Grinding ist ein Texturierungsverfahren für Festbeton. Zur Herstellung von Grindingtexturen schneiden Diamantscheiben, die auf einer rotierenden Welle dicht nebeneinander angeordnet sind, eine definierte Textur in die Betonoberfläche. In Deutschland wird Grinding bisher hauptsächlich eingesetzt, um die Griffigkeit bzw. die Ebenheit von Betonfahrbahndecken zu verbessern. Zudem weist das Grinding ein Lärmminderungspotenzial auf, das bereits in der Standardausführung dem Waschbeton mindestens gleichwertig ist. In der kommenden Ausgabe der ZTV Beton-StB soll daher das Standardgrinding zur Texturierung von Neubaustrecken aufgenommen werden. Hierin werden Anforderungen sowohl an die Herstellung als auch an die Textur selbst gestellt, um griffige und lärmmindernde Grindingoberflächen prozesssicher und reproduzierbar erzeugen zu können. Akustisch optimierte Grindingtexturen weisen gegenüber dem Standardgrinding ein noch höheres Lärmminderungspotenzial auf. Die Dauerhaftigkeit dieser Texturen ist derzeit Gegenstand von Untersuchungen.

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1 Einleitung

Fahrbahndecken aus Beton sind bei hoher Verkehrsbeanspruchung eine ideale Bauweise, mit der Nutzungszeiträume von mehr als 30 Jahren erreichbar sind. Sie sind wartungsarm und bieten somit eine hohe Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit. Das Bild 1 zeigt das Erscheinungsbild von Autobahnen aus Beton im Neuzustand und nach einer Nutzungsdauer von > 30 bzw. > 80 Jahren. 

Bild 1: Von links nach rechts: Bundesautobahnen im Neuzustand und nach einer Nutzungsdauer von > 30 und > 80 Jahren (Quelle: BASt) 

Infolge einer Zunahme des (Schwerlast-)Verkehrs sowie klimatischer Veränderungen nehmen die Anforderungen an den Straßenoberbau ständig zu. Hier sind zunächst eine dauerhafte Griffigkeit wie auch dauerhafte Lärmminderungseigenschaften zu nennen. Aber auch der Rollwiderstand der Oberfläche wird im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit zukünftig an Bedeutung gewinnen. 

2 Status Quo im Betonstraßenbau

Bis zum Jahr 2006 war die Jutetuchtextur, für die zur Herstellung über den Frischbeton ein Jutetuch in Längsrichtung über die Oberfläche gezogen wird, mit einem DStrO-Wert von -2dB(A) die Standardtexturierung im Betonstraßenbau. Mit dem ARS 5/2006 wurde aufgrund einer größeren Griffigkeitsreserve bei gleichen lärmmindernden Eigenschaften die Jutetuchtextur durch die Waschbetontextur ersetzt und ist bis heute die Regelbauweise für Betondecken mit Anforderung an die Lärmminderung. Zur Herstellung einer Waschbetontextur wird auf den frisch eingebauten Beton ein sog. Kombinationsmittel gesprüht, das die Erhärtung des Betons im oberflächennahen Bereich verzögert und gleichzeitig der Nachbehandlung des Betons dient. Je nach Witterung wird der Oberflächenmörtel nach ca. 8 bis 24 Stunden ausgebürstet und das Grobkorngerüst freigelegt (Bild 1). Die Texturtiefe des Waschbetons soll nach ZTV Beton StB-07 zwischen 0,6 und 1,1 mm liegen. Die Zusammensetzung der Gesteinskörung des Waschbetons kann stetig oder als Ausfallkörnung ausgeführt werden. Der Durchmesser des Größtkorns beträgt 8 mm. 

Bild 2: Herstellung einer Waschbetontextur: links: Ausbürsten der Oberfläche, rechts: Waschbetontextur

In Abhängigkeit der Eigenschaften der verwendeten groben Gesteinskörnung sowie der Ausbürsttiefe kann das Erscheinungsbild der Waschbetontextur sehr unterschiedlich sein. Im Bild 3 sind verschiedene Waschbetontexturen dargestellt, die alle den Anforderungen entsprechen. 

Bild 3: Waschbetontexturen (Quelle: Villaret Ingenieurgesellschaft) 

Die Griffigkeit wie auch die lärmmindernden Eigenschaften der hergestellten Textur hängen maßgeblich von der verwendeten Gesteinskörnung, der Texturtiefe und der Homogenität der Textureigenschaften ab. Zusammenfassend kann für den Waschbeton festgehalten werden, dass mit dieser Bauweise erfolgreich dauerhaft griffige Oberflächen mit lärmmindernden Eigenschaften hergestellt werden.

Zur Verbesserung der Griffigkeit und Ebenheit bestehender Fahrbahndecken aus Beton wird seit vielen Jahren erfolgreich das Grinding eingesetzt. Beim Grinding sind Sägeblätter auf einer rotierenden Welle angeordnet und tragen wenige Millimeter der Betonoberfläche ab. Die Texturierung erfolgt im Betonstraßenbau (im Gegensatz zum Bau von Flugverkehrsflächen) dabei in Längsrichtung. Am Rand der Sägeblätter befinden sich diamantbesetzte Segmente, die verschiedene Breiten haben können. Der Abstand der Sägeblätter zueinander wird über Distanzscheiben, die sich zwischen den Blättern befinden, gesteuert. Im Bild 4 sind eine Grindingwelle sowie eine Grindingtextur dargestellt, das Bild 5 zeigt schematisch den Aufbau von zweier Sägeblätter mit Distanzscheibe. 

Bild 4: Links: Grindingwelle (Breite: 1,40 m), Mitte: Nahaufnahme der Grindingwelle, Rechts: Grindingtextur

Bild 5: Anordnung zweier benachbarter Sägeblätter und der Distanzscheibe 

Aus der Segmentbreite (s) und der Breite der Distanzscheibe (d) resultiert der Segmentabstand (t) zweier benachbarter Segmente. Die Schneidtiefe beim Grinding beträgt rd. 5 mm. Entscheidend ist dabei, dass die grobe Gesteinskörnung des Betons freigelegt und angeschnitten wird, was zu einer hohen Texturdauerhaftigkeit führt. Daher wird für Grindingtexturen ein hoher Flächenanteil grober Gesteinskörnung an der texturierten Oberfläche angestrebt. Die Grindingtextur ist zum einen durch Rillen gekennzeichnet, deren Breite aus der Breite der verwendeten Segmente resultiert. Zum anderen besteht die Grindingtextur aus den Stegen, die durch das in der Regel undefinierte Brechen des Betons zwischen den einzelnen Segmenten entstehen und deren Breite sich aus dem Segmentabstand ergibt. Höhe und Form der Stege sind zudem vom Beton (Festigkeit, Art der groben Gesteinskörnung) abhängig. Nachdem mit der bis zu 1,45 m breiten Grindingwelle die erste Bahn texturiert wurde, wird die Grindingwelle seitlich versetzt und die nächste Bahn texturiert usw. Mit dem Grinding werden prozesssicher sehr homogene Texturen reproduzierbar hergestellt. Das Bild 6 zeigt beispielhaft die Oberfläche vor und nach einem griffigkeitsverbessernden Grinding eines jutetuchtexturierten Betons. 

Bild 6: Griffigkeitsverbesserung eines Betons mit Jutetuchtextur 

Zur Verbesserung der Ebenheit und Griffigkeit werden in Deutschland derzeit Segmentbreiten zwischen 2,4 und 2,8 mm verwendet. Der Segmentabstand beträgt zwischen 1,8 und 2,2 mm.

Zur Texturierung des Festbetons ist neben dem Grinding auch das Grooving zu nennen. Auch beim Grooving werden Sägeblätter, die sich auf einer rotierenden Welle befinden, über die Oberfläche geführt. Im Unterschied zum Grinding beträgt hier der Abstand der Sägeblätter mindestens 10 mm, wodurch kein Brechen des Betons zwischen den Segmenten mehr stattfindet. Die Textur ist durch in den Beton geschnittene Rillen gekennzeichnet. Das Verfahren wird hauptsächlich eingesetzt, um den Wasserabfluss auf Oberflächen zu verbessern. In Sonderfällen können Groovingrillen ergänzend zu einer Grindingtextur für eine dauerhafte Griffigkeit sinnvoll sein (Bild 7). Bisher erprobt sind in diesem Zusammenhang Abstände der Groovingrillen zwischen 10 und 23 mm. 

Bild 7: Kombination aus Grinding und Grooving 

3 Eigenschaften von Grindingtexturen

2011 wurden in einem Forschungsvorhaben die Griffigkeit sowie die akustischen Eigenschaften von Fahrbahndecken mit Grindingtextur untersucht (Villaret, 2011). Dabei wurde festgestellt, dass die gesamten untersuchten Strecken, deren Grindingtexturen zum Zeitpunkt der Untersuchung ein Alter von bis zu 10 Jahren betrug, ein Griffigkeitsniveau aufwiesen, das oberhalb des Anforderungswerts von Neubaustrecken von µSKM = 0,46 (bei 80 km/h) lag. Die mittels SPB-Messung ermittelten Geräuschpegel wiesen für vier der fünf untersuchten Strecken einen Wert auf, der unterhalb des Referenzwerts von 85,2 dB(A) (bei 120 km/h) lagen. Das Bild 8 zeigt die Ergebnisse der Griffigkeits- und Geräuschpegelmessung.

Bild 8: Links: Griffigkeiten (SKM-Verfahren), Rechts: Lärmminderungseigenschaften (SPB-Messung) der untersuchten Strecken mit Grindingtextur 

Zur Klärung, unter welchen Randbedingungen mit Grindingtexturen zielsicher eine dauerhaft hohe Lärmminderung bei gleichzeitig hoher Griffigkeit hergestellt werden können, wurden in zwei weiteren Forschungsvorhaben, die wie das oben genannte vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur finanziert und von der Bundesanstalt für Straßenwesen begleitet wurden, der Einfluss verschiedener Parameter untersucht (Villaret, 2013; Villaret, 2017). Es wurde festgestellt, dass feine Texturen mit geringer Texturtiefe, die über einen geringen Segmentabstand hergestellt werden, die Lärmminderungseigenschaften positiv beeinflussen. Für eine dauerhaft hohe Griffigkeit kann es sinnvoll sein, zusätzlich Groovingrillen in die Oberfläche zu schneiden. Im Bild 9 sind Fotos akustisch optimierter Grindingtexturen einer Erprobungsstrecke dargestellt.

Bild 9: Akustisch optimierte Grindingtexturen auf einer Erprobungsstrecke

Die auf der Erprobungsstrecke hergestellten akustisch optimierten Grindingtexturen deuten auf ein Lärmminderungspotenzial hin, das deutlich über das des Standardgrindings hinausgeht. Ein Monitoring dieser Oberflächen wird in den kommenden Jahren Aufschluss über die Dauerhaftigkeit der Gebrauchseigenschaften geben.

Auch im Ausland wird das Grinding seit Langem erfolgreich eingesetzt. In den USA existieren für verschiedene Anwendungsfälle entsprechende Grindingtexturen (Skarabis, 2013). So gibt es z. B. Grindingtexturen, die speziell für Stadtstraßen zum Einsatz kommen. Die steigenden Anforderungen an die Lärmminderung führten zudem zur Entwicklung der sog. Next Generation Concrete Surface (NGCS). Diese Oberfläche hat sich in den USA aufgrund dauerhaft guter Lärmminderungseigenschaften bewährt. In den vergangenen Jahren wurde die NGCS auch auf Erprobungsstrecken in Belgien (Vanhooreweder; De Winne et al., 2018) und den Niederlanden (van Keulen; Vennix, 2018) hergestellt, was zu einer deutlichen Verbesserung der Lärmminderung geführt hat. Die Dauerhaftigkeit der Oberfläche wird im Rahmen eines Monitorings untersucht. In Österreich werden derzeit im Rahmen zweier Forschungsvorhaben auf mehreren Erprobungsstrecken Grindingtexturen hergestellt und die Gebrauchseigenschaften untersucht. Hier liegt der Schwerpunkt wie auch in Deutschland zunächst auf dem Standardgrinding.

4 Grinding für Neubaustrecken

Bisher beschränkte sich die Anwendung des Grindings zur Verbesserung der Griffigkeit bzw. der Ebenheit. Aufgrund der positiven Erfahrung – die im Rahmen einer systematischen Erprobung gesammelt werden konnte – soll das Grinding in die neue ZTV Beton-StB auch zur Texturierung von Neubaustrecken überführt werden. Dabei wird zunächst ausschließlich das Standardgrinding berücksichtigt. Ziel ist es, zunächst eine aus akustischer Sicht zum Waschbeton gleichwertige Oberfläche zu etablieren. Nachfolgend sind Kriterien genannt, mit denen prozesssicher eine reproduzierbare, homogene Textur, die griffig und lärmmindernd ist, realisiert werden kann: Die Betonzusammensetzung entspricht derzeit der des Waschbetons. Auf diese Weise wird erfahrungsgemäß sowohl ein homogenes Texturbild wie auch ein hoher Flächenanteil der groben Gesteinskörnung an der texturierten Oberfläche erzielt. Der Reduzierung der Deckendicke, die aus dem Abtrag des Betons beim Grinding resultiert, wird über ein Vorhaltemaß für die Deckendicke in Höhe von 1 cm Rechnung getragen. Die Betonfahrbahndecke erhält unmittelbar nach der Herstellung keine Texturierung des Oberflächenmörtels. Es wird eine Ebenheit von ≤ 4 mm/4 m gefordert. Wenn ein Grinding zur Verbesserung von Griffigkeit und Ebenheit zum Einsatz kommt, hat der Beton bereits ein Alter von mehreren Wochen. Daher stellt sich in diesem Zusammenhang nicht die Frage, ob der Beton eine ausreichende Festigkeit aufweist, um das Grinding ausführen zu können. Anders ist es beim Grinding von Neubaustrecken. Hier muss zum einen sichergestellt werden, dass die gewünschte Texturgeometrie zielsicher in den Beton geschnitten werden kann. Zum anderen ist zu gewährleisten, dass durch das Grinding keine Schädigung in den Beton eingetragen wird, die zu einer Verringerung der Festigkeits- bzw. Dauerhaftigkeitseigenschaften im oberflächennahen Bereich führt. Das Bild 10 zeigt eine Grindingtextur, bei der infolge eines zu früh erfolgten Grindings und Groovings grobe Gesteinskörnung aus der Oberfläche herausgelöst wurde. Insbesondere das zusätzliche Schneiden von Groovingrillen führte in diesem Beispiel zum Herauslösen der Gesteinskörnung.

Bild 10: Infolge des Grindings und Groovings herausgelöste grobe Gesteinskörnung

Für den Bau einer Erprobungsstrecke mit Grinding- und Groovingtexturen wurde im Rahmen des oben genannten Forschungsvorhabens (Villaret, 2015) untersucht, wann das Grinding frühestens erfolgen kann. Dazu wurde im Labor Beton mit der gleichen für die Erprobungsstrecke vorgesehenen Zusammensetzung hergestellt und nach 1, 3 und 7 Tagen mit einer Laborgrindingmaschine texturiert. Eine zweite Versuchsserie wurde nach 7, 14 und 28 Tagen mit gleichem Wellenbesatz (Grinding und Grooving) texturiert. Es wurden die Stellen, an denen grobe Gesteinskörnung aus der Oberfläche herausgelöst wurde, schwarz markiert und anschließend mit einer Auswertesoftware die Anzahl wie auch der Flächenanteil der herausgelösten groben Gesteinskörner erfasst. Parallel wurde zu den genannten Zeitpunkten die Druckfestigkeit des Betons bestimmt. Das Bild 11 zeigt die deutliche Abnahme der aus der Oberfläche herausgelösten Gesteinskörnung in Abhängigkeit des Betonalters zum Zeitpunkt des Grindings.

Bild 11: Laborversuch: Herausgelöste grobe Gesteinskörnung (schwarz markiert), Alter beim Grinding/Grooving von links nach rechts: 1 d, 3 d, 7 d 

Im Bild 12 ist die flächenbezogene Anzahl sowie die Druckfestigkeit zu den jeweiligen Texturierungszeitpunkten dargestellt. 

Bild 12: Flächenbezogene Anzahl der herausgelösten groben Gesteinskörnung sowie die Druckfestigkeit zu den jeweiligen Zeitpunkten 

Unter den hier gewählten Randbedingungen, wie Betonzusammensetzung und Texturgeometrie lag die herausgelöste Gesteinskörnung ab einer mittleren Druckfestigkeit des Betons von 40 N/mm² bei einem Minimum. Im Labor (20 °C) wurde diese Festigkeit nach 7 Tagen erreicht. Bei der anschließenden Untersuchung des Frost-Tausalz-Widerstands konnte unabhängig vom Grindingzeitpunkt keine erhöhte Abwitterung, die auf eine Schädigung des oberflächennahen Bereichs schließen lassen könnte, festgestellt. Für die Ausführung eines Standardgrindings bei Neubaustrecken wurde basierend auf den Laborversuchen und der bisherigen Praxiserfahrung festgelegt, dass das Grinding ausgeführt werden kann, wenn ein aus dem Oberbeton der Fahrbahndecke hergestellter Würfel (150 mm), der neben der Fahrbahndecke gelagert wird, eine Druckfestigkeit von 35 N/mm² aufweist. Für den Besatz der Grindingwelle werden wie oben beschrieben Segmentbreiten zwischen 2,4 und 2,8 mm mit einem Segmentabstand von 1,8 bis 2,2 mm verwendet. Hinsichtlich der Ausführung kann es sinnvoll sein, in einem ersten Arbeitsgang zunächst ein Ebenheitsgrinding durchzuführen. Anschließend erfolgt das Texturgrinding, bei dem vollflächig die gewünschte Textur eingeschnitten wird. Dabei ist die Schnitttiefe so zu wählen, dass die grobe Gesteinskörnung angeschnitten wird. Die Breite der einzelnen Grindingbahnen ist so anzulegen, dass alle daraus resultierenden Abstände der Überlappungsbereiche außerhalb fahrzeugtypischer Spurweiten liegen. Damit soll gewährleistet werden, dass die Fahrzeugreifen vorwiegend auf der Soll-Textur rollen. Zudem sind die Überlappungsbereiche gering zu halten. Das Bild 13 zeigt beispielhaft eine suboptimale Ausführung aus der Anfangszeit des Grindings, auf dem eine Überlappung zweier Grindingbahnen von rd. 3 cm vorliegt. 

Bild 13: Überlappung zweier Grindingbahnen (Quelle: Villaret Ingenieurgesellschaft) 

Nach dem Grinding kann zur Qualitätssicherung die Textur in regelmäßigen Abständen quer zur Fahrtrichtung mit einem Laserprofilometer messtechnisch erfasst werden (Bild 14).

Bild 14: Laserprofilometer zur Erfassung der Texturgeometrie (Quelle: IWS Messtechnik) 

Im Bild 15 sind auf diese Weise erhaltenen Profile zweier Grindingtexturen dargestellt. Das untere Profil zeigt ein inhomogeneres Profilbild, das aus einer unterschiedlichen Tiefe benachbarter Grindingrillen resultiert. Aus den unterschiedlichen Rillentiefen resultiert zudem ein inhomogeneres Brechen der Stege bzw. unterschiedliche Steghöhen, was aus akustischer Sicht als ungünstig anzusehen ist. 

Bild 15: Profile zweier Grindingtexturen (Quelle: IWS Messtechnik)

Unterschiedliche Rillentiefen werden von einer ungleichmäßigen Abnutzung der Segmente verursacht. Zur Sicherstellung der Texturhomogenität wird daher gefordert, dass die Höhendifferenz zweier benachbarter Rillen ≤ 3 mm betragen soll. Zur Sicherstellung der vorgesehenen Gebrauchseigenschaften der Grindingtextur werden derzeit weitere Parameter, die aus den Texturmessungen abgeleitet werden können, erarbeitet. 

5 Zusammenfassung und Ausblick

Grinding wird bisher in Deutschland hauptsächlich zur Verbesserung der Griffigkeit und der Ebenheit eingesetzt. Grindingtexturen können unabhängig von der Witterung prozesssicher und reproduzierbar hergestellt werden. Sie sind dauerhaft griffig und weisen ein Lärmminderungspotenzial auf, das bereits in der Standardausführung dem Waschbeton mindestens gleichwertig ist. Aufgrund der positiven Erfahrung werden Grindingtexturen zukünftig auch zur Herstellung von Neubaustrecken eingesetzt. Dabei wird zunächst das Standardgrinding berücksichtigt. Mit der geplanten Aufnahme des Grindings als Texturierungsmethode für Neubaustrecken soll neben dem Waschbeton eine weitere lärmmindernde Textur zur Verfügung stehen. Für die Herstellung dieser Texturen wurden und werden Parameter erarbeitet, mit denen die zielsichere Herstellung einer dauerhaft griffigen und lärmmindernden Textur sichergestellt wird. Grindingtexturen können mit Groovingtexturen kombiniert werden, was in Sonderfällen für eine dauerhafte Griffigkeit sinnvoll sein kann. Akustisch optimierte Texturen sind im Vergleich zu konventionellen Grindingtexturen feiner und haben folglich eine geringere Texturtiefe. Sie weisen ein hohes zusätzliches Lärmminderungspotenzial auf. Die Dauerhaftigkeit dieser Texturen ist noch Gegenstand aktueller Untersuchungen. 

Literaturverzeichnis

Villaret, S.; Beckenbauer, Th.; Schmidt, J.; Pichottka, S.; Alte- Teigeler, R.; Frohböse, B.; A l b e r, S. (2011): Forschungsvorhaben FE 08.0210/2010/ORB: Untersuchung der lärmtechnischen Eigenschaften von Betonfahrbahndecken mit Grinding-Oberflächen, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, Schlussbericht

Villaret, S.; Altreuther, B.; Beckenbauer, Th.; Frohböse, B.; Skarabis, J. (2013): Forschungsvorhaben FE 08.0211/2011/OGB: Akustische Optimierung von Betonoberflächen durch Texturierung des Festbetons mit verbesserten Grinding-Verfahren, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, Schlussbericht

Villaret, S.; Alte-Teigeler, R.; Altreuther, B.; Beckenbauer, Th.; Frohböse, B.; Gehlen, C.; O e s e r, M.; S k a r a b i s, J.; Tu l k e, R.; U e c k e r m a n n, A.; Wang, D. (2017): Forschungsvorhaben FE 08.0220/2012/ORB: Dauerhafte Betondecken – Optimierung der Fahrbahnoberfläche durch Texturierung mittels Grinding-Verfahren, Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, Schlussbericht

S k a r a b i s, J. (2013): Betonstraßenbau im Ausland – Bericht des Preisträgers 2011: Grinding und Grooving in den USA, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Tagungsband der Betonstraßentagung (FGSV B 31)

Va n h o o r e w e d e r, De Winne; S c h e e r s, A.; R e n s, L.; B e e l d e n s, A. (2018): Next Generation Concrete Surface (NGCS). Finally a Quiet and Sustainable Road Pavement?, 13th International Symposium on Concrete Roads

v a n K e u l e n, W.; Ve n n i x, H. J. (2018): Noise Measurements on a New Generation Concrete Surface and an Optimized Exposed Aggregate in the Netherlands, 13th International Symposium on Concrete Roads