Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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Füllsysteme für Fugen in Betonfahrbahnen sind während ihrer Nutzungsdauer vielfältigen Beanspruchungen ausgesetzt. Daraus leiten sich erhöhte Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Gesamtsystems „Fuge“ ab. Neben jahreszeitlich schwankenden klimatischen Änderunge spielen insbesondere zyklische Beanspruchungen durch den überrollenden Verkehr sowie die Alterung der Fugenmassen eine maßgebliche Rolle.
Ziel dieses Forschungsprojekts war es, ein praxisorientiertes Prüfverfahren zu entwickeln, das zum einen das Gesamtsystem „Fuge“ bestehend aus Betonfugenflanke, Voranstrichmittel sowie der Fugenmasse umfasst und andererseits die maßgebenden Szenarien der in-situ-Beanspruchungen realistisch abbildet. Dazu wurden Systemprüfkörper bestehend aus Beton und Fugenfüllstoff definiert, an denen über die herkömmlichen Prüfungen am Füllstoff hinaus, statische Zug-/Scherversuche und zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche an neuen und künstlich gealterten Proben vorgenommen wurden. Diese Prüfungen wurden sowohl an Laborproben (Referenz) als auch an Systemprüfkörpern aus Bohrkernen von originären Bestandstrecken durchgeführt.
Die Untersuchungen zeigten u.a., dass die heiß verarbeitbaren Fugenmassen, mit Ausnahme der modifizierten Fugenmasse vom Typ N2+, infolge künstlicher Alterung erheblich versprödeten, d.h. bei deutlich reduziertem Dehnvermögen höhere Maximalspannungen aufwiesen. Dieser Effekt zeichnete sich auch bei den im dynamischen Scherrheometer ermittelten Phasenwinkeln und komplexen Schermoduln ab. Unter der Annahme eines exponentiellen Verlaufs der Alterung von heiß verarbeitbaren Fugenmassen, konnte für die künstliche Laboralterung ein simulierter Nutzungszeitraum von etwa 6 Jahren ermittelt werden. Für die kalt verarbeitbaren Fugenmassen erwies sich die für heiß verarbeitbare Fugenmassen herangezogene künstliche Alterung unter Druck und Temperaturbeanspruchung als nicht zweckmäßiges Verfahren.
Zur ersten Validierung der entwickelten Laborprüfverfahren wurde im BAB-Netz eine heiß und eine kalt verarbeitbare Fugenmasse über die ersten 21 Monate Nutzungsdauer intensiv beobachtet.
Unter Einbeziehung der Systemprüfungen an Labor- und in-situ-Proben wurde ein erster Bewertungsansatz entwickelt, mit dem, anhand wissenschaftlich orientierter Kenn- und Grenzwerte, Fugenmassen im nicht gealterten ebenso wie im künstlich gealterten Zustand bewertet werden können.
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In den letzten Jahren zeigte sich die Verfügbarkeit und reale Lebensdauer von Betonfahrbahndecken, insbesondere im BAB-Netz, im Vergleich zur designten Lebensdauer in zunehmendem Maße als unbefriedigend. Dies ist sicherlich auf die stetige Zunahme des Schwerverkehrs zurückzuführen, die eine höhere Belastung der Konstruktion nach sich zieht, nicht zuletzt aber auch auf die mangelnde Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Fugen- und Fugenfüllungssysteme zwischen benachbarten Betonfahrbahnplatten. Fugenkonstruktionen und darin angeordnete Fugenfüllsysteme müssen dauerhaft flexibel, lagestabil und robust gegenüber den maßgebenden äußeren Einwirkungen und Beanspruchungen sein und den Fugenspalt vor dem Eindringen von Wasser, Verschmutzungen, Tausalzbeanspruchungen, Öl und sonstigen Substanzen schützen. Es ist nunmehr Stand der Erkenntnisse, dass mangelhafte Fugen-Performance und unzureichendes Gebrauchsverhalten sowie Dauerhaftigkeit von Fugenfüllsystemen direkt mit beeinträchtigter Fahrbahn-Performance und Lebensdauer des Beton-Fahrbahnbelages einhergehen. Geschädigte Betonautobahnen zeigen oftmals Anzeichen einer zuvor eingeschränkten bzw. mangelhaften Funktionalität und Dauerhaftigkeit der Fugenkonstruktion und Fugenfüllung. Eine wesentliche Ursache für diese Erscheinungsbilder sind in den veralteten Dimensionierungs- und Bemessungsregelungen sowie den zu erbringenden Eignungsnachweisen für Fugenkonstruktionen zu suchen. So beruhen die derzeitigen Konstruktions- und Validierungsgrundsätze auf Erkenntnissen, die auf den Wissenstand vergangener Jahrzehnte zurückzuführen sind. Sind spiegeln nicht in ausreichendem Maße den aktuellen Stand der Beton- und Straßenbautechnologie wider. Um diese Wissenslücke zu überbrücken, müssen auf dem Weg zu dauerhaft leistungsfähigen Fugen und Fugenfüllsystemen zunächst die realen Einwirkungen im Bereich der Fugen von hoch beanspruchten Betonfahrbahndecken unter den aktuellen Straßenbaubedingungen und Nutzungsbedingungen aufgeklärt werden. Neben klimatischen und straßentypischen Einwirkungen stellen insbesondere quasistatische saisonale und verkehrsinduzierte dynamische Fugenbewegungen wesentliche Beanspruchungen dar. Voraussetzung zur Aufklärung dieser Fugenbewegungen ist ein neues, innovatives und sensitives Sensorsystem, welches unter den Bedingungen der Autobahnpraxis schnell und sicher in entsprechend beanspruchte Bereiche installiert werden kann und in der Lage ist, stabile und hochaufgelöste Bewegungen in mehrere Raumrichtungen zu erfassen. Das durch die BAM neu entwickelte Sensorsystem ist geeignet, um direkt in die Betonfahrbahndecke integriert zu werden und sowohl über saisonale Messbereiche als auch in hoher Auflösung entsprechende Messwerte online zu erfassen und bereit zu stellen. Das für diesen Zweck entwickelte innovative Sensorsystem kann direkt in die Rollspur auf beiden Seiten der Fuge eingebaut werden und ist dafür ausgelegt, Lkw-Überfahrungen zu widerstehen. Es ist schnell und präzise genug, um die realen Bewegungen in allen drei Raumachsen in Echtzeit erfassen zu können. Die wesentlichen technischen Eigenschaften sind eine Messfrequenz von bis zu 2000 Hz, eine Auflösung von bis zu einem Mikrometer und eine widerstandsfähige Sensorumhausung, die der direkten Überrollung durch Lkw sowie allen chemischen und klimatischen Beanspruchungen in der Praxis standhalten kann. Dieser Forschungsbericht beschreibt das Funktions- und Wirkschema des Sensorsystems und seine Validierung im Labor- und Feldmaßstab. Die mit dem Sensorsystem gewonnenen Daten können eine Grundlage für die Konzeption einer performance-basierten Bewertung von Fugenfüllsystemen in Betondecken von Bundesautobahnen bieten. Sie sind geeignet, die Funktionsmechanismen der verschiedenen Betonfahrbahnkonstruktionen besser zu verstehen und zielgerichtet konstruktive und materialtechnische Optimierungen und Fortentwicklungen von Fugenkonstruktionen und Fugenfüllsystemen in gebrauchsbezogener Weise zu entwickeln. Durch weitere Datenerhebung, -fusion und -analyse können Instandsetzungsintervalle und Lebensdauerzyklen besser abgeschätzt und geplant werden.
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Die guten Erfahrungen im Landesstraßennetz mit Decken aus Beton mit Fließmittel führten zu der Folgerung, die Eignung der überdeckten Fugen mit Querkraftübertragung auch für Decken aus Beton ohne Fließmittel und für höher belastete Straßen zu untersuchen. Dazu wurde eine Versuchsstrecke im Lastfahrstreifen der Autobahn A 9 und im Standstreifen der A 19 angelegt. Auswertungen ergaben, dass die Fuge mit voller Wirksamkeit hergestellt werden kann, jedoch gemessen an der Nutzungsdauer der Decke bei hoher Beanspruchung frühzeitig ihre Wirksamkeit verliert. Der Schwerverkehr wurde als ausschlaggebend für den Substanzverlust an den querkraftübertragenden Konsolen (Betondübeln) erkannt. Parallel mit dem Substanzverlust an den Betondübeln geht die Querkraftübertragung zur Nachbarplatte zurück. Der Einsatz der Fuge kann aufgund der Untersuchungsergebnisse für Fahrbahnen von höher belasteten Straßen nicht empfohlen werden. Sind die hohen Beanspruchungen weniger häufig und dynamisch, wie zum Beispiel auf Flächen für den ruhenden Verkehr, ist davon auszugehen, dass die Abnutzung der Betondübel geringer ausfällt und die Querkraftübertragung mit der Nutzungsdauer der Decke übereinstimmt. Für solche und ähnlich einzuordnende Straßentypen und Bauklassen empfiehlt es sich, die Fuge auf bewährte einfache Art und Weise in Betonen mit Fließmittel herzustellen.
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Eine moderne Verkehrsinfrastruktur ist die Voraussetzung für Mobilität und wirtschaftliches Wachstum. Um in Zeiten der Globalisierung den Wirtschaftsstandort Deutschland zu sichern und auszubauen, gilt es, flexibel auf die sich rasant ändernden Rahmenbedingungen zu reagieren. Verkehr erzeugt jedoch Lärm, den die Bevölkerung mit steigender Sensibilität wahrnimmt. Leistung, Produktivität und Lebensqualität sind durch Lärm stark beeinträchtigt. Etwa 60 % der Bevölkerung in Deutschland fühlen sich durch den Straßenverkehrslärm belästigt. Die Auswirkungen des Lärms von der Beeinträchtigung der Konzentration und Kommunikation bis hin zur möglichen Schädigung der Gesundheit sind durch umfassende Studien des Umweltbundesamtes (UBA) belegt. Im Dezember 2009 wurde nach vier Jahren Forschungsarbeit das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte Forschungsprojekt "Leiser Straßenverkehr 2" erfolgreich abgeschlossen. Insgesamt elf Partner aus Industrie und Forschung haben gemeinsam Lösungen erarbeitet, wie der Straßenverkehrslärm dauerhaft reduziert werden kann. Die Projektkosten wurden auf ca. 4,5 Mio. EUR veranschlagt und werden jeweils zu 50 % vom BMWi und den Forschungspartnern getragen. Der Bau der Erprobungsstrecken wird aus Baumitteln finanziert. Auf diese Weise unterstützt das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) das Projekt "Leiser Straßenverkehr 2". Einen Schwerpunkt des Projektes stellte die Entwicklung eines leiseren Lkw-Reifens für die Antriebsachse dar. In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Continental AG konnte im Frühjahr 2009 ein geräuschreduzierter Lkw-Reifen auf dem Markt eingeführt werden, der gegenüber dem Vorgängerprodukt um ca. 3,5 dB(A) leiser ist. Die Firma Continental AG plant, dieses neue leisere Reifenprofil auf andere Reifendimensionen zu übertragen. Darüber hinaus wurde von der Technischen Universität Hamburg-Harburg, der Leibniz Universität Hannover und der Firma Continental AG ein Berechnungsmodell zur detaillierten Simulation eines rollenden Reifens auf einer Fahrbahn, der daraus resultierenden Reifenschwingungen und der damit verbundenen Geräusche entwickelt. Erstmals steht ein derartiges Instrument für die Reifenoptimierung zur Verfügung. Eine weitere Schallreduktion wurde im Projekt angestrebt, indem die akustische Lebensdauer von offenporigen Asphalten durch Vermeidung der Verschmutzung verlängert wird. Um dies zu erreichen, wurde ein modifiziertes Bitumen entwickelt, mit dem die Schmutzanhaftung an den Hohlraumwandungen offenporiger Asphalte minimiert werden kann. Im Rahmen der Erprobung auf der Bundesautobahn A 24 bei Berlin wird derzeit geprüft, wie sich dieser modifizierte offenporige Asphalt in der Straßenbaupraxis bewährt. Darüber hinaus wurden von der Firma Müller BBM Resonatoren entwickelt, die in die offenporige Deckschicht integriert werden und aufgrund ihrer speziellen Frequenzabstimmung ein breiteres Frequenzband zur Schallreduzierung abdecken sollen. Im Juli 2009 erfolgte in einem Testabschnitt auf der Erprobungsstrecke A 24 die bautechnische Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis. Ein weiterer Schwerpunkt im Projekt war die akustische Optimierung von Lamellen-Fahrbahnübergängen für lange Brücken. Umfangreiche Untersuchungen wurden dabei im Prüfstand Fahrzeug/Fahrbahn der BASt durchgeführt. Im Juli 2009 wurden die neuen lärmarmen Oberflächen auf einem Fahrbahnübergang auf der A 10 bei Phoeben/Havelbrücke eingebaut und zeigten im Vergleich zum Lamellen-Fahrbahnübergang ohne Rautenelemente eine lärmreduzierende Wirkung von ca. 5 dB(A). Insgesamt zeigen die Forschungsergebnisse Entwicklungspotenziale zur weiteren Schallreduktion auf. Ein zentrales Ziel weiterführender Forschungskonzepte wird es sein, neuartige lärmarme Fahrbahnbeläge zu entwickeln und technische Lösungen für die Anwendung in der Straßenbaupraxis zu finden. Darüber hinaus sollen die Simulationsmodelle erweitert und optimiert werden, damit unter Berücksichtigung verschiedener Einflüsse aus Reifen und Fahrbahn Geräuschprognosen schnell und zuverlässig möglich sind.