei offenporigen Asphalten das Ausmessverfahren (Verfahren D) anzuwenden und bei allen anderen Walzasphalten das Tauchwägeverfahren mit Ledertuch (Verfahren B). Nur bei lärmtechnisch optimierten Asphaltdeckschichten soll zur Erfahrungssammlung neben dem Verfahren B auch das Verfahren D angewandt werden. Aus den Erfahrungen mit den Prüfverfahren ist bekannt, dass mit zunehmendem Hohlraumgehalt die Raumdichte an Prüfkörpern mit den standardisierten Verfahren nicht präzise genug erfasst werden kann. Um ein geeignetes Verfahren für primär semiporöse und sekundär offenporige Asphaltdeckschichten zu finden wurden insgesamt 7 zum Teil standardisierte Prüfmethoden zur Bestimmung der Raumdichte an drei Mischgutarten durchgeführt. Dabei wurden die Geometrien und Herstellungsarten der Prüfkörper variiert. Alle gesammelten Daten der Untersuchungen (Raumdichte und Streuung) wurden hinsichtlich der Einflüsse aus den geometrischen Kennwerten (Prüfkörperhöhe und -durchmesser), Prüfkörpermasse und charakterisierenden Kennwerten wie den Hohlraumgehalt, den Textureigenschaften, der effektiven Fläche der Textur und Körnungsspezifischen Kennwerten analysiert. Es konnten deutliche Unterschiede zwischen den Verfahren nachgewiesen werden. Hinsichtlich der Eignung für semiporöse und offenporige Asphalte konnte ein Verfahren zur Umhüllung von Prüfkörpern mit einem Vakuumbeutel empfohlen werden, welches in Einklang mit der europäischen Norm steht. Alternativ ist eine Bestimmung des Volumens über eine Laserabtastung der Probekörper zu empfehlen. Diese technisch hochwertige Methodik lässt eine sichere Abgrenzung zwischen der Textur eines Prüfkörpers und den zur Raumdichte zugehörigen Volumen zu.

Gemäß Erlass des BMVBW StB 26/38.56.05-10/20 Va 94 vom 02.05.1994 werden bei größeren Baumaßnahmen Bitumenproben entnommen und diese im Rahmen von Kontrollprüfungen untersucht. Die Ergebnisse der Bitumenkontrollprüfungen für die Jahre 2000 bis 2005 wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen gesammelt und statistisch ausgewertet. Die statistische Auswertung von Bitumenkontrollprüfungen hat die folgenden Ziele:rnÜbersicht der im Straßenbau verwendeten Produkte.rnGewinnung von Daten zur Beurteilung der Bitumenqualität und der Prüfqualität.rnIdentifizierung von Anomalien. Die im Straßenbau verwendeten Bitumen erfüllen weitgehend die Anforderungen. Auffälligkeiten sind nur hinsichtlich folgender Parameter und Produkte festzustellen: Die Spezifikationen der EN 12591 bezüglich der Erweichungspunkte von nicht-modifizierten Straßenbaubitumen werden eingehalten. Aufgrund einer freiwilligen Selbstbeschränkung der Bitumenproduzenten wurden die Spannen für die Erweichungspunkte stärker eingegrenzt als in der EN 12591 gefordert. Hinsichtlich dieser Spannen muss festgestellt werden, dass bei allen Bitumensorten bis zu 8 Prozent der ermittelten Werte außerhalb der angestrebten Spezifikationen liegen. Dies ist insbesondere für das sehr häufig eingesetzte Bitumen der Sorte 50/70 bedeutsam. Für das Bitumen 30/45 wurde eine beträchtliche Überschreitung der Zunahme des Erweichungspunktes nach thermischer Beanspruchung festgestellt. Messtechnische Einflüsse können weitgehend ausgeschlossen werden, so dass die Ursache hierfür in produktionstechnisch bedingten Einflüssen zu suchen ist. Hinsichtlich des Brechpunktes nach Fraaß scheint eine Verbesserung der Prüfqualität eingetreten zu sein. Besonders das Bitumen der Sorte 50/70 zeigt eine symmetrische statistische Verteilung der Prüfdaten. Die Spannweite in der die Brechpunkte einer Sorte auftreten ist nach wie vor ausgesprochen groß. Polymermodifizierte Bitumen, wie zum Beispiel das PmB 45, zeigen keine Verbesserung der Prüfwertverteilung. Es ist möglich, dass die Brechpunktbestimmung nach Fraaß für die Prüfung nicht-modifizierter Bitumen prinzipiell besser geeignet ist, als für die Prüfung polymermodifizierter Bitumen. Im Rahmen der TL PmB wurden drei Prüfverfahren zur Erfahrungssammlung eingeführt. Als Hilfestellung zur Beurteilung der Prüfergebnisse wurden Orientierungswerte vereinbart. Mit Hilfe des Biegebalken-Rheometers (BBR) wird die Steifigkeit von Bitumenprüfkörpern bei einer Temperatur von "16 -°C gemessen. Die Orientierungswerte wurden von allen untersuchten PmB erfüllt. Das dynamische Scher-Rheometer (DSR) ermöglicht die Messung des komplexen Schubmoduls und des Phasenwinkels Delta. Während die Orientierungswerte für den Phasenwinkel eingehalten werden können, liegen beim komplexen Schubmodul für PmB 25 etwa 40 Prozent und für PmB 45 sogar mehr als 70 Prozent über dem veranschlagten Orientierungswert. Die Kraftduktilitätsprüfung (KD) entspricht einem direkten Zugversuch und ermöglicht die Messung der bei der Dehnung eines Bitumenprüfkörpers auftretenden Kräfte. Weniger als fünf Prozent der geprüften Proben der Sorte PmB 45 erreichen den angestrebten Orientierungswert von 1 Joule. Eine Ursache ist die zu optimistische Einschätzung bezüglich der Höhe der Formänderungsenergie von PmB 45. Ein weiterer Grund ist die gewählte Prüftemperatur von 25 -°C. Diese Temperatur ist zu hoch um die Eigenschaften eines PmB 45 optimal ansprechen zu können. Für die aufgeführten Verfahren ist sowohl eine Anpassung der Anforderungswerte als auch der Prüfbedingungen erforderlich, um eine möglichst differenzierte und qualitätsorientierte Ansprache der Bitumenprodukte zu ermöglichen. Bezüglich der Datenerfassung wäre eine bessere Dokumentation zur eindeutigen Identifizierung der Bitumenproben nach Raffinerie und Mischanlage wünschenswert. Im Rahmen des Projektes wurde eine Datenbank erstellt, die eine einfache Dateneingabe und statistische Auswertung ermöglicht. Diese Datenbank hat den Vorteil, dass bei Nutzung durch die beteiligten Prüfinstitute eine Redigitalisierung der Daten vermieden werden kann. Weiterhin stehen die Ergebnisse der statistischen Auswertungen mit Hilfe der in der Datenbank integrierten Auswertealgorithmen sofort nach der Dateneingabe zur Verfügung. Auf diese Weise können statistische Auswertungen zukünftig sehr schnell aktualisiert werden.rn

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.

In Deutschland ist zur Bestimmung der Referenzdichte ungebundener Baustoffgemische der Proctorversuch nach DIN EN 13286-2 [1] festgelegt. Die Laborpraxis hat gezeigt, dass der Proctorversuch für dränierende Baustoffgemische, die für ungebundene Schichten verwendet werden, nicht optimal geeignet ist. Im Forschungsvorhaben FE-Nr. 06.099/2012/EGB [2] wurde die Eignung des Vibrationshammerverfahrens nach DIN EN 13286-4 [3] als alternatives Laborverdichtungsverfahren untersucht und festgehalten, dass dieses Laborverdichtungsverfahren in-situ konform verdichtet und sehr vergleichbare Ergebnisse zum Proctorverfahren unter Verwendung eines festgelegten Wassergehaltes erzielt. Hinzu kommt eine leichtere Handhabung, kostengünstigere Anschaffung und eine Prüfdurchführung, die deutlich weniger zeitintensiv ist. Ein weiterer Vorteil dieses Verdichtungsverfahren ist, dass es wahrscheinlich zu einer geringeren Kornverfeinerung während der Probenverdichtung neigt [4]. Weiterhin wurde festgestellt, dass der optimale Wassergehalt des Vibrationshammerverfahrens etwa 5 bis 10 Prozent unterhalb dem des Standard-Proctorversuches lag [5] und somit etwa dem optimalen Wassergehalt eines modifizierten Proctorversuches (nahezu in-situ konform) entspricht. Seit vielen Jahren wird die Wasserdurchlässigkeit von SoB-Gemischen im Labor mit einer in der DIN 18130-1 [6] beschriebenen Methode bestimmt, bei denen die Wasserdurchlässigkeit im gesättigten Probenzustand ermittelt wird. Während der Herstellung und der Nutzungsphase einer SoB hingegen werden immer ungesättigte Zustände vorliegen, weshalb die Ergebnisse des Laborversuches nach DIN 18130-1 [6], nicht der in-situ Wasserdurchlässigkeit entsprechen. Durch die Entwicklung des Standrohr-Infiltrometerverfahrens nach TP Gestein-StB, Teil 8.3.1 [7], wurde versucht, die in-situ Wasserdurchlässigkeit im Labor besser abzubilden, beispielsweise, indem zum einen Probekörper mit modifizierter Proctorenergie hergestellt werden und zum anderen Wassergehalte während der Probenherstellung zum Einsatz kommen, die unterhalb des optimalen modifizierten Wassergehaltes (0,8 · mod. wPr < w < mod. wPr) liegen. In-situ konforme Prüfbedingungen auf Laborebene sind notwendige Voraussetzungen, um hier Messergebnisse zu generieren, die mit Feldergebnisse vergleichbar sind. Sowohl für die Referenzdichte (Proctordichte) des Verdichtungsgrades, der einen Rückschluss auf die geleistete Verdichtungsarbeit ermöglicht, als auch für die Wasserdurchlässigkeit stehen bis dato Prüfmethoden im Labor zur Verfügung, die aufgrund ihrer Verfahrensparameter nicht den Feldbedingungen entsprechen und häufig nicht vergleichbare Ergebnisse liefern. Entsprechend ist es notwendig mit performance orientierten Prüfverfahren diesen Umstand zu optimieren. Bzgl. der Verdichtung von ungebundenen Baustoffgemischen bietet sich womöglich das Verdichtungsverfahren nach DIN EN 13286-4 [3] als zukunftsweisendes Laborprüfverfahren an, das nach ersten Erkenntnissen besser zur Verdichtung von ungebundenen Gemischen geeignet ist. Zur Weiterentwicklung des Kenntnisstandes zum Vibrationshammer war zu untersuchen, welchen Einfluss die Verwendung eines Vibrationshammers auf die Kornzertrümmerung hat und wie eine Probenherstellung im Verdichtungstopf C (250 mm) mittels Vibrationshammer zur Messung des Infiltrationsbei-wertes ki(10) erfolgen kann, da dies bis dato nicht in der DIN EN 13286-4 [3] beschrieben wird. Ergänzend sollten diese beiden Aspekte auch unter Verwendung unterschiedlicher Vibrationshämmer mit unterschiedlicher Schlagenergie untersucht und bewertet werden. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde eine Literaturstudie durchgeführt, über die dargelegt werden konnte, dass die Fragestellungen des Forschungsvorhabens bzgl. der Kornzertrümmerung und Verdichtung von Baustoffen im Verdichtungstopf C unter Verwendung eines Vibrationshammers teils, wenn auch thematisch anders gelagert, behandelt wurden und gute Ansätze für das weitere Vorgehen innerhalb des vorliegenden Forschungsprojektes lieferten. Primäre Elemente dabei waren die Verdichtung in einem elf inch (279 mm) Probentopf mittels Vibrationshammer nach DRENEVICH, EVANS und PROCHASKA [15] und der Verfeinerungsgrad nach SCHREIBER [25]. Entsprechend wurden diese Ansätze in das Forschungsvorhaben integriert, um die Eignung des Vibrationshammerverfahrens als zukunftsorientiertes Laborverdichtungsverfahren von ungebundenen Gemischen weiter zu belegen. In das Forschungsvorhaben wurden vierzehn ungebundene Baustoffgemische eingebunden, an denen eine Materialcharakterisierung durchgeführt wurde. Aus dieser ging hervor, dass die Baustoffgemische anforderungsgerechte Eigenschaften entsprechend dem nationalen Regelwerk aufwiesen und aufgrund ihrer variablen technischen Bandbreite als charakteristische Stellvertreter handelsüblicher Baustoffgemische eingestuft werden konnten. Erste Laborversuche zur Fragestellung der erzielbaren Trockendichten durch Proctorverdichter und Vibrationshammer und zur Kornzertrümmerung erfolgten an 0/32 mm Korngemischen ohne Überkorn. Über diese Versuche konnte gezeigt werden, dass der Einsatz eines Vibrationshammers mit einer Schlagenergie von 8,3 Joule zu einer leichten Trockendichtezunahme (2 bis 15 %) für rezyklierte und industrielle Baustoffgemische im Vergleich zum Proctorergebnis führte und sich eine Ergebniszunahme unter Verwendung eines Vibrationshammers mit nahezu doppelter Schlagenergie (16,8 Joule) für alle untersuchten Baustoffgemische einstellte (natürliche Baustoffgemische: 2 bis 7 %, rezyklierte und industrielle Baustoffgemische: 16 bis 31 %). Bzgl. der bestimmten optimalen Wassergehalte zeigten rezyklierte und industrielle Baustoffgemische unter Einsatz eines Vibrationshammers tendenziell eine leichte Reduktion und natürliche Gesteinskörnungen einen nahezu gleichen Ergebniswert wie beim Proctorverfahren. Im Folgenden wurde die im FE-Nr.06.0099/2012/EGB [2] aufgestellte These, dass Baustoffgemische mit einem festgelegten Wassergehalt von 3 M.-% bzw. 5 M.-% verdichtet werden können und dennoch gleichwertige Trockendichten, wie bei einer Verdichtung mit einem optimalen Wassergehalt, erzielen, überprüft. Vorteil bei dieser Vorgehensweise wäre für viele Baustoffgemische die Vermeidung einer Wasserdränage während des Verdichtungsversuches und eine Reduktion der Einzelprobenanzahl. Zwischen der Vorgehensweise einer Verdichtung mit optimalen Wassergehalt und eines festgelegten Wassergehaltes konnten sowohl für das Proctorverfahren als auch für das Vibrationshammerverfahren Korrelationskoeffizienten minimal kleiner 1 bestimmt werden. Die Trockendichtekorrelationen zwischen den Vibrationshammerergebnissen (fester Wassergehalt) und den Proctorergebnissen (optimaler Wassergehalt) ergaben Korrelationskoeffizienten oberhalb von 0,8. Bei der Verwendung eines festgelegten Wassergehaltes für das Vibrationshammerverfahren wurde eine Ergebniszunahme bei der Trockendichte von gemittelt ca. 6,5 % (Vibrationshammervariante A mit 8,3 Joule) bzw. ca. 11,5 % (Vibrationshammervariante B mit 16,8 Joule) festgestellt. Anhand von Siebanalysen, die nach der Probenherstellung mittels Vibrationshammervariante A durchgeführt wurden, konnte gezeigt werden, dass ein festgelegter Wassergehalt zu einer vermehrten Kornzertrümmerung für industrielle und RC-Baustoffgemische, im Vergleich zu einer Verdichtung mit einem optimalen Wassergehalt, führt. Für die untersuchten natürlichen Baustoffgemische stellte sich eher ein konstantes bis gegenläufiges Ergebnisbild bzgl. der Kornzertrümmerung ein. Beim Einsatz der Vibrationshammervariante B mit einer Schlagenergie von 16,8 Joule wurde nahezu durchweg eine stärkere Zunahme der Kornzertrümmerung unter Verwendung eines festgelegten Wassergehaltes belegt. Abschließend wurde untersucht, wie eine Baustoffgemischverdichtung mit einem Vibrationshammer in einem 250 mm Verdichtungstopf durchgeführt werden kann, welche Trockendichten erzielt werden, welche Kornzertrümmerung dabei auftritt, welche Infiltrationsbeiwerte ki(10) mit derart hergestellten Probekörpern erzielt werden und ob die potenziell auftretende Kornzertrümmerung evtl. einen Einfluss auf den Infiltrationsbeiwert hat. Die Ergebnisse der dazu durchgeführten Untersuchungen wurden im Vergleich zu Proctorversuchen bewertet. Die Trockendichten der für die Infiltrationsmessungen hergestellten Probekörper zeigten, auf das jeweilige Verdichtungsverfahren und ungebundene Baustoffgemisch bezogen, sehr geringe Standardabweichungen. Entsprechend lieferten die Verdichtungsverfahren reproduzierbare Trockendichten. Für das Vorgehen mittels Proctorverfahren konnte eine Trockendichtezunahme zwischen ca. 4 und 25 % (im Mittel ca. 12 %) beim Wechsel von Verdichtungstopf B (Ø 150 mm) zu C (Ø 250 mm) bestimmt werden, wobei hierbei beachtet werden muss, dass die Probeherstellung im Verdichtungstopf C mit modifizierter Proctorenergie erfolgte. Eine ähnliche Tendenz zeigte sich beim Wechsel von Verdichtungstopf B zu Verdichtungstopf C unter Einsatz des Vibrationshammers A mit 8,3 Joule Schlagenergie. Hier lag die Ergebniszunahme bzgl. der Trockendichte zwischen ca. 2 und 14 % (im Mittel bei ca. 6 %). Konträr dazu zeigte sich das Ergebnisbild durch den Wechsel von Verdichtungstopf B zu Verdichtungstopf C unter Verwendung des Vibrationshammers B mit 16,8 Joule Schlagenergie. Hier kam es zu einer Abnahme der Trockendichteergebnisse zwischen ca. 1 und 7 % (im Mittel bei ca. 4 %). Die mit dem Proctor- bzw. Vibrationshammer hergestellten Probekörper zeigten überwiegend einen Infilrationsbeiwert oberhalb, zum Teil weit oberhalb, von 10-6 m/s. Da die Ergebnisschwankungen der Infiltrationsresultate, die mit Proctor- bzw Vibrationshämmern hergestellt wurden, relativ gering ausfielen, konnte mit Ausnahme weniger Messwerte kein verdichtungsverfahrensabhängiger Einfluss auf das Infiltrationsergebnis aufgezeigt werden. Ergänzend wurden auch Siebanalysen nach der Probenherstellung zur Bestimmung der auftretenden Kornzertrümmerung vorgenommen, die die folgenden Interpretationen zu-ließen. Das modifizierte Proctorverfahren bedingt während der Probekörperherstellung im 250 mm Verdichtungstopf C den größten und der Vibrationshammer A mit einer Schlagenergie von 8,3 Joule den geringsten Einfuss auf die Kornzertrümmerung. Verfahrensunabhängig zeigten industrielle und RC-Baustoffgemische eine größere Tendenz zur Kornzertrümmerung als natürliche Baustoffgemische. Anhand der Nachsiebungen bzw. berechneten Verfeinerungsgrade konnte kein direkter mathematischer Zusammenhang zwischen An- oder Abstieg des Infiltrationsbeiwertes und An- oder Abstieg an Kornzertrümmerung nachgewiesen werden. Das Forschungsvorhaben konnte weiterführend die Eignung des Vibrationshammerverfahrens als Alternative zum Proctorverfahren aufzeigen und ermöglichte die Abfassung eines Entwurfs einer TP Gestein-StB zur Herstellung von Prüfkörpern mit einem Vibrationshammer für Infiltrationsversuche im 250 mm Verdichtungstopf. Auch die These einer Verdichtung mit einem festgelegten Wassergehalt konnte weiter ausgebaut werden. Damit verbunden sind eine leichte Zunahme an Trockendichte und Kornzertrümmerung. Infiltrationsversuche an Proben, die mit ähnlichen Wassergehalten hergestellt wurden und eine ähnliche Kornzertrümmerung aufwiesen, zeigten jedoch, dass die Kornzertrümmerung keinen Einfluss auf den Infiltrationsbeiwert der untersuchten Proben hatte.