Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.
1 Problem, Zielstellung
In Deutschland wird das Unterpressen von Betonfahrbahnplatten seit mehr als 70 Jahren praktiziert. Seit einigen Jahren gewinnt diese Form der Instandsetzung im Rahmen der Baulichen Erhaltung zunehmend an Bedeutung. Dieser Trend ist im Wesentlichen auf die Weiterentwicklung der Injektionstechnologie und -technik als auch der Materialien zurückzuführen. Als Injektionsmaterialien werden aktuell häufig Kunststoffe verwendet, die im Vergleich zu hydraulisch gebundenen Standardmaterialien günstigere Eigenschaften aufweisen. So lassen sich momentan neben dem Plattenversatz, der durch gezieltes Heben der Platten beseitigt werden kann, auch ausgeprägte vertikale Plattenbewegungen durch Festlegen der betroffenen Platten abstellen. Die neuen Verfahren und Injektionsstoffe, wie z. B. die Unterpressung mit Polyurethan (PUR) oder Silikatharz, werden allgemein im aktuellen Regelwerk der Kategorie 2 beschrieben [1]. Gegenwärtig liegen für die Prüfung und Beurteilung derartiger Kunststoffe mittels straßenbauspezifischer Kennwerte jedoch noch keine hinlänglichen Erfahrungen und Prüfvorschriften vor.
Das Ziel der durchgeführten Untersuchungen bestand zum einen in der labortechnischen Ermittlung und Bewertung relevanter Materialkenngrößen. Zum anderen galt es, die Wirksamkeit von Unterpressungen und deren Dauerhaftigkeit im Hinblick auf das verwendete Injektionsmaterial zu hinterfragen. Hierfür wurden primär an drei verschiedenen Injektionsmaterialien die straßenbauspezifischen Festigkeitskennwerte ermittelt sowie die Tragfähigkeitsverhältnisse und die Lagerungsbedingungen der Betonfahrbahnplatten einiger ausgewählter Strecken vor und nach der Instandsetzung mittels FWD-Messungen untersucht.
2 Stand des Wissens – Unterpressen von Betonfahrbahnplatten
2.1 Allgemeines
Eine Form der Baulichen Erhaltung bei gestörten Auflagerungsverhältnissen an Betonfahrbahnplatten stellt das Heben und/oder Festlegen mittels Injektionsverfahren gemäß ZTV BEBStB 02 [2] dar. Ein vertikaler Plattenversatz an Fugen oder Rissen einer Platte ist durch Heben zu beseitigen. Das Heben einer Platte sollte spätestens bei einem Versatz von 10 mm erfolgen. Das Festlegen einer Betonplatte ist hingegen vorzunehmen, wenn deutlich wahrnehmbare Vertikalbewegungen beim Überrollen festgestellt werden.
In der Praxis werden geschädigte Platten bei den regelmäßigen Streckenbefahrungen durch die zuständigen Meistereien detektiert bzw. aufgenommen. Dies geschieht im Allgemeinen außerhalb der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB). Handelt es sich hierbei um eine geringe Plattenanzahl, so werden diese in kleineren Maßnahmen (Tagesbaustellen) ohne größere Planung instandgesetzt. Bei einer größeren Plattenanzahl über längere Abschnitte hinweg werden im Rahmen der Planung häufig zusätzliche Untersuchungen mit GPR (Ground Penetrating Radar) und/oder FWD (Falling Weight Deflectometer) durchgeführt, um die Ursachen, den Umfang und den Schädigungsgrad genauer ermitteln bzw. beschreiben zu können.
2.2 Schadensdetektion – messtechnische Möglichkeiten
Es ist bekannt, dass erhöhte vertikale Plattenbewegungen oder vertikale Plattenversätze bei allen konstruktiven Varianten der Betonbauweise (Plattenbauweise) auftreten können. Für die Bauweise mit Vliesstoffzwischenlage können diesbezüglich noch keine begründeten Angaben gemacht werden, da es sich um eine verhältnismäßig junge Bauweise handelt. Der Grund für oben genannte Schäden liegt häufig darin, dass eindringendes Wasser im Fugenbereich unter den Betonplatten Erosionen hervorruft. Das ist primär der Fall, wenn die Tragschicht keine ausreichende Erosionsbeständigkeit besitzt. Außerdem können auch lokale Setzungen, unzureichende Frostbeständigkeit, falsch oder gar nicht angeordnete Dübel als Gründe genannt werden. Allgemein gilt jedoch für alle Ursachen bzw. den daraus resultierenden Schäden, dass sie möglichst frühzeitig erkannt und im Rahmen der Straßenerhaltung beseitigt werden sollten, um eine weitere Verschlechterung des Gebrauchszustandes und eine damit verbundene Kostensteigerung für die bauliche Erhaltung zu vermeiden. Das Bild 1 zeigt zum einen eine Prinzipskizze (hydrodynamischer Pumpeffekt) und zum anderen Erosionserscheinungen an einer Betonfahrbahndecke.
Bild 1: Prinzipskizze hydrodynamischer Pumpeffekt (links) [3], Erosionsablagerungen im Bereich des Seitenstreifens in situ (rechts)
Um die Zustände einer erhöhten vertikalen Plattenbewegung oder von Hohlräumen infolge Erosionserscheinungen an Betonfahrbahndecken möglichst frühzeitig und zuverlässig zu erkennen, bieten sich als zerstörungsfreie Prüfverfahren die systematische Tragfähigkeitsmessung mit dem FWD in Kombination mit GPR an. Im Zusammenhang mit der Ursachenerkundung wird in einigen Fällen auch eine Ortung und räumliche Lagebestimmung für eingebaute Dübel und Anker durchgeführt. Bei der zerstörungsfreien Prüfung (z. B. MIT-SCAN) werden die magnetischen Eigenschaften der Dübel und Anker genutzt (Bild 2, links). Das Bild 2 (rechts) zeigt Auszüge aus den Messgrafiken zum Dübelabstand und der räumlichen Lage der einzelnen Dübel. Der mittleren Grafik ist zu entnehmen, dass die Dübel 26 und 27 eine horizontale Schräglage und Verschiebung aufweisen.
Bild 2: Dübelmessung an einer Querscheinfuge (links), visuelle Darstellung der Messergebnisse (rechts)
2.3 Historie und Stand der Technik
Grundsätzlich wird die Instandsetzungsmethode (Heben/Festlegen) schon seit vielen Jahrzehnten angewendet. Das Heben von Betonplatten durch Unterpressen mit Magerzementmörtel wurde in den deutschen Regelwerken erstmals 1933 im „Merkblatt für Betonstraßen“ unter § 16 „Maßnahmen bei Setzungen des Untergrundes“ behandelt [4]. In dem Bild 3 ist ein Verfahren des Plattenhebens mittels Druckluft und trockenem Sand dargestellt. In Hamburg wurde dieses Verfahren Anfang der 1950-er Jahre durch das Plattenheben mit Traversen abgelöst. Das Unterfüttern bzw. Ausfüllen der Hohlräume nach dem Heben mittels Druckluft, Druckspindeln, Querträgern oder hydraulischem Druck erfolgte in dieser Zeit je nach Verfahren bzw. Untergrundverhältnissen mit Füllstoffen, wie z. B. trockenem oder bituminiertem Sand, magerem Kalk- und Zementmörtel [5].
Bild 3: Heben der Betonplatten mittels Druckluft und Unterfüllung mit trockenem Sand [6]
In Amerika ist das heute unter dem Begriff „slabjacking“ bekannte Verfahren aus dem ca. Mitte der 1920er Jahre entstandenem „mudjacking“ hervorgegangen. Dieser Begriff resultiert aus dem Maschinennamen „Mudjack“, der als Herstellerbezeichnung für eine Boden/ZementMischmaschine verwendet wurde [7].
Im Laufe der Zeit haben sich in Deutschland die Verfahren und auch die Injektionsstoffe mehrmals verändert. So wird in der heutigen Zeit das Injektionsmaterial über Injektionslanzen oder Packer unter die Betonplatte gepresst, um dort vorhandene Hohlräume auszufüllen, die Platte millimetergenau anzuheben und/oder die gelöste Platte wieder mit der Unterlage zu verbinden. Prinzipiell kann der Injektionshorizont auch in anderen Tiefen vorliegen. Für das Unterpressen sind gemäß den ZTV BEB-StB hydraulische Injektionsmörtel einzusetzen [2]. Andere Materialien können verwendet werden, wenn deren Eignung nachgewiesen ist. Bei dem Injektionsverfahren mit Unterpressmörtel werden in der Regel mindestens 6 Löcher mit einem Durchmesser von ca. 40 mm in eine Betonplatte gebohrt. Dabei wird die spätere Injektionsebene um mindestens 20 mm überbohrt. Für das Heben sind die Platten vor dem Unterpressen mittels Druckluft von der Unterlage abzulösen, um später eine vollflächige Verteilung des Mörtels unter der Platte zu erzielen. Zusätzlich wird geraten, nach dem Unterpressen eine dynamische Walze (Dienstgewicht 3 bis 4 t) einzusetzen [1], um die Ausbildung sogenannter „Elefantenfüße“ zu vermeiden. Aus der Praxis ist bekannt, dass die Instandsetzung mittels Unterpressmörtel – trotz sachgemäßer Ausführung – in einigen Fällen keine hohe Dauerhaftigkeit aufweist.
Seit ca. 1997 wird in Deutschland das Heben und/oder Festlegen von Betonfahrbahnplatten auf Autobahnen, Flugbetriebsflächen und im Bereich der Festen Fahrbahn (Deutsche Bahn) auch mittels Silikatharz bzw. Polyurethan (PUR) realisiert [8; 9]. Diese Materialien bestehen in der Regel aus zwei chemisch reaktiven flüssigen Komponenten, die aufgrund ihrer schnellen Reaktivität erst kurz vor dem Injizieren miteinander vermischt werden. In der Praxis werden die Komponenten mit speziellen Pumpen gefördert bzw. dosiert und kontinuierlich mittels statischen Mischern zu einem homogenen Material vermengt. Im Anschluss wird das Material über Packer injiziert. Das Aushärten erfolgt innerhalb weniger Minuten, sodass lange Sperrzeiten vermieden werden können. Ferner kann durch die hohe Viskosität der beiden Materialkomponenten mit einer sehr guten Verteilung des Injektionsmaterials im Injektionshorizont gerechnet werden. Das Bild 4 zeigt exemplarisch die Praxisanwendung zweier Unterpressverfahren (links: hydraulischer Mörtel, rechts: PUR).
In Amerika haben sich in erster Linie die Polyurethane als neue Materialien für das Heben und Festlegen von Platten (slabjacking) auf dem Markt etabliert. Stellvertretend ist hier die URETEK Method™ zu nennen, die in den USA seit über 15 Jahren Anwendung findet [10].
Bild 4: Heben und Festlegen von Betonfahrbahnplatten mit PUR (rechts) und hydraulischem Mörtel (links)
Während der Injektionsarbeiten ist das Höhenniveau der zu hebenden bzw. festzulegenden
Platte/en und auch der angrenzenden Platten ständig zu kontrollieren. Hierbei ist gegebenenfalls der Quell-, Schrumpf- oder Expansionsmechanismus des verwendeten Materials zu beachten. Für diese Aufgabe werden häufig Rotationslaser mit mehreren Empfängern verwendet (Bild 5, Mitte). Um die tatsächliche Veränderung des Höhenniveaus der zu hebenden Platte ermitteln zu können, ist zu gewährleisten, dass der Sender außerhalb des Wirkbereiches der Injektion positioniert wird. Die Überwachung der aktiven Platte und der angrenzenden Bereiche erfolgt mit den einzelnen Empfängern.
Bild 5: Digitalnivellier mit speziellen Barcodelatten (links), Rotationslaser mit Empfängereinheit (Mitte), optisches Kontrollsystem für den vertikalen Plattenversatz (rechts) [11]
2.4 Injektionsmaterialien
Hydraulischer Mörtel
Hydraulischer Mörtel wird aus einer fertigen Trockenmischung, die z. B. aus hydraulischen Bindemitteln, inertem Steinmehl und Additiven besteht, durch Zugabe von Wasser zu einer fließfähigen Suspension angemischt. Durch das Wasser-Feststoff-Verhältnis (W/F-Wert) werden sowohl die Konsistenz (Fließfähigkeit) der Suspension als auch die Festigkeitseigenschaften des erhärteten Mörtels beeinflusst.
In der Praxis ist der W/F-Wert entsprechend so einzustellen, dass die im Regelwerk verankerte 28-Tage-Druckfestigkeit von 28 N/mm² erreicht wird. Die für die Verkehrsfreigabe erforderliche Festigkeit von 2 N/mm² kann unter Umständen selbst unter günstigen Bedingungen erst nach mehr als 6 Stunden erreicht werden.
Beim Unterpressen spielen zudem die vorhandenen thixotropen Eigenschaften der Zementsuspensionen eine wesentliche Rolle, da diese das Entmischungs- und Fließverhalten der Suspension beeinflussen.
Polyurethane
Polyurethane entstehen durch chemische Reaktion der beiden Komponenten Polyol und Isocyanat (Bild 6, links). Durch die chemische Zusammensetzung sowie die Zugabe von Zusätzen und/oder Additiven lassen sich die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des PUR steuern. Das Schaumsystem der Injektionsmaterialien wird dabei über die Treibwirkung, die sich aus der CO2-Bildung im Zuge der Wasser-Isocyanat-Reaktion ergibt, erzeugt (siehe Bild 6, rechts). Im Bereich der Baulichen Erhaltung von Straßen kommen vorrangig geschlossenzellige PUR-Hartschäume mit einem mittleren Aufschäumfaktor von 2 bis 5 (Raumdichte: 200 bis 600 kg/m³) zur Anwendung.
Bild 6: Vier Phasen der Aufschäumung von Polyurethan-Hartschaum im Messbecher (links) [12], REM-Detailaufnahme an einem im Labor hergestellten PUR-Hartschaum (rechts)
Silikatharz
Silikatharz ist ein ungeschäumtes Kunstharz, das aus der chemischen Reaktion der beiden flüssigen Hauptkomponenten Wasserglas und Isocyanat hervorgeht. Das Wasserglas erhärtet dabei zu einem Silikat und das Isocyanat bildet einen kristallinen Harnstoff (Urea). Durch die Art der Hauptkomponenten und deren Mischungsverhältnis, aber auch durch die Zugabe von Zusätzen und Additiven, lassen sich die Eigenschaften des Harzes verändern. Silikatharze weisen im Allgemeinen ein hohes Anhaftverhalten zu hydraulisch gebundenen Stoffen auf, welches durch die Anwesenheit von Wasser bei der Injektion nicht beeinflusst wird. Im Gegensatz zum PUR geht die Emulsion aus beiden Komponenten keine Verbindung mit Wasser ein. Die Reaktion verläuft stark exotherm und innerhalb weniger Minuten ab.
2.5 Materialprüfung
In Deutschland werden derzeit für die Ermittlung straßenbauspezifischer Materialkennwerte – speziell Druckfestigkeit und E-Modul – verschiedenartige Prüfungen eingesetzt. Stellvertretend für die Bestimmung der Druckfestigkeit sind diese für das entsprechende Injektionsmaterial in der Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Angewandte Normen für die Bestimmung der Druckfestigkeit an hydraulisch gebundenem Unterpressmörtel [13] sowie PUR und Silikatharz [13,14,15,16]
Da insbesondere die mechanischen Werkstoffkennwerte von Kunststoffen durch prüftechnische Randbedingungen, wie z. B. Beanspruchungsgeschwindigkeit, Prüfkörpergeometrie, Temperatur, Feuchtigkeit u. a., beeinflusst werden, ist künftig die Anwendung standardisierter Prüfverfahren anzustreben. Die beiden Grafiken des Bildes 7 exemplifizieren die allgemeinen Zusammenhänge.
Bild 7: Einfluss von Prüftemperatur und -geschwindigkeit auf das Materialverhalten von Polymeren (links) [17], Wirkung der Querdehnungsbehinderung bei verschiedenen Prüfkörpergeometrien (rechts, Skizze wurde vom Verfasser modifiziert) [18]
2.6 Kontrolle des Instandsetzungserfolgs
Für die Abnahme wird in der Regel nach dem Heben der Platte der vertikale Plattenversatz und eventuell auch die Ebenheit (Messung mit 4-m-Latte) zur Bewertung herangezogen. Die Erfassung des vertikalen Plattenversatzes an den Quer- bzw. Längsscheinfugen einer Fahrbahnplatte kann beispielsweise mittels Messkeil oder einem Stufenmessgerät (siehe Bild 8, links) ermittelt werden. Im Allgemeinen wird dabei der Vertikalversatz als Höhendifferenz zwischen zwei sich gegenüberliegenden Messpunkten, welche am Plattenrand der Bezugsbzw. Nachbarplatte angeordnet sind, bestimmt (siehe Bild 8, rechts).
Bild 8: Stufenmessgerät der BASt (links), Systemskizze zur Stufenmessung mit Vorzeichenregelung am Messpunkt „Querscheinfuge“ (rechts)
Für das Festlegen von Platten sieht das Regelwerk gegenwärtig noch kein direktes Abnahmekriterium vor.
Darter, Mutti et al. berichteten in den 1980er Jahren über dynamische Deflexionsmessungen, um den Instandsetzungserfolg von Unterpressmaßnahmen an Betonstraßenbefestigungen in Plattenbauweise oder durchgehend bewehrter Bauweise festzustellen [19; 20]. Das Bild 9 zeigt beispielhaft die Ergebnisse einer Deflexionsmessung im Eckbereich einer Querscheinfuge – vor und nach dem Unterpressen – mit Zementsuspension. Darter et al. beurteilen den Instandsetzungserfolg einer Unterpressmaßnahme über den Verlauf der Regressionsgeraden, die sich aus der lastabhängigen Deflexion ergibt.
Bild 9: Darstellung der Ergebnisse aus Deflexionsmessungen vor und nach dem Unterpressen zur Bewertung nach Darter et al. (links) [20], Prinzipskizze eines FWD [21]
Auch in Deutschland wurden im Kontext mit Unterpressmaßnahmen vereinzelt Tragfähigkeitsmessungen mittels Deflexionsmessung (FWD) durchgeführt, um die Tragfähigkeit bzw. die Auflagerungszustände der unterpressten Platten vor und nach der Instandsetzung zu untersuchen. Hier sind stellvertretend Arbeiten von [22; 23; 24] zu nennen. Durch derartige Messungen kann letztlich die Wirksamkeit der Instandsetzung qualitativ als auch quantitativ beurteilt werden. An dieser Stelle ist jedoch anzumerken, dass je nach Verfasser unterschiedliche Tragfähigkeitskennwerte für die Bewertung bzw. Beurteilung benutzt werden. Eine einheitliche Vorgehensweise für die Auswertung von derartigen Einsenkungsmessungen wird gegenwärtig erarbeitet [25]. Die Anforderungen an das Messgerät und die Durchführung von Tragfähigkeitsmessungen an Verkehrsflächenbefestigungen in Betonbauweise sind nunmehr seit 2012 allgemeingültig geregelt [26]. Hier werden beispielsweise auch die Anordnung der Geofone sowie die Lage der Querscheinfuge empfohlen, um ggf. auf bereits vorhandene Bewertungsansätze (z. B. Grossman und Roos et al.) zurückgreifen zu können [27; 28].
3 Vorgehen/Untersuchungen
Da die zu bearbeitenden Fragestellungen einen großen Umfang mit jeweils komplexem Inhalt besitzen, werden nachfolgend nur ausgewählte Teile der durchgeführten Arbeiten angeführt. Diese umfassen in erster Linie die labortechnischen Untersuchungen am Injektionsmaterial (PUR) zur Bestimmung relevanter Materialkennwerte. Zudem werden einige Überlegungen zur Analyse von FWD-Messdaten im Kontext mit möglichen Bewertungskriterien für die Instandsetzung dargestellt, um den Zustand vor und nach Unterpressung beurteilen zu können und Angaben zur Größenordnung des Unterpresserfolgs zu erhalten. Im letzten Teil wird auszugsweise das Vorgehen für die maßnahmenbegleitenden Untersuchungen an unterpressten Betonfahrbahnplatten vorgestellt.
3.1 Allgemeine Überlegungen
Suspensionsbasierende hydraulische Injektionsmörtel werden schon seit Jahrzehnten eingesetzt, sodass von einer hinreichenden Materialkenntnis auszugehen ist. In Anbetracht der vorliegenden Materialverwandtschaft zwischen den Polyurethanen untereinander und zu den Silikatharzen wird von einer getrennten Betrachtung dieser Kunststoffe bei den Untersuchungen abgesehen. Nachfolgend wird vordergründig das Injektionsmaterial Polyurethan (PUR) behandelt, da diesem Kunststoff in der Praxis eine größere Bedeutung zugeschrieben wird. Dies liegt im Wesentlichen darin begründet, dass Polyurethan aus wirtschaftlicher Sicht einen Vorteil aufweist, da der Hartschaumstoff als Zweiphasensystem zu betrachten ist und der Begriff „Stoff“ sich faktisch nur auf das zelluläre Matrixmaterial (realer Materialanteil) bezieht. Im Vergleich zu nicht schäumenden Materialien (Silikatharz) ergibt sich daraus ein signifikanter Materialkostenvorteil.
3.2 Untersuchungen am Injektionsmaterial
Statische Versuche
Aufgrund der bei Polyurethanen mehr oder weniger ausgeprägten Anisotropie der Zellstruktur, speziell der Zellform (dodekaedrisch, gestaucht oder gestreckt – Bild 10, links), ist mit einem prüfrichtungsorientierten Werkstoffverhalten zu rechnen. Hinzu kommt, dass bei derartigen Materialien aufgrund ihres elastischen Verformungsverhaltens kein systematisches, klassisches Versagen (Bruch bei Druckbeanspruchung) zu erwarten ist.
Bild 10: Schematische Darstellung verschiedener PUR-Zellformen (links) [29], allgemeines Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit den Kennwerten Druckspannung bei 10 % Dehnung und Druckmodul (rechts)
Die Bestimmung des Verhaltens bei einaxialer Druckbeanspruchung fand an Würfeln mit einer Kantenlänge von 40 mm oder Prismenhälften (b x h x l: 40 x 40 x ca. 80 mm³) statt. Bei den Versuchen galt es, die Bruchspannung σB oder die Druckspannung σD,10 bei 10 %-Stauchung sowie den Druck-Elastizitätsmodul ED zu bestimmen (Bild 10, rechts). Dies erfolgte in Anlehnung an die DIN EN 826 [14] bzw. DIN EN ISO 604 [15]. Zur Berücksichtigung gegebenenfalls vorhandener material- oder herstellungsbedingter anisotroper Zellausrichtungen wurden folglich Prüfungen in und senkrecht versetzt zur Aufschäumrichtung vorgenommen. Die Ermittlung der Biegezugfestigkeit erfolgte im statischen Dreipunkt-Biegezugversuch an prismatischen Prüfkörpern (40 x 40 x 160 mm³) in Anlehnung an die DIN EN 196-1 [13] bzw. DIN EN ISO 178 [30]. Die Prüfgeschwindigkeit (kraftgeregelt) wurde mit 50 ± 10 N/s festgelegt, um eine Vergleichbarkeit zu den Werten der Zementmörtelprüfung zu erlangen.
Grundlegend wurden in der Arbeit zwei verschiedene PUR-Hartschäume (Hersteller A u. B) untersucht. Um den Zusammenhang zwischen Aufschäumgrad und Festigkeit approximativ beschreiben zu können, wurden die Prüfungen an Probekörpern mit unterschiedlich großer Dichte durchgeführt.
Zyklische Versuche
Für die Injektionsmaterialien aus PUR spielt die Bewertung der Zeit- bzw. Dauerstandfestigkeit infolge zyklischer Druckbelastung eine wesentliche Rolle. Hierbei ist darauf zu achten, dass der für die Beantwortung dieser Fragestellung benötigte Zeitaufwand gering ausfällt, um den Prüfaufwand in einem wirtschaftlichen Rahmen zu halten. Daher wurden spezielle Laststeigerungsversuche durchgeführt, die z. B. im Kunststoffsektor zur Ermittlung der Schwingfestigkeit Anwendung finden [31]. Die Versuchsdauer beträgt in der Regel nur einige Stunden. Mit den Versuchen sollte vorerst eruiert werden, ob diese grundsätzlich für derartige Prüfungen geeignet sind.
Das Grundprinzip dieser Versuche besteht darin, dass eine konstante Anzahl an Lastwechseln (z. B. 10.000 LW) je Laststufe aufgebracht wird, ohne den Prüfkörper zu zerstören. Insgesamt
werden in dieser Prüfung eine Vielzahl an Laststufen (z. B. 15) in der Form angelegt, dass die höchste Laststufe deutlich unterhalb der geschätzten Dauerstandfestigkeit (ca. 0,3 x σD,10) liegt. Demzufolge ist auch keine Zerstörung des Prüfkörpers zu erwarten. Vor dem Anfahren der nächsthöheren Laststufe erfolgt eine Zwischenbelastung im quasi schädigungsfreien Lastbereich (Grundlast), die nur einige wenige Lastwechsel (z. B. 20 LW) umfasst. Das Lastniveau beträgt dabei beispielsweise ≤ 0,05 x σD,10. Die Prüfung geschieht kraftgesteuert mit einem sinusförmigen Lastimpuls. Zur Erlangung akzeptabler kurzer Prüfzeiten beträgt die Prüffrequenz 10 Hz.
Da Polyurethan ein zeitabhängiges Deformationsverhalten besitzt, stellt sich die belastungsresultierende Deformation erst zeitlich verzögert nach der einwirkenden Beanspruchung ein (Bild 11, links). Daher ergibt sich für einen Belastungszyklus in der Kraft-Dehnungs-Darstellung eine Hystereseschleife (Bild 11, rechts). Gegenstand der Untersuchungen war demgemäß auch die Hysteresemessung, die im Grunde zur Beschreibung von Veränderungen an der Hystereseschleife mit fortschreitender Ermüdung dient. Zur besseren Darstellung bzw. Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von PUR wurden zusätzliche Kennwerte (z. B. Steifigkeit, Speicher- und Verlustarbeit) an der Hystereseschleife ermittelt.
Bild 11: Schematische Darstellung des Kraft-Weg-Verlaufs über die Zeit (links) sowie der Hysteresis für einen Lastwechsel (rechts)
3.3 Untersuchungen an unterpressten Betonfahrbahnplatten
Das Resultat einer durchgeführten Instandsetzungsmaßnahme kann je nach Fragestellung hinsichtlich mehrerer Gesichtspunkte bewertet werden. In dieser Arbeit stehen nachfolgende Bewertungsmotive im Vordergrund:
– Tragfähigkeit/Lagerungszustand der Betonfahrbahnplatte,
– Zeitpunkt der Wirksamkeit unmittelbar nach Instandsetzung,
– vertikaler Plattenversatz,
– Dauerhaftigkeit.
Die objektbezogenen Untersuchungen wurden im Rahmen zahlreicher Instandsetzungsmaßnahmen „Heben/Festlegen“ unter Verwendung unterschiedlicher Unterpressmaterialien (hydraulischer Mörtel, Silikatharz und Polyurethan) durchgeführt und ausgewertet. Die dabei erforderlichen Messungen wurden direkt vor und nach Unterpressung sowie 2 Jahre nach der Instandsetzung durchgeführt.
Die Nullmessung erfolgte in der Regel direkt vor der Unterpressung, das heißt nach dem Anlegen der Injektionslöcher. Der Messzeitpunkt für die Erfolgskontrolle (Tragfähigkeit/Lagerungszustand) wurde an die Festigkeitsentwicklung des jeweiligen Injektionsmaterials angepasst. Darüber hinaus wurde überprüft, ob zum einen die vom Hersteller angegebenen notwendigen Erhärtungszeiten (Silikatharz und PUR) und zum anderen die in der Praxis üblichen bzw. zur Verfügung stehenden Zeitfenster ausreichen, um die vollständige Wirksamkeit zu gewähren. In Abhängigkeit der Erhärtungsdauer ergeben sich die folgenden Zeitintervalle zwischen dem Ende der Unterpressmaßnahme (betrachtete Platte) und der Erfolgsmessung:
Silikatharze und Polyurethane ≤ 60 min
Hydraulischer Mörtel ≤ 360 min.
FWD-Tragfähigkeitsmessungen
Wie schon im Abschnitt 2 beschrieben, ist die Detektion von Betonfahrbahnplatten mit Tragfähigkeits- bzw. Auflagerungsdefiziten (z. B. infolge Erosionserscheinungen) sowie die Überprüfung des Instandsetzungserfolgs mittels Tragfähigkeitsmessung seit vielen Jahren bekannt. Für das Instandsetzungsverfahren „Heben und/oder Festlegen“ wurde jedoch bisher noch kein Vergleich der tragfähigkeitsverbessernden Wirkung im Hinblick auf die angewendeten Injektionsmaterialien geführt.
Objektbezogene Messungen werden in aller Regel unter Verwendung von ein und demselben FWD-Messgerät durchgeführt. Dies liegt zum einen darin begründet, dass national nur eine geringe Anzahl an FWD-Messgeräten zur Verfügung steht. Zum anderen existieren für den speziellen Anwendungsfall (Nachweis Unterpresserfolg) keine allgemeingültigen Prüfvorschriften mit entsprechenden Anforderungswerten an die Tragfähigkeit. In Abhängigkeit vom jeweiligen FWD-Betreiber werden über die konventionellen Kenngrößen (maximale Deflexion D1, relative Vertikalbewegung, Wirksamkeitsindex) hinaus differente Möglichkeiten zur Bewertung der Tragfähigkeit bzw. der Lagerungsbedingungen von Betonfahrbahnplatten genutzt. Hier sind insbesondere anzuführen: Parameter der Regressionsanalyse (Messungen mit mehreren Laststufen notwendig) sowie Rückrechnung der E-Moduln. Auch diesen Kennwerten liegt kein allgemeingültiger Bewertungshintergrund zugrunde. Vielmehr basiert die Bewertung von Fahrbahnbefestigungen in Beton auf den mit dem jeweiligen Messgerät gesammelten Erfahrungen des einzelnen FWD-Betreibers.
Ergänzend sei an dieser Stelle auch auf die obstruktive Wirkung der Signalfilterung sowie gegebenenfalls divergierende Puffersysteme hinsichtlich der Vergleichbarkeit von FWDMesswerten hingewiesen. Im Bild 12 wird diese Problematik anhand einer Gegenüberstellung der Kraft-Setzungslinien drei verschiedener FWD-Messgeräte (A, B, C) – bezogen auf einen fixen Messpunkt und eine einheitliche Stoßkraft – exemplarisch dargestellt.
Die Tragfähigkeitsmessungen im Rahmen dieser Arbeit wurden mit ein und demselben Messgerät (PRI 2100 der Fa. Carl Bro) durchgeführt, um etwaige gerätespezifische Einflüsse auf das Messergebnis ausschließen zu können.
In der Literatur findet häufig der Zusammenhang zwischen Impulskraft und der sich dabei einstellenden Deflexion als Bewertungskriterium für Tragfähigkeits- bzw. Auflagerungsverhältnisse von verdübelten Betonfahrbahnplatten Anwendung. Daher wurde diese Beziehung ergänzend zu den konventionellen Kenngrößen für die durchgeführten Untersuchungen benutzt. Im Speziellen wurde das Regressionsparameter-Verfahren gemäß Roos et al. [32] verwendet.
Bild 12: Gegenüberstellung der Kraft-Setzungslinien drei verschiedener FWD-Messgeräte (links) mit den dazugehörigen Stoßkraft- und Deflexionsverläufen über die Zeit (rechts)
Hierzu werden an einem Messpunkt neben der Standardbelastung von 50 kN noch weitere Belastungen mit 75 kN und 90 kN (KI-Kraftimpuls) aufgebracht und die dazugehörigen Deflexionen im Lastzentrum D1 ermittelt. In der Auswertung werden die drei Wertepaare (Kraft/Deflexion) im Diagramm aufgetragen und die zugehörige Funktionsgleichung aus linearer Regression ermittelt bzw. die Regressionsgerade dargestellt. Mittels der Parameter „a“ (Anstieg der Geraden) und „b“ (Schnittpunkt der Geraden mit der Ordinate) der Funktionsgleichung können qualitative Aussagen zu den Auflagerungsverhältnissen getroffen werden. Das Bild 13 zeigt die Kategorisierung der Regressionsparameter für die Bauweise „verdübelte Betonfahrbahnplatten auf gebundener Tragschicht“ [32].
Bild 13: Kategorisierung nach dem Regressionsparameter-Verfahren [32]
Angesichts fehlender allgemeingültiger Anforderungen an die Tragfähigkeit der gesamten Straßenkonstruktion erfolgte die Bewertung über einen Vergleich zwischen Neuwert und dem Wert zum Zeitpunkt x (Momentanwert). Der Neuzustand wurde hierbei über statistisch abgesicherte Werte („Orientierungswerte“) beschrieben, die durch die BASt – basierend auf sehr umfangreichen FWD-Messungen an „neuen Straßenkonstruktionen“ in den verschiedenen Betonbauweisen – ermittelt wurden [33].
Erfassung der Randbedingungen
Der Zustand einer Straßenbefestigung als auch die Tragfähigkeit hängt von zahlreichen Einflussfaktoren ab. Da die messtechnische Ermittlung eine „Momentaufnahme“ darstellt, wurden diese, soweit möglich, zum Zeitpunkt der Messung erfasst. Die wesentlichen Betrachtungspunkte, die es im Kontext mit der Messung zu hinterfragen bzw. aufzunehmen galt, sind in der Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2: Zusammenstellung wesentlicher Betrachtungspunkte im Zusammenhang mit Tragfähigkeitsmessungen zur Erfolgskontrolle beim Heben/Festlegen von Betonfahrbahnplatten
Beanspruchung aus Verkehr
Zur Vermeidung von Fehleinschätzungen bezüglich der Dauerhaftigkeit der zu untersuchenden Unterpressmaßnahmen war es notwendig, auch Angaben zur tatsächlich aufgetretenen Beanspruchung durch den Verkehr treffen zu können. Diese wurde folglich retrospektiv aus den Daten der Straßenverkehrszählung – DTV [Kfz/24 h] bzw. DTV(SV) [SV/24 h] – abgeleitet. Hierzu wurde die Beanspruchung durch tatsächlich aufgetretene Achsübergänge kumulativ ermittelt und auf einen äquivalenten 10-t-Achsübergang normiert.
Zusätzlich wurde für die Bewertung im Zusammenhang mit der tatsächlichen Nutzungsdauer und der bis zum Messzeitpunkt ertragenen Beanspruchung durch Verkehr die sogenannte beanspruchungsorientierte Nutzungsdauer „BOND“ einer Straßenkonstruktion eingeführt. Abstrahiert betrachtet ergibt sich diese für die Bauklasse SV aus dem Quotienten der im Regelwerk verankerten hypothetischen Nutzungsdauer von 30 Jahren und der kleinsten bemessungsrelevanten Beanspruchung B (B ≈ 30 Mio.). Demnach entspricht eine ertragene normierte Beanspruchung von 1 Mio. 10-t-Achsübergängen einer belastungsorientierten Nutzungsdauer von 1 Jahr (BOND). Diese Form der Darstellung ist hauptsächlich für die retrospektive Betrachtung der Instandsetzungsmaßnahmen von Bedeutung, da somit die tatsächlich aufgetretene Verkehrsbeanspruchung Beachtung findet.
Stufenmessungen
Zur Erfassung des vertikalen Plattenversatzes an den Quer- bzw. Längsscheinfugen einer Fahrbahnplatte kam das Stufenmessgerät der BASt (Bild 14, links) zum Einsatz. Hierbei wurde der Vertikalversatz als Höhendifferenz zwischen zwei sich gegenüberliegenden Messpunkten, welche am Plattenrand der Bezugs- bzw. Nachbarplatte angeordnet sind, bestimmt. Die Messung erfolgte gemäß Bild14 (rechts) an jeweils drei Messpunkten entlang der Quer- und Längsscheinfugen (∑12 Messpunkte).
Als Schwellenwert, welcher als unterste Grenze für eine Veränderung anzunehmen ist, wurde ± 2 mm festgelegt. Dies liegt zum einen darin begründet, dass die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse aufgrund der Oberflächeneigenschaften des Deckenbetons begrenzt ist und zum anderen, dass ein Versatz in dieser Größenordnung in der Praxis in der Regel keine Berücksichtigung findet.
Bild 14: Stufenmessgerät der BASt (links), Anordnung der Messpunkte bei der Ermittlung des vertikalen Plattenversatzes im Hauptfahrstreifen (rechts)
4 Darstellung und Diskussion ausgewählter Ergebnisse
4.1 Untersuchungen am Injektionsmaterial
Statische einaxiale Druckversuche
In der Tabelle 3 sind die ermittelten Druckspannungen σD,10 bei 10-%-Stauchung sowie die dazugehörigen Druck-Elastizitätsmoduln ED für die untersuchten PUR-Injektionsmaterialien (A und B) aufgeführt. Da in den durchgeführten Versuchen kein klassisches Bruchversagen auftrat, können zur Bruchspannung σB keine Angaben gemacht werden. Die Ergebnisse der Prüfungen lassen zudem deutlich erkennen, dass die Festigkeiten im Hinblick auf die Belastungsachse – in oder versetzt zur Aufschäumrichtung – keine signifikanten Unterschiede aufweisen. Wie erwartet ist ein deutlicher Einfluss hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung, das heißt in der Auswahl des PUR-Kunststoffes, zu bemerken. So weist das Polyurethan (PUR A) trotz der mittleren Rohdichte von 1096 kg/m³ (theoretisch keine Aufschäumung, ASF 1,0) geringere Festigkeiten als das PUR B auf.
Im Bild 15, links wird exemplarisch die Wirkung des Aufschäumfaktors (ASF) für das Polyurethan B aufgezeigt. Dieser Grafik ist zu entnehmen, dass die Festigkeit (σD,10) durch die Abnahme der mittleren Rohdichte von 553 kg/m³ auf 397 kg/m³ um ca. 50 % abfällt.
Tabelle 3: Arithmetischer Mittelwert für die Kenngrößen Druckspannung bei 10-%-Stauchung und Druckmodul (PUR-Injektionsmaterialien A und B – Aufschäumfaktor ≈ 1, 2 und 3)
Grundsätzlich konnte in den Untersuchungen die prävalente Einflussnahme des ASF gegenüber anderen Einflüssen herausgearbeitet werden. Im Bild 15, rechts, ist dieser Zusammenhang zwischen σD,10 und ASF – unabhängig von der Prüfkörpergeometrie, der Belastungsgeschwindigkeit, dem PUR-Typ und der Belastungsrichtung – dargestellt. Dieser kann mittels der Potenzfunktion y = 32,62x-1,68 in guter Näherung (R² = 0,92; n = 139) beschrieben werden. Aus der Darstellung lässt sich auch deutlich die Notwendigkeit nach einem Mindestwert für die Druckfestigkeit bei 10-%-Stauchung oder nach einem Maximalwert für den Aufschäumfaktor ableiten.
Bild 15: Grafische Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Rohdichte bzw. dem Aufschäumfaktor (ASF) und der Druckspannung speziell für PUR B i. A. und v. A. (links) sowie allgemein (rechts)
Biegezugversuche
An allen PUR-Materialien konnte im Vergleich zu den hydraulischen Unterpressmörteln eine hohe Biegezugfestigkeit festgestellt werden. Für das PUR A beträgt beispielsweise die mittlere Biegezugfestigkeit 17,8 N/mm² (Rohdichte 1059 kg/m³). Die Durchbiegung bei Versagen ging mit einer Randfaserdehnung von minimal 5,0 und maximal 13,8 % einher. Hieraus kann gefolgert werden, dass die Betrachtung hinsichtlich einer Biegezug- bzw. Zugbeanspruchung für den vorgesehenen Anwendungsfall keine essentielle Bedeutung einnehmen sollte.
Druckschwellversuche mit Laststeigerung
Die Zeitstandfestigkeit kann für den betrachteten Versuch (Laststeigerungsversuch) mit ca. 5 N/mm² abgeleitet werden, da die Verformungskurve zwischen dem 10. und 11. Lastniveau ihren linearen Charakter verliert (Bild 16). Das entspricht ca. 28 % der am Zylinder ermittelten Kurzzeitfestigkeit (σD,10 = 18,1 N/mm²). Dieses Ergebnis deckt sich im Wesentlichen mit der zulässigen Dauerdruckspannung von PUR-Hartschaum, die beispielsweise in der Literatur mit ca. 20 % der kurzzeitigen statischen Druckfestigkeit bzw. der Druckspannung bei 10-%-Stauchung angegeben wird [31]. Der intendierte Übergang vom linearen Verlauf in einen nichtlinearen infolge Laststeigerung konnte jedoch nur in einer Prüfung in repräsentativer Form detektiert werden (Bild 16).
Bild 16: pannungs- und Verformungslinien über die Zeit (Prüfkörper 3) im Laststeigerungsversuch (links), aus den Laststeigerungsversuchen abgeleitete Spannungs-Dehnungs-Linien für drei PUR-Prüfkörper (rechts)
4.2 Untersuchungen an unterpressten Betonfahrbahnplatten
Für die Ergebnisdarstellung wurden jeweils vier repräsentative Platten aus drei eigens ausgewählten Maßnahmen (S1-hydraulischer Mörtel, S2-Polyurethan, S3-Silikatharz) verwendet. Diese wiesen Besonderheiten hinsichtlich des Unterpresserfolges oder der Dauerhaftigkeit auf. Die Tragfähigkeitsmessungen mit dem FWD fanden zu folgenden Zeitpunkten statt: vor Unterpressung (v. U.), direkt nach Unterpressung (n. U.) und 2 Jahre nach dem Unterpressen (2 J. n. U.). Für die nachfolgenden Darstellungen wird zudem hilfsweise die sogenannte beanspruchungsorientierte Nutzungsdauer „BOND“ verwendet.
Beanspruchung aus Verkehr
Zur allgemeinen Beschreibung der Instandsetzungsmaßnahmen sind in der Tabelle 4 einige Angaben aufgeführt. Hierzu zählen insbesondere die kumulierend, aus retrospektiver Betrachtung ermittelten, tatsächlichen Beanspruchungen aus Verkehr. Diese sind für die entsprechenden Strecken – normiert auf die Beanspruchung durch einen 10-t-Achsübergang – angegeben.
Tabelle 4: Allgemeine Angaben zu den untersuchten Instandsetzungsmaßnahmen
FWD-Tragfähigkeitsmessungen
Betrachtet man exemplarisch die maximalen Deflexionen D1 im Bild 17, die an den Querscheinfugen zu den verschiedenen Messzeitpunkten ermittelt wurden, so kann man erkennen, dass sich bei allen Instandsetzungsmaßnahmen nach der Unterpressung eine signifikante Verringerung von D1 (um bis zu 65 % im Mittel) einstellte. Zum Vergleich wurde an der Abszisse die tatsächliche Nutzungsdauer (Bild links) als auch die beanspruchungsorientierte Nutzungsdauer (Bild rechts) aufgetragen. Hieraus wird deutlich, dass die Strecken zum Instandsetzungszeitpunkt ein stark variierendes Alter aufwiesen (12 bis 33 Jahre). Die modifizierte Darstellung (BOND) führt zu kleineren Werten (10 bis 22 Jahre), wodurch sich der Instandsetzungszeitpunkt in das Ende des ersten bzw. in den Anfang des letzten Drittels der angedachten Nutzungsdauer verlagert. Gewichtiger für die Arbeit ist allerdings jene Nutzungsdauer, welche sich zwei Jahre nach der Instandsetzung ergibt, da hieraus die Angaben zur Dauerhaftigkeit der einzelnen Instandsetzungsmaßnahmen abzuleiten sind. Für die untersuchten Maßnahmen lag die belastungsorientierte Nutzungsdauer zwischen 0,8 und 3,9 Jahren. Der Zeitunterschied ergibt somit einen Faktor von 4,9. Legt man die tatsächliche Nutzungsdauer von zwei Jahren zugrunde, wird diese um mehr als 50 % gemindert bzw. um ca. 100 % erhöht.
Bild 17: Gegenüberstellung der maximalen Deflexionen D1 (Lasteintragszentrum) ermittelt an der Querscheinfuge bezogen auf die Nutzungsdauer (links) und die beanspruchungs orientierte Nutzungsdauer (rechts) für die Messzeitpunkte (v. U., n. U. und 2 J. n. U.)
An zwei Untersuchungsabschnitten (S1, S2) zeigte sich allerdings eine Vergrößerung der Spannweite der Einzelwerte (D1), die sich aber nach zweijähriger Nutzung wieder verkleinerte. Hieraus ist zu schließen, dass durch die Unterpressung nicht in allen Fällen eine „homogene“ tragfähigkeitsverbessernde Wirkung erzielt wird.
An einem Abschnitt (S1) ist auf eine Besonderheit bzw. Anomalie hinzuweisen, da hier die Deflexionen 2 Jahre nach Unterpressung (BOND = 3,9 a) keine nennenswerte Zunahme im Vergleich zu jenen direkt nach Unterpressung aufwiesen. An einem Messpunkt war sogar eine signifikante Abnahme der Deflexion im Vergleich zu jener direkt nach der Unterpressung festzustellen. Dessen ungeachtet zeigten die betrachteten Platten bei Achsüberrollung im benachbarten Fahrstreifen spürbare Plattenbewegungen auf. Es ist davon auszugehen, dass hier aufgrund temporär vorliegender Randbedingungen während der Messung eine „scheinbare Tragfähigkeit“ vorlag. Ein Hinweis dafür könnte sein, dass an einem Messpunkt während der FWD-Messung Wasser austrat. Diese hypothetische Annahme „scheinbare Tragfähigkeit“ stützt sich dabei auf analoge Beobachtungen bei anderen Messungen und lässt sich über die temporäre sowie gegebenenfalls auch lokale Bettung der Platte (wassergefüllte Hohlräume) auf einer theoretisch inkompressiblen Wasserschicht begründen [34].
Hinsichtlich der Kategorisierung mittels Regressionsparameterverfahren ist festzuhalten, dass die vor der Unterpressung untersuchten Platten (LF „Querfuge“) ausnahmslos der Kategorie IV zugeordnet werden konnten. Vergleichsweise ergab sich für den LF „Plattenmitte“ eine Klassifizierung in die Kategorie III und zum Teil in die Kategorie I.
In den meisten Fällen wurde durch das Unterpressen der Anstieg a als auch der y-Achsabschnitt b derart verringert, dass die Regressionsgeraden – unabhängig vom Lasteintragspunkt – den Koordinatenursprung mit geringer Abweichung durchlaufen. Demnach sind die Lagerungsbedingungen der Platten als ungestört einzustufen (Kategorie I). Wie im Bild 18 zu sehen, konnte an einer Untersuchungsstrecke – speziell für den LF „Plattenmitte“ – eine Vergrößerung des Anstiegs festgestellt werden. Als Hauptursache ist hier die inhomogene Auflagerung infolge ungleichmäßiger Verteilung des Injektionsmaterials (hier hydraulischer Mörtel) zu vermuten.
Bild 18: Gegenüberstellung der RG mit den dazugehörigen Funktionsgleichungen aus der lastabhängigen Änderung der Deflexion D1 für die Messungen an vier Platten (Messpunkte: PM, QF, PE) vor (links) und nach dem Unterpressen (rechts)
Stufenmessungen
Bei den durchgeführten Messungen zeigte sich an den Querscheinfugen der Platten vor dem Unterpressen in der Regel ein Versatz von < 10 mm – tendenziell in Fahrtrichtung abfallend – der direkt nach dem Unterpressen als auch zwei Jahre später nicht mehr festzustellen war.
Durch das Unterpressen wurde bei allen Maßnahmen keine signifikante Veränderung des Höhenniveaus der Platten untereinander hervorgerufen. Das heißt, die erzielten Veränderungen besaßen nur eine Größenordnung von ca. 2 mm. Ein Zusammenhang zum verwendeten Injektionsmaterial konnte an den hier untersuchten Strecken nicht festgestellt werden.
5 Zusammenfassung und Empfehlungen für die Praxis
Betonfahrbahndecken in Plattenbauweise weisen mit fortschreitender Nutzungsdauer bzw. steigender Lastwechselanzahl aus Schwerlastverkehr eine Zunahme der vertikalen Plattenbewegung, speziell im Bereich der Scheinfugen, infolge dynamischer Beanspruchung auf. Je nach Ausprägung und den vorliegenden örtlichen Randbedingungen können diese zu Plattenversätzen als auch zum Versagen der Platten führen. Für die Instandsetzung derartiger Schädigungen wird in der Regel das Heben und/oder Festlegen durch Unterpressung angewendet. Seit einiger Zeit werden hierfür neben konventionellen hydraulischen Injektionsmörteln auch Kunststoffe (Silikatharz und Polyurethan) benutzt. In dieser Arbeit wurde das Unterpressen von Betonfahrbahndecken untersucht. Die Laboruntersuchungen beschränkten sich dabei auf Unterpressstoffe aus Polyurethan. In Praxisanwendungen wurden hingegen weitere Stoffe (Silikatharz, hydraulischer Mörtel) untersucht.
Den Ausgangspunkt für die Laborarbeiten bildete die Auswahl bzw. Definition probater Prüfroutinen und -verfahren. Für die Ermittlung der Dauerstandfestigkeit wurde z. B. ein Druckschwellversuch mit Laststeigerung ausgearbeitet, der eine zeitsparende Materialcharakterisierung im Hinblick auf das Zeitstand- sowie Ermüdungsverhalten unter zyklischer Beanspruchung ermöglichen soll. Im Rahmen der Laborversuche wurden zunächst die unterschiedlichen Festigkeitswerte für verschiedene PUR-Materialien bestimmt. Die Ergebnisse der axialen Druckprüfungen bestätigten dabei erwartungsgemäß, dass die Bestimmung der Druckfestigkeit nach herkömmlichem Ansatz bei Versagen aufgrund des Verformungsverhaltens nicht zielführend ist. Ersatzweise wurde die Druckspannung bei einer definierten Verformung verwendet. Durch Auswertung der dynamischen Belastungsversuche (Ermüdungs- und Laststeigerungsversuche) konnte ein erkennbarer Zusammenhang zwischen den aufgebrachten Spannungen und den dazugehörigen Verformungen abgeleitet werden, der speziell zur Abschätzung des Zeit- bzw. Dauerstandverhaltens herangezogen werden kann. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen Aufschäumfaktor, Druckfestigkeit und Materialkosten herausgearbeitet, um in der Praxis eine sichere und wirtschaftliche Verwendung von PUR zu erwirken.
In der Praxis stehen bei der Baulichen Erhaltung häufig monetäre Gesichtspunkte im Vordergrund, sodass sich insbesondere für die expandierenden Injektionsmaterialien (PUR-Hartschaumstoffe) große Vorteile ergeben. Der Hauptgrund hierfür ist, dass sich die reinen Materialkosten durch den Aufschäumfaktor beim Polyurethan steuern lassen. Im Bild 19 sind die Konnexe zwischen dem Aufschäumfaktor und der Druckfestigkeit sowie den Materialkosten dargestellt. Der Materialpreis für das Gemisch der beiden Ausgangskomponenten wurde dabei exemplarisch mit 4,00 €/kg angesetzt.
Bild 19: Grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Aufschäumfaktor (ASF) von Polyurethan und der Druckspannung bei 10-%-Dehnung sowie den Materialkosten
Die Grafik wurde hinsichtlich der erforderlichen Festigkeit und der Materialkosten in drei verschiedene Bereiche unterteilt (Bereich I: unwirtschaftlich, Bereich II: wirtschaftlich, Bereich III: unsicher). Anhand der Kostenspanne wird ersichtlich, dass in der Praxis eine Optimierung des PUR-Materials im Hinblick auf eine ausreichende Festigkeit und die Materialkosten unerlässlich ist. Erfahrungsgemäß sollte der in der Praxis anzustrebende ASF zwischen 2 und 4,5 liegen.
An dieser Stelle ist anzumerken, dass die gemäß den ZTV BEB-StB [2] für Injektionsmaterialien geforderte Druckfestigkeit von 28 N/mm² auf die PUR-Kunststoffe nicht übertragbar ist. Ersatzweise wurde hier ein empirisch ermittelter Mindestanforderungswert (σD,10) von ≥ 2,5 N/mm² angesetzt, der in Form eines Festigkeitsnachweises an einer Ausbauprobe des injizierten PUR-Materials nachgewiesen werden sollte. Die erforderliche Druckspannung kann dann beispielsweise indirekt über den am Ausbaustück ermittelten ASF näherungsweise bestimmt werden. Das Vorgehen setzt voraus, dass für die entsprechenden PUR-Materialien produktspezifische Kennlinien (Zusammenhang zw. ASF/σD,10) aus labortechnischen Untersuchungen vorliegen. Dieses Prozedere wird insofern angeregt, als dass die Randbedingungen (Feuchtigkeit, Druck, Temperatur, …) beim Unterpressen in situ zu einem unterschiedlichen Aufschäumverhalten des Materials führen können. Eine Überprüfung der Raumdichte an separat hergestellten Proben, z. B. in Form von Becherproben, ist als nicht zielführend zu erachten, da bei deren Herstellung ein so genanntes „freies Aufschäumen“ stattfindet. Derartige Proben dienen in der Regel zur Prüfung des Schäumbeginns bzw. des Schäumendes oder zur indirekten Überprüfung der Mischeinstellung.
Die Untersuchungen in situ zeigten, dass durch das Unterpressen von Fahrbahnplatten die Tragfähigkeits- und Lagerungsbedingungen signifikant verbessert werden können. Unterschiede in der unmittelbaren Wirksamkeit im Hinblick auf das verwendete Injektionsmaterial konnten nicht explizit festgestellt werden. Vielmehr war deduzierbar, dass die Dauerhaftigkeit maßgeblich von den tatsächlich vorliegenden Randbedingungen abhängt. Die tragfähigkeitsverbessernde Wirkung infolge Unterpressung ließ sich mit dem FWD-Messverfahren unter Verwendung konventioneller Kennwerte nachweisen. Für die Beschreibung der Lagerungsbedingungen eignen sich hingegen Kennwerte, die durch Auswertung der lastabhängigen Änderung der Deflexion ermittelt werden. Bei der Interpretation der Messergebnisse sind die zum Messzeitpunkt vorliegenden Randbedingungen stets zu beachten.
Der am einfachsten zu bestimmende Kennwert ist die Deflexion D1, die im Lasteintragszentrum der Lastplatte ermittelt wird. Das Bild 20 zeigt die qualitative Entwicklung der mittleren Deflexion D1 in Abhängigkeit zur tatsächlichen (Bild links) und der beanspruchungsorientierten Nutzungsdauer (Bild rechts). Zum Vergleich ist der durch WOLF formulierte Schwellwert welcher in erster Linie als Orientierungswert zu verstehen ist, für die Bauweise Beton auf HGT (BHGT) angeführt [33]. Demnach konnte durch Unterpressung in allen Fällen eine Verbesserung der Tragfähigkeit herbeigeführt werden. Jedoch kann der kurzfristige Instandsetzungserfolg in seiner Wirkung unterschiedlich groß ausfallen. Im Fall der Maßnahme S3, bei der als Unterpressmaterial Silikatharz verwendet wurde, kann allerding die erzielte Wirkung nicht explizit auf das verwendete Unterpressmaterial zurückgeführt werden. Hier ist davon auszugehen, dass bereits zum Zeitpunkt der Maßnahme eine starke substanzielle Schädigung der Verfestigung vorlag. Innerhalb der zweijährigen Nutzung nach Unterpressung waren hier erneut Hohlräume infolge Erosion unterhalb der Betondecke festzustellen. Weiterhin fällt in der Darstellung die Maßnahme S1 auf (hydraulischer Mörtel), da hier zwei Jahre nach der Unterpressung kein Zuwachs der mittleren Deflexion auftritt. Bei dieser Maßnahme ist aber anzunehmen, dass die Wirkung der Instandsetzung zum Messzeitpunkt nicht mehr oder nur in geringem Umfang vorhanden war, da die direkten Aufschlüsse einen erneuten Verbundverlust als auch Hohlräume im Bereich der Injektionsebene aufzeigten. Die festgestellte gute Tragfähigkeit ist hier den vorliegenden Randbedingungen zuzuschreiben, da die vorhandenen Hohlräume zum Messzeitpunkt mit Wasser gefüllt waren, das heißt es lag temporär eine „scheinbar hohe Tragfähigkeit“ vor.
Bild 20: Entwicklung der Deflexionen D1 an der QF (Fnom = 50 kN) bezogen auf die tatsächliche und belastungsorientierte Nutzungsdauer für verschiedene Maßnahmen, Darstellung des Grenzwertes (Orientierungswert) nach Wolf für die Bauweise BHGT [36]
Die Tragfähigkeitsentwicklungen für die Maßnahme S2 (PUR) erlauben hingegen eine reale Beschreibung des kurz- und des langfristigen Instandsetzungserfolgs. So liegen die ermittelten Deflexionen nach Unterpressung in ihrer Größe deutlich unterhalb des Schwellwertes. Im speziellen Fall wäre dieser aufgrund der zusätzlichen PUR-Injektionsschicht nach oben zu korrigieren, da diese wegen des geringen E-Moduls zu vergleichbar größeren Deflexionen führt. Ein abermaliges Erreichen des Grenzwertes infolge Nutzung konnte nach ca. 2 Jahren (3,3 Jahren BOND) festgestellt werden. Der Ausgangszustand (v. U.) ist bei exponentieller Betrachtung nach einer Nutzungsdauer von ca. 5 Jahren bzw. einer belastungsorientierten Nutzungsdauer von ca. 8 Jahren zu erwarten.
Eine abgesicherte Aussage zur Dauerhaftigkeit hinsichtlich des verwendeten Injektionsmaterials kann an dieser Stelle jedoch nicht getroffen werden. Dies liegt im Wesentlichen darin begründet, dass der Unterpresserfolg als auch die Dauerhaftigkeit der Instandsetzung von vielen Kriterien abhängig sind. Nachfolgend werden einige wichtige benannt:
– temporärer Spannungs- bzw. Verformungszustand der Betonplatten,
– Wasserverhältnisse im Injektionshorizont (PUR, hydraulischer Injektionsmörtel),
– Zustand der Fugen (Dichtigkeit),
– Entwässerung der Straßenkonstruktion,
– gewähltes Injektionsmaterial (Ausbreitung, Materialeigenschaften, …),
– Injektionstechnologie (Injektionsdruck, -raster, -abfolge),
– Aufbau der Straßenkonstruktion,
– Lage Injektionshorizont,
– Schadensausprägung zum Injektionszeitpunkt,
– Schadensursache,
– Intensität der Beanspruchung (Verkehr, Klima, …).
Ein vertikaler Plattenversatz konnte an den instand zu setzenden Platten in den Bereichen der Längs- und Querscheinfugen angetroffen werden. In seiner Größe lag dieser nahezu durchgängig weit unter dem im Regelwerk (ZTV BEB-StB 02) verankerten Richtwert von ≥ 10 mm, ab dem eine Instandsetzung mittels Heben vorzunehmen ist. In anderen Untersuchungen konnte diese Feststellung bestätigt werden [34]. Abschließend ist anzumerken, dass die Instandsetzungen (Heben/Festlegen von Betonfahrbahnplatten) bei nahezu allen bisher begleiteten Maßnahmen – in Summe wurden dabei weit über 3.000 Platten instand gesetzt – aus fachlicher Sicht sehr spät erfolgten.
Abschließend sollen einige wichtige baupraktische Hinweise gegeben werden, um die Wirksamkeit sowie die Dauerhaftigkeit von Unterpressmaßnahmen künftig zu verbessern. Bei der Unterpressung von Fahrbahnplatten sollten insbesondere die zum Injektionszeitpunkt vorliegenden Spannungsverhältnisse beachtet werden. So können sich starke Druckspannungen im Deckensystem oder auch spannungsbedingte Verformungen an den Platten ungünstig auf den Instandsetzungserfolg und/oder auf die Dauerhaftigkeit der Maßnahme auswirken. In der Regel sollten keine Unterpressarbeiten stattfinden, wenn die Decke hohe Temperaturen (≥ 30 °C) oder ungünstige Temperatur- und/oder Feuchtegradienten aufweist.
Bei der Verwendung von PUR-Hartschaumstoffen ist außerdem der beim Aufschäumen entstehende Expansionsdruck zu beachten, da dieser unter Umständen zu einer zu großen Hebung, aber auch zu einer Zerstörung der behandelten Platte führen kann.
Stellen sich nach dem Unterpressen gegebenenfalls noch inakzeptable Plattenversätze an der Oberfläche dar, können diese beispielsweise durch Abschleifen (Grinding) beseitigt werden. Weiterhin ist es unumgänglich, dass nach dem Heben oder Festlegen von Platten die betroffenen Fugen instand gesetzt werden, um die Dauerhaftigkeit der Maßnahme sicherzustellen. Können größere Wassereinträge in die Straßenkonstruktion nicht verhindert werden, so muss mit einer baldigen Schädigung der instand gesetzten und/oder benachbarten Platten der Plattenkette gerechnet werden.
Literaturverzeichnis
1 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2009): Merkblatt für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen aus Beton (M BEB), Köln, FGSV 823
2 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2002): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen
– Betonbauweisen (ZTV BEB-StB) Köln, FGSV 898/1
3 B e c k e r, C. (2008): Voruntersuchungen zur Erarbeitung einer Prüfvorschrift zur Bestimmung des Haftverhaltens von Geotextilien unter Beton, Bachelorarbeit, Hochschule Magdeburg-Stendal (FH)
4 Studiengesellschaft für Automobilstraßenbau (1933): Merkblatt für Betonstraßen, Berlin, Sonderdruck
5 Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen e.V. (1952): Merkblatt für die Unterhaltung von Betonfahrbahndecken, Berlin
6 W i l l i g e r o d (1952): Plattenheben mittels Preßluft in Hamburg – Beobach
7 Bandimere, S. W. (1986): Report and Review of a Major Slabjacking Case History, Transportation Research Record, 1104
8 Straube, E.; Weingart, W. (2002): Heben und Festlegen von Betonplatten durch Kunst-harzinjektion, Straße und Autobahn, Heft 10
9 Wieland, M.; Weingart, W. (2008): Dauerhafte Unterpressung von Betonfahrbahnplat-ten durch Kunstharzinjektion, Straßen- und Tiefbau, Heft 9
10 Federal Highway Administration (2002): INJECTED POLYURETHANE SLAB JACKING, Final Report, Bde. SPR 306–261, Washington D.C
11 Alte-Teigeler, T. (2010): Slab Jacking – Development of new Materials, Bietigheim12 IVPU Industrieverband Polyurethan-Hartschaum e. V. (2008): Wärmedämmstoffe aus Polyurethan-Hartschaum Herstellung – Anwendung – Eigenschaften, ISBN 3-932500-28-8, Stuttgart
13 Deutsches Institut für Normung e.V. (2005): DIN EN 196-1 Prüfverfahren für Zement – Teil 1: Bestimmung der Festigkeit; Deutsche Fassung EN 196-1:2005, Berlin
14 Deutsches Institut für Normung e.V. (1996): Wärmedämmstoffe für das Bauwesen – Bestimmen des Verhaltens bei Druckbeanspruchung (DIN EN 826 – Deutsche Fassung), Berlin
15 Deutsches Institut für Normung e.V. (2003): Bestimmung von Druckeigenschaften (DIN EN ISO 604), Berlin
16 ASTM International (2010): ASTM 1621–04a (Standard Test Method for Compressive Pro-perties Of Rigid Cellular Plastics)
17 Keuerleber, M. (2006): Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Kunststoffen bei hohen Dehnraten am Beispiel von PP, Dissertation Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde der Universität Stuttgart
18 Wendehorst, R. (2004): Baustoffkunde, VINCENTZ Verlag, Hannover
19 Mutti, R. A.; Sudol, J. J.; L o v e, B. W. (1987): Void Detection and Rigid Pavement Undersealing in Indiana: A Comprehensive Approach, Transportation Research Board, Washington, D.C.
20 Crovetti, J. A.; Darter, M. I. (1985): VOID DETECTION FOR JOINTED CONCRETE PAVEMENTS, Transportation Research Record (TRR Journal), No. 1041, Washington, D.C
21 European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research (2005): COST 336 – Use of Falling Weight Defl ectometers in Pavement Evaluation, Final Report of the Action, Main Report, 2nd Edition
22 Freund, H.-J.; Großmann, A.; R o o s, R. (2001): Zerstörungsfreie Überprüfung der Wirksamkeit von Injektionsverfahren – BAB A 8, Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen der Universität Karlsruhe (TH), im Auftrag des Landesamtes für Straßenwesen Baden-Württemberg
23 Weingart, W. (2005): Tragfähigkeitsmessungen mit dem Falling Weight Deflektometer im Rahmen der Plattenunterpressungen auf der Autobahn BAB A 14, Gropius-Institut Dessau e.V. – Fachgebiet Straßenbautechnik und Erdbau, im Auftrag der VIATECTA GmbH
24 Weingart, W. (2006): Tragfähigkeitsmessungen mit dem Falling Weight Deflektometer im Rahmen von Plattenunterpressungen auf der BAB A 2. Gropius-Institut Dessau e.V. – Fachgebiet Straßenbautechnik und Erdbau, im Auftrag des Landesbetriebes Bau Sachsen-Anhalt
25 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2013): Arbeitspapier Tragfähigkeit Teil C 2.2 „Falling Weight Deflectometer (FWD): Auswertung von Einsenkungsmessungen – Betonbauweisen (in Bearbeitung)
26 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2012): Arbeitspapier Tragfähig-keit Teil B 2.2 „Falling Weight Deflectometer (FWD): Gerätebeschreibung, Messdurchführung – Betonbauweisen, Köln, FGSV 433/B 2.2
27 Großmann, A. (2003): Bewertung des Tragverhaltens von Betonfahrbahnen basierend auf Messungen mit dem Falling Weight Deflectometer, Dissertation ISE d. Universität Karlsruhe, Heft 52, Karlsruhe
28 R o o s, R.; Karcher, C.; Kubanek, K.; Freund, H.-J.; Chakar, T. (2009): Erarbeitung von Grundlagen für einen abnahmetauglichen Bewertungshintergrund für Tragfähigkeitsmessungen an Verkehrsflächenbefestigungen in Betonbauweisen unter Beachtung temperatur- und jahreszeitbedingter Einflüsse, FA 4.203/2005/AGB im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Karlsruhe
29 Uhlig, K. (2006): Polyurethan Taschenbuch, 3. Auflage, München/Wien, Carl Hanser Verlag
30 Deutsches Institut für Normung (2003): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften (DIN EN ISO 178), Berlin
31 Clauß, G.; Abraham, F. (2005): Schwingfestigkeit von Kunststoffen und Elastomeren, FH Heilbronn
32 R o o s, R.; et al. (2006): Untersuchungen an Betonstraßen mit hydraulisch gebundenen Tragschichten, BMVBS, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 942, Bonn
33 W o l f, A.: FWD Grenzwerte für Betonbauweisen (unveröffentlicht), BASt Bergisch Gladbach
34 Wieland, M. (2010): BAB A 7 Hannover – Erprobung eines neuartigen PUR-Unterpressmaterials, BASt Bergisch Gladbach |
