Einleitung |
Zur Arbeitsgruppe 8 „Betonbauweisen“ gehören derzeit sechs Arbeitsausschüsse. Die wichtigsten Arbeitsgebiete sind Griffigkeit und Lärmminderung sowie deren Dauerhaftigkeit (Schwerpunkt Waschbetonoberfläche), neue oder alternative Konstruktionen von Verkehrsflächen aus Beton (z. B. Kreisverkehre in Betonbauweise, Beton auf Brücken oder für untergeordnete Straßen), Verfahren zur baulichen Erhaltung von Verkehrsflächen aus Beton, Alkali-Kieselsäure-Reaktion, selbstverdichtender Beton mit hoher Grünstandfestigkeit, dünne Betondecke auf Asphalt („Whitetopping“) und Entwicklung frühhochfester Reparaturbetone in Waschbetonbauweise. In den letzten drei Jahren befasste sich die Arbeitsgruppe abschließend mit sechs Forschungsprojekten zu gebundenen und ungebundenen Tragschichten, zur Betontechnologie und Oberflächentexturen.
1 Einführung
Im Koalitionsvertrag für die vergangene 16. Legislaturperiode wurde das „Leitbild Bau“ vereinbart und im März 2009 von allen wichtigen Verbänden und Kammern der deutschen Bauwirtschaft fertiggestellt [1, 2]. Unter anderem wurden die Themen „Bedeutung der Bauwirtschaft in Wirtschaft und Gesellschaft“, „Märkte der Zukunft“, „Qualifikation der Beschäftigten“, „Innovation in der Wertschöpfungskette Bau“ sowie „Qualität und Lebenszyklus“ diskutiert. Daraus wurden sechs Leitlinien formuliert, von denen drei hier besonders zu erwähnen sind:
(1) „Die Qualität von Bauwerken ist über den Lebenszyklus zu bewerten und soll nach wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Nachhaltigkeitskriterien verbessert werden“:
Bauqualität bezieht sich auf den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerkes und endet nicht mit seiner Fertigstellung. Bessere Planung und Bauausführung sowie die Nutzung hochwertiger Baumaterialien erhöhen zwar zum Teil den Baupreis, amortisieren sich aber zumeist in der Nutzungsperiode. Die Vergabe erfolgt heute sehr oft (oder im Regelfall!?) nach dem niedrigsten Preis ohne hinreichende Beachtung der langfristigen Nutzerkosten. Qualitätsmerkmale müssen eindeutig beschrieben werden und mit Zahlen unterlegt werden. Der Staat und auch private Unternehmen sollen eine Vorreiterrolle beim nachhaltigen Bauen mit hoher Produkt- und Gestaltungsqualität übernehmen.
(2) „Die Bildung ist der Schlüssel für Qualität, Innovation, Beschäftigungssicherheit und Wettbewerbsfähigkeit“: Das Markenzeichen „gute Ausbildung“ soll im Hinblick auf die Entwicklung neuer Technologien, Kooperationsformen und Kundenanforderungen weiterentwickelt werden. Insbesondere mit hoher Qualität der Aus- und Weiterbildung kann Nachwuchs gewonnen und lebenslanges Lernen gefördert werden. Die unterschiedlichen, mit unseren Baumaßnahmen befassten Gruppen müssen dabei auch die notwendige Schnittstellenkompetenz weiterentwickeln.
(3) „Die Innovationskraft der Wertschöpfungskette Bau soll gestärkt und Deutschland ein Leitmarkt für innovatives Bauen werden“:
Innovatives Bauen beruht auf Forschung und Entwicklung sowie kontinuierlichen Verbesserungen in der Planung, der Koordination und Ausführung von Baumaßnahmen. Zur Erschließung und Gestaltung neuer Märkte müssen die Innovationspotenziale der Wertschöpfungskette Bau mobilisiert werden. Durch Kooperation in der Forschung und Entwicklung, aber auch in der Aus- und Weiterbildung kann der Einsatz neuer Baumaterialien und -verfahren sowie technischer Gebäudeausstattung beschleunigt werden. Die Forschung und Entwicklung in der Wertschöpfungskette Bau sollen ausgeweitet werden. Dabei soll die öffentliche Hand, wie auch die anderen Schlüsselbereiche der Wirtschaft, die Bauforschung stärker fördern.
Obwohl diese Leitlinien maßgebend von der Planungs- und Baubranche in Deutschland entwickelt wurden, ist der Zusammenhang der vorgenannten drei Leitlinien mit der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) sehr deutlich: Durch und über die FGSV werden Forschungs- und Entwicklungsvorhaben von allen an der Entstehung von Bauwerken Beteiligten (Behörden, Hochschulen, Planer, Baustoff- und Baumaschinenfachleuten sowie Bauausführenden) initiiert bzw. abgewickelt. Zum Beispiel auf dem Gebiet der Verkehrsflächen aus Beton gilt Deutschland unbestritten als eines der führenden Länder weltweit. Immer wieder kommen Fachleute aus dem Ausland nach Deutschland, um unsere Erfahrungen und Entwicklungen zu studieren [3]. Damit dies so bleibt, gehören der Erfahrungsaustausch von Fachleuten, die Weitergabe von Fachwissen, die Aufarbeitung von Problemen und die Diskussion von Neuerungen sowie dazu vertiefend die Forschung mit dem Ziel der baupraktischen Umsetzung, die Erarbeitung von Technischen Regelwerken und natürlich die Aufarbeitung von Fragen bzw. Problemen zum täglichen Geschäft innerhalb der FGSV. Schließlich tragen das innerhalb der FGSV erarbeitete Technische Regelwerk, die Wissensdokumente und andere Publikationen erheblich zur Qualität der gesamten Prozesskette für die Entstehung von Verkehrsflächen bei, das heißt von der Planung über die Ausschreibung bis zur Bauausführung. Dabei werden selbstverständlich auch wirtschaftliche, ökologische und soziale Nachhaltigkeitskriterien beachtet und fortlaufend verbessert.
2 Struktur der FGSV
Die neue Struktur der FGSV, die bereits im letzten Bericht [4] vorgestellt wurde, hat sich mittlerweile eingespielt und bewährt. Eine ausführliche aktuelle Darstellung ist wiederum in dem Jahresbericht der FGSV [5] enthalten. Die wesentlichen Gremien der FGSV sind
- der Vorstand - die beiden Koordinierungsausschüsse „Verkehr“ und „Bau“ - vier Kommissionen: -- Kommission 1 „Qualitätsmanagement“ -- Kommission 2 „Kommunale Straßen“ -- Kommission 3 „Bemessung von Straßenverkehrsanlagen“ -- Kommission 4 „Forschungsprogramm Stadtverkehr“ - drei verkehrstechnische Arbeitsgruppen mit Arbeitsausschüssen, -kreisen und ad-hoc-Gruppen: -- Arbeitsgruppe 1 „Verkehrsplanung“ -- Arbeitsgruppe 2 „Straßenentwurf“ -- Arbeitsgruppe 3 „Verkehrsmanagement“ - fünf bautechnische Arbeitsgruppen ebenfalls mit Arbeitsausschüssen, -kreisen und ad-hoc-Gruppen: -- Arbeitsgruppe 4 „Infrastrukturmanagement“ -- Arbeitsgruppe 5 „Erd- und Grundbau“ -- Arbeitsgruppe 6 „Gesteinskörnungen, Ungebundene Bauweisen“ -- Arbeitsgruppe 7 „Asphaltbauweisen“ -- Arbeitsgruppe 8 „Betonbauweisen“ - Gemeinschaftsausschüsse mit dem DIN - sechs Querschnittsausschüsse: -- Querschnittsausschuss 1 „Begriffsbestimmungen“ -- Querschnittsausschuss 2 „Straßenwesen in Entwicklungsländern“ -- Querschnittsausschuss 3 „Informationstechnik“ -- Querschnittsausschuss 4 „Statistische Auswertung von Prüfergebnissen“ -- Querschnittsausschuss 5 „Geschichte des Straßen- und Verkehrswesens“ -- Querschnittsausschuss 6 „Standardleistungskatalog für den Straßen- und Brückenbau“.
3 Forschungsmittel
Das jährliche gemeinsame Forschungsprogramm (G-Programm) wird auf Basis der Vorschläge aus den Arbeitsausschüssen und Lenkungsausschüssen in den Koordinierungsausschüssen „Verkehr“ und „Bau“ abschließend beraten. Mitglieder der Koordinierungsausschüsse sind neben den Leitern der Arbeitsgruppen Vertreter des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), der Bauverwaltungen der Länder und Kommunen, der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) sowie des Hauptverbandes der Deutschen Bauindustrie. Das Budget für Forschung und Entwicklung ist (wen wundert es?) im Vergleich zu den Anträgen aus den Fachgremien chronisch zu knapp. In diesem Zusammenhang muss betont werden, dass die Antragsthemen durchweg aktuell sind und wichtige Bezüge zur Praxis aufweisen, also im Interesse der Bauverwaltungen und der Nutzer unserer Verkehrsflächen hinsichtlich Gebrauchseigenschaften (vor allem Griffigkeit und Lärmminderung), Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit sowie Umweltverträglichkeit sind. Es wird daher wieder an die für FE-Mittel zuständigen Politiker und Haushaltsverantwortlichen appelliert, die Mittel auf keinen Fall zu kürzen, sondern an dem Bedarf aus der Praxis zu orientieren. Auch praxisorientierte Forschung ist durchaus anspruchsvoll und vor allem aus Gründen der Verkehrssicherheit, des Umweltschutzes und der Wirtschaftlichkeit dringend erforderlich. Schließlich nutzen wir alle täglich unsere Verkehrsflächen, an die wir entsprechend hohe Anforderungen stellen.
Natürlich erachtet jeder Arbeitsgruppenleiter seine Themen für die wichtigsten. Deswegen gibt es in den Koordinierungsausschüssen manchmal leidenschaftliche Diskussionen. Da es sich bei dem gemeinsamen Forschungsprogramm um Auftragsforschung handelt, ist der Wunsch des BMVBS und der Bauverwaltungen letztendlich maßgebend. Es mussten und müssen für alle Arbeitsgruppen – unter Berücksichtigung des sehr begrenzten Budgets – einigermaßen darstellbare Kompromisse gefunden werden. In Sonderfällen kann das BMVBS über die „Ressortforschung“ Mittel für kurzfristig wichtige Themen zur Verfügung stellen und auch die FGSV selbst verfügt über – wenn auch begrenzte – Forschungsmittel.
Grundsätzlich handelt es sich bei dem G-Programm um Auftragsforschung. Aktuell wurde das „Innovationsprogramm Straße“ vom BMVBS gestartet. Forschung, Ingenieurbüros und Industrie sind aufgefordert, innovative Ideen und Konzepte zu ausgewählten Schwerpunkten vorzuschlagen, wobei mit innovativen Verfahren zur strukturellen Substanzbewertung begonnen wurde. Das Programm kann als ein begrüßenswerter Einstieg in die Antragsforschung gesehen werden.
4 Struktur und Aufgaben der Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“
Zur AG 8 „Betonbauweisen“ gehören derzeit die folgenden sechs Arbeitsausschüsse mit temporär, nur zur Erledigung bestimmter Aufgaben, eingerichteten Arbeitskreisen:
Arbeitsausschuss 8.1 „Technische Vertragsbedingungen“ (Leiter Prof. Dr.-Ing. W. Eger) - Arbeitskreis 8.1.2 „TP Beton“ (Leiter Dr.-Ing. E. Eickschen)
Arbeitsauschuss 8.2 „Baustoffe“ (Leiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Breitenbücher) - Arbeitskreis 8.2.3 „AKR“ (Leiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Breitenbücher)
Arbeitsausschuss 8.3 „Konstruktion“ (Leiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein) - Arbeitskreis 8.3.1 „Fugen in Verkehrsflächen“ (Leiter Dipl.-Ing (FH) W. Roßbach) - Arbeitskreis 8.3.2 „Geotextilien unter Betonfahrbahndecken“ (Leiter Dipl.-Ing. (FH) S. Höller) - Arbeitskreis 8.3.3 „Stadt- und Landstraßen sowie besondere Verkehrsflächen“ (Leiter Dr.-Ing. N. Ehrlich)
Arbeitsausschuss 8.4 „Oberflächen“ (Leiter Dipl.-Ing. S. Villaret) - Arbeitskreis 8.4.1 „Merkblatt für die Herstellung von Oberflächentexturen auf Fahrbahndecken aus Beton“ (Leiter Dr.-Ing. P. Wenzl)
Arbeitsausschuss 8.5 „Erhaltungstechnologie“ (Leiter Dr.-Ing. R. Anger) - Arbeitskreis 8.5.1 „ZTV BEB-StB“ (Leiter Dr.-Ing. R. Anger)
Gemeinschaftsausschuss 8.01 „Materialien für Betonstraßen, SpA TC 227/WG 3“ (Leiter RDir. a. D. Dipl.-Ing. P. Sulten).
Das Aufgabenspektrum der Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“ reicht von der Erarbeitung und Beantragung von Forschungsvorschlägen, über die Betreuung von Forschungsvorhaben und Erarbeitung von Technischen Regelwerken bis hin zur Behandlung von aktuellen Fragestellungen, aber auch Problemen im Zusammenhang mit der Planung, der Ausschreibung, dem Bau, der Erhaltung und der Erneuerung sowie dem Recycling von Verkehrsflächen aus Beton und zugehörigen Bauweisen sowie Bauteilen (zum Beispiel Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln oder Betonschutzwände). Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe werden also mit dem gesamten Spektrum der Bauweise befasst. Wobei nicht jeder auf allen Gebieten ein Fachmann sein kann. Entscheidend ist – wie so oft – die richtige Zusammensetzung der Gremien. Alle maßgebenden Berufsgruppen sind daher im Regelfall entsprechend eingebunden und können ihre Standpunkte vertreten. Die Mitarbeit in den Gremien der FGSV stellt eine hervorragende Plattform für den Austausch von Wissen, Informationen und Erfahrungen dar, von der alle profitieren, die hier aktiv sind. Der Aufwand der Mitarbeit lohnt sich für jeden persönlich, aber auch für seinen Arbeitgeber – sei es die öffentliche Hand oder ein privates Unternehmen. Wir alle bekommen schon mehr oder weniger deutlich die Auswirkungen des Ingenieurmangels zu spüren, so dass guter Ingenieurnachwuchs und qualifizierte Fachleute, die bereit sind, ihr Wissen ständig zu erweitern, immer wichtiger werden.
In den Gremien der Arbeitsgruppe 8 arbeiten derzeit ca. 110 Fachleute mit. Hierbei sind keine Mehrfachmitgliedschaften berücksichtigt. Wenn man bedenkt, dass viele Kolleginnen und Kollegen in mehreren (in bis zu 6 Gremien!) der AG 8 aktiv sind, so kommen über 160 Personen zusammen, die sich innerhalb der FGSV für die Betonbauweisen engagieren. Sie kommen zu ca. 25 % aus den Bauverwaltungen, zu ca. 24 % von der Hochschulforschung und der BASt, zu ca. 20 % aus der Baustoffindustrie samt den zugehörigen Forschungseinrichtungen, zu ca. 7 % von Ingenieurbüros und privaten Prüflabors sowie zu ca. 24 % aus der Bauindustrie. Insbesondere durch die, nur für bestimmte Aufgaben eingesetzten, Arbeitskreise können sich die Fachthemen und damit die Zusammensetzung der Fachleute immer wieder geringfügig verändern. Insgesamt ist jedoch die Aufteilung der Fachgebiete der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter als ausgewogen zu betrachten.
Natürlich kann in den gewollt sehr heterogen zusammengesetzten Gremien nicht auf jede Einzelmeinung, nicht auf jede Einzelerfahrung oder gar auf jedes Einzelinteresse Rücksicht genommen werden. Das Ergebnis der Arbeit in den einzelnen Gremien ist daher manchmal nicht einstimmig, das heißt, es läuft auf einen Kompromiss hinaus, der durch Sachdiskussionen zustande kommt, mit dem es sich aber in der Praxis gut arbeiten lässt. In sehr seltenen Ausnahmefällen sind richtige Mehrheitsentscheidungen erforderlich, die dann allerdings auch akzeptiert und umgesetzt werden müssen. Dies darf wirklichen Fachleuten, die die Gesamtaufgabe im Fokus haben, letztendlich nicht schwerfallen.
Die wichtigsten Themen der Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“ lassen sich zusammenfassen mit den Schlagworten:
- Griffigkeit und Lärmentwicklung sowie deren Dauerhaftigkeit. Schwerpunkt ist dabei die Waschbetonbauweise (Bild 1), die mittlerweile aufgrund ihrer dauerhaften Griffigkeit und geringer Geräuschentwicklung auch in Deutschland Standardbauweise für Betonstraßen geworden ist. Das bedeutet allerdings nicht, dass die anderen Oberflächentexturen (wie Besenquerstrich oder Längstextur durch Kunstrasen) nicht mehr weiterverfolgt werden. Für sie bestehen nach wie vor Anwendungsfälle (zum Beispiel auf Flugbetriebsflächen oder Abstellflächen). - Auswahl und Beurteilungskriterien von optimalen, verträglichen Ausgangsstoffen samt Nachbehandlungsmittel, Oberflächenverzögerer oder Kombinationsmittel, - Nachbehandlung von Waschbetonoberflächen, - Alkali-Kieselsäure-Reaktion, - Alternative Konstruktionen von Verkehrsflächen aus Beton (z. B. Kreisverkehre in Betonbauweise, dünne Betondecke auf Asphalt („Whitetopping“, Bild 2), Beton auf Brücken oder für untergeordnete Straßen) und - Verfahren zur baulichen Erhaltung von Verkehrsflächen aus Beton.
Bild 1: Standardbauweise für Beton-straßen: dauerhaft griffige und geräuscharme Waschbeton-oberfläche
Bild 2: Dünne Betondecke auf Asphalt – „Whitetopping-Oberfläche“ (14 cm dicker Beton mit Kunststofffasern und Waschbetonoberfläche
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5 Technisches Regelwerk innerhalb der AG „Betonbauweisen“
Die beiden zentralen Technischen Regelwerke der Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“
- die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton“ (ZTV Beton-StB 07) [6] und
- die „Technischen Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton“ (TL Beton-StB 07) [7]
stehen als Ausgabe 2007 zur Verfügung. Das BMVBS hat die Obersten Straßenbaubehörden der Länder mit dem ARS Nr. 12/2008 [8] und dem ARS Nr. 13/2008 [9] gebeten, diese zwei Regelwerke für den Bereich der Bundesfernstraßen einzuführen und außerdem den Ländern empfohlen, sie im Sinne einer einheitlichen Handhabung auch für Baumaßnahmen in ihrem Zuständigkeitsbereich anzuwenden. Leider muss (wieder einmal!) festgestellt werden, dass einzelne Bundesländer auch bei diesen neuen Regelwerken Sonderregelungen, zusätzliche Verschärfungen und dergleichen eingeführt haben, die nicht auf technischen oder wirtschaftlichen Notwendigkeiten beruhen. Im Gegenteil hier scheint oft der Grundsatz zu gelten „viel hilft viel“. Dass dies zu einer unnötigen Verteuerung oder gar Verschlechterung („Verschlimmbesserung“) der Bauweise führt, wird oft nicht erkannt. Ob derartige zusätzliche Anforderungen oder Änderungen gegen geltendes Europäisches Recht verstoßen, soll hier gar nicht kommentiert werden. Ähnliches ist übrigens bei der Asphaltbauweise der Fall, wie vom Leiter der Arbeitsgruppe 7 „Asphaltbauweisen“, Dipl.-Ing. L. Drüschner auf der Asphaltstraßentagung 2009 deutlich kritisiert wurde [10]. Eines ist auf jeden Fall unbestritten: in den Gremien der FGSV arbeiten an den Technischen Regelwerken ausgewiesene Fachleute von allen beteiligten und betroffenen Stellen der öffentlichen Hand, der Forschung und Entwicklung sowie der Wirtschaft. Dieses Engagement kostet wertvolle Zeit und Geld. Es ist nicht zu verstehen, warum von diesen Experten sorgfältig erarbeitete Regelwerke auf Länderebene „mit einem Federstrich“ geändert werden. Es wird daher nochmals an alle Länderbehörden appelliert, nur solche Modifikationen vorzunehmen, die Fehler korrigieren oder auf tatsächlichen lokalen Notwendigkeiten beruhen. Außerdem ist jeder herzlich eingeladen, mitzuarbeiten, wenn er glaubt, dass seine Meinung in den Gremien nicht entsprechend vertreten wird.
Ebenfalls erschienen sind
- das „Merkblatt für die bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen aus Beton“ (M BEB, Ausgabe 2009) [11] und
- die „Technischen Lieferbedingungen für flüssige Beton-Nachbehandlungsmittel“ [12].
Nahezu fertig gestellt sind
- die „Technischen Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton“,
- das „Merkblatt für die Herstellung von Oberflächentexturen auf Verkehrsflächen aus Beton“,
- die „Arbeitsanweisung zur Prüfung von Vliesstoffen unter Fahrbahndecken aus Beton“ und das „Merkblatt über die Anwendung von Vliesstoffen und verwandten Produkten unter Betondecken“.
Folgende Technische Regelwerke werden innerhalb der AG 8 derzeit überarbeitet:
- die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugen in Verkehrsflächen“ samt den zugehörigen Technischen Lieferbedingungen und Technischen Prüfvorschriften sowie
- die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen – Betonbauweisen“ ebenfalls mit den zugehörigen Technischen Lieferbedingungen und Technischen Prüfvorschriften.
6 Forschungs- und Entwicklungsvorhaben
6.1 Abgeschlossene Forschungsprojekte
In den letzten drei Jahren befasste sich die Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“ abschließend mit sechs Forschungsprojekten. Die Themen der FE-Vorhaben spannten einen Bogen von gebundenen und ungebundenen Tragschichten über die Betontechnologie zu Oberflächentexturen von Fahrbahndecken aus Beton. Es wurden grundsätzliche sowie spezielle Fragen geklärt, die für das Technische Regelwerk und für die unmittelbare Praxis von Bedeutung sind. Zu den sechs Vorhaben im Einzelnen:
In Deutschland sehen die TL Beton-StB 07 [7] als aktuelles Regelwerk für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln nur die Verwendung von Zementen nach DIN EN 197 oder DIN 1164 und von hydraulischen Boden- und Tragschichtbindern nach DIN 18506 vor. Gemäß der Europäischen Norm EN 142227 „Hydraulisch gebundene Gemische, Teil 1: Schlacke-gebundene Gemische, Teil 2: Flugaschegebundene Gemische und Teil 4: Flugasche für hydraulisch gebundene Gemische“ sind hingegen auch puzzolanische oder latent hydrau-lische Bindemittel möglich. Tragschichten mit derartigen Bindemitteln werden innerhalb Europas erfolgreich im Straßenbau eingesetzt. In Deutschland hingegen wurden bzw. werden sie nur im Zuge von Versuchsstrecken angewandt. Bei der Verwendung von Flugaschen, Schlacken und Hüttensanden für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln stehen vor allem ökologische und ökonomische Aspekte (wie Verwendung puzzolanischer Bindemittel mit geringer CO2-Emission und von lokalen Materialien zur Kostensenkung sowie Reduzierung der Schichtdicken) im Vordergrund. Zum Beispiel in Frankreich, Großbritannien oder Polen stellen Bauweisen mit Flugaschen oder Hüttensanden als alleinige Bindemittel bzw. in Kombination mit Zement oder Kalk wirtschaftliche Alternativen zu zementgebundenen Tragschichten dar. In diesen Ländern werden Schlacken in größerem Umfang im Straßenbau eingesetzt, europaweit etwa zu 42 %.
Die Aufgabenstellung der Forschungsarbeit 8.181 „Eignung von Gemischen für hydraulisch gebundene Tragschichten nach Europäischer Norm für Anwendung in Deutschland“ (Hochschule Anhalt (FH), Fachgebiet Straßenbautechnik, Dessau) war, die europäischen und deutschen Erfahrungen (insgesamt aus 12 Ländern) mit schlacke- und flugaschegebundenen Tragschichten zusammenzustellen, ihre Gebrauchseigenschaften und Dauerhaftigkeit auf vorhandenen Straßen zu untersuchen und eine Aussage zu treffen, unter welchen Bedingungen diese Tragschichten in Deutschland eine wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln sein können. Die Tragfähigkeit wurde auf neun Versuchsstrecken in Deutschland mit Benkelman-Balken und Falling Weight Deflectometer (FWD, Bild 3) gemessen.
Bild 3: Tragfähigkeitsmessungen: links mit Benkelman-Balken, rechts mit Falling Weight Deflectometer im Bohrloch (Quelle: Hochschule Anhalt (FH), Fachgebiet Straßenbautechnik, Dessau)
Mit den auf diesen Baumaßnahmen verwendeten Ausgangsmaterialien wurden parallel zu den Felduntersuchungen vergleichende Laboruntersuchungen durchgeführt. Es war zu klären, ob und unter welchen Voraussetzungen mit Flugaschen und gemahlenen Hüttensanden Tragschichten gemäß den TL Beton-StB 07 hergestellt werden können. Zusätzlich wurde eine Übersicht zur Dimensionierung von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln erarbeitet. Zur Einordnung der alternativen Tragschichten in die Systematik der RStO 01 [13] wurden der spezifische Verformungsmodul auf Grundlage der FWD-Messergebnisse ermittelt. Für die iterative Auswertung wurde die von Weingart entwickelte Näherungsfunktion für das Zwei-Schicht-System verwendet. Für weitere Laboruntersuchungen wurden auf Basis der chemisch-mineralogischen Daten drei Hüttensande, vier Flugaschen und zwei Tragschichtbinder HRB 32,5 E sowie ein Zement CEM I 32,5 R ausgewählt, die sich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung so unterschieden, dass das Spektrum der wichtigsten Bindemittel abgedeckt wurde. Mit diesen Bindemitteln wurden im Labor HGT-Gemische gemäß den TL Beton-StB 07 hergestellt (das heißt Gemische mit definierter Frühfestigkeit) und deren Grünstandfestigkeit (CBR-Wert), Druck- und Spaltzugfestigkeit, dynamischer Elastizitätsmodule, Dauerschwellfestigkeit beim Biegezugversuch, Frostwiderstand und Dauerhaftigkeit untersucht.
Im Wesentlichen werden die Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln hinsichtlich ihrer Steifigkeit in drei Kategorien eingeteilt:
(1) hohe Steifigkeit (Druckfestigkeit über 10 MPa, E-Modul zwischen etwa 15 000 und 30 000 MPa, Kerbung zur Vermeidung von klaffenden Rissen): in Belgien, Frankreich und Deutschland,
(2) mittlere Steifigkeit (Druckfestigkeit ca. 2,5 bis 4 MPa, E-Modul zwischen ca. 7 000 und 10 000 MPa, schmale Risse): in Italien, sowie
(3) geringe Steifigkeit (Druckfestigkeit unter 2 MPa, E-Modul zwischen ca. 1 000 MPA und 2 000 MPa, Mikrorisse): in der Schweiz.
Außerdem wird noch unterschieden zwischen langsam bzw. selbsterhärtenden Gemischen und Gemischen mit einer definierten Frühfestigkeit (wie in Deutschland nach den TL Beton-StB 07).
Die Untersuchungen zeigten, dass auch unter den in Deutschland vorherrschenden klimatischen und hydrologischen Bedingungen geeignete schlacke- und flugaschegebundene Gemische einen ausreichenden Frostwiderstand und eine hohe Langzeittragfähigkeit aufweisen. Grundsätzlich wird daher die Anwendung der Europäischen Normen für langsam erhärtende schlacke- und flugaschegebundene Gemische auch in Deutschland empfohlen. Mit den untersuchten kalkreichen oder kieselsäurereichen Flugaschen oder gemahlenen Hüttensanden war es z. B. mit Zement als Anreger möglich, Baustoffgemische herzustellen, welche die Anforderungen der TL Beton-StB 07 erfüllten, also eine definierte Frühfestigkeit aufwiesen, allerdings mit unterschiedlichen Nacherhärtungen (Bild 4).
Bild 4: Druckfestigkeit und Erhärtungsverlauf der untersuchten Gemische mit definierter Frühfestigkeit (Quelle: Hochschule Anhalt (FH), Fachgebiet Straßenbautechnik, Dessau)
Baustoffgemische mit ausreichender Druckfestigkeit und ausreichend langer Hydratationszeit hatten auch einen ausreichenden Widerstand gegen Frost und gegen wiederholte starke Durchfeuchtung sowie Austrocknung. Gefügestörungen durch Sulfatangriff und Ettrigitbildung (Sulfattreiben) wurden nicht festgestellt. Die Erstprüfung kann gemäß den Technischen Prüfvorschriften (alt: TP HGT-StB 04 [14], künftig: TP Beton-StB) durchgeführt werden. Zu beachten ist, dass sich gegebenenfalls auch die Standfestigkeit des frischen Baustoffgemisches (bedingt durch die teilweise deutlich höheren Bindemittelgehalte (Tabelle 1) von mehr als 20 M.-% bezogen auf die Gesteinskörnung) deutlich von herkömmlichen grobkörnigen Baustoffgemischen unterscheiden kann. Zusammengefasst können auch für deutsche Verhältnisse durch diese Anwendung der alternativen Tragschichten Baukosten gespart werden. Hinzu kommen die ökologischen Vorteile der Verwendung der Nebenprodukte Flugasche und Hüttensand (kein Energiebedarf und keine Emissionen). Für die Dimensionierung von Straßenbefestigungen werden in dem Bericht fünf Tragfähigkeitskategorien einschließlich Beispiele für die Anwendung und Dicken für Asphaltüberbauungen in Anlehnung an die RStO 01 vorgeschlagen.
Tabelle 1: Aus dem Bild 4 abgeleitete Anhaltswerte für die Bindemittelgehalte von HGT bei einer Gesteinskörnung A/B 16 zur Einhaltung der Grenzwerte der TL Beton-StB 07 an die Druckfestigkeit bei der Erstprüfung (Quelle: Hochschule Anhalt (FH), Fachgebiet Straßenbautechnik, Dessau)
Ebenfalls mit Tragschichten speziell unter Fahrbahndecken aus Beton befasste sich ein weiteres FE-Vorhaben: Aufgrund der positiven Erfahrungen, die seit Jahrzehnten gesammelt wurden, sind Schottertragschichten unter Verkehrsflächen aus Beton (STSuB, mit gegenüber herkömmlichen Schottertragschichten zusätzlichen Anforderungen nach den ZTV SoB-StB 04/07 [15] und TL SoB-StB 04/07 [16]), neben Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln, als Standardbauweise in den RStO 01 enthalten. Durch die zusätzlichen Anforderungen sollen eine anforderungsgerechte Standfestigkeit, eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit sowie eine Umlagerungs- und Erosionsbeständigkeit sichergestellt werden. Bisher sind nur Schottertragschichten aus gebrochenen, natürlichen Gesteinskörnungen, Hochofenstückschlacke oder RC-Gemische zulässig. Durch das Forschungsvorhaben 8.184 „Dicke Betondecke auf Schichten ohne Bindemittel (SoB/STSuB)“ (Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen) sollte nachgewiesen werden, dass mit Kiestragschichten mit einem optimierten Anteil an gebrochener Gesteinskörnung auch die für ungebundene Tragschichten unter Betondecken erforderliche Umlagerungs- und Erosionsbeständigkeit sichergestellt werden können. Dazu wurden in einem Großprüfstand fünf Varianten einer Tragschicht ohne Bindemittel (ToB) (0/32 mm, Dicke 30 cm) vergleichend untersucht (Bild 5):
- Zwei Varianten sollten den RStO 01 entsprechen: eine Schottertragschicht STSuB aus gebrochenem Kalkstein mit einem Verformungsmodul von EV2 mindestens 180 N/mm² (S1) bzw. mindestens 150 N/mm² für die Auflagerung der STSuB auf einer Schicht aus frostunempfindlichem Material (S2, erreicht durch Anordnung eines zusätzlichen Vlieses auf der Unterlage).
- Eine ToB bestand aus einer Kiestragschicht ausschließlich aus ungebrochener Gesteinskörnung (KTS) an der oberen Grenze des Sieblinienbereichs nach den ZTV/TL SoB-StB
- Eine Kiestragschicht wies in der Korngruppe über 8 mm 50 % gebrochenen Kies auf (Kg).
- Die fünfte Kiestragschicht wurde aus vier Korngruppen zusammengesetzt: unter 8 mm gebrochene Gesteinskörnung und die Korngruppe 0/2 mm gewaschener Brechsand aus gebrochenem Kies, Korngrößenverteilung etwas über dem Sieblinienbereich einer STSuB bei 2 mm Öffnungsweite (Km).
Bild 5: Korngrößenverteilung der fünf untersuchten ToB vor dem Einbau (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen)
Für jede ToB wurden folgende Versuche durchgeführt:
- statische Plattendruckversuche nach DIN 18134 auf der ToB an zwei Lastpunkten,
- Dauerschwellversuche (Bild 6) mit einer Lastplatte auf der ToB,
- Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit an drei Messorten mit einem Doppelringinfiltrometer mit kontinuierlicher Messwertaufzeichnung,
- Dauerschwingversuche (Bild 7) an der auf die ToB aufgesetzten Betonplatte mit unverdübelter Fuge in vier Phasen mit stufenweise vergrößerter Schwingweite und mit Wasserzugabe über die Fuge (über 3 Mio. Lastwechsel),
- Beurteilung der Oberfläche der ToB nach dem Dauerschwingversuch,
- statische Plattendruckversuche sowie Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit nach dem Dauerschwingversuch und
- Bestimmung des CBR-Wertes: Einleitung einer konzentrierten Druckspannung von 6 bis 13 N/mm² bei 2,5 mm Weg.
Beim Dauerschwellversuch (Bild 6) auf der ToB wurden 6 000 Lastwechsel mit 35 kN Oberlast (Maximallast des Plattendruckversuchs) und 4 000 Lastwechsel mit 50 kN Oberlast (auf der ToB maximale Einzelradlast eines Lkw) zur Simulation eines sehr starken Baustellenverkehrs aufgebracht.
Für den Dauerschwingversuch wurde (zur Simulation der dynamischen Beanspruchung der ToB unter Betondecken im Querfugenbereich wie in situ bei Überfahrt mit einem schweren Lkw) eine Prüfeinrichtung konzipiert, die aus einem, im Großprüfstand auf die ToB aufgelegten, 5 m langen Betonstreifen mit einer unverdübelten Querfuge bestand (Bild 7). Die Betonplatten wurden im Fugenbereich gegenüberliegend mit zwei Prüfzylindern pulsierend belastet, die unabhängig und phasenverschoben gesteuert werden konnten. Basierend auf umfangreichen Vorversuchen wurde die Steuerung der beiden Zylinder so abgestimmt, dass der zeitliche Verlauf der Belastungen und damit der Einsenkungen den Verhältnissen bei Überrollung der Fuge mit konstanter Geschwindigkeit und verschiedenem Wirksamkeitsindices entsprach. Außerdem stimmte die Einsenkung der Platten im Großprüfstand mit denen in situ unter Verkehrslast sehr gut überein. Die Belastung wurde kraftgesteuert aufgebracht, um bei gleicher Belastung mit einer bleibenden Einsenkung der Platten wirklichkeitsnahe Verhältnisse, wie unter Verkehrsbelastung, zu schaffen. Die Einsenkung wurde gesteigert, um von einem guten Zustand der Fuge, mit einem Wirksamkeitsindex der Verdübelung von 100 %, bis zu einem Wirksamkeitsindex von 0 % bzw. einer Fuge ohne Verdübelung zu kommen. Abschließend wurde die Schwingbreite drastisch erhöht, um eine extreme Beanspruchung zu simulieren, z. B. bei Achslasten, die über den zulässigen Bereich der StVZO hinausgehen.
Bild 6: Großprüfstand für die Untersuchung an 30 cm dicker ToB – Dauerschwell- versuche (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen)
Bild 7: Großprüfstand für Versuche mit ToB unter Betondecken – Dauerschwingversuche (Längsschnitt und Aufsicht) (Quelle: Technische UniversitätMünchen, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen)
Beim Plattendruckversuch wurde bei der STSuB S1 der angestrebte Verformungsmodul von mindestens 180 N/mm² übertroffen. Bei den anderen ToB wurde der mit 150 N/mm² angestrebte EV2-Wert knapp unterschritten. Jedoch stieg er im Dauerschwellversuch über 150 N/mm² an (Bild 8). Bei allen untersuchten ToB war im Dauerschwellversuch mit der Lastplatte bei 35 kN Oberlast eine degressive Zunahme der Verformungen zu verzeichnen. Dies war auch bei früheren Untersuchungen an ToB festzustellen. Erwartungsgemäß zeigte sich in der Versuchsphase mit 50 kN Oberlast ein deutlicher Anstieg der Verformungen, die mit zunehmenden Lastwechseln jedoch ebenfalls abklangen (Bild 9). Die Zunahme der Verformungen und bleibenden Verformungen war bei den beiden herkömmlichen STSuB (S1 und S2) am geringsten und bei der ToB ausschließlich aus ungebrochener Gesteinskörnung (KTS) am größten (Bild 10). Bei den Gemischen aus gebrochenen und ungebrochenen Gesteinskörnungen wies die ToB mit der gebrochenen Gesteinskörnung unter 8 mm (Km) eine geringere Zunahme der Verformungen auf, als die ToB mit einem gebrochenen Kies-Anteil über 8 mm (Kg). Die im Dauerschwingversuch festgestellte Zunahme der bleibenden Einsenkungen der Fugenränder war bei der Kiestragschicht (KTS) am ungünstigsten (Bild 11). Dies hat sich auch schon bei früheren Versuchen gezeigt, bei denen sich außerdem ein gebrochener Anteil von mindestens 15 % der Gesteinskörnung über 5 mm reduzierend auf die bleibenden Verformungen auswirkte. Die modifizierte Kiestragschicht mit gebrochener Gesteinskörnung unter 8 mm (Km) schnitt deshalb günstiger ab gegenüber einer Kiestragschicht mit gebrochener Gesteinskörnung über 8 mm (Kg). Das lässt den Schluss zu, dass eine gebrochene kleinere oder feine Gesteinskörnung das elastisch-plastische Verhalten einer ToB günstig beeinflusst.
Bild 8: Verformungsmoduln auf den ToB nach dem Dauerschwellversuch auf ToB (10 000 LW) und nach dem Dauerschwingversuch auf Betonplatte (3 Mio. LW) (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen)
Bild 9: Minimale Verformung bei 2 kN Unterlast und 35 bzw. 50 kN Oberlast im Dauerschwellversuch auf den ToB; logarithmische Teilung der Lastwechselzahl! (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen)
Bild 10: Bleibende Verformungen nach dem Dauerschwellversuch und bleibende Einsenkungen nach dem Dauerschwingversuch (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen)
Bild 11: Einsenkungen an den Fugenrändern jeweils bei Unterlast im Dauerschwingversuch mit > 3 Mio. LW, 4 Versuchsphasen (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen)
Die Einsenkungen im Dauerschwingversuch wurden bei allen ToB in der Phase 2b mit der Wasserzugabe über die Fuge deutlich größer (Bild 11). Die gemessenen größeren Einsenkungen und die bleibenden Einsenkungen am zuletzt belasteten Fugenrand standen in Übereinstimmung mit der Praxis, wo durch sogenanntes Pumpen eine Stufenbildung in Fahrtrichtung abwärts beobachtet werden kann. Dies war ein Beleg für den Praxisbezug der Versuchsanordnung und der Belastung. An der Oberfläche aller ToB war durch den Einfluss der Wasserzugabe bei der phasenverschobenen Belastung (also durch das Pumpen) ein Freilegen der groben Gesteinskörnungen im Fugenbereich festzustellen. Insbesondere bei der Kiestragschicht Kg trat eine Kornumlagerung auf, das heißt es wurden feine Gesteinskörnungen parallel zur Fuge an den Plattenrand gepumpt und dort abgelagert. Eine eindeutige Feinkornumlagerung konnte aus den Kornverteilungskurven an Proben von der Ober- und Unterseite der ToB nach Abschluss der Dauerschwingversuche jedoch nicht festgestellt werden. Die geringen Unterschiede der untersuchten Proben dürften im Streubereich der Sieblinien gelegen haben. Auch bei einer augenscheinlichen Überprüfung wurden keine Strukturveränderungen mit zunehmender Tiefe festgestellt. Die offensichtlichen Veränderungen traten also nur an der Oberfläche der ToB unter der Betonplatte auf. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert, ermittelt im Laborversuch nach DIN 18130-1, entsprach für die Schottertragschichten (STSuB) S1 und S1 sowie für die modifizierte Kiestragschicht Km dem Durchlässigkeitsbeiwert „stark durchlässig“ und wies damit eine sehr gute Übereinstimmung zum Durchlässigkeitsbeiwert auf, der an der im Prüfstand eingebauten ToB mit dem Doppelringinfiltrometer gemessen wurde. Die Kiestragschichten KTS und Kg mit ungebrochener Gesteinskörnung kleiner 8 mm wurden dagegen im Laborversuch nur als „durchlässig“ eingestuft und wiesen im Laborversuch geringere Durchlässigkeiten auf als im eingebauten Zustand. Eine tendenzielle Veränderung der Wasserdurchlässigkeit vor und nach den Dauerschwingversuchen war bei keiner ToB festzustellen. Die CBR-Werte waren bei den modifizierten Kiestragschichten größer als bei der Schottertragschicht. Daraus wird gefolgert, dass der CBR-Wert ist kein geeignetes Kriterium für die Beurteilung der Tragfähigkeit einer ToB unter Betondecken ist.
Theoretische Untersuchungen zeigen, dass eine Reduzierung des Ev2-Wertes auf der Oberseite einer ToB von 180 auf 150 N/mm² keine wesentliche Erhöhung der Biegespannung in der Betondecke unter Verkehrslast hervorruft und keine Auswirkungen auf das Langzeitverhalten der Betondecke hat. Entscheidend sind vielmehr gleichmäßige Auflagerungsbedingungen der Betondecke. Bei Einsatz modifizierter Kiestragschichten mit einem optimierten Anteil an gebrochener Gesteinskörnung können die Anforderungen an den Verformungsmodul auf der Oberfläche der ToB mit Ev2 mindestens 150 N/mm² ebenfalls angesetzt werden. Außerdem sind, neben einer ausreichenden Wasserdurchlässigkeit (Durchlässigkeitsbeiwert im Laborversuch k mindestens 5,4 x 10-5 m/sec), an die Kornverteilung einer modifizierten Kiestragschicht folgende Anforderungen zu stellen:
- korngestuftes Baustoffgemisch aus gebrochener Gesteinskörnung kleiner 8 mm, - Korngruppe 0/2 mm gewaschener Brechsand aus gebrochenem Kies, - Verwendung von ungebrochener Gesteinskörnung größer 8 mm, - Erweiterung des Sieblinienbereichs von STSuB bei 2 mm von 28 auf 31 % und - Feinanteil kleiner 0,063 mm im eingebauten Zustand unter 5 M.-%.
Um abschließend die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen und der Laborversuche in der Praxis zu verifizieren, ist ein FE-Vorhaben in Verbindung mit einer Versuchsstrecke geplant, bei der eine modifizierte Kiestragschicht (Km mit gebrochener Gesteinskörnung unter 8 mm) unter einer Betonfahrbahndecke eingebaut werden soll. Insbesondere soll die modifizierte Kiestragschicht unter Baustellenbedingungen hinsichtlich Transport, Einbau und Steifigkeit erprobt werden.
Zu den wichtigsten Gebrauchseigenschaften einer Verkehrsfläche aus Beton zählen neben ihrer Tragfähigkeit ihre Oberflächeneigenschaften, die insbesondere für die Griffigkeit (Verkehrssicherheit) und die Lärmemission von Bedeutung sind. Eigenschaften, die für Nutzer und Anlieger einer Straße von großer Bedeutung sind und daher auch direkt bzw. indirekt in unserem Regelwerk verankert sind. Für diese Eigenschaften und deren Dauerhaftigkeit ist die Textur der Oberfläche (Gestalt, Eigenschaften der Stoffe an der Oberfläche und in den oberflächennahen Schichten) entscheidend. Die nächsten drei FE-Vorhaben befassten sich mit der Textur von Betondeckenoberflächen und deren Dauerhaftigkeit.
Das bereits auf der Betonstraßentagung 2005 [17] vorgestellte FE-Vorhaben 8.157 „Dauerhaftigkeit von Betondeckenoberflächen“ (Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung) hatte zum Ziel, ein Laborprüf- und Auswerteverfahren zur Prognose der Dauerhaftigkeit von Betondeckenoberflächen zu entwickeln. Bei diesem Laborprüf- und Messverfahren („Laborbeanspruchungszyklus“) zur Texturbeständigkeit wird die Praxisbeanspruchung durch eine Kombination auslösender Beanspruchung (Pufferlösung mit pH 4,5), mechanischer Beanspruchung (Prallabrieb) und Frost-Tausalz-Beanspruchung (CDF-ähnliches Verfahren) simuliert (Bild 12). Dazu laufen zeitraffende, reproduzierbare Einzelbeanspruchungen ab. Die Veränderungen der Textur werden messtechnisch mit einem Doppeltriangulationssensor (Bild 13) mit hoher Genauigkeit (vertikal: 0,3 µm; lateral: 30 µm) erfasst. Bei der Auswertung der Texturmessungen werden die Wellenlängenbereiche der Mikro- und Makrotextur getrennt untersucht, um deren jeweiligen Zusammenhang zu der Texturbeständigkeit herleiten zu können. Mit dem Verfahren können sowohl im Labor hergestellte Probekörper, als auch aus Praxisstrecken entnommene Bohrkerne geprüft werden. Im Rahmen des Vorhabens konnten allerdings nur orientierende Versuche durchgeführt werden, welche die grundsätzliche Eignung des vorgeschlagenen Verfahrens belegten. Eine Kalibrierung durch systematische, vergleichende Untersuchungen von Laborproben und von praxisbeanspruchten Oberflächen stand noch aus.
Bild 12: Praxiseinwirkungen auf die Oberfläche einer Betonfahrbahndecke und Simulation im Laborbeanspruchungszyklus (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung)
Bild 13: Doppeltriangulationssensor zur messtechnischen Erfassung von Texturveränderungen (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung)
Damit herkömmlicher Straßenbeton einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand aufweist, ist dem Beton beim Mischen ein Luftporenbildner zuzugeben, um ein anforderungsgerechtes Luftporensystem zu erzeugen. Dieses wird durch den Luftgehalt im Frischbeton, den Mikro-Luftporengehalt A300 und den Abstandsfaktor gekennzeichnet. Bei den neuen synthetischen Luftporenbildnern wird zumeist eine feinere Mikroluftporenverteilung im Beton erreicht (das heißt kleinerer Abstandsfaktor bei gleichem Mikroluftporengehalt). Es fehlen für diese neuen Zusatzmittel systematische Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen dem Frost-Tausalz-Widerstand von Straßenbeton und den vorhandenen Kennwerten des Mikroluftporengefüges. Außerdem muss der Frost-Tausalz-Widerstand auch bei einer frühen Verkehrsfreigabe gewährleistet sein. Ziel des FE-Vorhabens 8.179 „Luftporenkennwerte in Abhängigkeit der Art und Dosierung des LP-Bildners und Zusammenhang mit dem Frost-Tausalz-Widerstand „texturierter“ Betonstraßendecken“ (Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung) war es, im Teil A die Luftporenverteilung in Straßenbetonen, resultierend aus der Verwendung der neuen synthetischen Luftporenbildner, und die Auswirkungen auf die Festbetoneigenschaften (wie den Frost-Tausalz-Widerstand, die Biegezugfestigkeit und die Oberflächendauerhaftigkeit) zu bestimmen. Außerdem wurde im Teil B der Frost-Tausalz-Widerstand in jungem Alter bei einem frühen Angriff (z. B. bei frühzeitiger Verkehrsfreigabe im Spätherbst) untersucht. Hierbei sollte insbesondere auch der Reife- und Austrocknungsgrad berücksichtigt werden.
Für den Teil A zur Untersuchung der Luftporenverteilung wurden zwei Laborbetone mit einem Luftgehalt im Frischbeton von 4,5 (± 0,5) Vol.-% bzw. von 3 (± 0,5) Vol.-% (beide ohne Fließmittel zur Vermeidung einer Beeinflussung der Mikroluftporen) und ein Laborbeton unter Zugabe eines auf den jeweiligen Luftporenbildner abgestimmten Fließmittels hergestellt. Es wurden sieben unterschiedliche LP-Bildner verwendet. Bei jeweils zwei dieser LP-Bildner handelte es sich um herkömmliche Zusatzmittel auf Wurzelharzbasis, um Produkte auf der Basis eines modifizierten Wurzelharzes und um synthetische Zusatzmittel der neuen Generation mit synthetischen Tensiden als Wirkstoff. Der siebte LP-Bildner war ein Kombinationsprodukt aus einem modifizierten Wurzelharz und einem synthetischen Tensid. An allen Betonen wurden für Straßenbeton relevante Kenndaten (Luftgehalt des Frischbetons, dessen Konsistenz, Druckfestigkeit im Alter von 7 und 28 Tagen und Biegezugfestigkeit) sowie die Luftporenkenndaten des Festbetons ermittelt. Den Luftporenkenndaten wurde das Abwitterungsverhalten der Betone während der Frost-Tausalz-Beanspruchung gegenübergestellt. Dazu wurde der Frost-Tausalz-Widerstand mit dem CDF-Verfahren bestimmt. Um eine Aussage hinsichtlich des Schädigungsfortschritts und der Wasseraufnahme, während der Frost-Tau-Wechsel machen zu können, wurden die Probekörper mit 56 Frost-Tau-Wechseln beansprucht. Zusätzlich zur Abwitterung wurde die innere Schädigung mit Ultraschallmessung bestimmt. Da der Luftgehalt und die Luftporenverteilung im oberflächennahen Mörtel die Dauerhaftigkeit der Oberflächentextur maßgeblich beeinflussen, wurde die Dauerhaftigkeit der Textur gegenüber einem Frost-Tausalz-Angriff und dem Laborbeanspruchungszyklus (Bild 12) getrennt untersucht. Hierzu wurden von einigen Betonen texturierte Probekörper hergestellt, mit herkömmlichem Nachbehandlungsmittel nachbehandelt und im Klima 20 °C/ 85 % r. F. gelagert. An diesen Proben wurde ebenfalls der Frost-Tausalz-Widerstand im Alter von 28 Tagen bestimmt. Außerdem wurde mit dem Laborbeanspruchungszyklus (FA 8.157 „Oberflächendauerhaftigkeit“ siehe oben) die Dauerhaftigkeit der Oberfläche bewertet. Ergänzend wurden orientierend die freie Wasseraufnahme und die Wasseraufnahme unter Vakuum bestimmt sowie eine Messung der Gaspermeabilität nach dem Torrent-Verfahren durchgeführt.
Zur Bewertung des Widerstands gegen einen frühen Frost-Tausalz-Angriff in Teil B wurden zwei Betone aus Teil A ausgewählt, die sich in der Art des LP-Bildners unterschieden. Außerdem wurde eine im Winter häufig verwendete Straßenbetonrezeptur mit einem CEM I 42,5 R untersucht. Aus den Betonen wurden texturierte Probekörper hergestellt, mit einem herkömmlichen Nachbehandlungsmittel nachbehandelt und so gelagert, dass ein Betoneinbau im Herbst bzw. Winter simuliert wurde. Da Betonieren ab einer Lufttemperatur unter 5 °C nur mit besonderen Maßnahmen zulässig ist, wurden die Probekörper in einer Schalung bis zur jeweiligen Prüfung bei Temperaturen von 5, 10 bzw. 20 °C gelagert. An ausgewählten Proben wurde im oberflächennahen Bereich der elektrolytische Widerstand mit einer Multiringmessung als Kennwert für den Feuchtegradienten bestimmt. Da die Verkehrsfreigabe von Fahrbahndecken aus Beton der Bauklassen SV und I bis III ab einer Druckfestigkeit von 60 % der Nenndruckfestigkeit zulässig ist, wurde auch die Druckfestigkeitsentwicklung der Betone in Abhängigkeit von der Lagerungsart und -dauer geprüft. An den Betonen wurde der Frost-Tausalz-Widerstand nach einem modifizierten CDF-Verfahren geprüft. Hierzu wurden die Probekörper, ohne zuvor kapillar gesaugt zu haben, in der CDF-Truhe eingelagert. Die Maximaltemperatur der Frost-Tau-Zyklen wurde der jeweiligen Vorlagerungstemperatur angepasst. An den Probekörpern wurden die Abwitterung, der dynamische E-Modul und die Masseänderungen nach 28 Frost-Tau-Wechseln bestimmt. Zur Beurteilung der Beständigkeit der Textur gegen frühzeitige Verkehrsbeanspruchung durch Lkw wurden Probekörper nach einem modifizierten Verfahren (vgl. oben) einer Frost-Tausalz-Beanspruchung und nachfolgend einer Beprallung ausgesetzt und die hervorgerufenen Texturveränderungen gemessen.
Die Untersuchungen im Teil A des FE-Vorhabens ergaben, dass die Art des Wirkstoffs im verwendeten Luftporenbildner keinen signifikanten Einfluss auf Frisch- und Festbetoneigenschaften besitzt. Das Abwitterungsverhalten und die Oberflächendauerhaftigkeit waren unabhängig von der Art des Luftporenbildners. Einen weit größeren Einfluss hatten die im Rahmen der Untersuchungen verwendeten unterschiedlichen Zemente. Da jedoch nur ein Zement je Zementart verwendet wurde, konnte keine allgemeingültige Aussage zum Einfluss der Zementart auf den Frost-Tausalz-Widerstand bzw. die Oberflächendauerhaftigkeit getroffen werden. Bestätigt wurde, dass Menge und Verteilung der Mikroluftporen einen signifikanten Einfluss auf den Frost-Tausalz-Widerstand des Betons haben. Für einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand ist es wichtig, dass der Mikroluftporengehalt A300 mindestens 1,8 Vol.-% und der Abstandsfaktor höchstens 0,20 mm beträgt, wie in dem „Merkblatt für die Herstellung und Verarbeitung von Luftporenbeton“ [18] gefordert. Die Untersuchungen zeigten, dass diese Grenzwerte für Luftporenkennwerte am Festbeton auch für neuere Luftporenbildner auf Basis synthetischer Tenside gültig sind.
Im Rahmen des Teils B der Untersuchungen zur Frage der frühen Verkehrsfreigabe wurde schon in einem sehr jungen Alter ab einer Druckfestigkeit von ca. 20 N/mm² ein ausreichender Frost-Tausalz-Widerstand nachgewiesen (Bild 14).
Bild 14: Ab einer Druckfestigkeit von 20 N/mm² wurde unabhängig von der Lagerungstemperatur ein ausreichender Frost-Tausalz-Widerstand des Betons festgestellt, ab einer Druckfestigkeit von 30 N/mm² trat keine Verbesserung des Frost-Tausalz-Widerstands mehr auf (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung)
Es wurde kein Hinweis gefunden, nachdem bei einer sachgerechten Anwendung von Straßenbeton nach dem aktuellen Technischen Regelwerk ein Frost-Tausalz-Angriff zu dauerhaften Schäden führt. Vielmehr deuteten die Untersuchungen auf andere Einflüsse hin, die zu Schäden führen, welche oft einer zu frühen Verkehrsfreigabe zugeschrieben werden. Solche Einflüsse können zum Beispiel sein: ein unzureichendes Luftporengefüge im Mörtelbereich, eine schlecht zusammengesetzte Mörtelphase bzw. eine zu dicke Mörtelschicht, eine sehr frühzeitig unterbrochene Hydratation (unzureichende Nachbehandlung, Temperaturen unter 0 °C) oder Mikrorisse bedingt durch Temperatur- bzw. Feuchtegradienten. Der Rückschluss von der Druckfestigkeit auf den Frost-Tausalz-Widerstand ist zwar betontechnologisch nicht zu begründen, stellt aber einen praxistauglichen Ansatz dar. Zur Optimierung der Rezeptur hinsichtlich einer frühen Verkehrsfreigabe werden Vergleichsuntersuchungen mit verschiedenen Rezepturen vorgeschlagen. Da derartig aufwändige, zeitintensive Untersuchungen baupraktisch kaum umzusetzen sind, wurde in den neuen ZTV Beton-StB 07 für eine Verkehrsfreigabe der Mindestwert der Druckfestigkeit für eine ausreichende Erhärtung und Erreichen eines ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstands mit 26 N/mm² festgesetzt.
Mit der Anpassung des vorgenannten kombinierten Laborbeanspruchungszyklus an die in der Praxis auftretenden Beanspruchungen der Oberflächen von Fahrbahndecken aus Beton unter Berücksichtigung der klimatischen Bedingungen sowie der direkten Verkehrseinwirkung (Bild 12) befasste sich das FE-Vorhaben 8.180 „Messung der Texturveränderung auf bestehenden Fahrbahnoberflächen aus Beton mit berührungslosen Oberflächen-Messgeräten und Kalibrierung im Labor“ (Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung). Hierzu wurden baustellenbegleitende Versuche sowie Untersuchungen der Eigenschaften der eingebrachten Textur in situ und im Labor durchgeführt. Die damals dazu ausgeführte Betonstrecke wurde noch mit einem Jutetuch in Längsrichtung texturiert. Diese Art der Texturierung ist heute nicht mehr der Regelfall. Die gewonnenen Erkenntnisse gelten jedoch auch für die anderen in den ZTV Beton-StB 07 enthaltenen Oberflächenarten „Entfernen des Oberflächenmörtels“ (Regelfall), „Abziehen mit einem Stahlbesen in Querrichtung“ und „Abziehen mit einem Kunstrasen“. Da außerdem der Beobachtungszeitraum für eine fundierte Aussage über die Wirkung des kombinierten Laborbeanspruchungszyklus noch zu kurz war, ist geplant, entsprechend weitere Untersuchungen durchzuführen, unter anderem auch an Waschbetonoberflächen. Im Zuge des FE-Projektes wurden an der Strecke Griffigkeitsmessungen mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM) in der Anfangsphase (bis 4 Wochen nach Verkehrsfreigabe) sowie 41 und 75 Wochen nach Verkehrsfreigabe in der sehr hoch beanspruchten Rollspur des 1. Fahrstreifens durchgeführt. Die Abschätzung und Anpassung der Wirkung des Laboruntersuchungszyklus erfolgte an Bohrkernoberflächen, die aus dem Streckenabschnitt vor der Verkehrsfreigabe entnommen wurden. Auch wurden Wetterdaten sowie die Entwicklung der primären (Gestalt der Oberfläche) und sekundären (Griffigkeit) Oberflächeneigenschaften, die in dem Streckenabschnitt bestimmt wurden, ausgewertet.
Die Auswertung der Wetterdaten des untersuchten Streckenanschnitts ergab während des Beobachtungszeitraums eine übliche Anzahl an Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchungen. Die Untersuchungen im Zusammenhang mit der Einwirkung aus saurem Regen zeigten, dass sich die einstellende Abtragtiefe aus der Kombination von mechanischem und lösendem Angriff ergibt (Bild 12). Dabei findet ein stetiger Abtrag der angelösten Schicht durch die mechanische Beanspruchung statt. Dies findet in der Praxis durch Überrollung der Fahrzeugreifen statt. Beim kombinierten Laborbeanspruchungszyklus erfolgt ein Abtrag durch den mechanischen Angriff mit dem Prallabriebgerät im Anschluss an die lösende Beanspruchung. Die Dicke der angelösten Schicht wird dabei maßgeblich vom pH-Wert der angreifenden Lösung bestimmt. Unter Berücksichtigung der an dem untersuchten Streckenabschnitt vorliegenden Randbedingungen konnte über die Abtragtiefe, die sich im Labor eingestellt hatte, ein simulierter Zeitraum abgeschätzt werden. In Abhängigkeit des pH-Wertes entsprach die im Labor verwendete Kombination auslösendem und mechanischem Angriff etwa 15 bis 35 Jahre des hier untersuchten Streckenabschnitts. Aus der in der Praxis zunehmenden Verkehrsbelastung und der in diesen Untersuchungen betrachteten, durch den Lkw-Verkehr hoch beanspruchten, Rollspur des 1. Fahrstreifens, resultierte eine deutliche Steigerung des Prallabriebs im Labor, der die Einwirkung aus Verkehr simulieren soll. Außerdem erscheint der Poliereffekt des Laborversuchs im Bereich der Mikrotextur im Vergleich zur Praxis zu schwach, weshalb hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung für die geplanten weiterführenden Untersuchungen eine Erweiterung des kombinierten Laborbeanspruchungszyklus um die Beanspruchung mit der Prüfanlage Wehner/Schulze vorgeschlagen wird.
Der kombinierte Laborbeanspruchungszyklus wurde auch in dem FE-Vorhaben 8.170 „Beständigkeit unterschiedlicher Texturgeometrien von Straßenoberflächen unter Berücksichtigung der Betonzusammensetzung“ (Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung, und Universität Kassel, Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens) eingesetzt. Es wurden in der Praxis gängige Texturgeometrien hinsichtlich eines Einflusses der Texturgeometrie auf die Dauerhaftigkeit der Oberflächeneigenschaften untersucht. Zudem wurden betontechnologische Einflüsse auf die Entstehung des für die Texturierbarkeit wichtigen Oberflächenmörtels analysiert und ein Ansatz zur Optimierung des Straßenbetons im Feinkornbereich erarbeitet.
Die Untersuchungen an der TU München umfassten Laborversuche und Praxisstrecken. An den Praxisstrecken erfolgte eine Analyse des Oberflächenmörtels während des Betoneinbaus sowie die Bestimmung der Oberflächeneigenschaften der Texturgeometrien Jutetuch-, Besen- und Kunstrasenlängsstrich sowie Waschbeton. Die Texturgeometrien lagen zum Untersuchungszeitpunkt etwa 5 Jahre unter Verkehr. Die Oberflächeneigenschaften der Texturen wurden mit SKM, SRT-Pendel sowie Ausflussmesser, Sandflächenverfahren und Lärmmessanhänger sowie im Labor mit dem berührungslosen Messsystem Doppeltriangulationssensor (Bild 13) bestimmt. In den Laboruntersuchungen wurden neben einem Einfluss der Texturgeometrie (Jutetuch-, Kunstrasen-, Besenlängs- und Jutetuchlängsstrich mit Kamm) auch ein Einfluss der Betonzusammensetzung (w/z-Wert, Sieblinie, Sand, Mörtelgehalt) untersucht. Die Prüfung der im Labor hergestellten Texturprobekörper erfolgte mit dem oben beschrieben, realitätsnahen und zeitraffenden, kombinierten Laborbeanspruchungszyklus. Die Veränderung der Oberflächeneigenschaften wurde im Labor mit dem SRT-Pendel, dem Sandflächenverfahren und der Prüfanlage Wehner/Schulze sowie mit dem Doppeltriangulationssensor festgestellt.
Die Laboruntersuchungen zeigten, dass anhand geometrischer Kennwerte, die aus der Gestalt der Oberfläche (primäre Eigenschaft) gewonnen werden, Rückschlüsse auf das Griffigkeitsverhalten (sekundäre Eigenschaft) der untersuchten Laborproben möglich sind. Es bestätigte sich, dass der bei der Herstellung entstehende Oberflächenmörtel entscheidend für die Griffigkeit der Betondeckenoberfläche ist. Tritt beim Betoneinbau Sedimentation auf, führt das bereits nach kurzer Beanspruchung durch den Verkehr zu einem deutlichen Rückgang der Griffigkeit. Dieser kann, je nach Dicke des anstehenden Oberflächenmörtels, nicht mehr durch im Laufe der Zeit stattfindendes Freilegen von griffigkeitsrelevanten Gesteinskörnern ausgeglichen werden. Die Untersuchungen an den oben genannten Texturierungen von Fahrbahndecken, die etwa 5 Jahre den Einwirkungen von Verkehr und Umwelt ausgesetzt waren, ergaben, dass alle Texturen durch die hohe mechanische Beanspruchung in den Rollspuren des 1. Fahrstreifens im Vergleich zum Seitenstreifen hinsichtlich der primären Eigenschaften in der Makrotextur eingeebnet und in der Mikrotextur poliert wurden. Die Messungen der sekundären Eigenschaften der Texturen aus dem Bereich der Rollspuren in der Strecke und im Labor ergaben texturunabhängig ein ähnliches Griffigkeitsniveau. Unterschiede wurden bei der Entwicklung der Rautiefen der Texturen festgestellt. Es zeigte sich, dass die Texturen mit einer anfänglich größeren Rautiefe (Besen- und Kunstrasenlängsstrich sowie Waschbeton) im Vergleich zum Jutetuchlängsstrich länger eine ausreichende Rautiefe behalten.
Die Untersuchungen an den im Labor hergestellten Betonen zeigten unter anderem:
- Die Beständigkeit der Textur hing nicht unmittelbar vom w/z-Wert und dem Mörtelgehalt des Betons ab, sondern wurde vielmehr von dem entstandenen Oberflächenmörtel bestimmt. Neben den betontechnologischen Parametern wurden die Eigenschaften des Oberflächenmörtels auch von der Herstellung beeinflusst. Mit den derzeit in der Praxis üblichen Betonzusammensetzungen mit einer steifen Konsistenz kann offensichtlich die für eine Texturierung günstige Dicke des Oberflächenmörtels von 0,5 bis 1,0 mm erreicht werden, ohne dass es zur Sedimentation des Oberflächenmörtels kommt.
- Der Auftrag eines Nachbehandlungsmittels bei augenscheinlich mattfeuchter Oberfläche führte zu einer Veränderung der eingebrachten Textur. Im Bereich der Mikrotextur wurde dabei eine Zunahme der Feinrauheit beobachtet, die hauptsächlich auf ein Entfernen der Zementleimschicht und einem damit verbunden Freilegen der Gesteinskörner zurückgeführt wurde. Im Bereich der Makrotextur wurden die Texturen durch die Tropfen des Sprühnebels des Nachbehandlungsmittels ebenfalls verändert, so dass beispielsweise die mit dem Sandflächenverfahren bestimmten Rautiefen in der Ausgangstextur im Vergleich zu den nicht nachbehandelten Probekörpern größer waren. Diese Unterschiede waren allerdings nach Durchlaufen des Beanspruchungszyklus nicht mehr feststellbar.
- Auch bei diesen Untersuchungen wurde der Einfluss der petrographischen Zusammensetzung des Sandes festgestellt. Feste quarzitische Sandkörner wurden durch den Bean-spruchungszyklus als Ganzes aus der Zementsteinmatrix herausgelöst.
An der Universität Kassel wurde der Frage nachgegangen, ob und mit welchen Zusatzstoffen ein Straßenbeton optimiert werden kann, um einen möglichst gut texturierbaren, sedimentationsstabilen und dauerhaften Oberflächenmörtel zu erzielen. Dazu wurden Feinmörtel, Mörtel mit Gesteinskörnung bis 2 mm und Betone untersucht, die einem Praxislos entsprachen. Es wurden verschiedene Kombinationen aus drei Zementen mit vier Zusatzstoffen (Bild 15), sechs Sanden bei insgesamt vier w/z-Werten und drei Füllgraden der Zusatzstoffe, hinsichtlich des Sedimentationsverhaltens, der Konsistenz, der Festigkeitsentwicklung, der Porosität und der Mikrostruktur geprüft.
Bild 15: Korngrößenverteilung der Zusatzstoffe, differenziale Darstellung (Quelle: Universität Kassel, Fachgebiet Werkstoffe das Bauwesens)
Es zeigte sich, dass der Oberflächenmörtel von Fahrbahndeckenbeton und die Stabilität des Luftporensystems durch die Zugabe von Feinstoffen wesentlich verbessert werden können. Generelle Aussagen über Art und Menge an Feinstkorn waren jedoch nicht möglich. Dies muss für den Einzelfall geklärt werden. Die Texturierbarkeit und die Dauerhaftigkeit der Textur in dem Oberflächenmörtel können durch einen sedimentationsstabilen Beton bzw. Mörtel verbessert werden. Empfindlich gegen Sedimentation sind im Regelfall grobkörnige, feinstoffarme Sande, unter Umständen verstärkt durch die im Straßenbau eher grob gemahlenen Zemente mit niedrigen spezifischen Oberflächen. Geeignete Maßnahmen gegen Sedimenta-tion sind die Erhöhung der inneren Oberfläche und die Verbesserung der Mörtelmatrix durch Zugabe von inerten oder reaktiven Füllern (Bild 16).
Für Sonderfälle, z. B. bei kritischen oder unbekannten Ausgangsstoffen (wie im Ausland), wird eine erweiterte Erstprüfung vorgeschlagen, die beinhalten kann:
- die Bestimmung der Kornzusammensetzung des Sandes (insbesondere kleiner 0,125 mm; ungünstig sind feinkornarme oder feinkornfreie Sande mit steiler, hohlraumarmer Sieblinie), - die Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens des Mörtels unter 2 mm im Absetzversuch, - die Bestimmung der Menge an Mörtel, die sich bei dynamischer Verdichtung des Betons an der Oberfläche absetzt und - die Prüfung des Abriebwiderstands des Oberflächenmörtels an Betonproben mit dem kombinierten Laborbeanspruchungszyklus.
Bild 16: Durch Zugabe von Füllern gehen die Blutneigung, das Wasserabsetzen zurück (SF 800: Quarzmehl, 2 BG: Kalksteinmehl, Bild 15) (Quelle: Universität Kassel, Fachgebiet Werkstoffe das Bauwesens
Aufgrund ihrer sehr guten Gebrauchseigenschaften und Dauerhaftigkeit (insbesondere dauerhaft hohe Griffigkeit und geringe Geräuschemission) sind Waschbetonoberflächen (Bild 1) heute die Standardbetonoberflächen für Autobahnen in Deutschland wie auch in anderen Ländern [19]. Das FE-Vorhaben 8.185 „Optimierung von Waschbeton im Betonstraßenbau“ (Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung) hatte zum Ziel, die Auswirkungen verschiedener betontechnologischer Parameter auf die Waschbetonoberfläche zu erfassen. Dabei sollte die mittlere Oberflächentexturtiefe ca. 0,8 mm betragen und die Oberfläche eine möglichst hohe Anzahl grober Gesteinskörner aufweisen. Für die Untersuchungen wurden zwei in der Praxis eingesetzte Rezepturen mit Ausfallkörnung bzw. mit stetiger Sieblinie verwendet. Deren Frisch- und Festbetondaten wurden während der Bauausführung bestimmt, um den Bezug zu den Laborbetonen sicherzustellen. Der Zementgehalt des Betons mit Ausfallkörnung betrug 430 kg/m³ (mit einem w/z-Wert von 0,40) der des Betons mit stetiger Sieblinie 415 kg/m³ (mit einem w/z-Wert von 0,44).
Zunächst musste geklärt werden, wie im Labor Probekörper mit einer praxisnahen Waschbetonoberfläche reproduzierbar hergestellt werden können. Dazu war zu beachten:
- Das Befüllen der Schalung, die Verdichtungsdauer, die Verdichtungsfrequenz und die Probekörperhöhe hatten einen signifikanten Einfluss auf die Waschbetonoberfläche. - Als günstig erwiesen sich Schalungen mit den Abmessungen l x b x h = 300 x 300 x 50 mm³, die einlagig befüllt wurden, wobei der eingefüllte Beton vor der Verdichtung mit einem Reibbrett angedrückt wurde. Während der Verdichtung fand kein weiteres Befüllen statt, da dies teilweise zu einer inhomogenen Oberfläche führte. Für die Verdichtung wurde ein Rütteltisch mit einer Frequenz von 50 Hz (Schwingbreite 0,4 mm) verwendet. - Die Verdichtungsdauer lag je nach Verdichtungsmaß zwischen 30 und 45 Sekunden. - Zur Ausrichtung der Splittkörner erwies sich ein zweimaliges Glätten mit einer Glättkelle unter leichtem Anpressdruck als geeignet. Der sich beim Glätten seitlich ansammelnde Oberflächenmörtel wurde anschließend mit einer Glättkelle auf der Oberfläche verteilt.
In den folgenden Versuchen wurden die Einflüsse von Zementgehalt, Fließmittel und Gesteinskörnung auf die Waschbetonoberfläche sowie Einflüsse des Verzögerers bzw. Entaktivierers, des Ausbürstzeitpunkts und -werkzeugs und der Lagerungsbedingungen untersucht. Bei einem Zementgehalt von 430 kg/m³ konnten unabhängig vom Größtkorn gute Frischbetoneigenschaften erreicht werden (Bild 17). Die Waschbetonoberfläche war homogen und wies die geforderte mittlere Oberflächentexturtiefe auf. Bei Zementgehalten von 350 bzw. 400 kg/m³ und gleichzeitig erhöhtem Sandgehalt lagen hingegen keine ausreichenden Frischbetoneigenschaften (Verarbeitbarkeit und Oberflächenschluss des Mörtels) vor (Bild 17). Durch verschiedene Oberflächenverzögerer bzw. Entaktivierer wurden unterschiedliche mittlere Texturtiefen zwischen 0,7 und 1,0 mm erzielt. Bei Ausbürstzeitpunkten zwischen 16 und 24 Stunden wurden vergleichbare mittlere Texturtiefen festgestellt. Einen deutlichen Einfluss auf die Texturtiefen hatte das Ausbürstwerkzeug: bei Verwendung einer Drahtbürste lag der Wert um ca. 0,3 mm über dem bei Verwendung einer Wurzelbürste. Die angewandten Lagerungsbedingungen bei Temperaturen zwischen 20 und 30 °C sowie relativen Luftfeuchten zwischen 65 und 40 % r. F. mit Windbeanspruchung (Geschwindigkeit 1 m/s) hatten bei den gewählten Ausbürstzeitpunkten zwischen 10 und 16 Stunden keine Auswirkungen auf die mittlere Texturtiefe (Bild 18).
Bild 17: Bei einem Zementgehalt von 430 kg/m³ wurde ein guter Oberflächenmörtel erzielt (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung)
Bild 18: Bei den gewählten Lagerungsbedingungen wurde kein Einfluss auf die Texturtiefe festgestellt (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl für Baustoffkunde und Werkstoffprüfung)
Um die Anzahl grober Gesteinskörnungen an der Waschbetonoberfläche zu erhöhen, wurde die Packungsdichte der groben Gesteinskörnungen der zwei Praxisbetone nach dem Verfahren von de Larrard optimiert und mit den Ausgangsbetonen verglichen. Dabei wurde bei dem Beton mit Ausfallkörnung der Anteil der groben Gesteinskörnung zu Lasten des Anteils der feinen Gesteinskörnung erhöht. Dies führte zu einer Zunahme der Anzahl grober Gesteinskörner an der Oberfläche. Die mittlere Oberflächentexturtiefe blieb annähernd unverändert. Ebenso waren die Druck- und Biegezugfestigkeit, der Frost-Tausalz-Widerstand, die Griffigkeit und die Oberflächendauerhaftigkeit (geprüft mit dem kombinierten Labor-beanspruchungszyklus, Bild 12) beider Betone vergleichbar. Bei dem Beton mit stetiger Sieblinie wurde der Anteil der groben Gesteinskörnung 2/5 mm erhöht und die Anteile der groben Gesteinskörnung 5/8 mm sowie der feinen Gesteinskörnung verringert. Für diesen Beton wurden keine Veränderungen der Waschbetonoberfläche festgestellt. Für die Praxis weisen die Ergebnisse auf Möglichkeiten hin, die Festbetoneigenschaften, wie Festigkeit oder Oberflächendauerhaftigkeit, durch eine Optimierung des Mörtels zu verbessern, indem beispielsweise die Zementart, die Sieblinie bzw. die petrographische Zusammensetzung des Sandes und die Wahl der Zusatzmittel variiert werden.
6.2 Laufende und geplante Forschungsprojekte
In der Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“ laufen derzeit Forschungsprojekte unter anderem zu
- Sandeigenschaften und Oberflächendauerhaftigkeit, - Alkalireaktion im Straßenbeton, - Untersuchungen zur Verzögerung des AKR-Schadensfortschritts, - selbstverdichtendem Beton mit hoher Grünstandfestigkeit, - Nachbehandlung von Betonoberflächen, - Prüfung der Kombinationsmittel zur Herstellung von Waschbetonoberflächen, - CEM II-Zementsysteme im Betonstraßenbau, - hochwertigem Recycling von Beton auf Geotextil, - dünnen Betondecken auf Brücken mit Übergangskonstruktion und - dem Einfluss grober Gesteinskörnungen auf die Dauerhaftigkeit von Waschbetonoberflächen.
Geplant sind unter anderem Forschungsvorhaben zu den Themen:
- dünne Betondecke auf Asphaltstraßen („Whitetopping“), - Auswirkungen dynamischer Beanspruchungen auf potenzielle Gefügeschädigungen, - bauliche Erhaltung von AKR-geschädigten Betondecken, - Optimierung der Grobtextur von Waschbetonoberflächen, - Mindestluftgehalt in Waschbeton, - optimale Nachbehandlung von Straßenbetonen mit hüttensandhaltigen Zementen, - Verwendung von AKR-geschädigtem Betonaufbruch für hydraulisch gebundene Tragschichten, - Versuchsstrecke mit optimierter Kiestragschicht und - Entwicklung frühhochfester Reparaturbetone in Waschbetonbauweise.
7 Schlussbemerkung
Der vorstehende Überblick konnte nur ausgewählte Aufgaben, Themenschwerpunkte und Ergebnisse der Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“ anreißen. Eines soll jedoch noch einmal verdeutlicht werden: hinter all diesen Aktivitäten stehen Fachleute, die diese – im Regelfall neben ihren eigentlichen beruflichen Aufgaben – mit großem Engagement erledigen. Ihnen allen sei herzlich gedankt, last not least verbunden mit der Bitte, dieses Engagement auch weiterhin aufrecht zu erhalten. Die besten Argumente für unsere Tätigkeit innerhalb der Arbeitsgruppe „Betonbauweisen“ (sei es als Vertreter der öffentlichen Hand, der Forschung und Planung oder der Baustoff-, Baumaschinen- sowie natürlich der Bauindustrie) sind immer noch dauerhafte Verkehrsflächen aus Beton mit ausgezeichneten Gebrauchseigenschaften.
Literaturverzeichnis
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