Das Grinding (Schleifen) und Grooving (Rillen schneiden) von Betonfahrbahndecken wird in den USA seit Jahrzehnten eingesetzt, um die Griffigkeit und den Wasserabfluss der Oberfläche zu verbessern. Beim Grinding, wie auch beim Grooving, werden Diamantschleifscheiben, die sich auf einer rotierenden Welle befinden, über die Oberfläche geführt. Beim Grinding sind die Schleifscheiben mit einem Abstand von maximal 3 mm angeordnet. Beim Grooving beträgt ihr Abstand mehr als 10 mm. In den vergangenen Jahren wurden beide Verfahren für unterschiedlichste Anwendungsfälle modifiziert. So gibt es z. B. Texturen, die speziell für Stadtstraßen zum Einsatz kommen. Die steigenden Anforderungen an die Lärmminderung führten zudem zur Entwicklung der sogenannten Next Generation Concrete Surface (NGCS). Diese Oberfläche hat sich in den USA aufgrund dauerhaft guter Lärmminderungseigenschaften bewährt.

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

1 Einleitung

Das Grinding (Schleifen) und Grooving (Rillen schneiden) von Betonfahrbahndecken wird in den USA seit Jahrzehnten eingesetzt, um die Griffigkeit und den Wasserabfluss der Oberfläche zu verbessern. In den vergangenen Jahren wurden beide Verfahren für unterschiedlichste Anwendungsfälle modifiziert. Im Folgenden sind die Oberflächentypen, die mittels Grinding/Grooving hergestellt werden, beschrieben.

2 Grinding- und Groovingtexturen

2.1 Konventionelles Grinding

Seit Anfang der 1960er Jahre kommt das Grinding auf Straßen und Flughäfen zum Einsatz. Durch das Grinding können die Griffigkeit sowie die Ebenheit der Oberfläche verbessert werden. Beim Grinding werden Diamantschleifscheiben, die im Abstand von maximal 3 mm auf einer rotierenden Welle angeordnet sind (Bild 1), über die Oberfläche geführt. Der Abstand der Schleifscheiben zueinander wird über Distanzscheiben, die sich zwischen den Schleifscheiben befinden, bestimmt. Die Schleiftiefe beträgt in der Regel wenige Millimeter.

Bild 1: Grindingwelle (Breite: 1,20 m) (links), Schleifscheibe (oben) mit Distanzscheibe (unten rechts)

Die Schleifscheiben bestehen aus einem ca. 2,7 mm dicken Blattkern, auf dem diamantbesetzte Schleifsegmente angeschweißt sind. Die Schleifsegmente haben eine Dicke zwischen 2,5 und 3,2 mm (Bild 2).

Der Grindingvorgang erfolgt in Längsrichtung. Im Bild 3 ist die Betonoberfläche unmittelbar nach dem Grinding dargestellt. Zwischen den Schleifsegmenten bilden sich beim Grinding die sogenannten Stege, deren Breite neben der Segmentbreite im Wesentlichen von der Dicke der Distanzscheiben bestimmt wird. Die Geometrie der Stege wird von der Schleiftiefe und von der Festigkeit groben Gesteinskörnung sowie der Festigkeit der umgebenden Zementsteinmatrix bestimmt.

Aus Bild 3 wird ersichtlich, dass im Bereich der groben Gesteinskörnung das Stegbruchverhalten im Vergleich zur umgebenden Matrix sehr unterschiedlich sein kann. In diesem Beispiel verbleiben in vereinzelten groben Gesteinskörnern ausgeprägtere Stege. Diese brechen durch den späteren Verkehr, wodurch die Oberfläche homogener wird. Zwischen den Stegen befinden sich die Rillen, deren Breite sich aus der Breite des Schleifsegments ergibt.

Bild 2: Diamantbesetzte Schleifsegmente, (links) Prinzipskizze der Anordnung von Schleifscheibe und Distanzscheibe (rechts)

Bild 3: Betonoberfläche unmittelbar nach dem Grindingvorgang

Die Textur, die sich durch das Grinding ergibt, wird zum einen von dem Wellenbesatz (Segmentdicke und Distanzscheibendicke) sowie von den Eigenschaften des Betons, wie Festigkeit und Petrographie der groben Gesteinskörnung bestimmt. Das Bild 4 zeigt den Einfluss des Wellenbesatzes auf die Grindingtextur der Fahrbahndecke. Bei 60 Schleifscheiben auf einer Breite von 30,5 cm (60 Blades/Foot) ist die Oberfläche wesentlich homogener als bei 52 Schleifscheiben. Bei einer Anzahl von 60 sind die Schleifscheiben so dicht angeordnet, dass kaum Stege an der Oberfläche entstehen. Bei einer Anzahl von 52 ist der Abstand der Schleifscheiben größer, so dass deutlich mehr Stege an der Oberfläche verbleiben.

Bild 4: Einfluss der Anzahl an Schleifscheiben auf die sich ergebende Grindingoberfläche

Neben der Verbesserung der Griffigkeit und der Ebenheit wird das Grinding auch bei Betonfahrbahndecken eingesetzt, bei deren Herstellung noch keine Dübel verwendet wurden und infolgedessen es zu einer Stufenbildung der Platten gekommen ist (Bild 5). Die Stufenbildung wird durch den Grindingvorgang abgeschliffen. In diesem Fall kann der Betonabtrag beim Schleifvorgang auch mehrere Zentimeter betragen.

Bild 5: Stufenbildung von Betonplatten, die ohne Dübel hergestellt wurden

Das Bild 6 zeigt von links nach rechts den Übergang von einer mittels Kamm quer zur Fahrtrichtung texturierten Oberfläche und einer Grindingtextur. Das Texturieren des frischen Oberflächenmörtels mittels Kamm quer zur Fahrtrichtung ist weit verbreitet und führt zu einer hohen Griffigkeit. Gleichzeitig ist mit diesen Texturen ein hochfrequentes Reifen/Fahrbahngeräusch verbunden, das sowohl im Fahrzeug als auch in der Umgebung als sehr störend empfunden wird. In Regionen mit zunehmenden Anforderungen an den Lärmschutz werden diese Oberflächen häufig mittels Grinding texturiert, um die Lärmminderung zu verbessern.

Bild 6: Übergang zwischen ,,alter" Textur (links: Kamm quer zur Fahrtrichtung) und neu hergestellter Grindingtextur (rechts)

2.2 Grooving

Wie auch das Grinding wird das Grooving seit Anfang der 1960er Jahre auf Straßen und Flughäfen eingesetzt. Im Unterschied zum Grinding beträgt der Abstand der Schleifscheiben beim Grooving jedoch mehr als 10 mm (Bild 7). Die Herstellung der Oberfläche erfolgt analog zum Grindingverfahren. Im Unterschied zum Grinding kann das Grooving jedoch sowohl in Längsrichtung (Straßen) als auch zur Verbesserung des Wasserabflusses in Querrichtung (Flughäfen) ausgeführt werden.

Bild 7: Groovingwelle

2.3 Grinding und Grooving

Die Verfahren Grinding und Grooving können auch kombiniert ausgeführt werden, wobei der Herstellvorgang in zwei Arbeitsschritten erfolgt. Im ersten Schritt wird ein konventionelles Grinding ausgeführt, auf das ein Grooving folgt. Das Bild 8 zeigt die Oberfläche einer solchen Bearbeitung. Die Kombination aus Grinding und Grooving kommt zum Einsatz, wenn der Beton mit polieranfälliger Gesteinskörnung hergestellt wurde. Die Rillen, die beim Grooving in den Beton geschnitten werden, erhöhen in diesem Fall dauerhaft die Griffigkeit der Oberfläche.

Bild 8: Textur Grinding und Grooving

2.4 Texturgrinding

Beim Texturgrinding liegt der Fokus ausschließlich auf der Verbesserung der Griffigkeit. Die Ebenheit der Oberfläche ist in diesem Fall nicht relevant. Im Vergleich zum konventionellen Grinding ist der Abstand der Schleifscheiben etwas größer, so dass kein vollflächiger Abtrag der Oberfläche mehr stattfindet. Somit ist eine Verbesserung der Ebenheit nicht möglich, da weder eine Stufenbildung von Platten noch lokale Unebenheiten abgeschliffen werden können. Das Grinding folgt somit den Konturen der Fahrbahnoberfläche. Dabei wird lediglich die Makrotextur zur Verbesserung der Griffigkeit erhöht.

Bild 9: Oberfläche eines Texturgrindings

2.5 Optimierte Textur für Stadtstraßen

Speziell für Stadtstraßen, die mit geringen Geschwindigkeiten befahren werden, wurde eine Grindingoberfläche entwickelt, die sich durch eine hohe Gleichmäßigkeit mit einer sehr geringen Anzahl unkontrolliert gebrochener Stege auszeichnet. Dies verringert die Verletzungsgefahr für Freizeitaktivitäten, wie Fahrradfahren, Rollschuhlaufen usw. Dieses Grinding wird mit einer speziellen Schleifscheibe hergestellt, durch die eine cordartige, wenig ausgeprägte Textur entsteht (Bild 10). Die Oberfläche ist dauerhaft, eben und sicher.

Bild 10: Optimierte Textur für Stadtstraßen: Grindingvorgang (links) Vergleich der optimierten Textur mit einer konventionellen Grindingoberfläche (rechts)

2.6 Next Generation Concrete Surface (NGCS)

Mit dem Ziel, lärmmindernde Texturen zu entwickeln und den Einfluss der Fugen auf die Geräuschemission zu untersuchen, begann im Jahr 2005 ein dreijähriges Forschungsvorhaben (Scofield 2010). Im Labor der Purdue University wurden in einem Reifen/Fahrbahn-Versuchsstand (Tire Pavement Test Apparatus, TPTA) Betonprobekörper befestigt (Bild 11 links) und mit einer speziellen Grindingvorrichtung texturiert (Bild 11 rechts). Dabei wurden unterschiedliche Wellenbesätze der Grindingvorrichtung unter Variation der Segmentbreite und der Distanzscheibenbreite verwendet.

Bild 11: Versuchsstand (links) mit Grindingvorrichtung (rechts), (Scofield 2010)

An den Grindingoberflächen wurde anschließend das Reifen/Fahrbahngeräusch gemessen (Bild 12 links). Zur Oberflächencharakterisierung wurden Lasermessungen durchgeführt (Bild 12 rechts).

Die Untersuchungen ergaben, dass ein unkontrollierter Stegbruch (Bild 13, links), wie er beim herkömmlichen Grinding häufig auftritt, das Reifen/Fahrbahngeräusch signifikant erhöhte. Daher wurde eine Oberfläche mit definierter Texturgeometrie entwickelt, bei der es unabhängig von der Betonzusammensetzung zu keinem unkontrollierten Stegbruch kommt. Diese Oberfläche besteht aus 12,5 mm breiten Stegen, auf deren Oberfläche sich sehr feine Rillen befinden (Bild 13, rechts). Mit dieser Oberfläche, die als Next Generation Concrete Surface (NGCS) bezeichnet wird, wurden die geringsten Reifen/Fahrbahngeräusche erzielt.

Bild 12: Herstellung der Oberfläche im Labor, (Scofield 2010)

Bild 13: Konventionelle Grindingoberfläche (links) und Next Generation Concrete Surface NGCS (rechts)

Auf dem Forschungsgelände MnROAD des Departments of Transportation in Minnesota (Bild 14) wurden anschließend Testfelder mit unterschiedlichen Grindingoberflächen hergestellt. Das Forschungsgelände MnROAD existiert seit 1993 und besteht aus einem 5,6 km langen Hauptfahrstreifen der Interstate 94 und einem 4 km langen Rundlauf, der ausschließlich mit einem Fahrzeug definierter Last befahren wird (Bild 14). Auf dem Gelände werden Fahrbahnaufbauten, Baustoffe und Texturen hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit, Griffigkeit und Lärmminderungseigenschaften untersucht.

Im Bild 14 rechts ist das Testfeld der NGCS auf dem MnROAD-Gelände dargestellt. Die NGCS kann sowohl in einem als auch in zwei Arbeitsgängen hergestellt werden. Zur Herstellung in einem Arbeitsgang besteht der Wellenbesatz aus Schleifscheiben mit unterschiedlichem Durchmesser (Bild 15 links). Die im Radius ca. 2 mm kleineren Schleifscheiben sind über minimale Distanzscheiben dicht an dicht angeordnet. Sie schleifen die feinen Rillen auf die breiten Stege der Oberfläche. Mit den größeren Schleifscheiben, deren Abstand ca. 12,5 mm beträgt, werden die zum Wasserabfluss nötigen Rillen in die Oberfläche geschliffen. Der Vergleich der Wellenbesätze für eine NGCS (bei einem Arbeitsgang) und eine herkömmliche Grindingoberfläche ist im Bild 15 dargestellt.

Bild 14: Forschungsgelände MnROAD (Bild Mitte entnommen aus MnROAD 2013) mit NGCS-Testfeld (rechts)

Bild 15: Wellenbesatz für NGCS bei einem Arbeitsgang (links), Wellenbesatz bei konventioneller Grindingtextur (rechts)

Bei der Herstellung der NGCS in zwei Arbeitsgängen wird zunächst mit den dicht angeordneten Schleifscheiben die Feintexturierung der Oberfläche erzeugt. Anschließend werden analog zum Groovingverfahren die Rillen in die Oberfläche geschliffen.

Auf den Testfeldern des MnROAD-Geländes wurde die Geräuschemission der Oberflächen mit dem OBSI-Verfahren (OBSI: On-Board Sound Intensity) gemessen (Bild 16). Das OBSIVerfahren ist, wie auch das in Deutschland eingesetzte CPX-Verfahren (CPX: Close-Proximity Method), eine Nahfeldmethode, mit der das Reifen/Fahrbahngeräusch an einem genormten Reifen gemessen wird. Die Ergebnisse beider Verfahren lassen sich jedoch nicht aufeinander übertragen, da unter anderem eine unterschiedliche Anordnung der Mikrophone vorliegt.

Bild 16: OBSI-Verfahren

Die an der NGCS ermittelten Geräuschemissionen wurden den Messungen von Testfeldern mit anderen Texturen gegenübergestellt und sind im Bild 17 dargestellt. Mit im Mittel 99,2 dB(A) wurde bei der NGCS die geringste Geräuschemission erzielt. Sie ist um ca. 3 dB(A) niedriger als bei der konventionellen Grindingoberfläche (CDG). Auch mit dem hier verwendeten offenporigen Asphalt (ARFC = Asphalt Rubber Friction Course) war die Geräuschemission höher als bei der NGCS. Dies könnte zum einen an dem Alter der Asphaltstrecken liegen. Strecke 1 (100,2 dB(A): war zum Prüfzeitpunkt 4 bis 5 Jahre und Strecke 2(102,8 dB(A)) ca. 6 Jahre alt. Mit zunehmendem Alter verschmutzen die Poren offenporiger Asphalte, so dass die Lärmminderung abnimmt. Ein weiterer Grund könnte das

Messen der Geräuschemission mit einer Nahfeldmethode sein. Hier wird generell das Absorptionsverhalten offenporiger Strukturen nur in geringem Maße erfasst. Die höchsten Geräuschpegel wurden bei den mit einem Kamm in Längsrichtung texturierten Oberflächen (Longitudinal Tining) gemessen.

Auf einer Erprobungsstrecke in Kansas wurden zum Vergleich der Lärmminderungseigenschaften unterschiedliche Texturen auf einer Betonfahrbahndecke hergestellt. Die Geräuschemission wurde im Jahr der Herstellung (Bild 18, 08 Data) und nach einem Jahr unter Verkehr (Bild 18, 09 Data) gemessen.

Auch hier zeigte sich, dass mit der NGCS die geringste Geräuschemission erzielt werden konnte. Nahezu gleich sind die Ergebnisse der konventionellen Grindingoberfläche und die der kunstrasentexturierten Oberfläche (Astro Turf). Am schlechtesten waren die Lärmminderungseigenschaften beim Waschbeton (Exposed Aggregate). Unabhängig von der Textur erhöhte sich die Geräuschemission aller Oberflächen nach einem Jahr unter Verkehr um ca. 1 dB(A).

Bild 17: Ermittelte Geräuschemissionen (OBSI-Verfahren) der unterschiedlichen Testfelder; Anmerkung: ARFC: offenporiger Asphalt, CDG: konventionelles Grinding, Longitudinal Tining: Texturierung mittels Kamm in Längsrichtung (Frentress 2013)

Bild 18: Ergebnisse der Geräuschemissionsmessungen auf einer Erprobungsstrecke in Kansas (Scofield 2010)

3 Zusammenfassung

In den USA werden derzeit sechs unterschiedliche Grinding-/Groovingtexturen für verschiedenste Anwendungsfälle eingesetzt. Die Tabelle 1 fasst die Texturarten mit ihrem jeweiligen Einsatzgebiet zusammen.

Tabelle 1: Grinding-/Groovingtexturen und ihre Einsatzgebiete

Aufgrund der jeweiligen Variationsmöglichkeiten von Grinding- und Groovingtexturen kann eine für den Anwendungsfall geeignete Textur erzeugt werden. Die Oberflächen sind dauerhaft und griffig. Mit der NGCS wird in den USA derzeit bei Betonfahrbahndecken landesweit die beste Lärmminderung erzielt. Die NGCS kommt dabei sowohl für Neubaustrecken als auch für Bestandsstrecken zum Einsatz.

Literaturverzeichnis

MnROAD 2013: http://www.dot.state.mn.us/mnroad/testsections/index.html

F r e n t r e s s, D.: Vortrag am 20. 2. 2013 im Rahmen einer Fortbildungsveranstaltung in North Dakota (LTAP: Local Technical Assistance Program).

S c o f i e l d, L.; B e r n h a r d, R.; D o n a v a n, P.: Development of the Next Generation Concrete Surface(s), 11th International Symposium On Concrete Roads, Seville 2010