Vor über zehn Jahren wurde das Prüfamt für Verkehrswegebau der Technischen Universität München durch den Industrieverband Steine und Erden Baden-Württemberg ISTE e.V. mit der Durchführung von vergleichenden Standfestigkeitsuntersuchungen an unterschiedlich zusammengesetzten Schotter- und Kiestragschichten im Prüfstand beauftragt. Bei den Untersuchungen wurden neben Baustoffgemischen für die Herstellung von Kies- und Schottertragschichten gemäß den damals gültigen ZTV T-StB 95/Fassung 2002 auch verschiedene modifizierte Kiestragschichten – mit variierenden Anteilen gebrochenen Gesteinskörnungen –  berücksichtigt.

Im Prüfstand wurden die jeweils 20 cm dicken Prüfschichten in zwei Lagen auf eine ebenfalls 20 cm dicke Frostschutzschicht mit einem Verformungsmodul von mindestens 120 MPa eingebaut und verdichtet. Die Standfestigkeitsuntersuchungen sahen für jede Prüfschicht den im Bild 3 dargestellten Algorithmus vor. Bei den ersten vergleichenden Standfestigkeitsuntersuchungen im Prüfstand wurde auf die Überbauung der eingebauten und verdichteten Prüfschicht mit einer Betondecke verzichtet.

Auf sämtlichen Prüfschichten wurde nach dem Einbau der Mindestverformungsmodul von Ev2 = 150 MPa erreicht. Im Rahmen der Dauerschwellversuche, welche die Auswirkung eines sehr starken Baustellenverkehrs simulieren sollte, konnte bei allen untersuchten Prüfschichten durch die entstehende Nachverdichtung ein Anstieg des statischen Verformungsmoduls Ev2 nach 6.000 Lastwechsel um 22 bis 53 % festgestellt werden. Hierbei wurde ein Maximalwert von Ev2,max = 317 MPa auf einer modifizierten Kiestragschicht (Baustoffgemisch aus 75 % ungebrochenen und 25 % gebrochenen Gesteinskörnungen) und ein Minimalwert von Ev2,min = 211 MPa auf der originären Kiestragschicht (Baustoffgemisch aus 100 % ungebrochenen Gesteinskörnungen) erreicht. Nach weiteren 4.000 Lastwechseln kann eine Abnahme des statischen Verformungsmoduls um 7 bis 12 %, offensichtlich verursacht durch eine Umlagerung der Gesteinskörnungen und Auflockerung der Tragschichten (Leykauf, Birmann 2004, S. 14), beobachtet werden. Die dabei festgestellten Minimal- und Maximalwerte bei den eben bezeichneten Baustoffgemischen lagen bei Ev2,max = 291 MPa und Ev2, min = 197 MPa. In Summe stieg bei allen untersuchten Prüfschichten der Verformungsmodul Ev2 nach 10.000 Lastwechseln im Vergleich zum Verformungsmodul nach dem Einbau um 10 bis 37 % an.

Das Prüfamt für Verkehrswegebau der Technischen Universität München wurde vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS 2005) mit der Bearbeitung des zweijährigen Forschungsprojektes FE 08.0184/2005/CGB „Dicke Betondecken auf Schichten ohne Bindemittel (SoB/STSuB)“ beauftragt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollten fünf verschiedene Baustoffgemische (s. Bild 4) für die Herstellung von Tragschichten ohne Bindemittel unter einer dicken Betonfahrbahndecke bezüglich der Attribute Wasserdurchlässigkeit, Umlagerungsbeständigkeit und Erosionsbeständigkeit im Großprüfstand – 1:1-Modell –  vergleichend gegenübergestellt werden. Neben zwei Baustoffgemischen unterschiedlicher Kornzusammensetzung aus überwiegend gebrochenen Gesteinskörnungen (STSuB) und einer aus ungebrochenen Gesteinskörnungen (KTS) wurden auch zwei modifizierte Baustoffgemische (KTSuB) verwendet. Die Sieblinien der Baustoffgemische zur Herstellung der modifizierten Kiestragschichten wurden aufbauend auf den positiven Erkenntnissen der ersten Versuchsreihe der Jahre 2003 und 2004 festgelegt. Unterschieden wurden die Baustoffgemische (KTSuB) hinsichtlich der Korngruppen, die durch gebrochene Gesteinskörnungen ersetzt wurden. Während bei dem ersten Baustoffgemisch die Korngruppen mit einer Siebgröße < 8 mm substituiert wurden, wurden beim zweiten Baustoffgemisch die Korngruppen ab Siebgröße 8 mm durch gebrochene Gesteinskörnungen ersetzt.

Bei den Großprüfstandsversuchen in diesem Forschungsvorhaben wurden jeweils 30 cm dicke Prüfschichten auf eine Vliesschicht und eine alte, mit Strukturrissen durchsetzte, ge-bundene Tragschicht – die einer Bodenverfestigung entspricht – aufgebaut (Leykauf, Birmann 2007, S. 7). Analog zu den ersten Versuchsreihen wurde auf den Oberflächen der Prüfschichten jeweils der Algorithmus aus Bild 3 durchlaufen. Anschließend wurden die bereits beanspruchten Prüfflächen mit jeweils zwei unbewehrten Betonfahrbahndecken überbaut und im unverdübelten Fugenbereich unter Wasserzugabe mit zwei Prüfzylindern pulsierend belastet. 

Tabelle siehe PDF 

Bild 4: Variation der ermittelten statischen Verformungsmoduln auf den Oberflächen der Prüfschichten vor, während und nach den Untersuchungen 

Insgesamt konnten die Erkenntnisse aus den ersten Versuchsreihen anhand der Ergebnisse der Großprüfstandsversuche im Maßstab 1:1 verifiziert werden. Es zeigte sich vor allem, dass die statischen Verformungsmoduln auf den Oberflächen der modifizierten Kiestragschichten (KTSuB) während der jeweiligen Versuchsreihe (s. Bild 4), am wenigsten variierten und somit die größte Konstanz aufwiesen. Die gemessenen bleibenden Einsenkungen nach dem Dauerschwellversuch zeigen bei der ersten Variante KmuB (1) bessere und mit der STSuB vergleichbare Verformungsbeständigkeit. Die Wasserdurchlässigkeiten k10 wurden nach DIN 18130-1 (Verfahren ZY-MS-MZ-3) auf jeder Prüfschicht an drei unterschiedlichen Stellen vor und nach dem Dauerschwingversuch mit einem Doppelring-Infiltrometer bestimmt. Hierbei konnten alle untersuchten Prüfschichten in situ als „stark durchlässig“ bewertet werden. Eine tendenzielle Veränderung der Wasserdurchlässigkeit vor und nach den Dauerschwingversuchen konnte bei keiner Prüfschicht festgestellt werden (Leykauf, Birmann 2007, S. 33). Die Erosionsbeständigkeiten der Prüfschichtenoberflächen im Fugenbereich wurden im Anschluss an die Dauerschwingversuche mit Wasserzugabe nach Abheben der Betonplatten visuell beurteilt. Hier zeigten sich bei der originären Kiestragschicht nach TL SoB-StB die größten Kornumlagerungen. Die Erosionsbeständigkeiten der modifizierten Kiestragschichten waren mit denen der Schottertragschichten vergleichbar. Durch Feststellung der Kornverteilungen wurden anschließend die visuellen Erkenntnisse bestätigt. Eine eindeutige Feinkornumlagerung an der Unterseite der Prüfschichten (Umlagerungsbeständigkeit) konnte aus den entsprechenden Kornverteilungen (Probenentnahme an der Ober- und Unterseite der Prüfschichten) nach Abschluss der Dauerschwingversuche nicht festgestellt werden (Leykauf, Birmann 2007, S. 33).

Den untersuchten modifizierten Kiestragschichten konnte abschließend eine annähernde Äquivalenz zu Schottertragschichten hinsichtlich Standfestigkeit, Wasserdurchlässigkeit sowie Umlagerungs- und Erosionsbeständigkeit auf Grundlage der Erkenntnisse aus den Prüfstands- und Großprüfstandsversuchen bescheinigt werden. Das modifizierte Baustoffgemisch 0/32, bei dem die Korngruppe 0/8 mm durch gebrochene Gesteinskörnungen ersetzt wurde (KTSuB 1), wies in Summe bessere Eigenschaften auf als das inverse modifizierte Baustoffgemisch (KTSuB 2). Die damalige Empfehlung war die Verifikation der Erkenntnisse aus den Großprüfstandsversuchen an einer Versuchsstrecke unter realen Witterungs- und Baustellenbedingungen.

4 Konzeptionierung einer Versuchsstrecke

4.1 Technisches Basisdatenblatt KmuB 0/32

Basierend auf den positiven Erkenntnissen der Forschungsarbeiten von 2003 und 2007 wurden zu Beginn der gegenwärtigen Forschungstätigkeit im Jahre 2011 die Anforderungen an das Baustoffgemisch 0/32 zur Herstellung einer modifizierten Kiestragschicht sowie an die eingebaute und verdichtete Tragschicht ohne Bindemittel selbst in einem ersten technischen Basisdatenblatt aufgeführt. 

5.1 Allgemeines

Als Versuchsstrecke wurde eine 143 m lange und 6,5 m breite Fahrgasse der Tank- und Rastanlage Köschinger Forst West bei Ingolstadt an der Bundesautobahn A 9 Berlin – München, Fahrtrichtung München ausgewählt, über die ca. 120 Lkw-Stellplätze erschlossen werden. Bedingt durch die hohen Verkehrsmengen auf der Bundesautobahn A 9 im Bereich Ingolstadt ist von einer hohen Frequentierung der Tank- und Rastanlage auszugehen. Die an die Versuchsfläche angrenzenden Lkw-Abstellflächen wurden ebenfalls in Betonbauweise ausgeführt. 

5.2 Konstruktive Umsetzung der Versuchsstrecke

Gemäß Tabelle 4 der RStO 01 (FGSV 2001) sind Verkehrsflächen in Neben- und Rastanlagen – bei vorherrschendem Schwerverkehr – in Bauklasse III oder gegebenenfalls höher auszuführen. Aufgrund der zu erwartenden Schwerverkehrsbelastungen wurde die Versuchsstrecke in Bauklasse II ausgeführt. In Anlehnung an die Bauweise Betondecke auf Schottertragschicht – Tafel 2 der RStO 01 (FGSV 2001) – und unter Zugrundelegung einer Mindestdicke des frostsicheren Oberbaus von 75 cm wurde der folgende Regelaufbau gewählt.

Die erste und die letzte Einzelplatte des Betondeckensystems wurde verstärkt mit einer Dicke von 40 cm ausgeführt, entsprechend den Vorgaben der ZTV Beton-StB (FGSV 2007c, S. 32) für die Bauweise Betondecke auf Schottertragschicht STSuB. In diesem Bereich wurde auf die Frostschutzschicht verzichtet. Die modifizierte Kiestragschicht wurde direkt auf das Planum aufgelegt. Die jeweils anschließenden Einzelplatten wurden als Übergangsplatten – Übergang von 40 auf 27 cm Plattendicke – ausgeführt. 

Bild 11: Regelaufbau der Versuchsstrecke 

Die 22 Einzelplatten – jeweils 6,5 m Plattenlänge und 6,5 m Plattenbreite – des Betondeckensystems wurden unbewehrt ausgeführt und an den Querscheinfugen verdübelt (Dübelabstand 25 cm). Zu den Lkw-Abstellflächen und zur angrenzenden Betongehbahn hin wurde eine Raumfuge angeordnet.

Um die Erosions- und Umlagerungsbeständigkeit der modifizierten Kiestragschicht 0/32 mm beurteilen zu können, werden am Ende der Forschungstätigkeit zwei Platten des Betondeckensystems entfernt. Die Querscheinfuge zwischen den beiden Platten wurde unverdübelt und ohne Fugenfüllsystem/Fugenprofil ausgebildet, um eine erhöhte Relativbewegung der freien Plattenränder unter gleichzeitig begünstigtem Wasserzufluss („Pumpeffekt“) erzeugen zu können. 

5.3 Ungebundene Prüfschichten unterhalb der modifizierten Kiestragschicht

Vor dem eigentlichen Einbau der modifizierten Kiestragschicht 0/32 mm wurden die Tragfähigkeiten der darunter befindlichen ungebundenen Prüfschichten – Planum und Frostschutzschicht – durch statische Lastplattendruckversuche nach DIN 18134 und dynamische Lastplattendruckversuche mit einem mittelschweren Fallgewichtsgerät (m = 15 kg) in einem vorab definierten Prüfraster bestimmt. Das gleichmäßige Raster gewährleistete, dass die Messpunkte auf den ungebundenen Prüfschichten jeweils übereinander liegen und somit differenzierte Aussagen zum Trag- und Verformungsverhalten der Einzelschichten möglich sind. Entlang der Fahrgassenachse wurde ein Längsprofil mit 45 Prüfpunkten generiert. Bestimmt wurden die Messwerte sowohl im Bereich der späteren Plattenmitte, als auch im späteren Fugenbereich. Im Bereich der nach zweijähriger Liegedauer wieder auszubauenden Platten wurden zudem 5 Querprofile mit jeweils 4 Prüfpunkten festgelegt. Insgesamt wurden pro ungebundener Prüfschicht 15 statische Lastplattendruckversuche durchgeführt.

6 Weiteres Vorgehen

Im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 08.0207/2010/KGB sind die folgenden Untersuchungen an der Versuchsstrecke vorgesehen:

a.) Wiederholung der Einsenkungsmessungen auf der Betonfahrbahndecke

b.) Abheben zweier Betonfahrbahnplatten und Messungen auf der Oberfläche der modifizierten Kiestragschicht, insbesondere im Fugenbereich:

   – statische und dynamische Verformungsmoduln,

   – Wasserdurchlässigkeit,

   – Betontechnologische Kenngrößen (Elastizitätsmodul, Druckfestigkeit etc.),

   – Korngrößenverteilungen des modifizierten Baustoffgemisches an Proben aus unterschiedlichen Tiefen.

Mit Unterstützung des Industrieverbandes Steine und Erden Baden-Württemberg ISTE e.V. werden im Frühjahr 2014 vergleichende Standfestigkeitsuntersuchungen an Schotter- und modifizierten Kiestragschichten in einem Kieswerk der Heidelberger Sand und Kies GmbH bei Karlsruhe durchgeführt. Die 4 Versuchsfelder im Originalmaßstab werden mit einem Betondeckensystem (12 Platten mit den Abmessungen 4,50 x 4,50 m) überbaut. Betrachtet werden im Rahmen der Versuchsreihen die folgenden Aufbauten (Belastunsklasse Bk32 nach den RStO 12):

Aufbau 1: 28 cm Betondecke/30 cm STSuB/20 cm FSS (Muschelkalk)

Aufbau 2: 28 cm Betondecke/30 cm KTSuB/20 cm FSS (Muschelkalk)

Aufbau 3: 28 cm Betondecke/20 cm KTSuB/30 cm FSS (Muschelkalk)

Aufbau 4: 28 cm Betondecke/30 cm KTSuB/20 cm FSS (Kies-Sand-Gemisch) 

Literaturverzeichnis

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen (RStO 01), Ausgabe 2001, Köln

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Schichten ohne Bindemittel im Straßenbau (ZTV SoB-StB 07), Ausgabe 2004/Fassung 2007, Köln, FGSV 698

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Baustoffgemische und Böden zur Herstellung von Schichten ohne Bindemittel im Straßenbau (TL SoB-StB 07), Ausgabe 2004/Fassung 2007, Köln, FGSV 697

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB 07), Ausgabe 2007, Köln, FGSV 899

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 599

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 12), Ausgabe 2012, Köln, FGSV 499

Leykau f; Birman n: Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen: Forschungsbericht Nr. 2149 vom 7. 10. 2004, Untersuchungen zur Standfestigkeit von Kies-/Schottertragschichten, im Auftrag des Industrieverbandes Steine und Erden Baden-Württemberg ISTE e.V.

Leykau f; Birman n: Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen: Forschungsbericht Nr. 2372 vom 12. 11. 2007, Dicke Betondecken auf Schichten ohne Bindemittel (SoB/STSuB), im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) (FE 08.0184/2005/CGB)