Seit Jahrzehnten werden in den USA abgängige Asphalt- oder Betonfahrbahnen mit dem „Whitetopping“-Verfahren instand gesetzt, bei dem die geschädigte Fahrbahndecke mit einer neuen zwischen ca. 5 und 25 cm dicken Decke überbaut wird, um ihre Tragfähigkeit und Verkehrssicherheit wieder herzustellen. In einem von der Universität Kassel gemeinsam mit der Bundesanstalt für Straßenwesen bearbeiteten Forschungsprojekt wurde untersucht, ob die Bauweise mit üblichen Straßenfertigern herstellbar und dauerhaft tragfähig ist, wenn nur ca. 6 bis 8 cm dicke durchgehend bewehrte Schichten aus stahlfaserhaltigem Hochfestem Beton (HPC, Druckfestigkeit 125 N/mm²) oder Ultra-Hochfestem Beton (UHPC; 175 N/mm²) verwendet werden. Zunächst wurde der Fahnbahnaufbau vordimensioniert, anschließend wurde das Tragverhalten unter Schwellbelastung an einem Modellaufbau im Labor ermittelt. Nachdem dort eine ausreichende Tragfähigkeit festgestellt wurde, wurde 2008 eine erste Versuchsstrecke auf einem Lkw-Parkstreifen an der BAB A 2 gebaut.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Aufgrund des immer steigenden Schwerverkehraufkommens und der damit zusammenhängenden kürzeren Lebensdauer von Fernverkehrsstraßen gewinnen kostengünstigere und schneller durchführbare Instandsetzungsverfahren mehr und mehr an Bedeutung. Seit den 1920er Jahren werden in den USA und Kanada abgängige Asphalt- oder Betonfahrbahnen mit dem Whitetopping-Verfahren (engl.: white = weiß (synonym für Beton), topping = Über­deckung) instand gesetzt. Dabei wird die geschädigte Fahrbahn mit einer neuen – je nach Verkehrsbelastung – etwa 15 bis 25 cm dicken Decke überbaut. Der alte Fahrbahnaufbau verbleibt an Ort und Stelle und wird als hochwertige Tragschicht weiter genutzt. Dieses Verfahren spart Zeit, Ressourcen und damit Kosten, da der Ausbau der Altfahrbahn entfällt [1].

Neben diesem „herkömmlichen“ Whitetopping gibt es das sogenannte „Thin-Whitetopping mit einer weniger als 15 cm dicken Überbauung sowie das „Ultra-Thin-Whitetopping“ bei dem die neue Deckschicht trotz zum Teil hoher Verkehrsbelastung weniger als 10 cm dick ist. In einem von der Universität Kassel im Auftrag und gemeinsam mit der Bundesanstalt für Straßenwesen bearbeiteten, von verschiedenen Industrieunternehmen und dem Land Nordrhein-Westfalen nachhaltig unterstützten Forschungsprojekt wurde untersucht, ob die letztgenannte Bauweise mit üblichen Straßenbaugeräten herstellbar und dauerhaft tragfähig ist, wenn sehr dünne Schichten aus durchgehend bewehrtem, faserhaltigem Hochleistungsbeton – Hochfester Beton mit einer Druckfestigkeit von ca. 125 N/mm² nach DIN 1045-2 [2] oder besonders gefügedichter Ultra-Hochfester Beton (UHPC) [3, 4] mit einer Druckfestigkeit um 180 N/mm² – aufgebracht werden.

Sowohl hinsichtlich der Materialien, der Herstellung der Betone und ihres Einbaus mit Straßenfertigern als auch der sachgerechten Bemessung und Konstruktion des Fahrbahnaufbaus wurde dabei Neuland betreten. Das Forschungsvorhaben umfasste deshalb ganzheitlich alle Gesichtspunkte von der Dimensionierung mit einem dafür optimierten FE-Programm unter Verwendung neuer stoffgerechter Bemessungsalgorithmen und Materialgesetze, die Validierung der Rechenergebnisse an realitätsnahen Modellaufbauten unter Schwellbelastung im Labor und die Entwicklung von Hoch- und Ultra-Hochfesten Betonen, die mit Straßenfertigern eingebaut werden können.

Nachdem diese Vorversuche die Ergebnisse der Dimensionierung bestätigten und auf ein ausreichend dauerhaftes Tragverhalten unter dynamischen Verkehrslasten schließen ließen, wurden die konstruktiven Details z. B. hinsichtlich der Bewehrungslage und zur Sicherstellung des Verbundes festgelegt und in einem ersten Feldversuch die praktische Herstellung erprobt. Anschließend wurde auf einem Parkstreifen für Lkw an der Autobahn A 2 eine 250 m lange Versuchsstrecke mit durchgehend bewehrtem, faserhaltigem Hochfesten Beton
gebaut, deren Verhalten über mehrere Jahre hin beobachtet und gemessen wird.

2 Whitetopping

In den USA wurde bereits in den 1920er Jahren für die Instandsetzung von verformten und/oder ermüdeten Asphaltstraßen, später auch für abgängige Betonstraßen das Instandsetzungsverfahren „Whitetopping“ entwickelt und seither regelmäßig angewendet [1, 2, 5]. Hierbei wird auf den vorhandenen Straßenaufbau eine neue Deckschicht aus Beton aufgebracht. Die Resttragfähigkeit der vorhandenen Konstruktion wird bei der Dimensionierung berücksichtigt. Dadurch können „Whitetopping“-Decken bei gleicher Belastung in aller Regel dünner und damit kostengünstiger sein als bei den Betonbauweisen der RStO.

Wesentliche weitere Argumente für diese Bauweise sind, dass die Fahrbahnoberfläche verformungsstabil bleibt, dass die vorhandenen Baustoffe vollständig weiter verwendet werden können. Damit werden Ressourcen und damit die Umwelt geschont. Gegenüber einer grundlegenden Erneuerung einer abgängigen Konstruktion werden zudem die Bauzeit wesentlich verkürzt und die Baukosten deutlich verringert [1]. Whitetopping ist damit sehr nachhaltig. Durch sehr dünne Beläge wird zudem die lichte Höhe unter Brücken und anderen Bauwerken nicht wesentlich eingeschränkt.

Tabelle 1: Whitetopping: Angenommene Schichtdicken für Whitetopping-Decken [6]

Unterschieden wird gemeinhin – wie in der Tabelle 1 in Anlehnung an die amerikanischen Erfahrungen dargestellt ist – zwischen „herkömmlichen“, „dünnen“ (thin) und „ultra-dünnen“ (ultra-thin) Whitetopping-Decken [1, 5]. Herkömmliche Whitetopping-Decken entsprechen hinsichtlich ihrer Schichtdicke und ihrer Konstruktion in Deutschland z. B. den Betondecken nach den ZTV Beton-StB und den RStO. Der alte Aufbau wird hinsichtlich seiner Tragfähigkeit wie eine gebundene Tragschicht betrachtet.

Bei „dünnen“ Whitetopping-Decken wird die Resttragfähigkeit des Aufbaus bei der Schicht-dicke berücksichtigt. Konstruktiv entsprechen die danach gebauten Betondecken ebenfalls weitgehend der herkömmlichen Betonbauweise, das heißt sie erhalten verdübelte Quer- und verankerte Längsfugen. Die Fugenabstände werden entweder z. B. nach [7 bis 9] der geringeren Deckendicke angepasst oder es wird versucht, das Schwinden des Betons und/oder seine Rissneigung zu verringern, z. B. durch Zugabe von Fasern und/oder von schwindreduzierenden chemischen Zusatzmitteln.

„Ultra-dünne“ Whitetopping-Decken auf Asphalt werden in Nordamerika bei geringem Verkehr unbewehrt mit Fugen, häufig aber auch durchgehend bewehrt und somit fugenlos hergestellt, und zwar sowohl mit Normalbeton als auch mit Hochfestem Beton [5, 8, 10]. Wesent­lich für den Erfolg der „ultra-dünnen“ Bauweise ist, dass die Deckschicht fest und dauerhaft mit dem darunter befindlichen Asphalt oder Beton verbunden wird, sodass ein monolithisches Tragverhalten erreicht wird. In der Regel wird dies dadurch erreicht, dass die neue Decke mit Stahlankern mit dem vorhandenen Aufbau verbunden wird.

Bei dünnen Betondecken können faserbewehrte Hochfeste und Ultra-hochfeste Betone vorteilhaft sein. Dies zu überprüfen war einer der Schwerpunkte des Forschungsvorhabens.

Bild 1: Ultra-dünner Whitetopping-Aufbau auf einer abgängigen Betonfahrbahndecke mit hochfestem/ultra-hochfestem Beton

3 Vordimensionierung der Deckschicht

3.1 Wahl der Bauweise

Bei der Dimensionierung der Deckschicht waren zwei wesentliche Aspekte zu berücksich-tigen. Zum einen muss die Schichtdicke der Betondecke in Abhängigkeit von der Verkehrsbelastung, von der Tragfähigkeit des „Altaufbaus“ und von der gewählten Konstruktion so festgelegt werden, dass der verstärkte Gesamtaufbau die Verkehrslasten ebenso dauerhaft erträgt wie ein grunderneuerter Straßenaufbau. Um ein homogenes Tragverhalten ohne schwächende Unstetigkeiten sicherzustellen, wurde eine fugenlose, mit Matten in Längs- und Querrichtung bewehrte Konstruktion gewählt, deren Beton zudem mit ca. 1 Vol.-% feiner Stahlfasern verstärkt wurde, um seine Zugfestigkeit zu erhöhen.

Zum anderen muss die Bewehrung so bemessen werden, dass die Breite der durch zentrischen Zwang infolge abfließender Hydratationswärme, Schwinden und witterungsbedingten Temperaturänderung induzierten, ohne Fugen unvermeidlichen Risse auf höchstens 0,1 mm begrenzt bleibt, damit trotz geringer Überdeckungsdicke auch bei Tausalzangriff die Bewehrung nicht korrodiert.

3.2 Bewehrung

Bei konstruktiven Bauwerken aus Stahlbeton und Spannbeton wird der Stahlquerschnitt, der zur Begrenzung der Breite der bei zentrischem Zwang infolge Schwindens und Temperatur, benötigte nach den Algorithmen der DIN 1045-1 [8] ermittelt. Diese gelten allerdings nur für Betone bis zur Festigkeitsklasse C100/115, das heißt bis einschließlich Hochfestem Beton. Ultra-Hochfester Beton ist ein sehr gefügedichter und spröder Beton mit einer Druckfestig-keiten von ca. 180 N/mm² außerhalb der DIN 1045-2  [2], siehe auch Abschnitt 4.1. Sein Bruchverhalten wird in der Regel durch Zugabe von Stahlfasern modifiziert [4]. Für die Vorbemessung wurde auf bekannte Stoffkennwerte für einen grobkörnigen UHPC mit 1 Vol.-% Stahlfasern (L/D = 17,0/0,15 mm), einer Druckfestigkeit von ca. 185 N/mm² und einer Zugfestigkeit von ca. 8,5 N/mm² aus [4] zurückgegriffen.

In [10] wurde ein Berechnungsverfahren zur Rissbreitenbegrenzung bei schlaff bewehrten Bauteilen aus faserhaltigem UHPC vorgestellt, das die Mitwirkung der Stahlfasern im Rissquerschnitt berücksichtigt. Dadurch kann der Anteil an schlaffer Bewehrung verringert werden. Es wurde volle Verformungsbehinderung angenommen. Als minimale Schichtdicken wurden 4,0 bis 6,0 cm gewählt, beides in Anlehnung an eine Verstärkungsschicht aus UHPC auf einem ortotrophen Brückendeck einer Stahlbrücke in Moerdijk [11]. Die Mindestbewehrung wurde einmal wie für ein wasserundurchlässiges Bauwerk [8, 12] auf eine rechnerische Rissweite von wk = 0,10 mm und einmal für wk = 0,05 mm errechnet, um das Eindringen von Chlorid-Ionen vollständig zu vermeiden. Unter den sonstigen, in [2] näher erläuterten stoff-lichen und konstruktiven Voraussetzungen ergaben sich für die untersuchten Varianten die in der Tabelle 2 dargestellten Bewehrungsmengen.

Tabelle 2: Mindestbewehrung in cm²/m für zul. rechnerische Rissbreiten von 0,05 und 0,1 mm

Nach DIN 1045-1 [8] ergibt sich für Bauteile aus Stahlbeton bis zur Festigkeitsklasse C100/115 bei der hier vorliegenden Expositionsklasse XF4/XD3 eine Betonüberdeckung von mindestens 55 cm, um die Bewehrung vor Korrosion zu schützen. Durch das gegenüber Normalbeton wesentlich dichtere Gefüge des Hochfesten und insbesondere des Ultra-Hochfesten Betons [13] sind nach [4, 10] bei einem Stabdurchmesser von 8 mm deutlich geringere Betondeckungen von nur noch 30 mm beim HPC und nur noch ca. 25 mm beim UHPC möglich. Um dies zu erreichen, wurden die Bewehrungsmatten an den Stößen mit laschenartigen Rundeisen höhengleich miteinander verschweißt.

Aufgrund der Vordimensionierung – insbesondere anhand der Mindestüberdeckung – wurde für die weiteren Versuche unter anderen an praxisnahen Modellaufbauten (siehe Abschnitt 5) für die Deckschicht aus UHPC eine Mindestdicke von 60 mm, für diejenige aus HPC von 80 mm festgelegt. Als Bewehrung wurden Matten (BST 500 M (A), Teilung 65/50 mm) mit einem Stabdurchmesser von 8 mm gewählt. Mit einem für diesen Zweck von Riedel [14] modifizierten FE-Programm wurde überprüft, dass bei diesen Schichtdicken die zulässigen Spannungen in den faserbewehrten Betonen der Deckschicht nicht überschritten werden, wenn sie auf eine „ermüdete“ Betonfahrbahndecke aufgebracht werden. Die Ergebnisse wurden später durch Modellversuche validiert, siehe Abschnitt 5.

4 Betone

4.1  Betonentwicklung

Im Forschungsvorhaben sollten ein Ultra-Hochfester Beton und ein Hochfester Beton entwickelt werden, die mit einem üblichen Betonstraßenfertiger innerhalb von 90 Min. eingebaut und vollständig verdichtet werden können und die eine ausreichende Kantenstabilität aufweisen. Wegen der sehr geringen Betonüberdeckung über der Bewehrung sollten beide Betone zudem praktisch undurchlässig für Chloridionen sein und ohne LP-Mittel einen ausreichend hohen Widerstand gegen Frost- und Tausalz aufweisen. Ultra-Hochfester Beton ist bekannt für seine gefügedichte Struktur. Allerdings waren alle bisher vorhandenen UHPC-Mischungen ausschließlich für den Einbau in Schalungen konzipiert, das heißt sie waren fließfähig [4, 15] und aufgrund des hohen Feinstoffanteils von honigartiger thixotropzäher Konsistenz und dadurch für den Einbau mit Fertigern nicht geeignet. Durch iterative Änderung der Zusammensetzung und des FM-Gehaltes wurde er anhand des Ausbreitmaßes nach DIN 12350-5 eine steif-plastische Konsistenz eingestellt.

Tabelle 3: Betonrezeptur für den Hochfesten Beton (HPC)

Tabelle 4: Standard UHPC-Mischung B4Q nach [4] und optimierter Beton UHPC-StB

Hochfester Beton (HPC) gleicht – abgesehen von dem üblichen Anteil an Mikrosilika – hinsichtlich seiner Zusammensetzung und seiner Verarbeitbarkeit eher Normalbeton und lässt sich leichter auf die für Fertiger geeignete Konsistenz eines üblichen Straßenbetons (a ca. 35 cm) einstellen. Die Zusammensetzung ist der Tabelle 4 zu entnehmen.

4.1.1  Frischbetonuntersuchungen

Das Ausbreitmaß wurde jeweils nach 10, 20, 30 und 60 Minuten bei 20 °C und 30 °C bestimmt. Der hochfeste Beton (HPC) und der mit Verzögerer hergestellte UHPC wiesen bei 20 °C ein Ausbreitmaß von konstant 35  cm auf. Bei 30 °C lag das Ausbreitmaß beim HPC bei i. M. 40 cm, beim UHPC bei 46 cm, das heißt die Fließmittel verflüssigten bei höheren Temperaturen stärker. Ohne Verzögerer steifte der UHPC bereits nach 15 Min. stark an. Beide Betone waren auch nach 100 Minuten aufmisch- und verarbeitbar.

4.1.2  Festbetonkennwerte

Die Druckfestigkeit der optimierten Betone wurde an Zylindern (Æ = 150 mm, h = 300 mm) sowie an Würfeln (l=150 mm), die Biegezugfestigkeit wurde an Balken (l x b x h = 700 x 150 x 150 mm) nach 1, 2, 7, 28 und 56 Tagen in Anlehnung an DIN EN 12390 ermittelt. Exemplarisch sind im Bild 2 die Entwicklung der Biegezugfestigkeit (links) und der Würfeldruckfestigkeit (rechts) aufgetragen.

Bild 2: Festbetonkennwerte HPC und UHPC (links: Biegezugfestigkeit, rechts: Würfeldruck-festigkeit)

Die an Balken 150 x 150 x 700 mm gemessene 28-Tage-Biegezugfestigkeit der faserhaltigen Betone war mit ca. 13 bis 15 N/mm² mehr als doppelt so hoch als bei üblichem Straßenbeton. Die 2-Tage-Druckfestigkeit (Zylindern 150 x 300 mm) des UHPC entsprach mit 79 N/mm² etwa der 7-Tage-Festigkeit des HPC.

Ab einem Alter von 7 Tagen war sie konstant etwa 45 N/mm² größer. Kennwerte für die Dauerhaftigkeit waren die Porosität und die Porenradienverteilung, der Frost-Tausalz-Widerstand, der Chlorid-Eindringwiderstand, das Schwinden und die Carbonatisierung.

4.1.3 Porosität und Porenradienverteilung nach 28 Tagen

Das Porenvolumen und die Porenradienverteilung nach 28 Tagen wurden mit der Queck-silberdruckporosimetrie bestimmt. Das Bild 3 zeigt links die Porenradienverteilung, rechts das kumulierte Porenvolumen beider Betone.

Der HPC hatte bei einer Gesamtporosität von ca. 5,2 Vol-% noch einen Anteil von etwa 15 mm³/g an diffusionswirksamen Mikrokapillarporen (1 µm > Æ > 30 µm). Der UHPC besaß ausschließlich Poren im Mesogelporenbereich. Er enthielt keine Kapillarporen, das heißt er war praktisch diffusionsdicht. Die Gesamtporosität lag mit ca. 1,7 % ebenfalls deutlich nied-riger als beim Hochfesten Beton. Dies deckt sich mit Untersuchungen in [4].

Bild 3: Porosität HPC und UHPC (links: Porenradienverteilung, rechts: Porenvolumen)

4.1.4 Frost-Tausalz-Widerstand

Der Wasseraufnahmekoeffizient und die Gesamtabwitterung bei Frost-Tausalz-Beanspruch­ung wurden nach dem CDF-Verfahren nach Setzer [16] bestimmt. Im Alter von 28 Tagen wurden die Proben zunächst 7 Tage zum Saugen in eine Salzlösung (3 %-ige NaCl-Lösung) gestellt. Dann wurde der Wasseraufnahmekoeffizient wt bestimmt. Anschließend durchliefen die Proben 28 Frost-Tau-Wechsel.

Der Wasseraufnahmekoeffizient lag mit nur ca. 0,04 kg/(m²×h^0,5) bei beiden Betonen in einem Bereich, der für hochfeste und ultrahochfeste Betone üblich ist [4]. Die Gesamtabwitterung lag mit maximal ca. 215 g/m² weit unter dem zulässigen Wert für Normalbeton mit LP-Mittel von 1 500 g/m².

4.1.5 Chlorid-Eindringwiderstand

Die Dichtigkeit beider Betone gegenüber Chlorid-Ionen wurde im Chloriddiffusions-Schnelltest nach Tang [17] geprüft. Zylinderförmige (Æ=10 cm, h=5 cm) HPC- und UHPC-Probekörper wurden 168 h (1 Woche) in einer 5 %-igen Chloridlösung gelagert, wobei das Chlorideindringen durch ein angelegtes elektrisches Feld beschleunigt wurde.

Mit einem Farbindikatortest wurde die Eindringtiefe an den Bruchflächen der zuvor gespaltenen Probekörper bestimmt. Beide Betone waren praktisch chloriddiffusionsdicht, da keine Farbveränderung auf den Bruchflächen feststellbar waren.

4.1.6 Schwinden

Das Schwindverhalten wurde an Zylindern (Æ = 150 mm, h = 300 mm) im Normklima 20 °C/65 % rel. F. nach einem Tag konservierender Lagerung ermittelt. Dadurch wurde das autogene Schwinden in den ersten 24 h nicht berücksichtigt.

Das Endschwindmaß war daher mit ca. 0,40 mm/m bei beiden Betonen ebenfalls etwas geringer als bei einer praxisgerechteren Messung vom Beginn der Hydratation an, bei der ein Schwindmaß von etwa 0,7 mm/m gemessen wurde [4].

4.1.7 Carbonatisierung

Die Carbonatisierung wurde an 100-mm-Würfeln nach 28, 90, 180, 360 Tagen bestimmt. Eine Serie wurde unter Normklima (20 °C/65 % r. F.) gelagert, eine weitere wurde einer Wechsellagerung (4d Normklima, 3d Wasserlagerung) unterzogen, da diese den tatsäch-lichen Klimabedingungen ähnlicher ist. Die UHPC-Probekörper waren in beiden Fällen bis 180d gar nicht carbonatisiert, die bei 20 °C/65 % r. F. gelagerten HPC-Probekörper bis in eine Tiefe von ca. 1 mm, die unter Wechselklima gelagerten Proben weniger als 1 mm.

5 Laborversuche an Modellaufbauten

5.1 Modellversuche

5.1.1  Versuchsaufbau und -Durchführung

Nach der Vordimensionierung mit Finiten Elementen (siehe oben) und nach Abschluss der Betonentwicklung wurde das Tragverhalten im Labor zur Absicherung der Rechnungen an einem realitätsnahen 5 m langen und 2,5 m breiten Modellaufbau in der Großversuchsanlage des Instituts validiert. Die „alte“, entspannte Betonfahrbahn wurde durch acht jeweils 2,50 x 2,50 m große, 20 cm dicke vorgefertigte Platten aus Normalbeton simuliert, die mit ihren Seitenflächen ohne Dübel und Anker aneinander lagen und lediglich durch Reibung miteinander interagierten (Bild 4). Dies sollte die Kinematik einer entspannten Betonfahrbahn nachbilden. Die elastische Bettung unter den Platten wurde durch Gummimatten mit bekannter Steifigkeit so eingestellt, dass sie der einer Frostschutzschicht entsprach. Auf die Betonplatten wurden die 60 mm (UHPC) bzw. 60 mm (HPC) dicken mittig mit einer Matte (R589) bewehrten Deckschichten ohne zusätzliche Verbundmaßnahmen aufbetoniert. Nach 7 Tagen wurde das System belastet. Als Belastung wurde beim UHPC eine sinusförmig pulsierende Last mit einer Oberlast von 60 kN (Achslast 120 kN), beim HPC zwei im Wechseltakt einge-stellte Lasten von jeweils 70 kN (140 kN Achslast) über Lastplatten (D = 300 mm) aufge-bracht, um das Überrollen der Fuge noch besser nachzustellen. Die Unterlast betrug 9 kN, die Frequenz 2 Hz. Die hydraulische Belastungseinrichtung mit Doppellast ist im Bild 5 (rechts), die Laststellung und die Lage der induktiven Wegaufnehmer zur Messung der induzierten Verformungen im Bild 5 (links) dargestellt. Beim Versuch mit HPC wurde unter einer der Lasteinleitungsstellen ein Hohlraum angeordnet, um ein eventuelles Hohlligen der Deckschicht zu simulieren. Im Bild 6 (rechts) ist die typische Entwicklung der Einsenkung bei einem dynamischen Ermüdungsversuchs mit konstanter Schwellbeanspruchung dargestellt. Die untere Hüllkurve ist der maßgebende Indikator für die bleibende Verformung. Auf die Konsolidierungsphase folgt ein Bereich weitgehend konstanter elastischer Verformungen, ehe sie ermüdungsbedingt progressiv ansteigen.

Bild 4: Simulierte entspannte Betonfahrbahnplatte bestehend aus acht 20 cm dicken Einzelelementen auf elastischer Bettung

Wenn die Oberspannung ausreichend niedrig ist, bleiben die elastischen Verformungen auf Dauer konstant und die Ermüdungsphase wird nicht erreicht. In der Regel kann davon ausgegangen werden, dass die Dauerschwellfestigkeit von Betonbauteilen nicht überschritten wird, wenn bei dem vorhandenen Belastungs- und Spannungsniveau 1 Mio. Lastwechsel ohne Ermüdungsanzeichen erreicht werden. Aufgrund beider Modellversuche wurde das FE-Programm kalibriert und danach die Dimensionierung des Aufbaus für den Bau der Versuchsstrecke validiert. Die Verformungen wurden an den im Bild 5 dargestellten Positionen mit induktiven Wegaufnehmern gemessen.

Im Bild 6 (links) ist die Einsenkung neben dem ersten Lastzylinder (Nr. 1, linke Platte) bei der Prüfung des Aufbaus mit HPC zusammen mit der oberen und unteren Hüllkurve dargestellt. Bis zum Ende des Versuchs nach 1 Mio. Lastwechseln blieben die Einsenkungen nach der Konsolidierung bei beiden Aufbauten konstant. Die Aufbauten reagierten rein elastisch. Auch optisch waren keinerlei Strukturveränderungen festzustellen. Nach Belastungsende wurde mittels Ultraschalluntersuchungen lediglich festgestellt, dass sich die Deckschichten großflächig von der Betonunterlage gelöst hatten.

Bild 5: Modellversuch HPC (links: schematische Darstellung, rechts: Belastungseinrichtung)

Bild 6: Einsenkung während der sinusförmigen Belastung und 70 kN und einer Frequenz von 2 Hz über eine Dauer von 1 Mio. Lastwechseln (links), schematischer Verlauf der Dehnung und der Dehnungsrate bei Entlastung als Maß für das elastische Verhalten während eines Ermüdungsversuch (rechts)

6 Versuchsstrecke BAB A 2

Auf der Grundlage der Dimensionierung und der Belastungsversuche an Modellaufbauten wurde im Sommer 2008 mit Unterstützung des Landes Nordrhein-Westfalen und der beteiligten Firmen auf einem ca. 4 m breiten Parkstreifen für schwere Lkw eines Autobahnparkplatzes an der BAB A 2 die im Bild 7 dargestellte, 225 m lange Versuchsstrecke mit HPC gebaut. Bei praxisnahen Vorversuchen konnte er zuvor mit mobilen Betonmischanlagen hergestellt und mit einem herkömmlichen Straßenfertiger kantenstabil eingebaut werden.

Tabelle 5: Aufbau der Versuchsstrecke

Bild 7: Ansicht der Strecke, Porta Westfalica

Die Versuchsstrecke wurde in drei je 75 m lange Abschnitte unterteilt. In zwei Abschnitten mit einer Deckendicke von 6 bzw. 8 cm wurde die Decke fest mit der Betontragschicht verbunden. Dazu wurden – wie im Bild 8 dargestellt – in der Betontragschicht Stahlanker befestigt und an der Bewehrung der Decke angeschweißt. Im dritten Abschnitt wurde auf die Betontragschicht eine Bitumenemulsion aufgebracht um zu erproben, ob ein teilviskoser „klebender“ Verbund erreicht wird. Aus Korrosionschutzgründen wurde die Schichtdicke in einem verankerten und in dem mit Bitumenemulsion behandelten Abschnitt auf 8 cm erhöht.

Bild 8: Durchgehende Bewehrung aus verschweißten Matten (Teilung 65/50 mm (links)), mit Stahldübeln an der Tragschicht verankerte Bewehrung in den Fahrbahnabschnitten II und III (rechts)

Die feinen Betonbestandteile – Zement, Mikrosilika und Sand – wurden als Trockencom-pound in einem Trockenmörtelwerk gemischt und auf der Baustelle in mobilen Mischfahrzeugen mit der groben Basaltkörnung 2/8 mm, den Stahlfasern, dem Wasser und dem PCE-Fließmittel vermischt.

Aufgrund der im Tagesverlauf ansteigenden Umgebungstemperaturen und der unterschiedlichen Mischwirkung der Mischfahrzeuge wurden der Wassergehalt und die Fließmittelmenge mehrfach angepasst, um die Zielkonsistenz von ca. 35 bis 38 cm (Ausbreitmaß nach DIN EN 12350-5) zu erreichen. Der Beton wurde mit einem Bagger vorgelegt und mit dem im Bild 9 gezeigten Straßenfertiger eingebaut und verdichtet. Der frische Beton war kantenstabil, die Oberfläche geschlossen und eben. Auf die Oberfläche wurde ein kombiniertes Mittel zur Nachbehandlung und zur Erhärtungsverzögerung aufgesprüht. Nach einer Wartezeit von ca. 6 bis 8 h wurde die Oberfläche ausgebürstet. Die Griffigkeit der so erreichten Waschbetonoberfläche war anforderungsgerecht.

6.1 Ergebnisse

Auf der Baustelle wurden für die Druckfestigkeitsprüfung Zylinder 150/300 mm und zur Prüfung der Biegezugfestigkeit und der Wirksamkeit der Fasern Balken 150 x 150 x 700 mm hergestellt. Die Druckfestigkeit lag je nach Wassergehalt der geprüften Mischungen und Rohdichte des Betons nach 28 Tagen zwischen ca. 94 N/mm² und ca. 103 N/mm². Die mittlere Rohdichte war mit ca. 2,50 kg/m³ etwas geringer als die der optimal verdichteten Laborprüfkörper.

28 Tage nach dem Einbau wurden über die Strecke verteilt Bohrkerne entnommen. Der Beton war porenarm verdichtet und das Größtkorn und die Fasern waren gleichmäßig verteilt. Die Bewehrung war vollständig in den Beton eingebettet. Die Druckfestigkeit der Bohrkerne mit der dazugehörigen Rohdichte ist im Bild 9 (links) dargestellt. Die mittlere Rohdichte lag einschließlich des Bewehrungsstahls bei 2,64 kg/m³. Die Druckfestigkeit über alle drei Abschnitte lag etwa bei 110 N/mm², die Einzelwerte entsprechend der zum Teil unterschiedlichen  Rohdichte und dem im  Bohrkern  vorhandenen  Anteil an Bewehrungsstahl zwischen 97 und 123 N/mm². Die Druckfestigkeit erreichte damit i. M. ca. 90 % der unter Idealbedingungen im Labor festgestellten Werte.

Bild 9: Druckfestigkeit und Rohdichte der Bohrkerne nach 28 Tagen (links), Versuchsstrecke
in der Bauphase (rechts)

In der Decke sind – wie bei Stahlbetonbauwerken systembedingt üblich – weit überwiegend feine Risse aufgetreten, deren Rissweite dem rechnerisch angestrebten Wert von ca. 0,1 mm entspricht. Dies bedeutet, dass die gewählte kombinierte Bewehrung mit Bewehrungsmatten und etwa 1,0 Vol.-% kurzer Stahlfasern die Schwind- und Temperaturspannungen wirksam aufnehmen konnte. In den Abschnitten mit verankerter Deckschicht wurde der bei sehr dünnen Whitetopping-Decken notwendige vollständige Verbund festgestellt. Die Anspritzung mit Bitumenemulsion war dagegen bisher weniger verbundwirksam.

Nach Fertigstellung der Waschbetonoberfläche wurde auf den Versuchsfeldern die Texturtiefe mittels Sandfleckverfahren ermittelt. Dabei wird eine definierte Menge eines Normsandes auf der Betonoberfläche gleichmäßig kreisförmig verstrichen. Anschließend wird die Fläche des Kreises ermittelt und die Texturtiefe berechnet. Mit Hilfe dem Sandfleckverfahren wird die Markotextur der Oberfläche bestimmt. Je kleiner der Sandfleck auf der Straßenober-fläche ist, umso rauer ist der Belag. Die Ergebnisse sind im Bild 10 zusammengefasst, wobei jeder Messpunkt (P1 bis P7) den Mittelwert aus drei Einzelmessungen darstellt.

Insgesamt wurde eine Texturtiefe zwischen 0,7 mm und 0,9 mm erzielt. Der Messpunkt P2 wurde gewählt, da hier augenscheinlich eine niedrige Texturtiefe erzielt wurde. Dies spiegelte sich auch in dem Messwert von 0,5 mm wieder.

Bild 10: Ermittelte Texturtiefen auf der Erprobungsstrecke PWC Löwenburg

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Herstellung einer Waschbetonoberfläche mit Hochfestem Beton möglich ist. Die geforderten Texturtiefen gemäß den ZTV Beton-StB werden eingehalten. Besondere Beachtung muss dem Zeitpunkt des Ausbürstens gewidmet werden, da Hochleistungsbeton im Vergleich zu Straßenbetonen ein anderes Erhärtungsverhalten zeigt.

Die Versuchsstrecke wird in den nächsten Jahren weiter überwacht. Unter anderem werden Einsenkungsmessungen mit dem FWD durchgeführt, um die Tragfähigkeit festzustellen.

7 Zusammenfassung

In einem von der Universität Kassel und der Bundesanstalt für Straßenwesen bearbeiteten Forschungsprojekt wurde eine neue, sehr innovative und nachhaltige Bauweise für die dauerhafte Ertüchtigung abgängiger Beton- und Asphaltdecken entwickelt: eine mit ca. 8 cm Dicke sehr dünne und dennoch hoch tragfähige fugenlose Deckschicht aus durchgehend bewehrtem Hochfestem Faserbeton (HPC) mit einer Druckfestigkeit von etwa 100 bis 120 N/mm².

Zudem wurden die baustofftechnologischen und theoretischen Grundlagen für die Verwendung von Ultra-Hochfestem Beton (UHPC, Druckfestigkeit um 200 N/mm²) für diese neue „Whitetopping“-Bauweise geschaffen.

Zunächst wurde im Labor die geeignete Zusammensetzung der Betone und ihr Verhalten unter statischen und dynamischen Lasten und unter Witterungsbeanspruchung ermittelt. Mit Hilfe geeigneter Rechenalgorithmen und eines modifizierten FE-Programms wurde ein ausreichend tragfähiger Fahrbahnaufbau mit einer nur 6 bzw. 8 cm faser- und mattenbewehrten Deckschicht dimensioniert und anschließend das Verhalten realitätsnah im einem Modellaufbaus unter dynamischer Belastung in einem Großversuchsstand verifiziert.

Die Herstellung der beiden Betone mit mobilen Mischfahrzeugen und die Verarbeitbarkeit mit einem üblichen Betondeckenfertiger wurden im nächsten Schritt unter realen Baustellenbedingungen erprobt und optimiert.

Auf der Grundlage dieser sehr umfangreichen Voruntersuchungen wurde schließlich im September 2008 mit Unterstützung des Landes Nordrhein-Westfalen und der beteiligten Unternehmen eine ca. 225 m lange Versuchsstrecke mit 6 bzw. 8 cm dicker, teilweise verankerter Deckschicht aus HPC auf einer Betontragschicht auf einem Autobahnparkplatz für schwere Lkw gebaut.

Bild 11: Abbürsten der Waschbetonoberfläche (links), Waschbeton-Oberfläche (HPC) (rechts)

Der Hochfeste Beton ließ sich mit einem herkömmlichen Straßenfertiger problemlos einbauen und vollständig verdichten. Die auf eine korrosionssichere rechnerische Rissöffnungsweite von ca. 0,1 mm angestimmte kombinierte Bewehrung aus Fasern und Bewehrungsmatten hat die durch Schwinden und Temperaturänderungen induzierten Zwangsspannungen planmäßig übernommen. Der notwendige Verbund zwischen Deckschicht und Unterlage ist am wirksamsten mit Stahlankern sicherzustellen.

In die Oberfläche ließ sich mittels Oberflächenverzögerer und anschließendem Ausbürsten eine wirksame Waschbetonstruktur (s. Bild 11) einbringen, wobei bedingt durch das zum Teil spätere Erhärten des fließmittelreichen Betons längere Wartezeiten als üblich eingeplant werden müssen.

Die Versuchsstrecke wird in den nächsten Jahren von der Bundesanstalt für Straßenwesen und der Universität Kassel weiter überwacht, um das Langzeitverhalten des Aufbaus unter realen Verkehrs- und Witterungsbedingungen festzustellen.

Dazu werden neben der Festigkeitsentwicklung und dem Chloridwiderstand die Tragfähigkeit mit dem Falling-Weight-Deflectometer und die Griffigkeit gemessen.

Literaturverzeichnis

1. Knutson, M.J.: Whitetopping – the road to industry renewal. American Concrete Pavement Association (ACPA), April 1996 (Pavement profiles)
2. DIN 1045-2 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil 2: Beton – Fest-legung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, 2001 inklusive Erweiterungen aus 2008, Berlin, Beuth Verlag
3. Schmidt, C.; Riedl, S.; Geisenhanslüke, C.; Schmidt, M.: Strengthening and Rehabilitation of Pavement Applying Thin Layers of Reinforced Ultra-High-Performance Concrete (UHPC-Whitetopping), Ultra High Performance Concrete (UHPC) Proceedings of the Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete Kassel, Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Heft 10. kassel university press, 2008,655–662
4. Fehling, E.; Schmidt, M.; Bunje, K.; Bornemann, R.; Middendorf, B.: Entwicklung, Dauerhaftigkeit und Berechnung Ultra-Hochfester Betone (UHPC), in Schriften-reihe Baustoffe und Massivbau Heft 1, Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Heft 10, kassel university press, 2005
5. Troeder, S.; Bonded Whitetopping Projects in North America – Design, Construction and Experiences Diplomarbeit am Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens, Universität Kassel, 2009
6. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinie für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen (RStO 01), Ausgabe 2001, Köln, FGSV 499
7. Riffel, S.: Whitetopping – eine unkonventionelle Sanierungsmethode für Asphalt-straßen? Erste Erfahrungen und Ergebnisse vom Pilotversuch im Zementwerk Wetzlar, Tagungsband Österreichische Betonstraßentagung, 2005, Hrg. Österreichische Forschungsgemeinschaft Straße und Verkehr, Wien, 40–44
8. DIN 1045-1 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil 1: Bemessung und Konstruktion, 2001, inklusive Erweiterungen aus 2007, Berlin, Beuth Verlag
9. Eisenmann, J.; Leykauf, G.: Betonfahrbahnen: Handbuch für Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbau, Entwurf – Berechnung – Ausführung, 1979, Ernst & Sohn Verlag
10. Leutbecher, T.: Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Stabstahl und Fasern
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11. Denkinger, M.D.; Buitelaar, P.: Ertüchtigung orthotroper Fahrbahnplatten von Stahlbrücken, Stahlbau, (2006), Heft 7 (Ernst & Sohn Verlag), p. 602–604
12. DAfStb: DAfStb-Richtlinie Wasserundurchlässige Bauwerke, WU-Beton Technische Regel, Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (WU-Richtlinie), Ausgabe 2003-11
13. Fehling, E.;  Schmidt, M. et al.: Ultrahochfester Beton, in Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Heft 1–12, 2005 bis 2008, Universität Kassel, kassel university press
14. Schmidt, M., Freisinger, S.: Erhalten von Betonstraßen durch Anwendung von Ultrahochfestem Beton (UHPC) zur Erhöhung der Tragfähigkeit und Verbesserung der Gebrauchseigenschaften, (Bundesanstalt für Straßenwesen FE-Nr. 89.0188/2007/AP), 2009
15. Schmidt, M.; Krelaus, R.; Teichmann, T.; Fehling, E.; Herget, E.; Kleben von UHPC-Bauteilen bei der Gärtnerplatzbrücke in Kassel, BFT International, 2007
16. Setzer, M.J.; Fagerlund, G.; Janssen, D.-J.; CDF-Test – Prüfverfahren des Frost-Tau-Widerstandes von Beton – Prüfung mit Taumittellösung (CDF) RILEM Recommandation, Betonwerk+Fertigteil-Technik, 63, (1997), Heft 4, S. 100–106
17. Tang, L.; Nilsson, L. O.: Rapid determination of the chloride diffusivity in concrete by applying an electrical field, ACI Materials Journal, 89 (1992), S. 49–53