Eine dauerhaft leistungsfähige Verkehrsinfrastruktur ist zum Güter- und Personentransport unerlässlich. Eine wesentliche Zielsetzung moderner Technologien im Straßenbau ist daher eine möglichst lange Gebrauchstauglichkeit von Asphalt-Befestigungen. Zum Zweck der Überbauung von rissgeschädigten bzw. rissgefährdeten Straßenbefestigungen kommen seit mehr als 30 Jahren Asphalteinlage-Systeme zum Einsatz, die im Fokus dieses von der Bundesanstalt für Straßenwesen initiierten Forschungsprojektes standen. Ziel dieses Forschungsprojektes war es, die mögliche nutzungsdauerverlängernde Wirkung von Asphalteinlage-Systemen zu überprüfen, ihre Anwendungsgrenzen aufzuzeigen und eventuelle ökonomische und ökologische Vor- bzw. Nachteile zu quantifizieren. Neben einer Marktübersicht und Kategorisierung der heute zur Verfügung stehen-den Produkte wurde eine breite Befragung über praktische Erfahrungen mit Asphalteinlage-Systemen durchgeführt, sowie ein umfangreiches Laborprüfprogramm realisiert. Um die an Asphalteinlage-Systemen gestellten Forderungen bzgl. ihrer spannungsabbauenden, spannungsaufnehmenden und abdichtenden Wirkung zu überprüfen, wurden unterschiedlichste Prüfverfahren angewendet und daraus Scherversuche, Durchlässigkeitsversuche, 3-Punkt-Biegeprüfungen und Keilspaltversuche für den Nachweis als geeignet angesehen. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse wurde der Einfluss zahlreicher repräsentativer Asphalteinlage-Produkte bei Variation weiterer Systemeigenschaften prüf-technisch untersucht und so deren Einfluss auf die Wirkungsweise bestimmt. Zur Überprüfung einer potenziell nutzungsdauerverlängernden Wirkung, wurden über ein FE-Modell wesentliche Kenngrößen ermittelt, so dass in 3-Punkt-Biegprüfungen abgeleitete Ermüdungskurven, sowie in Keilspaltversuchen bestimmte Rissenergien in neuen Nachweisen gegen Reflexionsrissbildung in die Rechnerische Dimensionierung integriert werden konnten. So konnte die Wirkung auf die theoretische Nutzungsdauer nachgewiesen werden. Eine abschließende Nachhaltigkeitsanalyse beinhaltete ökonomische und ökologische Aspekte. Dabei erwies sich z. B. die Recyclingfähigkeit als wesentlich, wobei unterschiedliche Szenarien betrachtet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass Asphalteinlage-Systeme unter den zuvor definierten Bedingungen des jeweiligen Szenarios im Modell wirtschaftlich eingesetzt werden können, sofern eine Abstimmung auf die geplanten Erhaltungszyklen erfolgt. Anhand der Ergebnisse wurden Vorschläge für die Ergänzung des technischen Regelwerkes durch ein Merkblatt und Prüfvorschriften erarbeitet.

Das Georadarmessverfahren gehört zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren und ist im Bereich des Straßenwesens zur Detektion von Substanzschädigungen und Substanzmerkmalen sowie des eigentlichen Konstruktionsaufbaus einer Straßenbefestigung nutzbar. Der wesentliche Vorteil des Verfahrens liegt in der quasi-kontinuierlichen Gewinnung von Messdaten in Längsrichtung oder in der Fläche. Im Zuge einer straßenbautechnischen Interpretation kann dadurch anstelle punktueller Daten (z. B. durch Bohrkerne) auf lückenlose Messprofile zurückgegriffen werden. Die Zielsetzung des Projektes war es, anhand von objekt- und netzbezogener Untersuchungen Aussagen über die potenzielle Genauigkeit in der Wiedergabe von Schichtgrenzen sowie über die Erkennung von Substanzschädigungen und Substanzmerkmalen zu treffen. Die Objektebene wurde dabei durch eine idealisierte Versuchsstrecke abgebildet. Die netzbezogenen Untersuchungen wurden auf insgesamt fünf Bundesautobahnen und fünf Bundesstraßen durchgeführt. Hierbei konnte festgestellt werden, dass in Bezug auf die Detektion von Schichtgrenzen eine verfahrenstechnische Ungenauigkeit von ca. ± 2,5 cm erwartbar ist. Dabei stellten sich Scanraten von mindestens 10 Scans/m als zweckmäßig heraus. Sofern auch die Untersuchung von Substanzschädigungen und Substanzmerkmalen von Bedeutung sind, zeigten die Untersuchungen, dass engere Messpunktabstände von höchstens 5,0 cm (≙ 20 Scans/m) und die Verwendung einer Messfrequenz von 2.000 MHz zielführend sind, um eine ausreichende Auflösung und Datendichte zu gewährleisten. Zudem wurde die Möglichkeit der Kombination des Georadarmessverfahrens mit der messtechnischen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) untersucht und eine potenzielle Vorgehensweise hierfür entwickelt. Diese beinhaltete auch eine Definition von homogenen Abschnitten auf Untersuchungsstrecken mittels mehrerer Homogenitätskriterien. Ebenfalls wurden Ansätze für automatisierte Auswertungen von Georadar-Daten aufgezeigt.

Für die Beurteilung der Frostsicherheit von ungebundenen Schichten im Straßenbau werden je nach Anwendungsgebiet die Kriterien aus unterschiedlichen Regelwerken herangezogen. Die diesen Kriterien hinterlegten Prüfmethoden sind auf Erfahrungen mit natürlichen Baustoffen abgestimmt und korrelieren nicht hinreichend mit den Materialveränderungen von Recycling-Baustoffen und industriellen Nebenprodukten in der Praxis. Daher wurde eine realitätsnahe Prüfmethode auf Basis österreichischer Erfahrungen entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden nun Bewertungskriterien für diese Prüfmethode erarbeitet. Zunächst wurden die in der Literatur als maßgeblich definierten Einflussgrößen auf die Frosthebung gezielt untersucht. Daraus ergab sich, dass der Frosthebungsparameter Maximale Frosthebung besonders für die Bewertung geeignet und die Parameter Bleibende Hebung und Hebungsgeschwindigkeit jeweils geeignet sind. Für die Entwicklung eines Bewertungskriteriums wurden zwei Ansätze verfolgt, von denen nur Ansatz A sich als zielführend herausstellte. Bei Bewertungsansatz A wurden die Flächen unter der Hebungskurve und die über der Kühlkopf-Temperaturkurve je Probe ermittelt und in Bezug gesetzt. Bewertungsansatz B wurde ursprünglich konzipiert, um Kennwerte aus dem Frosthebungsversuch und Materialkennwerte miteinander zu verknüpfen. Dieser Ansatz hat sich als nicht zielführend herausgestellt. Schlussendlich erzeugen die Überlagerungen der unterschiedlichen materialspezifischen Einflussfaktoren zu hohe Streuungen. Werden jedoch Materialgemische in Abhängigkeit ihrer Eigenschaften, z. B. hoher Feinanteil, im Labor gezielt zusammengesetzt, lässt sich dieser materialspezifische Einflussfaktor auf die Frosthebung überwiegend korrelieren. Eine Übertragung dieser Korrelationen auf heterogene Baustoffgemische aus der Praxis ist nicht möglich. Die Validierung des Bewertungskriteriums nach Ansatz A erfolgte mittels Frosthebungsdaten von RC-Baustoffgemischen aus der Praxis. Grundsätzlich liegt mit dem Frosthebungsversuch nun ein prozesssicheres Verfahren vor, mit dem das Frostverhalten von RC-Baustoffgemischen und industriellen Nebenprodukten praxisgerecht geprüft und bewertet werden kann. Damit ist eine Möglichkeit geschaffen, die Gebrauchseigenschaft Frostempfindlichkeit der Materialien besser zu beurteilen.

Für die rechnerische Dimensionierung der Betondecken im Oberbau von Verkehrsflächen für den Neubau sowie die Erneuerung nach RDO-Beton 09 ist die statische Spaltzugfestigkeit an der unteren und oberen Bohrkernscheibe entprechend der Vorgaben der AL Sp-Beton zu bestimmen. Aufgrund der unzureichenden Kenntnis der Präzision dieses Prüfverfahrens wurden, basierend auf dem Entwurf des FGSV-Merkblatts zur statistischen Auswertung von Prüfergebnissen, mit einem breit aufgestellten Ringversuch die statistischen Kennwerte an Labor- und Bestandsbetonen unter Vergleich- und Wiederholbedingungen ermittelt. Zur möglichst guten statistischen Absicherung nahmen an dem Ringversuch dreizehn erfahrene Prüfstellen teil, die vorab einem Audit unterzogen wurden. Zur Abdeckung des vielschichtigen Einsatzes des Prüfverfahrens erfolgte der Ringversuch an acht Prüflosen, die sowohl die Erst-/ Eignungsprüfung und Übereinstimmungskontrolle bei Neubaumaßnahmen, als auch die Restsubstanzbewertung von Betonfahrbahnplatten berücksichtigen. Zur Bewertung des Materialeinflusses wurde zusätzlich ein Prüflos mit Labormörtel untersucht. Die Probenvorbereitung erfolgte zentral an der BAM. Zur Sicherstellung einheitlicher Prüfbedingungen bei den Prüfstellen wurde zusätzlich eine detaillierte Standardarbeitsanweisung erarbeitet, die partiell bereits Eingang in das Normenwerk gefunden hat. Bei der Plausibilitätsprüfung aller prüflosspezifischen Einzelwerte der Spaltzug- und Druckfestigkeit wurden vereinzelt sowohl Ausführungsfehler als auch Übertragungs- und Tippfehler festgestellt. Der sich anschließende Lilliefors-Test zeigt, dass die ermittelten Einzelwerte bis auf wenige Ausnahmen normalverteilt sind und damit die Voraussetzungen für die statistische Auswertung gegeben sind. Mittels grafischer Darstellung der Mandel’s h- und k-Werte wurden die Auffälligkeiten hinsichtlich der Mittelwerte und Varianzen prüflosspezifisch für die einzelnen Prüfstellen visualisiert und anschließend einige von ihnen mittels Grubbs- und Cochran-Test als Ausreißer identifiziert. Nach Ausreißerelimination wurde mit dem klassischen Verfahren bei der Spaltzugfestigkeit der geringste Variationskoeffizient unter Vergleich- und Wiederholbedingungen bei der Erst-/Eignungsprüfung mit 6,2 und 6,4 % ermittelt. Bei einer Verminderung des Materialein-flusses durch die Verwendung eines Labormörtels verbessern sich die statistischen Kennwerte auf 4,5 und 5,3 %. Mit 8,2 und 9,5 % bzw. 8,6 und 9,5 % werden bei der Restsubstanz-bewertung von Wasch- und Unterbetonen die höchsten Werte bestimmt. Das robuste Auswerteverfahren (ohne Eliminierung der Ausreißer) nach dem Entwurf des FGSV-Merkblatts zur statistischen Auswertung von Prüfergebnissen erwies sich in der Form als ungeeignet und bedurfte einer Überarbeitung. Bezüglich der vergleichend mit klassischen und robusten Verfahren gewonnenen Kennwerte ist festzustellen, dass bei sehr homogenen Messergebnissen eines Prüfloses beide Verfahren nahezu die gleichen statistischen Kennwerte liefern. Bei der Eliminierung von Ausreißern sind die Ergebnisse des robusten Verfahrens in der Regel etwas größer als die des klassischen Verfahrens. Die begleitenden vertiefenden Untersuchungen bei der Spaltzugprüfung mit innovativen Prüftechniken lieferten wertvolle Erkenntnisse zur Bewertung der Prüfeinflüsse.

Bei Verwendung von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (BumI) in Erdbauwerken sind gegebenenfalls technische Sicherungsmaßnahmen zu ergreifen, um in umweltspezifischer und wasserwirtschaftlicher Hinsicht einen verantwortungsvollen Einsatz dieser Materialien zu gewährleisten. Die technischen Sicherungsmaßnahmen sind dabei so zu gestalten, dass eine Durchsickerung der Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen und damit ein möglicher Austrag von Schadstoffen auf ein verträgliches Maß minimiert werden. Das Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (MTS E) stellt insgesamt sechs unterschiedliche Bauweisen für Straßendämme, die entsprechend auch auf andere Erdbauwerke (z.B. Lärm- und Sichtschutzwälle) übertragbar sind, vor. Diese können prinzipiell in Bauweisen mit Abdichtungen (Bauweisen A, B, C), Bauweisen mit gering durchlässigem Körper aus Böden oder Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (Bauweise E) und Kernbauweisen ohne Abdichtungen (Bauweise D) unterschieden werden. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bau, Verkehr und Stadtentwicklung geförderten Forschungsvorhabens wurden am Zentrum Geotechnik der TU München von Schweller et al. (2009) Berechnungen zur Bewertung der Wirksamkeit der Bauweisen durchgeführt. Anhand dieser Berechnungen konnte die prinzipielle Wirksamkeit der Bauweisen A, B und D belegt werden. Für die Bauweise E ergaben sich vergleichsweise große Sickerwassermengen. Die Berechnungen wurden allerdings mit einem Durchschnittswert des Niederschlages, der aus dem Gesamtjahresniederschlag verteilt auf 365 Tage ermittelt wurde, durchgeführt. Dadurch kommt es rechnerisch zu konstanten kleinen Infiltrationsmengen in den Straßendamm ohne Ausbildung eines Oberflächenabflusses. Damit verbunden sind unrealistisch hohe Sickerwassereintritte in die Ersatzbaustoffe. Die Wirksamkeit der Bauweise E konnte deshalb im Rahmen der Untersuchungen von Schweller et al. nicht abschließend bewertet werden. Basierend auf den am Zentrum Geotechnik der TU München von Schweller et al. durchgeführten Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 84.105 Berechnungen zur Durchsickerung der Bauweise E unter Ansatz von Tageswerten des Niederschlages, der Evapotranspiration und des Oberflächenabflusses durchgeführt. Die mit VADOSE/W durchgeführten Berechnungen zeigen, dass die Vergleichmäßigung der Infiltration bei einer Berechnung mit Durchschnittswerten der Infiltration zu ca. 1,7-fach größeren Sickerwassermengen als beim Ansatz von Tageswerten führt. Die mit Tageswerten der Klimadaten für einen Zeitraum von 10 Jahren durchgeführten Berechnungen ergaben für die Bauweise E bei einem Durchlässigkeitsbeiwert des Kerns von k = 1 · 10-8 m/s eine mittlere Sickerwassermenge aus dem Kern von ca. 60 mm/a.

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.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Untersuchungen für die Dimensionierung von Straßenbefestigungen bei realitätsnaher Berücksichtigung des nichtlinear-elastischen und plastischen Verformungsverhaltens von ToB in Straßenbefestigungen in Abhängigkeit von klimatischen Bedingungen (Frost-/Tauperioden, Schwankungen des Wassergehaltes in den ToB) durchgeführt. Hierzu wurden experimentelle Versuchsmethoden im Labormaßstab, insbesondere Triaxialversuche an ungebundenen Baustoffgemischen (UBG) weiterentwickelt und optimiert. Die Arbeiten im Labor wurden durch entsprechende Berechnungen mit der Finite Elemente Methode (FE-Methode) begleitet, um das Beanspruchungsniveau von ToB als Grundlage für die Versuchsdurchführung zu ermitteln. Die in den Triaxialversuchen angewendete Versuchsprozedur sicherte eine gute Erfassung des Materialverhaltens und ist geeignet, sowohl die Steifigkeiten von UBG als auch deren plastisches Verformungsverhalten zu charakterisieren. Auf Grundlage der Versuche wurden Materialparameter für das erweiterte modifizierte Universal-Modell (elastisches Verhalten) und das dehnungsbasierte plastische Modell bestimmt. Die erzeugte Materialantwort lieferte jedoch keine präzisen Informationen zum plastischen Shakedown-Limit und dem charakteristischen Grenzdehnungszustand. Zur Integration dieser Grenzkriterien in das Prüfprogramm und deren schärferer Eingrenzung ist eine Anpassung zweckmäßig. Voraussetzungen und Untersuchungskriterien für die analytische Dimensionierung der ToB wurden zusammengetragen und ein auf den untersuchten Stoffmodellen basierendes Verfahren zur Berechnung der plastischen Verformungen in ToB vorgestellt. Anhand dieser Ergebnisse wurden Arbeitsschritte und Algorithmen zur Implementierung der Ergebnisse in die Verfahrensweise nach den RStO und RDO Asphalt und Beton als Grundlage für eine programmtechnische Umsetzung erarbeitet. In Ergänzung zu den Triaxialversuchen wurden zyklische Ödometer- und CBR-Versuche durchgeführt. Ziel war es, zu untersuchen, ob mit den Ergebnissen dieser Versuche eine vereinfachte Klassifizierung von UBG möglich ist. Das elastische Verformungsverhalten der geprüften Materialen konnte auf Grundlage der zyklischen Ödometerversuche gut abgeschätzt und verglichen werden. Mit den Ergebnissen der zyklischen CBR-Versuche war keine befriedigende Charakterisierung des plastischen Verformungsverhaltens möglich. Eine Klassifizierung auf Basis zyklischer Ödometer- und CBR-Versuche scheint im gegenwärtigen Entwicklungsstadium nicht möglich, hierzu sind Triaxialversuche notwendig. Es wurden verschiedene Klassifizierungsverfahren verglichen und eine neue Darstellungsvariante entwickelt, mit der das Potenzial von UBG besser bewertet und verschiedene Materialien verglichen werden können.

Die hohe Bedeutung einer dauerhaften Adhäsion zwischen Bindemittel und Gestein liegt darin begründet, dass die Verdrängung des Bindemittelfilms von der Gesteinskörnung zu irreparablen Schäden mit progressiver Schadensentwicklung führt. In der Literatur finden sich bereits zahlreiche Prüfverfahren zur Quantifizierung der Adhäsion, im Wesentlichen wird jedoch speziell das Haftverhalten in Form von bitumenumhüllter Gesteinskörnung erfasst. Ein hinreichend geeignetes Verfahren zur gezielten Ansprache des Haftverhaltens von Asphalt besteht aktuell nicht. In diesem Forschungsvorhaben wurden vier Prüfverfahren hinsichtlich der Eignung zur Bewertung des Haftverhaltens von Asphalt untersucht. Die mod. Schüttelabrieb-Prüfung, der Stripping-Test im Spurbildungsgerät und der einaxiale Zugversuch ermöglichten unter den betrachteten Randbedingungen keinen zielführenden Ansatz. Es konnte jedoch erfolgreich herausgestellt werden, welchen signifikanten Einfluss die Art der Vorkonditionierung auf das Haftverhalten bewirkt und welche umfassenden Ansätze für eine zielorientierte Quantifizierung notwendig sind. Erste positive Erkenntnisse konnten darüber hinaus durch die Modifizierung der SATS-Prüfung gewonnen werden. Durch eine Veränderung der kombinierten Temperatur- und Druckbeanspruchung, wurde das Verfahren an die nationalen Mischgutkonzepte angepasst. Mit dieser Prüfung wurden 48 Asphaltkonzepte untersucht und abschließend die Auswirkung verschiedener Einflussfaktoren auf das Haftverhalten eruiert. Grundlegend ließ sich eine Abhängigkeit des Steifigkeitsverhältnisses nach der Konditionierung zum Hohlraumgehalt nachweisen, eine Charakterisierung einzelner Einflussparameter konnte jedoch nicht erfolgen. Die reine Druckbeanspruchung ohne Wasser hat darüber hinaus offensichtlich auch einen Einfluss auf die Mikrostrukturen im Prüfkörper. Es handelt sich somit nicht um eine reine Adhäsionsprüfung, sondern um eine kombinierte Prüfung, welche einen weiteren Forschungsbedarf implementiert.

Da Polymer-, Gummi-, wachs- und mehrfachmodifizierte Bitumen seit Jahren im Asphaltstraßenbau eigesetzt werden, kommen diese vermehrt im Ausbauasphalt vor. Zur Bewertung des Ausbauasphalts ist es daher notwendig, die Modifizierungen an der Mischanlage zu identifizieren. Die Ausbildung des Bindemittelsacks beim Erweichungspunkt Ring und Kugel ist charakteristisch für die Modifizierung. Hierdurch können wachsmodifizierte Bitumen (WmB) recht präzise und Polymermodifizierten Bitumen (PmB) teilweise identifiziert werden. Mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) werden die Schmelztemperaturen der Wachse erfasst. Hierdurch können WmB identifiziert und die Wachsarten unterschieden werden. Die Analytik mittels Dynamischem Scherrheometer (DSR) startet mit der Bestimmung der Äquisteifigkeitstemperatur EG*T. Bei EG*T werden Frequenz-, Amplituden- und MSCR-Tests durchgeführt. Die Grenze des LVE-Bereichs dient der Identifizierung von WmB. Anhand der Kennwerte bei 0,1 Hz können PmB erkannt werden. Die Rückformung (MSCRT) dient der Identifizierung von Mehrfachmodifizierungen. Da Gummimodifizierte Bitumen (GmB) bei der Extraktion erkannt werden, können alle Modifizierungsarten identifiziert werden. In den FTIR-Spektren (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) der modifizierten Bitumen verursachen einige Polymere und Wachse charakteristische Banden, wodurch diese erkannt werden. Die Identifizierung der übrigen Additive erfolgt mithilfe einer multivariaten Auswertung, wodurch mit Ausnahme der GmB (nicht erforderlich) alle Additive erkannt werden. An Stichproben konnte zudem eine Abgrenzung von Mehrfachmodifizierungen sowie eine Abschätzung der Zugabemenge erreicht werden. DSR und FTIR ermöglichen beide eine schnelle, einfache und zielsichere Identifizierung der Bitumenmodifizierungen. Durch die FTIR-Analytik können die Modifizierungen mit der größtmöglichen Präzision bestimmt werden. Die DSR-Analytik erlaubt dafür zusätzlich eine baupraktische Bewertung der Bindemittel.

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.

Der Einsatz veränderlich fester Gesteine als Erdbaustoff soll zukünftig erhöht werden. Da sich allerdings ihre bodenmechanischen Eigenschaften nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband unter Witterungseinflüssen bereits während der Bauzeit unterschiedlich stark verändern können, ist ihr Einsatz bisweilen noch zögerlich. Systematische Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten zeigten bereits auf, dass die bodenmechanischen Eigenschaften nicht nur von ihrer Zusammensetzung und den inneren Bindungskräften, sondern auch vom Einbauzustand und dem Verwitterungszustand abhängen. Zum anderen wurde festgestellt, dass bei veränderlich festen Gesteinen das Quellvermögen sogar erst durch eine Lösung der diagenetischen Verbindungen aktiviert werden kann. Um den Einsatz veränderlich fester Gesteine oberflächennah zu ermöglichen, und das Quellpotential abschätzen zu können, wurden Quellversuche an sechs unterschiedlich stark quellfähigen Böden und Gesteinen abhängig vom Einbau- und Verwitterungszustand durchgeführt. Da ein linearer Zusammenhang zwischen Quelldruck und Quelldehnungen besteht, kann zunächst mit Hilfe des Quelldruckversuches beurteilt werden, ob überhaupt Quelldehnungsversuche erforderlich sind. Bei Bodengruppen mit einem höheren Feinkornanteil (d < 0,06 mm) > 15 M.-% sowie bei Böden, die schnell zu einem feinkörnigen Boden zerfallen können (Id2 < 60%) sollte ein Quelldruckversuch durchgeführt werden. Liegen zu diesen Grenzen der Klassifikationsparameter die maximalen Quelldrücke σ > 100 kPa, sind zusätzlich Quellhebungsversuche und eine Tonmineralanalyse zur Erfassung quellfähiger Tonminerale zu ergänzen. Zusammenfassend können veränderlich feste Gesteine grundsätzlich als Erdbaustoff eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Verwitterungsempfindlichkeit ergeben sich höhere Anforderungen an die Erdbauprozesse. Nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband können diese Gesteine bis zum Einbauen und Verdichten schnell zu einem gemischt- bis feinkörnigen Boden zerfallen. Dieser verwitterungsbedingte Zerfall kann zu einer Verschlechterung der bodenmechanischen Eigenschaften führen. Daher sollte eine Zwischenlagerung ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen wegen der Erhöhung des Feinkornanteils vermieden werden. Denn je höher der Feinkornanteil eines Bodens und damit seine spezifische Oberfläche ist, desto mehr Wasser kann an die Oberfläche der zugänglichen Tonminerale angelagert werden. Um das Sackungs- und Quellpotential weiter zu reduzieren, sind beim Einbau Luftporenanteile na ≤ 6 Vol.-% anzustreben. Der Einbau veränderlich fester Gesteine sollte wegen ihrer Witterungsanfälligkeit mindestens 1 m unterhalb der Böschungsoberfläche bzw. dem Planum erfolgen. Aufgrund ihrer Heterogenität sind außerdem Probefelder zur Überprüfung der Einbau- und Verdichtungsvorgaben zwingend erforderlich.

Schwerpunkt des Vorhabens waren Untersuchungen an bisher ungeschädigten Betonfahrbahndecken im Bundesfernstraßennetz, in denen vor rund 30 Jahren Gesteinskörnungen zur Anwendung kamen, die nach Auskunft der BASt gemäß den heutigen Bestimmungen nach dem ARS Nr. 04/2013 teilweise als alkaliempfindlich einzustufen sind. In Abstimmung mit der BASt wurden insgesamt fünf Streckenabschnitte auf den Bundesautobahnen A7, A92 und A93 in Bayern für die Untersuchungen ausgewählt. Im ersten Bearbeitungsschritt erfolgte eine visuelle Begutachtung der Betondecken und eine Zuordnung zu AKR-Schadenskategorien. Des Weiteren wurden AKR-relevante Kennwerte der verwendeten Betonzusammensetzungen anhand der verfügbaren Bestandsunterlagen zusammengestellt. Im Anschluss erfolgte die Entnahme von Bohrkernen aus den Betondecken und die Präparation von Probekörpern für weitere Untersuchungen. Untersucht wurden die mechanischen Eigenschaften (Druck- und Spaltzugfestigkeit), der vorhandene Schädigungsgrad infolge AKR (Dünnschliffmikroskopie) sowie das Restdehnungspotential infolge AKR (Dehnung im 60 °C Betonversuch mit Alkalizufuhr und anschließende Dünnschliffmikroskopie). Mittels Röntgenbeugungsanalyse und Dünnschliffmikroskopie erfolgten Vergleiche zwischen den im Beton vorhandenen und den aktuell in den Abbaustätten produzierten Gesteinskörnungen, soweit aktuelle Proben der Gesteinskörnungen beschafft werden konnten. Die aktuellen Gesteinskörnungsproben wurden mit dem Schnellprüfverfahren nach Alkali-Richtlinie charakterisiert. Bei der visuellen Begutachtung der Fahrbahndecken wurden an keinem der fünf Streckenabschnitte AKR-typische Schäden festgestellt. Die Laboruntersuchungen zum Schädigungsgrad und zum Restdehnungspotential infolge AKR bestätigten im Wesentlichen den aufgrund der Begutachtung angenommenen hohen AKR-Widerstand der Betone.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der Ursachen von Schadensfällen durch Treiberscheinungen in Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) aus RC-Baustoffen mit Betonabbruch. Diese können in Kontakt mit sulfathaltigen Wässern, Böden oder sulfathaltigen Bestandteilen im RC-Baustoff (z. B. Gips) unerwünschte Reaktionen eingehen. Dabei kann es zur Bildung von Ettringit oder Thaumasit kommen, die zu einer Volumenvergrößerung bzw. einer Entfestigung des Zementsteins führen und Straßenschäden verursachen können. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde eine ausführliche Literaturrecherche zu den Ursachen der Schäden und zu Schadensfällen von ToB unter Verwendung von RC-Baustoffen aus Betonabbruch durchgeführt. Die bekannten Schäden durch Treiberscheinungen in ToB traten in den meisten Fällen auf Geh- und Radwegen auf. Die Besonderheit dort ist, dass die überdeckende Asphaltschicht eine wesentlich geringere Schichtdicke aufweist als im Straßenbau. Somit kann die Asphaltschicht durch die bei den Treiberscheinungen entstehenden Expansionsdrucke leichter angehoben werden. Die Analyse der vorhandenen Untersuchungsberichte der Schäden ergab, dass nur in wenigen Fällen zweifelsfrei Treib-erscheinungen durch Ettringitbildung nachgewiesen wurden. In allen anderen Fällen ist mit den dort angewendeten Untersuchungsmethoden der Nachweis von Ettringit oder Thaumasit nicht möglich, da sich die Fragestellung nicht auf die Ursache der Treiberscheinungen durch Ettringit-/Thaumasitbildung, sondern auf die Konformität der eingesetzten Materialien zu den entsprechenden Normen und technischen Regelwerken (z.B. Frostbeständigkeit, Sulfatgehalt) bezog. Somit könnten wesentlich mehr Schäden durch Ettringit- oder Thaumasitbildung verursacht worden sein. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden mehrere Verfahren für die schnelle und quantitative Analyse von Sulfat und Gesamtschwefel in RC-Baustoffen aus Betonabbruch getestet. Mittels IR-Spektroskopie (ATR-Methode) lässt sich der Sulfatgehalt nur unzureichend quantifizieren. Die Nachweisgrenze liegt bei etwa 1,5 M.-%. Unerwünschte Bestandteile (z.B. Kunststoffe, Gips) können jedoch sehr schnell qualitativ nachgewiesen werden. Die Analyse mit einem Röntgenfluoreszenz-Handgerät und die Analyse mittels Verbrennung (Schwefelanalysator) eignen sich für die quantitative Analyse des Gesamtschwefelgehaltes an fein aufgemahlenen Materialien. Die Nachweisgrenze liegt bei < 0,5 M.-% Sulfat. Beide Verfahren können in Baustellencontainern bzw. die Röntgenfluoreszenz auch im Laborwagen eingesetzt werden. Weiterhin wurde ein Prüfverfahren in Anlehnung an DIN EN 1744-1 entwickelt, um die Volumenzunahme von RC-Baustoffen mit Betonabbruch in Kontakt mit extern zugeführten Sulfationen in Form von Gips zu messen. Bei RC-Betonen, die mit Normalzementen hergestellt wurden, wurde eine deutliche Volumenzunahme ab einem externen Gipsgehalt zwischen 0,9 M.-% - 1,8 M.-% (entspricht zwischen 0,5 M.-% und 1 M.-% externem Sulfat) nachgewiesen. Es muss darauf hingewiesen werden, dass für dieses Verfahren kein Bewertungsmaßstab vorliegt, mit dem auf Treiberscheinungen in Tragschichten geschlossen werden kann. Mit Hilfe des Simulationsverfahrens Transreac, welches chemische Reaktionen und Transportprozesse in mineralisch gebundenen Materialien berechnet, wurden Worst-Case-Szenarien zur Abschätzung des Grenzwertes für Sulfat in RC-Baustoffen aus Betonabbruch berechnet. Die rechnerische Simulation ergab einen Grenzwert für den externen Gipsgehalt im RC-Beton von < 1 M.-% (entspricht < 0,55 M.-% Sulfat). Experiment und Simulation weisen darauf hin, dass es oberhalb eines externen Sulfatgehaltes von 0,5 M.-% zu Volumenvergrößerungen bzw. Schäden durch Ettringit-/Thaumasitbildung kommen kann. Dieses Ergebnis bestätigt den Grenzwert für säurelösliches Sulfat von RC-Baustoffen, der in den derzeit gültigen Regelwerken enthalten ist.