Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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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.
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Ein Ansatz zur Beschleunigung von Bauzeiten und Reduzierung von Sperrdauern lässt sich in der Weiterentwicklung der Kompaktasphaltbauweise sehen. Im Rahmen des Projektes "Bauzeitenverkürzung durch optimierten Asphalteinbau" (BOA) wurden hierzu Konzepte erarbeitet, die den Einbau dicker Asphaltpakete in einem einzelnen Übergang des Fertigers zulassen. Dies erforderte die Konzeption eines neuen Trag-/Binderschichtmischguts AC 45 B/T S, welches in Dicken von 20 bis 22 cm eingebaut, als Unterlage für eine gleichzeitig einzubauende dünne Deckschicht dient und somit typische dreilagige Aufbauten ersetzt. Zudem waren Einbau- und Verdichtungsgeräte an die neue Bauweise anzupassen, sowie Bauprozesse zu optimieren. Erstmals erprobt wurde die neue Bauweise auf Versuchsfeldern. Die Einbauergebnisse waren technisch gleichwertig mit konventionellen Bauweisen. Rechnerische Untersuchungen ergaben zudem eine geringere Ermüdungsanfälligkeit der Kompakt-Asphaltaufbauten. Auf einer Versuchsstrecke an der B 68 konnte nachgewiesen werden, dass die Bauweise auch unter realen Einbaubedingungen umsetzbar ist und eine signifikante Bauzeitenverkürzung bewirkt. Als kritischer Faktor stellte sich die Ebenheit heraus. Die dicken Schichtpakete sind während des Verdichtungsvorganges besonders in den Randbereichen verformungsanfällig, weshalb die Stabilität der Kanten durch Entwicklung neuer Verdichtungsmodule verbessert werden muss.
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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).
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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.
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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.
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Deckschichten aus offenporigem Asphalt stellen eine sehr wirksame Methode dar, das Reifen-Fahrbahn-Geräusch direkt am Entstehungsort zu reduzieren. Die Entwicklung der Bauweise führte zu einer zweischichtigen Ausführung in größerer Dicke, bei der es nahelag, die zur Verfügung stehende Bauweise Kompaktasphalt auch für diese Asphaltschichten zu nutzen. Im Zuge der Grunderneuerung der BAB A 30 kam im Bereich der Stadt Osnabrück eine Deckschicht aus ZWOPA zum Einsatz. Durch die Aufteilung in 4 Bauabschnitte konnte die Bauweise heiß auf kalt, also der herkömmliche schichtenweise Einbau, mit der Variante im Kompakteinbau in jeweils zwei Bauabschnitten verglichen werden. Die Mischgutkonzeption wurde beibehalten. In einem Teilabschnitt wurde eine Variante mit gummimodifiziertem Bitumen erprobt. Jeder Bauabschnitt wurde von der BASt, wie auch von einer umfangreichen Kontrollprüfung begleitet. Zusätzlich wurden Messungen der Schallemission und der Griffigkeit durchgeführt. Bei der Auswertung der Untersuchungen zeigte sich, dass beide Bauweisen mit Startschwierigkeiten bei ihrem ersten Bauabschnitt zu kämpfen hatten. So kam es 2004 zu sehr hohen Verdichtungsgraden, beziehungsweise geringen Hohlraumgehalten in der unteren Schicht, die auf eine Überverdichtung hindeuteten, während 2005 die obere Schicht das gegenteilige Verhalten aufwies, das heißt hohe Hohlraumgehalte und sehr geringe Verdichtungsgrade. Hier wurde die Schicht zu dünn ausgeführt, was Verdichtungsprobleme mit sich brachte. Die jeweiligen Folgeabschnitte 2006 beziehungsweise 2007 konnten die Anforderungen überwiegend erfüllen. Eine Zielsicherheit ist hier noch nicht gegeben. Die Variante mit gummimodifizierten Bitumen im Bauabschnitt 2007 zeigte wieder das Erscheinungsbild des Bauabschnitts 2004, wurde aber auch sehr spät im Jahr eingebaut. Trotz dieser Überverdichtung zeigte dieser letzte Teilabschnitt die Stärken des Kompakteinbaus durch Nutzung der Wärmekapazität eines relativ dicken Asphaltpakets zur Verdichtung. Die Auswertung der Lärmmessungen zeigte keine eindeutigen Vorteile der einen oder der anderen Bauweise. Insgesamt wurden die Bauabschnitte, vor allem 2004, mit zu großer Einbaudicke ausgeführt, was die maximale Schallabsorption zu eher niedrigen Frequenzen hin verschob und damit eine hohe Wirksamkeit bei der Reduzierung von Lkw-Pegeln brachte. Die Reduktion der Pkw-Pegel lag jedoch im üblichen Bereich einschichtiger OPA, brachte hier also keine Verbesserung. Bei der Schallabsorption deuten sich Vorteile bei der Verwendung gummimodifizierter Bitumen an. Die Erprobungsstrecke ist die nächsten Jahre weiter zu beobachten, um Aussagen über das erhoffte bessere Langzeitverhalten von ZWOPA zu bekommen. Zwischenzeitlich hat die Bauweise OPA eine Weiterentwicklung in Form neuer Bauvarianten erfahren, die es später bei Bildung eines Gesamturteils zu berücksichtigen gilt. Parallel dazu muss außerdem das Verhalten anderer Erprobungsstrecken mit ZWOPA beobachtet werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass bei sorgfältiger Bauausführung, zum Beispiel unter Einbeziehung der Ergebnisse eines Probefelds, mit beiden Bauweisen anforderungsgerechte Deckschichten aus ZWOPA hergestellt werden können. Deutet sich im Bauablauf ein Einbau in der späten Jahreszeit an, so ist der Kompaktbauweise der Vorzug zu geben. Bei niedrigen Temperaturen ist der Einbau der dünnen sehr auskühlungsempfindlichen oberen Schicht mit herkömmlicher Technik nicht mehr möglich.
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Der Minderung des Verkehrslärms hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Der aktive Lärmschutz in Form von Wänden oder Wällen stößt an die Grenzen oder kann sogar nur durch den Einsatz von Einhausungen gewährleistet werden. Die Straßenoberfläche muss somit einen Beitrag zur Minderung der Verkehrsgeräusche an der Quelle leisten. Lärmtechnisch optimierte Deckschichten lassen sich unterschiedlich konzipieren, bis hin zum sehr wirksamen Offenporigen Asphalt (OPA), der insgesamt jedoch einen relativ großen Aufwand darstellt. Für Anwendungsfälle, die nicht der hohen Wirksamkeit von OPA bedürfen, wurde Splittmastixasphalt (SMA) ab 2005 einer lärmtechnischen Optimierung unterzogen. Ziel war es, den hohen Aufwand (Abdichtung, Entwässerungssysteme etc.) und die reduzierte Lebensdauer von OPA zu vermeiden. Die als SMA LA bezeichneten lärmoptimierten Asphaltdeckschichten sind hohlraumreicher konzipiert, werden auf einer leichten Abdichtung aus Bitumenemulsion eingebaut und nicht abgestumpft. Durch Verstärkung der akustisch günstigen Plateau/Täler-Oberflächenstruktur wird eine verbesserte akustische Wirksamkeit angestrebt. Eine erste Baumaßnahme wurde im Jahre 2005 auf der A 93 bei Schwandorf ausgeführt. Zum Einsatz kam SMA 0/8 LA, SMA 0/5 LA und ein herkömmlicher SMA 0/8 S. Die nach dem Einbau erfolgten Lärmmessungen ergaben für beide Varianten eine Lärmminderung gegenüber der Referenzoberfläche der RLS-90, nicht geriffelter Gussasphalt, von etwa 4 dB(A) für Pkw bei 120 km/h. Es zeigte sich jedoch auch, dass keine Minderung der Schallpegel für Lkw erreicht werden konnte. Die steifen Lkw-Reifen sind relativ unempfindlich gegenüber Texturänderungen. Wiederholungsmessungen der Geräuschimmission ließen eine Tendenz zur akustischen Alterung erkennen, d. h., die Pegel stiegen tendenziell an. Eine Überprüfung der Textur zeigte ein leichtes Einebnen durch den überrollenden Verkehr, der möglicherweise wichtige Anteile bei der Geräuschentstehung, wie Airpumping, ansteigen lässt. Eine abschließende Interpretation von Texturkenngrößen ist generell noch nicht möglich. Die Erstmessung der Griffigkeit direkt nach Einbau zeigte trotz eines Verzichts auf Abstumpfungsmaßnahmen keine Auffälligkeiten, wie auch die Zustandserfassung und -bewertung im Jahre 2009 nach vier Jahren Liegezeit. Seit 2005 wurde nach diesem Konzept eine ganze Reihe von Baumaßnahmen durchgeführt, die relativ zielsicher die gewünschte lärmmindernde Wirkung zumindest für Pkw zeigten. Die angestrebte Reduzierung des Aufwandes gegenüber OPA konnte erreicht, ein Nachweis der akustischen und bautechnischen Dauerhaftigkeit muss jedoch noch erbracht werden. Die Texturanalyse des SMA 0/5 LA zeigte gute theoretische Werte, die sich bei den hohen Fahrgeschwindigkeiten auf der A 93 nicht vorteilhaft auf die Schallpegel auswirkten, möglicherweise kann dieser Vorteil auf Bundesstraßen oder städtischen Straßen zur Erzielung einer guten Lärmminderung genutzt werden.