Bei Pflasterdecken setzt die schadlose Ableitung der bei höheren Verkehrsbelastungen entstehenden Reibungskräfte eine hohe mechanische Beständigkeit des Bettungsmaterials voraus. Das Regelwerk empfiehlt daher die Verwendung von Körnungen 0/5 mm oder 0/8 mm mit einem ausreichenden Abriebwiderstand. Unklar bleibt, wie der Abriebwiderstand bestimmt und bewertet werden kann. Für die Bestimmung des Widerstandes gegenüber mechanischen Beanspruchungen grober Gesteinskörnungen stehen in Deutschland im Rahmen der Gütesicherung das Los-Angeles-Verfahren sowie der Schlagversuch zur Verfügung. Für feine Gesteinskörnungen sind diese Verfahren jedoch nicht eingeführt. Bei beiden Verfahren dominiert zudem eine schlagende Beanspruchung, die den realen Verhältnissen in einer Bettung wenig entspricht. Daher wurde in einem F&E-Projekt der AiF ein Verfahren entwickelt, welches die Bestimmung des Abriebwiderstandes feiner Gesteinskörnungen ermöglicht. Ergebnis war die Entwicklung des modifizierten Micro-Deval-Verfahrens, kurz MMD-Verfahren genannt. Das MMD-Verfahren ermöglicht die Prüfung von zusammengesetzten Körnungen 0,25/5,6 mm in einer rotierenden Trommel unter Verwendung von Wasser und Stahlkugeln als Reibladung. Als Maß für den Abriebwiderstand und damit als Materialkennwert gilt der nach der Beanspruchung ermittelte auf die Gesamtmasse der Probe bezogene Anteil < 0,063 mm. Für dieses Prüfverfahren wurde nun in den FGSV-Arbeitsausschüssen 6.1 und 6.6 eine Technische Prüfvorschrift entwickelt, welche Eingang in die TP Gestein-StB finden soll. Untersuchungen an verschiedenen Gesteinen ergaben eine ausreichende Bandbreite und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.

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1 Einleitung

Bettungs- und Fugenmaterialien von Pflasterdecken und Plattenbelägen müssen einen Widerstand gegenüber mechanischer Beanspruchung aufweisen, die den Belastungen der Decke bzw. des Belages entspricht. Insbesondere bei Fahrbahnen höherer Bauklasse bedeutet dies, dass die allgemeinen, von der Gesteinsart abhängigen Anforderungen der TL Gestein-StB 04, Ausgabe 2004/Fassung 2007, gegebenenfalls nicht ausreichen und weitere Anforderungen zu stellen sind.

Durch die Verkehrsbeanspruchung treten in der Bettung neben dynamischer Vertikalbeanspruchung auch horizontale Kräfte in größerem Umfang auf. Die resultierenden Reibungskräfte müssen schadlos abgeführt werden, um Umlagerungen innerhalb der Bettung oder Verschiebungen des Pflasters, das heißt der Pflastersteine einschließlich der Fugen, zu verhindern. Aber auch, wenn keine sichtbaren Verformungen oder Verschiebungen des Pflasters auftreten, besteht eine Gefahr der dauerhaften Schädigung der Verkehrsfläche; denn neben einer ausreichenden Verformungs- und Verschiebestabilität muss die Befestigung auch dauerhaft ausreichend wasserdurchlässig sein. Sollte Niederschlag, der durch die Fugen in die Befestigung eindringt, nicht abgeführt werden, so entsteht einerseits bei Überrollung der Fläche durch Fahrzeuge ein Porenwasserüberdruck, durch den die Verformungsstabilität der Befestigung schlagartig abnimmt. Andererseits können die Sogkräfte des abrollenden Reifens dazu führen, dass das Fugenmaterial mit dem in den Fugen stehenden Wasser herausgesaugt wird. Mit zunehmendem Leeren der Fugen nimmt die Verbundwirkung der Decke und damit deren Verformungsstabilität ab. Damit ist also der ausreichenden Wasserdurchlässigkeit bzw. Versickerungsfähigkeit der gesamten Befestigung genaue Beachtung zu schenken. Um diese zu gewährleisten, werden neben der Forderung einer ausreichenden Wasserdurchlässigkeit der Tragschichten in den ZTV Pflaster-StB und TL Pflaster-StB unter anderem Anforderungen an die Korngrößenverteilung und den Feinkornanteil der Bettungs- und Fugenmaterialien sowie an deren Filterstabilität gestellt. Durch die wiederkehrenden dynamischen Belastungen des Verkehrs besteht jedoch auch die Gefahr, dass zusätzliches Feinkorn durch Kornzertrümmerung und Abrieb der Gesteinskörnungsgemische entsteht. Dieses Feinkorn verringert die Wasserdurchlässigkeit der Befestigung, indem es sich in der Regel an der Oberfläche der Bettung oder der Tragschicht absetzt und einen geringer durchlässigen Bereich ausbildet. Es entsteht nur dann, wenn die verwendete Gesteinskörnung einen zu geringen Widerstand gegenüber mechanischer Beanspruchung aufweist.

Daher werden auch in den TL Gestein-StB Anforderungen an den Widerstand gegen mechanische Beanspruchung der Gesteinskörnung gestellt. Hier stehen im Rahmen der Gütesicherung das Los-Angeles-Verfahren sowie der Schlagversuch [1] zur Verfügung. Bei beiden Verfahren wird der Kennwert an einer groben Gesteinskörnung der Körnung 8/12 mm bzw. 10/14 mm bestimmt. Als Bettungs- und Fugenmaterialien werden jedoch meist feine Gesteinskörnungen der Körnung 0/4 bzw. 0/5 mm eingesetzt. Feine Gesteinskörnungen können mit den oben genannten Prüfverfahren jedoch nicht geprüft werden. Die Ergebnisse der Prüfungen an den groben Gesteinskörnungen gelten zwar als Materialkennwert für das eingesetzte Gestein, doch ist zu hinterfragen, ob der Kennwert auch für feine Gesteinskörnungen charakteristisch ist, da der Anteil weicherer Gesteinsanteile in feineren Körnungen abhängig ist vom Brechvorgang der Körnungen während der Herstellung im Steinbruch und sich damit von dem grober Gesteinskörnungen unterscheiden kann.

Sowohl beim Los-Angels-Verfahren als auch beim Schlagversuch wirkt sich zudem primär eine schlagende Beanspruchung aus. Innerhalb der Bettung und auch in den Fugen dominiert jedoch eher eine reibende Beanspruchung. Auch hierdurch könnte die Aussagekraft der gemäß TL Gestein-StB gewonnenen Materialkennwerte der beiden Prüfverfahren für die Anwendung in einer Bettung oder als Fugenfüllung von Pflasterbefestigungen eingeschränkt sein.

Weiterhin können auch natürliche rundkörnige Gesteinskörnungen gegebenenfalls im Gemisch mit gebrochenen Gesteinskörnungen oder künstliche Gesteinskörnungen eingesetzt werden, an denen eine Bestimmung des Los-Angeles-Koeffizienten oder des Schlagzertrümmerungswertes mangels Vorliegens grober Gesteinskörnungen gar nicht möglich ist.

Da bis zur Veröffentlichung der TL Pflaster-StB und ZTV Pflaster-StB im Jahr 2006 kein europäisch genormtes Prüfverfahren vorlag, mit welchem die Bestimmung des Abriebwiderstandes feiner Gesteinskörnungen möglich ist, wurde zur Auswahl geeigneter Bettungsmaterialien folgende Sätze in die ZTV Pflaster-StB [4] aufgenommen: "...Es ist ein Material zu verwenden, dass aufgrund seiner Materialeigenschaften ausreichende Festigkeit aufweist"; und als Richtlinientext: "Gesteine... für Bettungsmaterial für Fahrbahnen der Bauklassen III und IV... sollten mindestens der Kategorie SZ22 (LA25) gemäß den TL Gestein-StB, Anhang H, Zeile 2.2.9 entsprechen. Bei Verkehrsflächen mit besonderen Beanspruchungen (RStO 01, Abschnitt 2.7) oder solchen mit einer Tragschicht mit Bindemittel sollte der Schlagzertrümmerungswert/LosAngeles-Koeffizient des Bettungsmaterials mindestens der Kategorie SZ18 (LA20) entsprechen. ..."

Der Bezug auf die Kennwerte SZ und LA wurde aufgrund der zuvor beschriebenen Unsicherheiten der Übertragung des charakteristischen Verhaltens auf die Anwendung in Bettungen als Richtlinie und nicht als Vertragstext formuliert. Wünschenswerte wäre es jedoch, direkte Anforderungen an das Bettungsmaterial in Abhängigkeit von der Bauklasse als Bestandteil eines Bauvertrages zu stellen. Daher musste ein Prüfverfahren entwickelt werden, mit welchen einerseits Aussagen zur mechanischen Festigkeit feiner Gesteinskörnungen getroffen werden können und andererseits die Beanspruchung innerhalb der Prüfung einen realitätsnahen reibenden und weniger schlagenden Charakter erhält.

Die Anpassung bzw. Entwicklung eines aussagekräftigen Prüfverfahrens erfolgte dann im Rahmen eines aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung "Otto von Guericke" e.V. ­ AiF ­ geförderten Forschungsvorhabens [2] mit der Forschungsnummer AiF 13938N/1. Forschungsnehmer waren zu gleichen Teilen die Ruhr-Universität Bochum und die Fachhochschule Köln. Ergebnis der Untersuchungen war die Entwicklung eines Prüfverfahrens an feinen Gesteinskörnungen, welches im Folgenden Modifiziertes Micro-Deval-Verfahren genannt wird, abgekürzt mit "MMD-Verfahren".

2 Modifiziertes Micro-Deval-Verfahren

Das Modifizierte Micro-Deval-Verfahren basiert auf dem Prüfverfahren nach Micro-Deval an groben Gesteinskörnungen gemäß DIN EN1097-1 [3]. Es wurde dahingehend modifiziert, dass Körnungen 0/5 mm und 0/2 mm geprüft werden können. Das Prüfgerät zur Aufbringung der reibenden Beanspruchung ist im Bild 1 dargestellt. Das Prinzip entspricht einer Kugelmühle. In einem Stahlbehälter wird eine definierte Prüfkörnung zusammen mit Stahlkugeln verschiedenen Durchmessers und Wasser eingebracht. Durch Rotation des Stahlbehälters mit vorgegebener Geschwindigkeit und Umdrehungsanzahl wird die Reibbeanspruchung aufgebracht.

Es wird eine fraktionierte Prüfkörnung zusammengestellt in der Körnung 0,25/5 mm mit vorgegebener Zusammensetzung. Die Beladung der Trommel sieht wie folgt aus: ­

–    500 g Probenmenge ­

– 2.500 g Stahlkugeln

–­      2,5 l Wasser.

Die Beladung der Behälter mit Stahlkugeln ist im Bild 2 zu erkennen. Folgende Beladung ist festgelegt:

–­   9 Kugeln Ø 30 mm, ­

– 21 Kugeln Ø 18 mm, ­

–   x Kugeln Ø 10 mm, so dass ein Gesamtgewicht von 2.500 g erreicht wird.

Die befüllte Trommel wird bei einer Geschwindigkeit von v = 100 U/min gedreht. Die Beanspruchungsdauer beträgt 1.500 Umdrehungen.

Im Anschluss an die Beanspruchung wird die Probe auf dem 0,063-mm-Sieb ausgesiebt. Der Siebrückstand wird m genannt. Der Modifizierte Micro-Deval-Koeffizient (MMDE) wird wie folgt berechnet:

MMDE = (500 - m) / 5.

Er stellt den prozentualen Anteil der Verfeinerungen < 0,063 mm dar.

Bild 1: Modifizierter Micro-Deval-Versuch, Prallelprüfung mit vier Prüfbehältern

Bild 2: Beladung mit Stahlkugeln

3 Einfluss der Gesteinseigenschaften auf das Abriebverhalten von Bettungsmaterialien

Zur Beurteilung der Festigkeitseigenschaften feiner Gesteinskörnungen wurden Proben folgender Gesteine entnommen und hinsichtlich ihres Abriebverhaltens geprüft (siehe Tabelle 1).

Die Ergebnisse der Bestimmung des Modifizierten Micro-Deval-Koeffizienten (MMDE-Wert) sind im Bild 3 dargestellt. Im Bild 4 sind diese Ergebnisse den Schlagzertrümmerungswerten der Körnung 8/12 mm der Fremdüberwachung gegenübergestellt. Es ist zu erkennen, dass keine direkte Abhängigkeit zwischen diesen Parametern vorliegt.

Neben dem SZ-Werte wurde auch der Los-Angeles-Koeffizient mit dem MMDE-Wert verglichen, da beim Los-Angeles-Verfahren ebenfalls eine reibende Beanspruchung durch eine Stahlkugelladung auftritt. Die Ergebnisse sind dem Bild 5 zu entnehmen. Dargestellt sind hier die Anteile < 0,063 mm nach der MMD-Beanspruchung. Es ist zu erkennen, dass kein Zusammenhang zwischen LA-Wert und MMD-Wert vorliegt. Dementsprechend dominiert beim Los-Angeles-Verfahren die schlagende Beanspruchung der auf die Beladung fallenden Stahlkugeln, was durch die gute Korrelation zwischen Schlagversuch und Los-AngelesVerfahren am Splitt seit längerem belegt ist. Im MMD-Verfahren herrscht dagegen eine rein abreibende Beanspruchung vor, wodurch die Versuchsergebnisse, unabhängig von der Korngröße, voneinander abweichen.

Tabelle 1: Geprüfte Gesteinskörnungen

Bild 3: MMDE-Wert der untersuchten Gesteinskörnungen 0/5

Bild 4: Vergleich des MMDE-Wertes 0/5 mit dem SZ-Wert an der Körnung 8/12

Bild 5: Zusammenhang zwischen MMD-Wert 0/5 (Anteil < 0,063 mm) und LA-Koeffizient an der Körnung 10/14

Tabelle 2: Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse

Zur Überprüfung des Einflusses der Korngröße auf den Zusammenhang zwischen den Prüfverfahren wurde auch der Micro-Deval-Koeffizient gemäß DIN EN 1097-1 der vorliegenden Gesteine an der groben Gesteinskörnung 10/14 bestimmt (MD-Wert). Die Ergebnisse sind dem Schlussbericht des AiF-Vorhabens [2] zu entnehmen. In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse der verschiedenen Prüfverfahren zur Bestimmung des Widerstandes gegenüber mechanischer Beanspruchung zusammengefasst.

Die bekannte Korrelation zwischen dem SZ8/12-Wert und dem LA-Koeffizienten an Splitt wurde bestätigt. Beide Prüfverfahren weisen keine Korrelation zum Micro-Deval-Wert an der gleichen Körnung 10/14 mm auf. Dies bedeutet, dass sich die Art der Beanspruchung zwischen diesen Prüfverfahren unterscheidet (schlagend bei SZ und LA, abreibend bei MD) und einen Einfluss auf die Kornverfeinerungen der Gesteine ausübt. Dem entsprechend ist auch kein bzw. nur ein geringer Zusammenhang zwischen den Prüfverfahren Schlagversuch und Los-AngelesVersuch gegenüber dem Modifizierten Micro-Deval-Versuch vorhanden, da sich sowohl die Prüfkörnung als auch die Art der Beanspruchung voneinander unterscheiden.

Im Vergleich der Ergebnisse zwischen dem Micro-Deval-Versuch an der Körnung 10/14 mm und dem Modifizierten Micro-Deval-Versuch an der Körnung 0,25/5 mm ist zu erkennen, dass nicht nur die Art der Beanspruchung, sondern auch die Korngröße einen maßgebenden Einflussparameter darstellt. Der Zusammenhang zwischen den Ergebnissen beider Prüfverfahren ist zu gering, um in der Praxis Aussagen zur Eignung von Bettungsmaterialien mit Hilfe des Micro-Deval-Verfahrens an der Körnung 10/14 ableiten zu können.

Im Ergebnis ist also zusammenfassend festzustellen, dass mit den vorliegenden europäisch genormten Prüfverfahren an groben Gesteinskörnungen eine quantitative Beurteilung der mechanischen Festigkeit gegenüber abreibender Beanspruchung nicht möglich ist.

Neben der Prüfung der Körnung 0,25/5 mm ist es auch möglich, Körnungen 0/2 mm mit dem MMD-Verfahren zu prüfen. Hierzu wurde ebenfalls eine Prüfanleitung im Rahmen des AiFProjektes erstellt und ist dieser zu entnehmen. Damit können z. B. die Festigkeitseigenschaften von Fugenmaterialien bestimmt werden, bei denen kein Kornanteil 2/5 mm vorliegt. Die Prüfung ist vergleichbar mit jener an der Körnung 0/5 mm, jedoch ist die Belastungsdauer auf 500 Umdrehungen reduziert.

Im Bild 6 sind die Ergebnisse der Modifizierten Micro-Deval-Prüfung von sieben verschiedenen Gesteinen an der Körnung 0,09/2 mm (rechte Seite) denen an der Körnung 0,25/5 mm (linke Seite) gegenübergestellt.

Es ist zu erkennen, dass die Reihung der Ergebnisse zu Unterschieden führt. Hier ist zu vermuten, dass auch diese unterschiedlichen Kornklassen zu einem abweichenden Festigkeitsverhalten führen. Jedoch sind zur Verifikation dieser Aussage weitere Untersuchungen erforderlich.

Bild 6: Ergebnisse der Modifizierten Micro-Deval-Prüfung an der Körnung 0,09/2 mm (rechte Seite) und an der Körnung 0,25/5 mm (linke Seite)

4 Ergebnisse der vereinfachten Ringanalyse

Zur Absicherung des Prüfverfahrens wurde von der TU München eine kleine Ringuntersuchung organisiert und durchgeführt. Hierzu wurden jeweils Proben von drei Gesteinskörnungen vorbereitet und an die teilnehmenden zwei weiteren Prüfinstitute versendet, bei welchen dann der modifizierte Micro-Deval-Wert der Körnung 0/5 mm bestimmt wurde. Die geringe Anzahl der Institute ergibt sich aus der noch relativ geringen Verbreitung des Prüfverfahrens. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in der Tabelle 3 dargestellt. Die angegebenen Werte sind der Siebdurchgang durch das 0,063-mm-Sieb sowie der MMDE-Wert.

Es ist zu erkennen, dass die Ergebnisse der Prüfinstitute sehr gut miteinander vergleichbar sind.

Tabelle 3: Ergebnisse der "Ringuntersuchung"

5 Übertragbarkeit des MMD-Wertes

Um einen Bewertungshintergrund für den MMDE-Wert zu erhalten, sind Untersuchungen an erprobten und schadhaften Pflasterflächen erforderlich. Diese wurden im Rahmen des oben genannten Forschungsprojektes an verschiedenen Flächen durchgeführt. Beispielhaft ist in den Bildern 7 bis 10 ein Busbahnhof dargestellt, der ein Schadensbild mit weislichen Ablagerungen auf den Pflastersteinen und einer Spurrinne in der Fahrspur aufwies. Aufgrund der Geometrie des Busbahnhofes liegt hier spurfahrender Verkehr vor.

Bild 7: Untersuchter Busbahnhof

Bild 8: Spurrinne im Fahrbereich der Busse

Bild 9: Ablagerungen in der Fahrspur

Bild 10: Aufgrabung des Pflasters

Im Rahmen einer Probenahme wurde die Fläche im befahrenen schadhaften Bereich und im wenig belasteten Randbereich aufgenommen. Auf der Bettung wurde in der Fahrspur nicht ablaufende Feuchtigkeit vorgefunden. Dies ist in dem Bild 10 deutlich zu erkennen. Das Bettungsmaterial bestand aus einem Gemisch aus 50 M.-% Kalkstein und 50 M.-% Natursand.

Aus dem entnommenen Bettungsmaterial wurde der MMDE-Wert bestimmt. Im gering belasteten Randbereich wurde ein MMDE-Wert von 5,7 M.-% und im Fahrbereich ein Wert von 5,9 M.-% vorgefunden. Diese Werte liegen im oberen Bereich des bisherigen Bewertungshintergrundes (siehe Bild 3). Damit ist die Abriebfestigkeit des eingesetzten Gesteinskörnungsgemisches als eher gering einzustufen. Dies kann neben anderen Faktoren die Ursache für die geringe Versickerungsfähigkeit der Bettung sein, wodurch das Schadensbild entstand.

6 Ausblick

In den FGSV-Arbeitsausschüssen 6.1 und 6.6 ist aufbauend auf den Ergebnissen des FE-Projektes eine Technische Prüfvorschrift zur "Bestimmung der mechanischen Festigkeit an der Gesteinskörnung 0/5,6 mm ­ Modifiziertes Micro-Deval-Verfahren" entwickelt worden. Dieses liegt nun in der Entwurfsfassung vor und soll in Kürze die "Technischen Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen im Straßenbau" (TP Gestein-StB) ergänzen. In einem Anhang ist dem Entwurf das Prüfverfahren an der Körnung 0/2 mm beigefügt, so dass auch die Festigkeit reiner Sanden 0/2 mm bestimmt werden kann.

Zur Festlegung eines Anforderungswertes ist es jedoch erforderlich, noch weitere Daten zu sammeln. Dazu sollte in Zukunft das Prüfverfahren auf freiwilliger Basis angewendet und die Ergebnisse an zentraler Stelle zusammengeführt werden.

7 Literaturverzeichnis

1 DIN EN 1097-2: Prüfverfahren für physikalische und chemische Eigenschaften von Gesteinskörnungen, Teil 2: Verfahren zur Bestimmung des Widerstandes gegen Zertrümmerung; Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin, 1998

2 K o c h, C.; R a d e n b e r g, M.; K r a s s, K.; R i t t e r, J.: Entwicklung eines Verfahrens zur Prüfung und Bewertung des Abriebwiderstandes von Bettungs- und Fugenmaterial von Pflasterbefestigungen, Forschungsbericht der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V., AiF-Nr. 13938, Köln, 2007

3 DIN EN 1097-1: Prüfverfahren für physikalische und chemische Eigenschaften von Gesteinskörnungen, Teil 1: Bestimmung des Widerstandes gegen Verschleiß (Micro-Deval); Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin, 2003

4 Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Pflasterdecken, Plattenbelägen und Einfassungen (ZTV Pflaster-StB), Ausgabe 2006, Köln, FGSV 699