Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.
1 Einführung
Die Betonstraßentagung stellt die Plattform dar für die Vorstellung und Diskussion von Praxiserfahrungen, Forschungsergebnissen und neuen Regelwerken. Sie ist damit, z. B. im Vergleich zum deutschen Straßen- und Verkehrskongress, hinsichtlich der Themen sehr speziell auf den Betonstraßenbau ausgerichtet.
Auch bei der Tagung in Ulm wurde bei der Erstellung des Vortragsprogramms und der Themenauswahl wieder hoher Wert auf Praxisnähe gelegt. Dass dies der richtige Weg ist, spiegelte sich einerseits in der im Vergleich zu Karlsruhe gleichgebliebenen Teilnehmerzahl von ca. 250 Besuchern und andererseits in den regen Diskussionen im Anschluss der Vorträge sowie den Fachgesprächen in den Pausen wider.
Der in der Bauwirtschaft und insbesondere auch im Straßenbau zu verzeichnende Nachwuchsmangel zeigt sich leider inzwischen auch bei der Mitarbeit innerhalb der Gremien der FGSV und letztlich ebenso bei der Teilnahme an den einschlägigen Veranstaltungen.
Ziel der nächsten Jahre muss es daher sein, die oftmals altersbedingt aus den Gremien ausscheidenden Fachkolleginnen und Fachkollegen durch engagierte Nachwuchskräfte zu ersetzen. Hierzu gehört neben der Überzeugung der Kolleginnen und Kollegen selbst für die Bedeutung der Gremienarbeit auch die Überzeugung deren Arbeitgeber, denn letztlich erfordert die ehrenamtliche Arbeit innerhalb der FGSV auch das Verständnis und die Zustimmung bei Verwaltung, Hochschule und Wirtschaft.
Als sehr positiv ist bei der vergangenen Tagung die Anzahl der ausländischen Teilnehmer zu nennen. Insgesamt 43 Teilnehmer aus 10 verschiedenen Nationen sind ein erneuter Beleg für die hohe internationale Anerkennung des deutschen Betonstraßenbaus, aber auch für das Interesse an den im Rahmen der Tagung vorgestellten Erfahrungen und Forschungsergebnissen. Analog der Tagung im Jahr 2013 wurde auch in Ulm die Veranstaltung zweisprachig angeboten.
An dieser Stelle sei auch die intensive Arbeit der Forschungsstellen gewürdigt. Im Rahmen des jährlichen gemeinsamen Forschungsprogramms zwischen BMVI und FGSV (G-Forschung) werden aktuelle Fragen und Aufgabenstellungen aus der Praxis bearbeitet. Wesentlichen Anteil an einer erfolgreichen Forschung haben auch die Mitarbeiter in den jeweiligen Betreuungsausschüssen, die hier gezielt Ihre Erfahrungen einbringen und damit einen hohen Praxisbezug sicherstellen.
Erfreulicherweise ist die Höhe der F+E-Mittel in den letzten Jahren mit knapp 10 Mio. (davon ca. 30 % für die G-Forschung) unverändert geblieben.
Da die Ergebnisse aus der Forschung unmittelbar auch ins Regelwerk und die Praxis einfließen und damit die Eigenschaften unserer Verkehrsflächen für die Nutzer permanent sichergestellt bzw. verbessert werden, muss es im Interesse aller liegen, dass die Forschungsmittel auch weiterhin mindestens in dieser Größenordnung zur Verfügung gestellt werden.
2 Struktur der FGSV
Die Struktur der FGSV hat sich in den letzten Jahren nicht wesentlich verändert. Die wichtigsten Gremien der FGSV sind:
- der Vorstand
- die Koordinierungsausschüsse ,,Verkehr" und ,,Bau"
- fünf Kommissionen:
· K 1 Qualitätsmanagement
· K 2 Kommunale Straßen
· K 3 Bemessung von Straßenverkehrsanlagen
· K 4 Forschungsprogramm Stadtverkehr
· K 5 Güterverkehr
- drei verkehrstechnische Arbeitsgruppen (jeweils inkl. Lenkungsausschuss, Arbeitsausschüssen, -kreisen und ad-hoc-Gruppen):
· AG 1 Verkehrsplanung Qualitätsmanagement
· AG 2 Straßenentwurf
· AG 3 Verkehrsmanagement
- fünf bautechnische Arbeitsgruppen (ebenfalls jeweils inkl. Lenkungsausschuss, Arbeitsausschüssen, -kreisen und ad-hoc-Gruppen):
· AG 4 Infrastrukturmanagement
· AG 5 Erd- und Grundbau
· AG 6 Gesteinskörnungen, Ungebundene Bauweisen
· AG 7 Asphaltbauweisen
· AG 8 Betonbauweisen
- sieben, direkt der Geschäftsstelle zugeordnete Querschnittsausschüsse:
· QA 1 Begriffsbestimmungen
· QA 2 Straßenwesen in Entwicklungsländern
· QA 3 Informationstechnik
· QA 4 Statistische Auswertung von Prüfergebnissen
· QA 5 Geschichte des Straßen- und Verkehrswesens
· QA 6 Standardleistungskatalog für den Straßen und Brückenbau
· QA 7 Postfossiler Verkehr Elektromobilität
Die Gremien der Forschungsgesellschaft sind im Wesentlichen für die Fortschreibung des Technischen Regelwerks in den Bereichen Straßenbau, Straßenverkehrstechnik und Verkehrsplanung verantwortlich. Dabei werden die jeweils neuesten Erkenntnisse aus Forschung und Praxis berücksichtigt. Die detaillierten Aufgaben der jeweiligen Gremien sowie deren Zusammensetzung und Mitarbeiterstruktur können auf der Homepage der FGSV unter ,,Gremien Road Maps/Steckbriefe" [1] eingesehen werden. Der fortschreitenden Digitalisierung wurde seitens der FGSV mit dem neuen FGSV-Portal Rechnung getragen. Auch wenn sicher noch nicht alle ,,Kinderkrankheiten" beseitigt sind, so erleichtert das FGSV-Portal die Arbeit für die Gremienleiter und Mitarbeiter sowie insbesondere deren Datenaustausch untereinander ungemein.
3 Die Arbeitsgruppe 8 innerhalb der FGSV
Die AG 8 besteht neben dem Lenkungsausschuss aus dem Gemeinschaftsausschuss 8.01 sowie fünf Arbeitsausschüssen (AA) mit insgesamt 11 Arbeitskreisen (AK). Die detaillierte Zusammensetzung inklusive der Gremienleiter ist nachfolgend dargestellt:
- Arbeitsausschuss 8.1 ,,Technische Vertragsbedingungen" (Riedl)
· Arbeitskreis 8.1.1 ,,ZTV/TL/TP Beton" (Wieland)
· Arbeitskreis 8.1.3 ,,Bauvertragliche Regelungen zur RDO Beton" (Böhme)
- Arbeitsausschuss 8.2 ,,Baustoffe" (Breitenbücher)
· Arbeitskreis 8.2.3 ,,AKR" (Breitenbücher)
· Arbeitskreis 8.2.4 ,,Waschbeton" (Wieland)
- Arbeitsausschuss 8.3 ,,Konstruktion" (Freudenstein)
· Arbeitskreis 8.3.1 ,,Überarbeitung der ZTV Fug, TL + TP" (R. Alte-Teigeler)
· Arbeitskreis 8.3.2 ,,Hinweise zur Bauweise Beton an Asphalt" (Tiemann)
· Arbeitskreis 8.3.3 ,,Stadt- und Landstraßen sowie besondere Verkehrsflächen" (Freudenstein)
· Arbeitskreis 8.3.4 ,,Durchgehend bewehrte Betonfahrbahndecke" (Höller)
· Arbeitskreis 8.3.5 ,,Hinweise zur Bauweise Betondecke auf modifizierter Kiestragschicht KTSuB" (Neudert)
- Arbeitsausschuss 8.4 ,,Oberflächen" (Villaret)
· Arbeitskreis 8.4.2 ,,Akustisches Grinding" (Skarabis)
- Arbeitsausschuss 8.5 ,,Erhaltungstechnologie" (Anger)
· Arbeitskreis 8.5.1 ,,Überarbeitung ZTV BEB-StB" (Anger)
In den Gremien der AG 8 engagieren sich derzeit ca. 150 Fachleute aus verschiedensten Bereichen für die Betonbauweise. Sie kommen aus den Bauverwaltungen, von der Hochschulforschung und der BASt, aus der Baustoffindustrie und den zugehörigen Forschungseinrichtungen, aus Ingenieurbüros und privaten Prüflaboren sowie aus der Industrie. Die anteilige Zusammensetzung zeigt das Diagramm 1.
Diagramm 1: Zusammensetzung der Arbeitsgruppe Betonbauweisen nach Berufszweigen (Quelle FGSV)
Aufgrund der teilweise nur temporär eingesetzten Arbeitskreise kann sich die v. g. Zusammensetzung der Arbeitsgruppe 8 geringfügig verändern. Insgesamt stellt sich diese aber als sehr ausgewogen dar.
Zu beachten ist, dass viele Fachkolleginnen und Fachkollegen in mehreren Gremien der Arbeitsgruppe 8 tätig sind und darüber hinaus Ihre Erfahrungen auch in anderen Arbeitsgruppen der FGSV übergreifend einbringen.
4 Aufgaben, Arbeitsbereiche und Regelwerke der AG 8
Zu den wesentlichen Aufgaben der AG 8 gehören die Erstellung bzw. Überarbeitung von Regelwerken, die Formulierung und Betreuung von Forschungsvorhaben, die Bearbeitung von Frage- und Problemstellungen im Zusammenhang mit dem Baustoff Straßenbeton sowie den dafür im Wesentlichen erforderlichen Komponenten wie Zement, Gesteinskörnungen und Zusatzmitteln.
Eine weitere wesentliche Rolle bei der Arbeit der AG 8 spielt die Weiterentwicklung bestehender sowie die Entwicklung und Erprobung neuer Bauweisen und Oberflächentexturen. Nicht zuletzt befasst sich die AG 8 mit der Erhaltung und Erneuerung sowie der Wiederverwendung von hydraulisch gebundenen Tragschichten und Fahrbahndecken aus Beton, z. B. in neuen ungebundenen oder hydraulisch gebundenen Tragschichten.
Arbeitsausschuss 8.1 Technische Vertragsbedingungen
Der AA 8.1 unter Leitung von Dipl.-Ing. Riedl sowie die zugehörigen Arbeitskreise haben die Aufgabe, das Regelwerk für den Betonstraßenbau, das heißt im Wesentlichen die ZTV BetonStB und die zugehörigen TL und TP aktuell zu halten, weiterzuentwickeln und als vertragliche Basis zu gestalten.
Die Überarbeitung der ZTV Beton-StB 07 [6] und TL Beton-StB 07 [7] durch den AK 8.1.1 unter der Leitung von Herrn Wieland hat sich hierbei als wesentlicher Arbeitsschwerpunkt herauskristallisiert. Die Bearbeitung erweist sich als sehr umfangreich, so dass mit einer längeren Bearbeitungsdauer gerechnet werden muss.
Gleichzeitig erfolgt durch die ad-hoc Gruppe 8.1.1.001 des AK 8.1.1 die Überarbeitung der TP Beton-StB 10 [8]. Ziel hierbei ist es, alle für den Neubau von Betonfahrbahndecken erforderlichen Prüfvorschriften zu sichten, gegebenenfalls zu überarbeiten und falls erforderlich auch neue Prüfvorschriften zu erstellen.
In Zusammenarbeit mit dem AK 8.5.1, der die entsprechenden Prüfvorschriften für die Erhaltung er- bzw. überarbeitet, sollen dann zukünftig alle für den Betonstraßenbau relevanten Prüfvorschriften in einer Loseblattsammlung analog zu den TP Gestein-StB [9] veröffentlicht werden.
Die Erarbeitung und Veröffentlichung erfolgt fortlaufend. Nach Fertigstellung werden insgesamt ca. 75 Prüfvorschriften als TP B-StB vorliegen.
Der Arbeitskreis 8.1.3 ,,Bauvertragliche Regelungen" hat die ZTV RDO Beton inzwischen fertiggestellt. Nach Einarbeitung der Länderstellungnahmen kann eine Veröffentlichung erfolgen.
Arbeitsausschuss 8.2 Baustoffe
Der AA 8.2 unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Breitenbücher befasst sich mit allen Aufgaben und Problemstellungen zum Baustoff Straßenbeton. Hierzu gehören selbstverständlich und insbesondere auch die damit verbundenen Fragen zu den Ausgangsstoffen wie Zement, Gesteinskörnungen und Zusatzmittel.
Ein wesentliches Aufgabengebiet der letzten Jahre bestand in der gemeinsamen Erarbeitung von Regelungen zur Vermeidung von AKR-Schäden.
Nach den zu erwartenden anfänglichen Schwierigkeiten im Umgang mit dem ARS 4/2013 [13], hat sich dieses in der Praxis inzwischen bewährt. Beigetragen hierzu haben auch die im Nachgang zum ARS durch den Arbeitskreis 8.2.3 ,,AKR" erarbeiteten und auf der Homepage der BASt veröffentlichten ,,Erläuterungen zum Verfahren V3" [2].
Durch diese Erläuterungen konnte der Umgang mit den AKR-Gesteinslisten und deren Anwendung in der Praxis vereinfacht werden. Es wird hierin auch aufgezeigt, welche Nachweise und Unterlagen vom Auftragnehmer bei einem Bauvorhaben für Beton der Feuchtigkeitsklasse WS beim Auftraggeber einzureichen sind, wenn Gesteinskörnungen der AKR-Gesteinslisten eingesetzt werden sollen.
In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass die bei der BASt geführten Listen der ,,geprüften, AKR-unbedenklichen Vorkommen von groben Gesteinskörnungen für den Einsatz in Fahrbahndecken aus Beton" stetig weiter anwachsen. Von den Baufirmen und Gesteinskörnungsherstellern wurden inzwischen für sehr viele Gesteinsvorkommen Prüfungen beauftragt. Diese Werke stehen nun für den Einsatz in Fahrbahndecken aus Beton zur Verfügung. Nach anfänglichen Engpässen in gewissen Regionen hat sich die Situation inzwischen deutlich entspannt, was insbesondere der konstruktiven Zusammenarbeit zwischen BMVI, BASt, AKR-Gutachtern und Industrie zu verdanken ist.
Leider sind in einigen wenigen Regionen in Bezug auf die AKR offenbar noch nicht alle Unsicherheiten ausgeräumt, was letztlich dazu führt, dass dort auch weiterhin keine Betondecken ausgeschrieben werden. Dies ist insofern unverständlich, als dass in diesen Regionen inzwischen auch eine ausreichende Anzahl an geeigneten Gesteinskörnungsvorkommen verfügbar ist.
Die Bearbeitung des Themas AKR wird für den AA 8.2 und den Arbeitskreis 8.2.3 auch in den nächsten Jahren weitergehen. Hierbei sind einerseits die Fragestellungen zur Wiederverwendung von AKR-geschädigten Ausbaubetonen in ungebundenen und hydraulisch gebundenen Tragschichten zu beantworten und andererseits auch die Prüfverfahren stetig zu verbessern bzw. an der Praxis zu validieren.
Der AK 8.2.4 ,,Waschbeton" hat die maßgeblichen Erfahrungen mit dieser Bauweise zusammengestellt. Diese werden bei der Überarbeitung der einschlägigen Regelwerke (ZTV Beton-StB [6], TL Beton-StB [7] und TP Beton-StB [8]) einfließen.
Nicht unerwähnt bleiben soll bereits an dieser Stelle die intensive Arbeit des AA 8.2 bei der Formulierung des aktuellen Forschungsbedarfes auf dem Gebiet des Baustoffes Straßenbeton sowie bei der Betreuung einer großen Anzahl von Forschungsvorhaben, auf die im weiteren Verlauf noch eingegangen wird.
Arbeitsausschuss 8.3 Konstruktion
Wesentliche Aufgaben des AA 8.3 unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Freudenstein sind die Überprüfung und Weiterentwicklung bestehender Bauweisen sowie die Neuentwicklung dauerhaften Betonbauweisen und Oberbaukonstruktionen für Verkehrsflächen aller Art. Hierzu zählen neben den Bundesautobahnen auch Flugbetriebsflächen, Verkehrsflächen im kommunalen Bereich sowie hochbelastete Industrie- und Logistikflächen.
Die große Bedeutung der Neu- und Weiterentwicklung von Bauweisen spiegelt sich auch in der Anzahl der aktuell aktiven Arbeitskreise unterhalb des AA 8.3. wider.
Drei Arbeitskreise befassen sich u. a. mit durchgehend bewehrten Betondecken, Betondecken auf optimierter Kiestragschicht und der Bauweise Beton neben Asphalt.
Der Arbeitskreis 8.3.3 ,,Stadt- und Landstraßen sowie besondere Verkehrsflächen" hat nach dem bereits im Jahr 2013 veröffentlichten Teil 1 des M VaB ,,Kreisverkehre, Busverkehrsflächen und Rastanlagen" [3] inzwischen auch den Teil 2 ,,Stadt- und Landstraßen sowie plangleiche Knotenpunkte mit Hinweisen zur Baulichen Erhaltung" [4] fertiggestellt und wird demnächst mit der Erarbeitung des dritten Teils (Arbeitstitel ,,Industrie- und Logistikflächen") beginnen.
Insbesondere auch dieser Teil wird dringend erwartet, da der Bedarf an diesen Flächen sowie deren Bau in den letzten Jahren massiv zugenommen haben, jedoch damit verbunden leider auch sehr viele Fehler bereits in den Ausschreibungsunterlagen (teils gravierende Unterdimensionierungen), aber auch bei der Herstellung der Flächen beobachtet werden konnten.
Nicht zu vergessen ist der Arbeitskreis 8.3.1 ,,Überarbeitung der ZTV Fug, TL + TP". Dieser Arbeitskreis hat sich in den letzten Jahren nicht mehr mit der Erarbeitung einer neuen ZTV Fug-StB befasst diese lag bereits seit längerem fertiggestellt vor.
Vielmehr bestand die Aufgabe des Arbeitskreises darin, die im Zuge der Fertigstellung der ZTV Fug-StB aufgetretene neue Problematik zur Dauerhaftigkeit von Heißvergussmassen zu untersuchen. Sowohl die Ursachenfindung als auch die Erarbeitung eines entsprechenden ARS zur Vermeidung weiterer Schäden stellte sich dabei als sehr komplex und schwierig heraus, zumal auch innerhalb des Arbeitskreises unterschiedliche Auffassungen zur Schadensursache und zum weiteren Vorgehen zur Lösung der Problematik bestanden und weiter bestehen.
Auch wenn in den vergangenen Jahren von einigen Seiten die Unzufriedenheit über diesen ,,Schwebezustand" geäußert wurde, so ist es aus Sicht der Dauerhaftigkeit der Fugen und damit auch des Images der Betonbauweise letztlich die richtige Entscheidung, ein neues Regelwerk, mit dem mögliche künftige Schäden bei der Bauweise Heißverguss noch nicht zielsicher ausgeschlossen werden können, bis zur detaillierten Kenntnis der Versagensursache nicht einzuführen.
Inzwischen laufen mehrere Forschungsvorhaben hierzu, die sich u. a. auch mit der Erarbeitung von neuen Prüfverfahren für das gesamte Fugensystem befassen, so dass kurzfristig auch mit einer Lösung dieser Thematik gerechnet werden kann.
Arbeitsausschuss 8.4 Oberflächen
Neben der Weiterentwicklung von Bauweisen durch den AA 8.3 steht insbesondere auch die Entwicklung weiterer, dauerhaft griffiger und lärmarmer Oberflächentexturen im Vordergrund der Arbeit der AG 8. Dies ist die Aufgabe des AA 8.4 unter der Leitung von Dipl.-Ing. Villaret.
An erster Stelle steht dabei die akustische Weiterentwicklung der Grindingoberfläche, die bekanntermaßen von Haus aus auch hervorragende Griffigkeitseigenschaften mit sich bringt. Die inzwischen vorhandenen Laboruntersuchungen sowie die Kenntnisse aus den angelegten Erprobungsstrecken zeigen, dass mit Grindingtexturen hohe Lärmminderungspotenziale möglich sind. Wesentlich für die Eigenschaften sind hierbei die Parameter Scheibenbreite und Scheibenabstand sowie die Zusammensetzung des Betons.
Im Rahmen der derzeitigen Überarbeitung der ZTV Beton-StB [6] soll die Grindingoberfläche zusätzlich zu den bereits bestehenden Oberflächentexturen ins Regelwerk einfließen. Hierzu gilt es, sowohl Anforderungen an die Betonzusammensetzung zu formulieren, als auch die genaue Herstellung der Oberflächentextur zu beschreiben.
Neben der Grindingoberfläche sollen mittel- bis langfristig weitere Oberflächen untersucht werden. Hierzu zählen z. B. offenporige Betone und Prägebetone.
Eine weitere Aufgabe des AA 8.4 besteht in der Weiter- und ggf. Neuentwicklung von Messverfahren zur Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften.
Arbeitsausschuss 8.5 Oberflächen
Der AA 8.5 unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Anger hat die Aufgabe, das Regelwerk für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen in Betonbauweise aktuell zu halten, Erhaltungstechnologien aufzuzeigen, weiter zu entwickeln und so aufzubereiten, dass diese in ein vertragliches Regelwerk eingebunden werden können.
Im Ergebnis der Arbeit des AA 8.5 bzw. des AK 8.5.1 konnten die neuen TL [11] und ZTV BEBStB [10] im Frühjahr 2015 veröffentlicht werden. Damit steht ein aktuelles Regelwerk für die Erhaltung zur Verfügung.
Der AK 8.5.1 wird sich nun vordergründig mit der weiteren Erarbeitung der Erhaltungsteile der TP B-StB (TP Betonbauweisen) befassen. Von den insgesamt 35 Prüfvorschriften wurden bereits zehn TP veröffentlicht. Die Fertigstellung aller Prüfvorschriften ist für das Jahr 2017 geplant.
Mittelfristig soll auch das M BEB, Ausgabe 2009 [12] auf der Grundlage der neuen ZTV BEBStB 15 [10] überarbeitet werden.
Die Bearbeitergruppe des AA 8.5 ,,H BEB-AKR" hat ihre Tätigkeit eingestellt, und das erarbeitete Werk wird in der Bund-/Länder-Arbeitsgruppe ,,AKR" als Basis für die Fortschreibung der ,,Empfehlungen für die Schadensdiagnose und die Bauliche Erhaltung von AKR geschädigten Fahrbahndecken aus Beton" des BMVI genutzt.
5 Forschung und Entwicklung
5.1 Abgeschlossene Forschungsvorhaben
Seit der Betonstraßentagung 2013 konnten die nachfolgenden acht Forschungsprojekte abgeschlossen werden:
8.169 Prüfverfahren zum Alterungsverhalten von Fugensystemen für Verkehrsflächen einschließlich der Brückenbeläge (BAM)
8.197 Auswirkungen dynamischer Beanspruchungen in Beton von Fahrbahndecken auf potenzielle Gefügeschädigungen (Ruhr-Universität Bochum)
8.208 Entwicklung frühhochfester Reparaturbetone in Waschbetonweise (Ruhr-Universität Bochum)
8.209 Simulation der Beanspruchungen von Betonfahrbahndecken (TU München)
8.211 Akustische Optimierung von Betonoberflächen durch Texturierung des Festbetons mit verbesserten Grinding-Verfahren (Villaret Ingenieurgesellschaft mbH)
8.213 Selbstverdichtender Beton für den Einsatz im Betonstraßenbau (Ruhr-Universität Bochum)
8.216 Schwingungsreduzierung in Betonfahrbahnen durch Optimierung der Plattengeometrie (Uni der Bundeswehr München, Neubiberg)
8.217 Instandsetzung partiell geschädigter Betonfahrbahndecken mittels Betonfertigteilen (Dr.-Ing. Jürgen Wolf, Oranienburg)
Eine detaillierte Vorstellung aller abgeschlossenen Projekte würde den Rahmen dieser Veröffentlichung sprengen, so dass im Folgenden nur einzelne, ausgewählte Projekte und deren Ergebnisse vorgestellt werden. Die vollständigen Kurzberichte zu den abgeschlossenen Projekten können in der online-Datenbank des FGSV Verlages (Info Rot) [5] eingesehen werden.
FE 8.209 Simulation der Beanspruchungen von Betonfahrbahndecken (Auszug aus [14])
Zur Untersuchung der Oberflächendauerhaftigkeit, insbesondere der Texturbeständigkeit von Betonfahrbahndecken wurde am cbm der TU München im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben ein kombinierter Laborbeanspruchungszyklus entwickelt.
Ein erstes Forschungsvorhaben befasste sich zunächst mit der grundsätzlichen Entwicklung eines zeitraffenden kombinierten Laborbeanspruchungszyklus.
Ein weiteres Forschungsvorhaben hatte das Ziel, diesen zeitraffenden kombinierten Laborbeanspruchungszyklus an die in der Praxis auftretenden Einflüsse aus Verkehr und Witterung anzupassen. Der kombinierte Laborbeanspruchungszyklus sollte die Exposition eines Straßenbetons praxisnah und zeitraffend simulieren. Die Praxisbeanspruchung wird dabei durch eine Kombination aus lösender und mechanischer Beanspruchung sowie Frost-Tausalzbeanspruchung simuliert. In dem Laborbeanspruchungszyklus erfolgen ein lösender Angriff (Lagerung in gepufferter Essigsäure pH 4,5) für eine Dauer von einer Stunde, der folgende Prallabrieb (PA) für eine Dauer von 60 min, sechs Zyklen des Frost-Tausalzangriffs (FTA) sowie weitere 60 min Prallabrieb.
Ziel des hier im weiteren Verlauf vorgestellten Forschungsvorhabens war, eine weitere Kalibrierung des Laborbeanspruchungszyklus durchzuführen. An Bohrkernen, die sieben Jahre nach Verkehrsfreigabe aus dem Standstreifen und dem ersten Fahrstreifen entnommen worden sind, wurden die selben oberflächenspezifischen Kennwerte ermittelt wie an den Bohrkernen, die bereits 2005 entnommen wurden.
Eine Auswertung von Verkehrsaufkommen und Wetterdaten, wie z. B. Niederschlag und Frostperioden, sowie der Vergleich der oberflächenspezifischen Kenndaten an den aus dem unbelasteten Standstreifen sowie aus der Fahrbahn entnommenen Bohrkernen über eine Zeitspanne von sieben Jahren sollten es ermöglichten, die Effektivität des kombinierten Laborbeanspruchungszyklus hinsichtlich Umweltbeanspruchung und mechanischer Beanspruchung zu beurteilen.
Aus dem bereits im früheren Forschungsvorhaben untersuchten Streckenabschnitt der BAB 4 wurden im Juli 2012 aus der Lkw-Rollspur und dem Standstreifen erneut insgesamt 30 Bohrkerne entnommen. Der betrachtete Streckenabschnitt befindet sich auf der BAB 4 bei Köln in Fahrtrichtung Köln zwischen der Tank- und Rastanlage ,,Frechen" und dem AK KölnWest (km 59,515 bis km 61,500). Der Vergleich der Oberflächen der unterschiedlich stark beanspruchten Fahrstreifen sollte zeigen, welchen Einfluss die Intensität der mechanischen Beanspruchung auf die Textureigenschaften hatte. Die an den 30 Bohrkernen ermittelten Textureigenschaften wurden den Textureigenschaften der Bohrkerne, die unmittelbar nach der Herstellung der Fahrbahndecke bzw. bis zum Alter von sieben Jahren entnommen wurden, gegenübergestellt.
Dies sollte Aufschluss über die Texturveränderung seit der Herstellung der Betonfahrbahndecke in Abhängigkeit der Einwirkungen aus Verkehr und Umwelt geben.
Das Verkehrsaufkommen sowie die Regen/Frost-Ereignisse auf diesem Streckenabschnitt wurden ebenfalls über den Zeitraum von 2005 bis 2013 erfasst. Die Verkehrszählung wurde von der Zählstelle AK Kerpen in Fahrtrichtung Köln durchgeführt. Die Wetterdaten nahe dem untersuchten Autobahnabschnitt wurden von einer vom Deutschen Wetterdienst betreuten Wetterstation erfasst.
Ziel war, eine Übereinstimmung der Texturveränderung an Bohrkernoberflächen, die im Labor beansprucht wurden, mit der Texturveränderung von praxisbeanspruchten Bohrkernoberflächen zu erreichen. Anhand einer solchen Kalibrierung könnte eine Prognose der Zustandsentwicklung existierender Strecken möglich gemacht werden.
Unmittelbar vor der Entnahme der Bohrkerne wurde der Streckenabschnitt begutachtet. Es zeigte sich, dass die Texturierung der einzelnen Platten des Standstreifens noch gut zu erkennen bzw. zu ertasten war. Die Oberflächentexturierung der Fahrbahnplatten hingegen war bei zahlreichen Platten nur schlecht zu erkennen bzw. mit den Fingerkuppen nicht zu tasten. Im Prinzip war der Oberflächenmörtel stellenweise so abgefahren, dass die oberen Spitzen der groben Gesteinskörner an der Fahrbahnoberfläche zum Vorschein kamen, die wiederum ebenfalls poliert wurden (Bild 1) Eine äußere Frostschädigung war weder auf dem Standstreifen noch auf der Fahrbahn zu beobachten.
Bild 1: Fahrbahn Zustand Juli 2012 (links) und Ausgangszustand (rechts)
Der Vergleich der oberflächenspezifischen Kennwerte von Bohrkernen, die kurz vor Verkehrsfreigabe und nach sieben Jahren aus dem Standstreifen entnommen wurden, bestätigte, dass sich die Oberflächentextur durch die realen Umwelteinflusse kaum änderte. Die Bohrkerne, die nach sieben Jahren Verkehrsbelastung aus der Fahrbahn entnommen wurden, bestätigen durch die ermittelten oberflächenspezifischen Kenndaten, dass das Profil der Fahrbahn glatter war, durch den Verkehr poliert wurde und eine geringere Griffigkeit aufwies als das der Bohrkerne aus dem Standstreifen, die den gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt waren. Sowohl die Kennwerte zur Beurteilung der Makrotextur (mittlere Oberflächentexturtiefe, ETD-Wert und rechnerische Gesamthöhe (Materialanteilkurve), als auch die Kennwerte zur Beurteilung der Mikrotextur (Griffigkeitsmessungen mit dem SRT-Pendel und Mikrokennamplitude A0,5) waren bei Bohrkernen aus der Fahrbahn geringer als bei Bohrkernen aus dem Standstreifen. Die Untersuchungen zeigten zudem, dass die Änderung der Mikrotextur der Fahrbahn offensichtlich nur zusammen durch die beiden oberflächenspezifischen Kenndaten des SRT-Wertes und der Mikrokennamplitude A0,5 umschrieben werden sollte. So zeigten die Untersuchungen, dass eine speckig, glänzende, stark polierte Oberfläche, wie sie bei der Fahrbahn teilweise vorhanden war, SRT-Werte im Bereich von 50 55 und Mikrokennamplituden A0,5 im Bereich von 1,0 1,5 m von aufwiesen (Bild 2).
Bild 2: Zusammenhang zwischen ermittelten Mikrokennamplituden A0,5 und SRT-Werten an Bohrkernen aus der Fahrbahn (entnommen 2012)
Die Untersuchungen zu den umweltsimulierenden Beanspruchungen haben ergeben, dass die realen Beanspruchung durch sauren Regen und Frostperioden mit Niederschlag mit den Stationen der Essigsäurelagerung und der sechs Frost-Tauwechsel (in Anlehnung an das CDF-Verfahren) im Rahmen des kombinierten Laborzyklus ausreichend beschrieben werden und vorerst nicht geändert werden sollten.
Hauptaugenmerk lag somit auf der Optimierung der Simulation der mechanischen Beanspruchung, deren Ergebnis eine polierte, glänzende und wenig griffige Oberfläche ist, deren Oberflächentextur nicht mehr zu erkennen bzw. zu ertasten ist. Die Beanspruchung durch Verkehr wurde über verschiedene Varianten simuliert. Zunächst wurde die Wirkung einer mechanischen Prallbeanspruchung mit Gummikugeln mit und ohne Schmirgel sowie die Wirkung einer mechanischen Prallbeanspruchung mit Stahlkern-Gummikugeln untersucht. Ebenfalls untersucht wurde die Wirkung der polierenden Station der Prüfanlage Wehner/Schulze, bei der Polierwalzen die Bohrkerne überrollten. Um eine praxisnahe Verkehrssimulation zu erreichen, wurde die Fahrbahnoberfläche während des Polierens zusätzlich mit einem QuarzmehlWasser-Gemisch als Schleifmittel beansprucht, das den Straßenstaub simulierte. Als Letztes wurde die Wirkung von sog. Polierstiften bzw. Polierwalzen untersucht. Nach jeder Untersuchungsreihe wurde die polierte Oberfläche mit der realen Fahrbahnoberfläche nach sieben Jahren Verkehrsbeanspruchung verglichen und die oberflächenspezifischen Kennwerte bestimmt.
Der Prallabrieb mit Gummikugeln und Schmirgel (Korundsand bzw. Glassand) führte zu keiner polierten Oberfläche. Ähnlich wie bei der mechanischen Prallbeanspruchung ohne Schmirgel wurden die Profilspitzen weggeprallt, was die Oberfläche ,,eingeebnet" erschienen ließ. Eine polierte, glänzende Oberfläche wie auf der Fahrbahn ergab sich durch die Beanspruchung nicht. Nach beiden Laborbeanspruchungsarten wurden zwar nach der jeweiligen Beanspruchung kleinere SRT-Werte gemessen, die Mikrokennamplituden verringerten sich aber nicht. Ebenso führte die mechanische Prallbeanspruchung mit Stahlkern-Gummikugeln zwar zu einer Reduzierung des Oberflächenmörtelanteils, die polierende Wirkung der Reifen wurde dadurch aber ebenfalls nicht simuliert. Es zeigte sich, dass die Überrollungen in der Prüfanlage Wehner/Schulze diese polierende Wirkung haben, diese allerdings nicht mit einem vertretbaren Aufwand erreicht werden kann. Vielversprechend waren hier erste Versuche, die mit der manuell zu bedienenden Poliervorrichtung mit Polierstiften durchgeführt wurden. Um die unterschiedliche Kornzusammensetzung von Schmirgel auf einer Fahrbahn mit Schwerlastverkehr möglichst umfangreich zu simulieren, wurden Polierstifte mit unterschiedlicher Körnung verwendet. Bei allen Stiften diente als Schleifmittel Korund, das auf einem Schleifvlies haftete.
Die Untersuchungen ergaben, dass sowohl der SRT-Wert als auch die Mikrokennamplitude geringer wurden und die Bohrkernoberfläche augenscheinlich der polierten Fahrbahnoberfläche glich. Um eine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurde in Zusammenarbeit mit der Firma IWS Messtechnik ein Prototyp eines Poliergerätes (Bild 3) entwickelt, bei dem der Anpressdruck der Polierwalze über einen Kragarm mit zwei Federn konstant gehalten werden kann. Die Drehzahl der Polierwalze lag bei 2.600 U/min.
Bild 3: Poliervorrichtung (Prototyp)
Die mit dieser Poliervorrichtung durchgeführte Testreihe zeigte, dass das Oberflächenprofil offensichtlich stark im Bereich der Spitzen, aber nicht im Bereich des Kerns poliert wurde. Hinsichtlich der SRT-Werte wiesen die Einzelwerte eine hohe Reproduzierbarkeit auf, insgesamt kam es durch das Polieren zu einem deutlichen Abfall der SRT-Werte auf unter 50. Die Mikrokennamplituden A0,5 aber lagen in der Regel noch deutlich über 2,0 m. Auch zeigte der visuelle Vergleich keine eindeutige Übereinstimmung mit den Oberflächen, die sich auf der Fahrbahn zeigten. Die Oberflächen waren augenscheinlich ebenfalls nicht mit den Oberflächen zu vergleichen, die nach dem Polieren mit der manuell zu bedienenden Poliervorrichtung mit Polierstiften vorlagen. Um die mechanische Beanspruchung hinreichend genau zu umschreiben, muss zunächst die computergestützte Poliervorrichtung optimiert werden. Hierbei ist es wichtig, dass die Polierwalze das Profil möglichst gleichmäßig erfasst. Neben dem Bereich der Spitzen muss auch der Kernbereich poliert werden. Wie die Voruntersuchungen mit den Polierstiften zeigten, sind hier unterschiedliche Körnungen des Schmirgels von Vorteil. Günstig würde sich auch eine profilierte Walze auswirken, in der längere Borsten angebracht sind, die in den Kern- und Riefenbereich der Oberflächentextur vordringen. Diese Weiterentwicklung von Walze und Poliervorrichtung erfolgt derzeit in Zusammenarbeit mit der Firma IWS Messtechnik. Wenn das Polierverfahren optimiert ist und die Beanspruchung durch Verkehr genau und reproduzierbar simuliert wird, werden die Bohrkerne aus der A 4 bei Frechen im optimierten kombinierten Laborbeanspruchungszyklus weiter untersucht.
Die Untersuchungen im Rahmen dieses Vorhabens lassen die Folgerung zu, aus welchen Belastungsstationen der optimierte kombinierte Laborbeanspruchungszyklus nach dieser Optimierung der computergestützten Poliervorrichtung zusammengesetzt sein könnte. Das Bild 4 veranschaulicht diesen optimierten Ablauf.
Bild 4: Optimierter kombinierter Laborbeanspruchungszyklus (Ausblick)
FE 8.211 Akustische Optimierung von Betonoberflächen durch Texturierung des Festbetons mit verbesserten Grinding-Verfahren (Auszug aus [15])
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer lärmtechnisch optimalen Grindingtextur auf Grundlage existierender theoretischer Berechnungsmodelle. Das Grindingverfahren sollte gezielt weiterentwickelt werden, so dass geräuschmindernde, reproduzierbare Texturen entstehen, ohne jedoch die Dauerhaftigkeit und Griffigkeit negativ zu beeinflussen. Zusätzlich war die maschinentechnische Umsetzung der verbesserten Texturierung stets in den Optimierungsprozess einzubeziehen.
Des Weiteren sollten Texturkennwerte mit einem einfach handhabbaren Texturmessgerät ermittelt und eine Aussage im Hinblick auf die zu erwartenden Lärmminderungseigenschaften der Oberfläche getroffen werden. Zur Ermittlung einer optimierten Textur sollten sowohl an gemessenen Texturprofilen und auch an selbst entworfenen Mustertexturen, die mit dem Grindingverfahren auf die Oberfläche aufgebracht werden, Modellrechnungen durchgeführt werden. Dabei sollten Rillenbreite, Stegbreite und Rillentiefe systematisch variiert werden.
Auf Grundlage der Simulationsrechnungen war vorzusehen, mit einem speziell für Laborversuche entwickelten Grindinggerät Betone mit praxisüblicher Grindingtextur herzustellen, die gewisse Lärmminderungseigenschaften erwarten lassen.
An den im Labor hergestellten Probekörpern mit Grindingtextur sollten verschiedenartige Texturmessungen und Messungen zum texturinduzierten Strömungswiderstand durchgeführt werden. Anhand dieser Messungen war die zu erwartende Geräuschemission der Oberfläche mit dem Simulationsprogramm SPERoN® zu ermitteln.
Mittels eines vereinfachten, praktikabel auf der Baustelle einsetzbaren Texturmessverfahrens sollte festgestellt werden, ob eine Textur hinsichtlich der lärmmindernden Eigenschaften als gelungen gelten kann.
An Hand von künstlich erzeugten, idealisierten Texturen wurden Parametervariationen von Grindingtexturen vorgenommen. Durch die Variation verschiedener typischer Parameter von Grindingtexturen wurden die jeweiligen Auswirkungen auf die akustischen Eigenschaften untersucht. Auf Grundlage der Simulationsrechnungen wurden in Laborversuchen Mörtel- und Betonprobekörper unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt. Dabei handelt es sich um die Probekörper aus:
- Mörtel mit Gesteinskörnung 0/2,
- Beton A mit Gesteinskörnung 0/2 und 5/8,
- Beton B mit gerundeter Gesteinskörnung, Größtkorn 16 mm,
- Beton C mit gebrochener Gesteinskörnung, Größtkorn 16 mm.
Nach Ablauf von sieben Tagen wurden die Probekörper mit verschiedenen Grindingtexturen versehen (Bild 5).
Bild 5: Grindingtexturen der Mörtelprobekörper, Variation der Distanzscheibenbreite d
Zum Einsatz kam dafür ein speziell entwickeltes Laborgrindinggerät (Bild 6).
Zur Texturcharakterisierung wurden an den texturierten Oberflächen der ETD-Wert mit dem Messgerät ELAtextur bestimmt. Für die Beurteilung des Vorbeirollpegels mit dem Simulationsprogramm SPERoN® wurde der texturinduzierte Strömungswiderstand bestimmt sowie die Textur mit einem Laserprofilometer eingemessen.
Anschließend wurden den Mörtel- und Betonplatten Bohrkerne (d = 150 mm) entnommen. An den Bohrkernscheiben wurde mit dem SRT-Pendelgerät die Griffigkeit der texturierten Mörtelund Betonprobekörper gemessen. Des Weiteren wurde in Anlehnung an den CDF-Test der Frost-Tausalz-Widerstand eines texturierten Betons untersucht.
Bild 6: Laborgrindinggerät mit Sägekopf und Sägeblättern
Die Prognose der zu erwartenden Vorbeirollpegel für die unterschiedlichen künstlichen Grindingtexturen mit Hilfe von SPERoN®-Berechnungen ergab folgende Erkenntnisse bezüglich der Variationen der Texturparameter:
- Zunehmendes Verhältnis von Stegbreite zu Rillenbreite führt zur Abnahme des Vorbeirollpegels.
- Zunehmende Stegbreite führt zur Abnahme des Vorbeirollpegels.
- Mit zunehmender Rillenbreite wird ein zunehmender Vorbeirollpegel wegen zunehmendem air pumping festgestellt.
- Der Höhenunterschied durch das Wegbrechen der Stege konnte im Rahmen der Erzeugung künstlicher Texturen nicht in nachvollziehbarer, reproduzierbarer Weise simuliert werden. Ein Einfluss auf den zu erwartenden Vorbeirollpegel wird vermutet.
Die Texturcharakterisierung der im Labor hergestellten Mörtel- und Betonprobekörper führte zu folgenden Ergebnissen:
Bei geringen Distanzscheibenbreiten entstehen homogene Oberflächen mit geringer Texturtiefe. Der Mörtel bzw. Beton wurde zwischen den Segmenten kontinuierlich abgetragen, so dass nur sehr schmale und gleichmäßige Stege mit geringer Höhe entstehen, die ETD-Werte sind gering.
Bei zunehmender Distanzscheibenbreite wird der Mörtel bzw. Beton zwischen den Segmenten weniger abgetragen. Bei einer Distanzscheibenbreite von 3,0 mm (Mörtel) und 5,0 mm (Beton) verbleiben Stege mit einem sehr inhomogenen Bruchbild, die ETD-Werte erreichen ihre Maximalwerte. Die Höhe dieser Stege entspricht dabei nur vereinzelt der Schleiftiefe von 3,0 mm.
Ab einer Distanzscheibenbreite von 5,0 mm (Mörtel) und 10,0 mm (Beton) wird das Material zwischen den Segmenten nicht mehr abgetragen. Es entstehen Stege, deren Höhe der Schleiftiefe entspricht. Ein Brechen der Stege findet nicht mehr statt. Das Bild 7 zeigt beispielhaft Messergebnisse an Mörtelprobekörpern.
Bild 7: Messergebnisse an Mörtelprobekörpern, Distanzscheibenbreite 3,2 mm
Das bei geringen Distanzscheibenbreiten von 3,0 mm (Mörtel) und 5,0 mm (Beton) zunehmende Brechen der Stege führt dazu, dass eine sehr feinraue Oberfläche mit höheren SRT-Werten entsteht.
Bis zu einer Distanzscheibenbreite von 5,0 mm nimmt der Strömungswiderstand ab, da zunehmend eine ausgeprägte Textur entsteht, durch die die Luft besser entweichen kann. Bei darüber hinausgehenden Distanzscheibenbreiten nehmen die Strömungswiderstände zu, da weniger Rillen zum Entweichen der Luft vorhanden sind.
Die berechneten Vorbeirollpegel nehmen bei zunehmender Distanzscheibenbreite bis 5,0 mm zu, da zunehmend Stege mit ungleichmäßigem Bruchbild an der Oberfläche verbleiben. Als Folge wird der Reifen vermehrt zu Schwingungen angeregt (Vibrationsanteil) und der aerodynamische Anteil steigt aufgrund des verringerten Strömungswiderstands, was zu insgesamt höheren Pegeln Die Messungen der Betone A, B und C, die mit einer Segmentbreite von 2,8 mm und einer Distanzscheibenbreite von 2,0 mm texturiert wurden, führten zu folgenden Ergebnissen:
- Die Betone weisen ein sehr ähnliches Oberflächenbild auf, die ETD- und SRT-Werte der Betone sind vergleichbar, so dass kein Einfluss der Betonzusammensetzung hinsichtlich der Verwendung gerundeter Gesteinskörnung feststellbar ist.
Den höchsten Strömungswiderstand weist Beton C auf. Infolge dessen liegt hier der geringste Vorbeirollpegel vor.
Im Unterschied zu einem Distanzscheibenabstand von 2,0 mm zeigt sich bei den Betonen A, B und C, die mit einer Segmentbreite von 3,2 mm und einer Distanzscheibenbreite von 5,0 mm texturiert wurden, ein signifikanter Einfluss der Betonzusammensetzung auf die Messergebnisse.
- Aufgrund der geringeren Druckfestigkeit der Betone A und C brechen hier vermehrt Stege.
- Das unregelmäßige Brechen führt zu sehr rauen Oberflächen und damit zu höheren ETDund SRT-Werten, abnehmenden Strömungswiderständen und deutlich höheren Vorbeirollpegeln.
Die Untersuchung von Zusammenhängen zwischen lokaler Texturprüfung mit dem Messgerät ELAtextur (ETD-Wert) und den Messungen des Strömungswiderstandes bzw. dem berechneten Vorbeirollpegel lieferten gute Korrelationen mit Bestimmtheitsmaßen von über 0,97.
Die Untersuchungen ergaben, dass sich die hergestellten Grindingtexturen in drei Kategorien unterteilen lassen:
1. Bei sehr geringen Distanzscheibenbreiten von 1,0 mm bis 2,0 mm wurde der Beton unabhängig von der gewählten Segmentbreite gleichmäßig abgeschliffen. Der Beton zwischen den Segmenten ist vom Schleifvorgang unmittelbar betroffen, so dass als Folge Stege mit geringer Höhe und einer sehr homogenen Geometrie entstehen. Aufgrund der hohen Strömungswiderstände und der Homogenität dieser Texturen wiesen sie die besten Lärmminderungseigenschaften auf. Hinsichtlich der Praxisanwendung ist jedoch fraglich, ob Oberflächen mit dieser Texturierung ausreichende Griffigkeiten aufweisen, da die Texturtiefen (ETD-Werte) weniger als 0,6 mm betrugen.
2. Bei Distanzscheibenbreiten zwischen 3,0 mm und 5,0 mm wurde weniger Beton zwischen den Segmenten abgetragen. Als Folge verblieben an der Oberfläche Stege, die teilweise brachen und so zu einem inhomogenen Texturbild führten. Aufgrund der Stegbildung nahm die Texturtiefe dieser Oberflächen zu, die Lärmminderungseigenschaften nehmen jedoch infolge des höheren Vibrationsanteils ab.
3. Bei einer Distanzscheibenbreite von mehr als 5,0 mm wurde der Beton zwischen den Segmenten nicht mehr abgeschliffen. Es entstanden Stege, deren Höhe der Schleiftiefe entsprach. Ein Brechen der Stege fand nicht mehr statt.
Die gewählten Texturgeometrien zeigten einen signifikanten Einfluss auf die berechneten Vorbeirollpegel. Diese lagen für die hier berechneten Fälle zwischen 76,4 dB(A) und 83,8 dB(A). Bei sehr geringen Distanzscheibenbreiten kommt es zu einem nahezu vollflächigen Betonabtrag. Bei diesen Texturen wurde kein Einfluss der Betonzusammensetzung auf die Textureigenschaften festgestellt. Bei zunehmenden Distanzscheibenbreiten beeinflusst die Betonzusammensetzung die Steggeometrie. Bei einer um ca. 12 N/mm² höheren Betondruckfestigkeit wurde hier bei einer Distanzscheibenbreite von 5,0 mm eine homogenere Steggeometrie als bei geringerer Betondruckfestigkeit festgestellt. Ein vermehrtes Brechen der Stege führte zu deutlich höheren Vorbeirollpegeln, da der Vibrationsanteil zunimmt. Für die hier untersuchten Probeplatten stieg der Vorbeirollpegel eines Betons, dessen Stege nicht gebrochen waren im Vergleich zu einem Beton, dessen Stege zu einem großen Anteil gebrochen waren, um ca. 5 dB(A) an.
Aus dem Forschungsvorhaben leitet sich folgender weiterer Forschungsbedarf ab:
Aufbauend auf den hier durchgeführten Simulationsrechnungen sind Texturgeometrien mit optimalen lärmmindernden Eigenschaften festzulegen. Im Labor sind Betone zu entwickeln, denen zielsicher die gewünschte Grindingtextur eingeschliffen werden kann. Gleichzeitig ist die Texturdauerhaftigkeit hinsichtlich mechanischer Einwirkung (Verschleiß) und Frost-TausalzAngriff zu optimieren, um eine dauerhaft hohe Lärmminderung sicherzustellen. Zur Realisierung optimierter Grindingtexturen in der Praxis sind Geräte zur Textur- und Ebenheitsmessung und ein Maschinensteuerungssystem zu entwickeln. Zusätzlich sind Mess- und Steuerungssysteme zur Vermeidung von Überlappungsbereichen während des Grindens zu entwickeln. Weitere Untersuchungen sollten die Gebrauchstauglichkeit des Messgerätes ELAtextur hinsichtlich der Abschätzung lärmtechnischer Parameter der erzeugten Grindingtextur prüfen. Abschließend sollten die Erkenntnisse in einer Erprobungsstrecke zur Anwendung kommen. Dabei sollten unterschiedliche Betonzusammensetzungen sowie verschiedene Texturgeometrien verwendet werden.
FE 8.213 Selbstverdichtender Beton für den Einsatz im Betonstraßenbau (Auszug aus [16])
Bislang werden Betonfahrbahndecken mit Gleitschalungsfertigern hergestellt. Hierbei können jedoch ausschließlich steife bis sehr steife Betone verwendet werden, da nur diese bereits wenige Meter hinter der Einbaustelle eine ausreichende Formstabilität bzw. Grünstandfestigkeit aufweisen. Aufgrund ihrer Konsistenz müssen solche Betone jedoch intensiv mit Innenrüttlern verdichtet werden.
Durch den Einsatz von selbstverdichtendem Beton (SVB) könnte auf eine Verdichtung verzichtet werden. Konventioneller SVB ist aufgrund seiner hohen Fließfähigkeit allerdings nicht für die Verarbeitung mit einem Gleitschalungsfertiger geeignet, da er innerhalb kürzester Zeit, mehr oder weniger konträre Eigenschaften aufweisen müsste. Auf der einen Seite muss der SVB beim Einbau eine ausreichend hohe Fließfähigkeit aufweisen (Bild 8 links) und sich selbst verdichten bzw. entlüften. Auf der anderen Seite muss derselbe Beton nach Verlassen des Gleitschalungsfertigers das heißt nach ca. zwei bis fünf Minuten eine ausreichende Grünstandfestigkeit bzw. Formstabilität besitzen (Bild 8 rechts).
Bild 8: Konträre Anforderungen an SVB für Gleitschalungsfertiger: beim Einbau fließfähig (links) sowie nach kurzer Zeit hoch formstabil (rechts)
In einem ersten orientierenden Forschungsprojekt wurden bereits rheologische Untersuchungen an Bindemittelleimen sowie an Frischbetonen, die mit thixotrop eingestellten Bindemittelleimen hergestellt wurden, durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Einbau von SVB für Betonfahrbahndecken mit Gleitschalungsfertigern möglich ist. Als maßgebliche Einflussgrößen stellten sich u. a. die Zementart, der Wassergehalt und die Art bzw. die Menge der (thixotropierenden) Zusatzmittel heraus. In weiteren Untersuchungen konnte eine Betonzusammensetzung entworfen werden, die den gewählten Anforderungen weitestgehend genügte.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollte in dem nachfolgend dargestellten Forschungsvorhaben einerseits der eben beschriebene Ansatz weiter verfolgt werden. Andererseits soll die nachträgliche Zugabe von Additiven in einem separaten Mischprozess untersucht werden.
Als Additive sollten dabei verschiedene Superabsorber (Superabsorbent Polymers, SAP) sowie Fließmittel auf Naphthalinsulfonat-Basis (aufgrund ihrer Wechselwirkung mit PCE-Fließmitteln) verwendet werden.
Auf Grundlage der Erkenntnisse aus dem Vorgängerprojekt wurden folgende Variationen für die Untersuchung thixotrop eingestellter Betone festgelegt:
- Einsatz weiterer Zemente
- Einsatz weiterer PCE-Fließmittel
- Verwendung einer feineren Sieblinie (B8)
- Erhöhung des Verhältnisses Leim/Gesteinskörnung
Den Untersuchungen der thixotrop eingestellten Betone (Variante A) wurde eine Rezeptur zu Grunde gelegt, die sich in früheren Untersuchungen bewährt hatte. Entsprechend den Anforderungen an einen SVB für den Einsatz im Gleitschalungsfertiger wies diese Rezeptur sowohl eine ausreichende Fließfähigkeit (Setzfließmaß von 500 mm) als auch Formstabilität (Formstabilitätskoeffizient 0,90 K 1,00) auf. Hinsichtlich der Formstabilität gilt: je näher der Wert bei 1,0 liegt, desto genauer wird die Form der Schalung beibehalten.
Der Beton für die Untersuchungen nach Variante B (nachträgliche Zugabe von Additiven) orientierte sich an der v. g. Mischung der Variante A, enthielt jedoch keine thixotropierenden Zusatzmittel. Darüber hinaus wurde die Mischung so angepasst, dass sie eine deutlich geringere Ausgangsviskosität aufwies und dadurch einem herkömmlichen SVB mit einem Größtkorn von 5 mm entsprach. Den Betonen wurden nach der eigentlichen Betonherstellung in einem separaten Mischprozess die Additive SAP oder Naphthalinsulfonat zugegeben und eingemischt. Für SAP wurden Zugabemengen von 0,10 0,30 M.-% v. Z. untersucht, während für die Fließmittel auf Naphthalinsulfonat-Basis Mengen zwischen 0,25 und 1,50 M.-% v. Z. zugegeben wurden. Dabei wurden folgende Variationen untersucht:
- Variation des Additivproduktes (SAP oder Naphthalinsulfonat)
- Variation des Additivgehaltes Variation der Einmischzeit und Mischenergie
- Variation des w/z-Wertes (Steuerung über den Wassergehalt)
- Variation des PCE-Produktes und PCE-Gehaltes Variation der Bindemittelzusammensetzung (bei Verwendung von SAP)
- Variation des Einmischzeitpunktes
Im Wesentlichen wurden dabei Setzfließmaße und Formstabilitätskoeffizienten am Haegermann-Trichter untersucht. Der Zielbereich war hier ein Setzfließmaß 30 Sekunden nach Additivzugabe von SHT0,5 200 mm und ein Formstabilitätskoeffizient fünf Minuten nach Additivzugabe von 0,90 KHT,5 1,00. Aufbauend auf diesen Versuchen wurden allerdings auch Setzfließmaße nach DIN EN 206-9 und Formstabilitätskoeffizienten am Würfel untersucht.
Orientierend wurde auch die Verarbeitung des Betons mit einem GK von 5 mm mit einem Mini-Paver untersucht. Dabei stellte sich jedoch heraus, dass das Einbringen und die Durchmischung des Frischbetons mit Naphthalinsulfonat Schwierigkeiten bei der Plattenherstellung bereiteten. Es konnten jeweils nur kleine Betonmengen hergestellt werden, damit eine zeitnahe Verarbeitung des Frischbetons sichergestellt werden konnte. Ansonsten steifte der Beton unplanmäßig an und war kaum oder nicht mehr zu verarbeiten.
Die definierte Additiveinbringung im Gleitschalungsfertiger sollte somit bei der weiteren Forschung hinsichtlich der Maschinentechnik in den Vordergrund rücken, um die Herstellung von homogenen Betonplatten über die gesamte Plattenlänge sicherzustellen.
Insgesamt konnte aber gezeigt werden, dass auch durch die nachträgliche Zugabe von Additiven die Fließeigenschaften des Frischbetons beeinflusst werden können. Durch die Zugabe von Naphthalinsulfonat konnten darüber hinaus zwei Betone entwickelt werden, deren Frischbetoneigenschaften nah an den angestrebten Frischbetoneigenschaften lagen und mit denen der thixotrop eingestellten Betone vergleichbar waren.
Nichtsdestotrotz erfordert die Verarbeitung mit einem Gleitschalungsfertiger sowohl der thixotrop eingestellten Betone als auch der Betone mit nachträglicher Additivzugabe in der Praxis eine grundlegende Modifikation des Gleitschalungsfertigers. Des Weiteren ist eine weitergehende Untersuchung der Festbetoneigenschaften der Betone unumgänglich, um festzustellen, ob die Anforderungen an den Festbeton nach TL-Beton StB 07 [7] insgesamt sicher erreicht werden können. Eigene Versuchsergebnisse zeigen, dass dies weitgehend möglich scheint.
5.2 Vorschau auf laufende und geplante Forschungsprojekte
Der Ausblick auf die zukünftige Forschung stellt sich sowohl hinsichtlich der Höhe der Mittel als auch in Bezug auf die Kontinuität der Vergaben sehr positiv dar.
Aktuell sind in der AG 8 zu nachfolgenden Themen Forschungsprojekte geplant, in der Vergabe bzw. bereits laufend:
- Sicherstellung der Verfügbarkeit von Gesteinskörnungen für den Einsatz in Fahrbahndecken aus Beton
- Bestimmung von Kenndaten zur sicheren Charakterisierung von Fugenvergussmassen
- Schadensklassenspezifische
- Bewertung von AKR-Prüfverfahren Bewertung von Asphaltzwischenschichten unter Betondecken
- Neuartige Baustoffe und Bauweisen für schwerste zukünftige Belastungen aus Klima und Verkehr
- Optimierung der Fugenteilung bei Verkehrsflächen mit besonderer Geometrie
- Erstarrungsverzögerer für die Waschbetonbauweise
- Beurteilung von Betonfahrbahndecken hinsichtlich deren in-situ AKR-Potenzial bei Gesteinskörnungen nach ARS-Nr. 4/2013
- Einsatz von Fertigteilen für die dauerhafte Instandsetzung sowie die Schaffung von Entspannungsbereichen an Betonfahrbahndecken
- Informationssystem Ermittlung und Prognose von Spannungszuständen in Betonfahrbahndecken
- Scannendes Prüfgerät zur Detektion von Delaminationen in Betonfahrbahndecken
- Bestimmung der Vergleichs- und Wiederholstreubereiche von stationären Texturmesssystemen
- Hinweise für die künftige Fortschreibung der Regelwerke für Neubau und Erhaltung von Betonfahrbahndecken
- Fugenoptimierung in Betonverkehrsflächen im Hinblick auf Sicherheit und Dauerhaftigkeit
- Einfluss des Luftporengehalts auf die Spaltzugfestigkeit von Betonfahrbahndecken
- Optimierung von Fugenkonstruktionen hinsichtlich der Erhöhung der Nutzungsdauer und Minimierung des Erhaltungsaufwandes
- Prognose der Griffigkeitsentwicklung von Waschbetonfahrbahndecken mit der Prüfanlage nach Wehner/Schulze
- Reduzierung der Schwindverformungen des Straßenbetons durch den Einsatz neuartiger Schwindreduzierer
- Einfluss der Fugenöffnungsweite auf die akustischen Eigenschaften von Fahrbahndecken aus Beton
- Bewertung der Innenhydrophobierung von Betonfahrbahndecken als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
- Instandsetzung von Betonfahrbahndecken mit dünnschichtigem Neubeton
- Grindingtexturierte Waschbetondecken zur dauerhaften Wiederherstellung der Oberflächeneigenschaften
- Dauerhafte Betondecken Optimierung der Fahrbahnoberfläche durch Texturierung mittels Grinding-Verfahren
- Dauerhafte Betonfahrbahndecken unter Berücksichtigung aktueller ökologischer und wirtschaftlicher Aspekte
- Akustische Optimierung von Fahrbahndecken aus Beton durch Oberflächentexturierung des Frischbetons
- Analyse der Auswirkungen von Witterungsextremen an bestehenden Straßenbefestigungen in Betonbauweise
- Bau und Messungen an einer Versuchsstrecke mit optimierter Kiestragschicht unter der Betondecke
- Futurum Baustoff Straßenbeton
- AKR-Voruntersuchungen an Bohrkernen von Fahrbahndecken aus Beton
- Dünne Betondecke auf Asphaltstraßen (White Topping)
- Optimierung der Kompositbauweise (Durchgehend Bewehrte Betonfahrbahndecke mit dünner flexibler Deckschicht)
6 Fazit und Ausblick
Die Betonbauweise ist eine dauerhafte, seit vielen Jahrzehnten bewährte Bauweise für hochbelastete Verkehrsflächen. Die teilweise bis zu 40 Jahre alten und sich noch immer im hochbelastete Autobahnnetz in Betrieb befindlichen Betondecken belegen dies eindrucksvoll. Das hohe Alter dieser Decken und der während ihrer Liegedauer gerne in Kauf genommene geringe Unterhaltungsaufwand geraten bei den aktuellen Diskussionen, z. B. zu Hitzeschäden, leider zu oft in Vergessenheit.
Unabhängig davon zeigt der Überblick über die abgeschlossenen und bereits laufenden sowie die noch geplanten Forschungsprojekte, dass trotz der bekannt guten Gebrauchseigenschaften einer Betondecke die Entwicklung der Betonbauweise nicht stehen bleibt und insbesondere die Forschung auf dem Gebiet neuer Bauweisen und Oberflächentexturen voran getrieben wird.
Mit den aktuellen Forschungsprojekten wird darüber hinaus auf Probleme, die sich in der Praxis gezeigt haben, reagiert. Wichtig ist hierbei, dass die Vergabe, aber auch die Forschung selbst bei gleichbleibender Forschungsqualität beschleunigt wird.
Grundsätzlich muss bei der Forschung und späteren Einbindung der Ergebnisse in die Technischen Regelwerke ein hoher Praxisbezug sichergestellt sein.
Das grundsätzliche Ziel bei der Überarbeitung von Regelwerken ist die Korrektur von eventuell Fehlern bzw. die Behebung von in der Praxis aufgetretenen technischen und/oder vertraglichen Problemen. Weiterhin sollen neue, die Bauweise verbessernde, Erkenntnisse einfließen.
In letzter Zeit ist leider festzustellen, dass insbesondere bei der Erstellung und Überarbeitung von Technischen Regelwerken dieser Praxisbezug häufig in den Hintergrund gerät. Hierbei besteht dann oft der Irrglaube, zusätzliche schärfere Anforderungen und hochwissenschaftliche Prüfmethoden könnten die grundsätzliche Qualität einer Bauweise verbessern. Hierbei werden dann bewährte Verfahren sowie jahrzehntelange Erfahrungen komplett in Frage gestellt.
Wesentlich für eine hohe Qualität und eine gute und partnerschaftliche Vertragsabwicklung ist jedoch vor allem auch, dass die handelnden Personen auf der Baustelle (Bauüberwacher, Bauleiter, Poliere usw.) und dies betrifft Auftraggeber und Auftragnehmer gleichermaßen ein Regelwerk überhaupt noch verstehen und sinnvoll anwenden können.
Sie müssen noch in der Lage sein, die darin beschriebenen Prüfungen und Prüfergebnisse auch ohne die Hinzuziehung von externen Sachverständigen selbst zu bewerten.
Wir alle, die an der Erstellung von Regelwerken mitarbeiten, sollten uns daher immer vor Augen führen, dass die Personen auf den Baustellen die Hintergrundinformationen aus den Bearbeitergremien nicht kennen, aber tagtäglich mit dem Regelwerk arbeiten müssen.
Wichtiges Ziel muss daher neben der Weiterentwicklung der Bauweise auch eine Vereinfachung unserer Regelwerke sein, denn komplizierte Regelungen und Verfahren führen im schlimmsten Fall dazu, dass eine Bauweise dann erst gar nicht mehr ausgeschrieben und gebaut wird.
Der vorstehende Überblick konnte nur einen Teil der Arbeit der AG 8 sowie der Forschung auf dem Gebiet der Betonbauweise beleuchten. Eines soll an dieser Stelle daher noch einmal besonders erwähnt werden.
Die stetige Mitarbeit in den entsprechenden Arbeitsausschüssen und Arbeitskreisen, die Betreuung von Forschungsprojekten, die Vortragstätigkeit auf einschlägigen Veranstaltungen der FGSV und darüber hinaus, die Veröffentlichung von Fachbeiträgen in Zeitschriften usw. alles das sind ehrenamtliche Tätigkeiten, die nicht zuletzt auch zu Lasten von Freizeit und Familie geleistet werden.
An dieser Stelle sei daher allen Fachkolleginnen und Fachkollegen für Ihre Arbeit innerhalb der FGSV und speziell in der Arbeitsgruppe 8 ganz herzlich gedankt.
Die Mitarbeit in der FGSV sollte jedoch keinesfalls nur als zusätzliche Belastung verstanden werden, sondern sie ist sowohl für die mitarbeitende Person selbst und deren tägliche Arbeit, als auch insbesondere für deren Arbeitgeber, egal ob aus Verwaltung, Forschung oder Industrie ein Gewinn.
Letztlich profitieren alle Seiten vom Austausch der Erfahrungen unter den Fachleuten, von der Weitergabe von Fachwissen und der Diskussion von Problemen, von der Forschung mit dem Ziel der späteren baupraktischen Umsetzung und nicht zuletzt von der gemeinsamen Erarbeitung des Technischen Regelwerkes.
Daher soll an dieser Stelle auch noch einmal die Bitte an alle interessierten und noch nicht in der FGSV aktiv mitarbeitenden Fachkolleginnen und Fachkollegen gerichtet werden, sich künftig in der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen zu engagieren.
Literaturverzeichnis
1 Homepage der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV), http://fgsv.de/ gremien.html
2 Erläuterungen zum Umgang mit positiv bewerteten Gesteinskörnungen, die auf den Listen der ,,Geprüften, AKR-unbedenklichen Vorkommen von groben Gesteinskörnungen für den Einsatz in Fahrbahndecken aus Beton" gemäß Allgemeinem Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 4/2013 (Verfahren V3) geführt werden.
3 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2013): Merkblatt für Planung, Konstruktion und Bau von Verkehrsflächen aus Beton, Teil 1: Kreisverkehre, Busverkehrsflächen, und Rastanlagen (M VaB Teil 1), Ausgabe 2013, Köln, FGSV 821/1
4 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2015): Merkblatt für Planung, Konstruktion und Bau von Verkehrsflächen aus Beton, Teil 2: Stadt- und Landstraßen sowie plangleiche Knotenpunkte mit Hinweisen zur Baulichen Erhaltung (M VaB Teil 2) Ausgabe 2015, Köln, FGSV 821/2
5 Verlag der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV Verlag): http://www. fgsv-verlag.de/
6 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2007): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB 07), Ausgabe 2007, mit Änderungen März 2013, Köln, FGSV 899
7 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2007): Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TL Beton-StB 07), Ausgabe 2007, mit Änderungen März 2016, Köln, FGSV 891
8 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2010): Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TP Beton-StB 10), Ausgabe 2010, Köln, FGSV 892
9 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen im Straßenbau, (TP Gestein-StB), Köln, FGSV 610
10 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2015): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächenbefestigungen Betonbauweisen (ZTV BEB-StB 15), Ausgabe 2015, Köln, FGSV 898
11 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2015): Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächenbefestigungen Betonbauweisen (TL BEB-StB 15), Ausgabe 2015, Köln, FGSV 895
12 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2009): Merkblatt für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen aus Beton (M BEB 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 823
13 Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (2013): Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 4/2013
14 Technische Universität München, Centrum Baustoffe und Materialprüfung (2015) Kurzbericht zu FE 8.209/2010/CGB
15 Villaret Ingenieurgesellschaft mbH (2013) Kurzbericht zu FE 8.211/2011/OGB
16 Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Baustofftechnik (2014) Kurzbericht zu FE 8.213/2011/KGB |
