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 1 Einleitung

Unbewehrte Betonfahrbahndecken werden zur Vermeidung von wilden Rissen mit Fugen hergestellt. Das Langzeitverhalten respektive die Dauerhaftigkeit einer Betonfahrbahndecke werden durch eine wirksame Abdichtung dieser Fugen maßgebend beeinflusst. Fugenabdichtungen verhindern das Eindringen von Schmutz, Oberflächenwasser und Schadstoffen in den Unterbau und sind während der Nutzung einer Vielzahl von Beanspruchungen ausgesetzt, aus denen sich erhöhte Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Gesamtsystems „Fuge“ ableiten. Neben jahreszeitlich schwankenden klimatischen Einflüssen spielen zyklische Beanspruchungen aus dem überrollenden Verkehr sowie die Alterung der Fugenmassen eine maßgebliche Rolle. Somit sind Fugenabdichtungen bzw. deren dauerhafte Wirksamkeit entscheidend für die Lebenszykluskosten einer Betonfahrbahndecke.

In den letzten Jahren sind vermehrt Schäden an Fugenabdichtungen von Betonfahrbahndecken festgestellt worden. Die vorgefundenen Mängel in Form von Undichtigkeiten durch Ablösungen der Fugenmasse von den Fugenflanken (Bilder 1 und 2) bzw. Reißen des Fugenfüllstoffes selbst, wurden insbesondere bei heiß verarbeitbaren Fugenmassen des Typs N2 beobachtet. Die Schäden wurden sowohl bei der turnusmäßigen Fugenpflege und grundhaften Instandsetzung von Bestandsstrecken als auch bei der Fugenabdichtung in Neubaustrecken festgestellt. Aufgrund der meist über ganze Lose hinweg aufgetretenen Schäden konnte abgeleitet werden, dass diese weniger auf eine einzige Unzulänglichkeit wie beispielsweise Einbaufehler, sondern vielmehr auf systembedingte Ursachen zurückzuführen sind.

Bild 1: Schadhafte Fugenabdichtung mit Grünbewuchs

Bild 2: Ablösung der Fugenmasse von den Fugenflanken

Nach den derzeitigen Regeln, insbesondere den „Zusätzlichen Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugenfüllungen in Verkehrsflächen“ (ZTV Fug-StB 15), den „Technischen Prüfvorschriften für Fugenfüllstoffe in Verkehrsflächen“ (TP Fug-StB 15) und den „Technischen Lieferbedingungen für Fugenfüllstoffe in Verkehrsflächen“ (TL Fug-StB 15) werden hinsichtlich einer wirksamen Fugenabdichtung der Fugenfüllstoff und das Voranstrichmittel (Primer) lediglich separaten Überprüfungen unterzogen. Das Gesamtsystem „Fuge“ mit seinen geschnittenen Betonfugenflanken, dem Voranstrichmittel und dem Fugenfüllstoff wird ganzheitlich bislang nicht untersucht. Darüber hinaus werden auch nicht alle wesentlichen Beanspruchungen, die auf ein Fugenfüllsystem in situ einwirken, in den Laborprüfungen realitätsnah erfasst.

Ziel eines umfangreichen Forschungsprojekts war es zum einen die Ursachen für die derzeitigen Probleme mit heiß verarbeitbaren Fugenmassen zu eruieren, und zum anderen unter wissenschaftlichen Ansätzen ein kombiniertes Prüfverfahren zu entwickeln, mit dem Fugenfüllsysteme ganzheitlich unter Berücksichtigung der maßgebenden Einwirkungen bewertet werden können. Durch eine solche technisch ganzheitliche Bewertung des Fugensystems soll ermöglicht werden, Fugen in Zukunft wesentlich dauerhafter zu planen und auszuführen, damit die Betonbauweise für Fahrbahndecken robuster und wirtschaftlicher wird.

2 Experimentelle Untersuchungen

2.1 Entwicklung eines Prüf- und Alterungsverfahrens

Für die Entwicklung eines geeigneten Prüfverfahrens, in das auch adäquate beschleunigte Alterungsszenarien integriert sind, wurden zunächst Parameterstudien durchgeführt, in denen insgesamt fünf heiß- und zwei kalt-verarbeitbare Fugenmassen einbezogen wurden. Von den heiß-verarbeitbaren Fugenmassen wurden vorab rheologische sowie weitere physikalische Kenngrößen bestimmt. Weiterhin standen gezielte Laboruntersuchungen zum Alterungsverhalten sowie möglicher Schadensmechanismen am gesamten Fugensystem im Fokus der Untersuchungen.

An drei repräsentativen Streckenabschnitten (BAB A 2, BAB A 40 und BAB A 48) wurden neben einer detaillierten Erfassung des Fugenzustands Bohrkerne und Ausbauproben aus Fugenbereichen für weitergehende Laboruntersuchungen entnommen. Die Verknüpfung der einerseits an Laborproben und andererseits an in-situ Proben ermittelten Ergebnisse bildete die Grundlage für die Entwicklung eines adäquaten kombinierten Prüfverfahrens.

In das zu entwickelnde ganzheitliche Prüfverfahren waren sowohl vertikale als auch die horizontalen Fugenbewegungen zu implementieren. Um beide Beanspruchungen (Zug/Druck und Schub) in einem Versuch simulieren zu können, wurde ein Versuchskörper gewählt, bei dem die Fuge unter einem Winkel von etwa 70° gegenüber der Vertikalen geneigt ist (Bild 3).

Bild 3: Systemprüfkörper für statische und zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche

An Systemprüfkörpern, die sowohl im Labor hergestellt als auch aus Bohrkernen aus Betonfahrbahndecken gewonnen werden können, sind statische wie auch zyklische Druck-/Zug/ Scherversuche verformungsgesteuert durchführbar (Bild 4).

Bild 4: Systemskizze des Mehrfachprüfstandes für statische und zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche

In die zyklischen Versuche werden Frequenzen zwischen 5 x 10-5 Hz und 5 Hz einbezogen, um sowohl langzeitliche, niederfrequente Temperaturänderungen als auch kurzfristige, hochfrequente Verkehrsbeanspruchungen zu berücksichtigen. Diese Untersuchungen werden sowohl bei Temperaturen von -20° C, +20° C als auch +60° C durchgeführt.

Darüber hinaus werden in einzelnen Versuchen die Fugenmassen künstlich gealtert. Unter Berücksichtigung der maßgeblichen Alterungsfaktoren auf das Gesamtsystem „Fuge“, wurde ein beschleunigtes Alterungsverfahren entwickelt, mit dem ein Teil der im Labor hergestellten Systemprüfkörper künstlich gealtert wurden. Dieses labormäßige Alterungsszenario, bestehend aus Druck- und Temperaturbeanspruchung (PAV-Konditionierung), UV- sowie Frost-Tauwechselbeanspruchung (CDF), bildet die maßgebenden in-situ relevanten Alterungseinflüsse weitgehend realitätsnah ab (Tabelle 1).

Tabelle 1: Übersicht über die Randbedingungen und die Reihenfolge der künstlichen Alterung:

2.2 Untersuchungsergebnisse

Für die schwerpunktmäßig durchgeführten statischen Zug-/Scherversuche und zyklischen Druck-/Zug-/Scherversuche erwies sich bei den heiß verarbeitbaren Fugenmassen eine Prüftemperatur von -20 °C am aussagekräftigsten, da bei dieser infolge des thermoplastischen Materialverhaltens die Steifigkeit und somit auch die Beanspruchung zunehmen und zwischen verschiedenen Materialien eine hinreichende Differenzierung ermöglicht wird.

Der Vergleich der Untersuchungsergebnisse an nicht-gealterten Referenz- und an künstlich gealterten Proben (REF, V1) ergab, dass die herkömmlichen heiß verarbeitbaren Fugenmassennach der künstlichen Alterung bei deutlich reduziertem Dehnvermögen erheblich höhere Maximalspannungen aufbauten (Bild 5). Hingegen wurde bei einer modifizierten Variante dieser Fugenmasse vom Typ N2+ (FM6) auch bei tiefer Prüftemperatur ein deutlich besseres Spannungs-Dehnungsverhalten offensichtlich. Für die kalt verarbeitbaren Fugenmassen (FM5 und FM7) erwies sich die künstliche Alterung respektive die darin enthaltene Druck- und Temperaturbeanspruchung (PAV-Konditionierung), die primär für bitumenhaltige Bindemittel aus- gelegt ist, als weniger zweckmäßiges Verfahren. Dies äußerte sich durch erheblich niedrigere Spannungen in den gealterten Proben gegenüber den nicht gealterten Referenzproben (vgl. Bild 6). Als Ursache wird hier die Aufspaltung der chemisch vernetzten Polymere in kürzere Polymere oder Monomere bedingt durch die Druck- und Temperaturbeaufschlagung vermutet. Dementsprechend ist das künstliche alterungsverfahren für kalt verarbeitbare Fugenmassen entsprechend zu modifizieren.

Das versteifende Verhalten der heiß verarbeitbaren Fugenmassen infolge beschleunigter Alterung unter Druck- und Temperaturbeanspruchung (PAV-Konditionierung) wurde zudem auch durch entsprechende Veränderungen der im dynamischen Scherrheometer ermittelten Phasenwinkeln und komplexen Schermoduln belegt (Bilder 7 und 8).

Bild 5: Spannungsentwicklung der heiß verarbeitbaren Fugenmassen FM1 (Typ N1), FM2-4 (Typ N2) und FM6 (Typ N2+) REF und V1 im stat. Zug-/Scherversuch bei -20 °C

Bild 6: Spannungsentwicklung der kalt verarbeitbaren Fugenmasse FM5 (Klasse 25) und FM7 (Klasse 35) REF und V1 im stat. Zug-/Scherversuch bei -20 °C

Bild 7: Komplexer Schermodul und Phasenwinkel bei 0,1 Hz

Bild 8: Rheologische Kenngrößen nach der PAV-Konditionierung (0,1 Hz)

Zyklische Beanspruchungen führten bei der N1-Fugenmasse (FM1) nach der künstlichen Alterung im Druck-/Zug-/Scherversuch zwar zu keiner Erhöhung der Maximalspannung, jedoch zu einer weiteren Reduzierung des Dehnvermögens (Bild 9). Bei den Fugenmassen vom Typ N2 bewirkte die zusätzliche zyklische Beanspruchung nach künstlicher Alterung hingegen einen mehr oder weniger großen Anstieg in der Maximalspannung. Am wenigsten beeinflusst wurde unter diesen Randbedingungen die modifizierte heiß verarbeitbare Fugenmasse vom Typ N2+ (FM6), was die Effizienz dieser Modifikation deutlich unterstreicht.

Da sich die hier gewählte künstliche Alterung unter Druck- und Temperaturbeanspruchung (PAV-Konditionierung) für die kalt verarbeitbaren Fugenmassen als wenig geeignet erwiesen hat, wurden für diese Fugenmassen (FM7) weitere statische Zug-/Scherversuche sowie zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche lediglich orientierend ohne die PAV-Konditionierung vorgenommen. Wie sich dabei zeigte, haben sich die verbleibenden Alterungsschritte (UV- und Frost-Tauwechselbeanspruchung (CDF)) praktisch nicht auf das Spannungs-Verformungsverhalten dieser kalt verarbeitbaren Fugenmasse ausgewirkt (Bild 10).

Bild 9: Spannungsentwicklung der heiß verarbeitbaren Fugenmassen FM1 (Typ N1), FM2-4 (Typ N2) und FM6 (Typ N2+) V1 und V1 zykl. bei -20 °C

Bild 10: Spannungsentwicklung der kalt verarbeitbaren Fugenmasse FM7 (Klasse 35) V1 und V1 zykl. bei -20 °C

2.3 Validierungen der Untersuchungsergebnisse

Zur Validierung des entwickelten Laborprüfverfahrens wurden auf der BAB A 23 in vier verschiedenen Testfeldern unterschiedliche Fugenmassen und Vorbereitungsmaßnahmen, die auch in die Laboruntersuchungen einbezogen waren, eingebaut und somit üblichen Praxisbedingungen ausgesetzt. Diese vier Varianten unterschieden sich zum einen in Art der Vorbehandlung der Fugenflanken – Ausbürsten der Fugen bzw. Nachschneiden und Ausbürsten der Fugenflanken – und zum anderen in den verwendeten Fugenmassen (eine heiß verarbeitbare Fugenmasse (FM6) und eine kalt verarbeitbare Fugenmasse (FM7)). Neben der Begleitung der Instandsetzungsmaßnahme selbst wurde in jedem Testfeld ein Validierungsabschnitt mit einer Länge von jeweils 300 m bzw. 500 m über 21 Monate intensiv beobachtet. In diesen Validierungsabschnitten wurden an jeweils 10 Fugen Messmarken zur Erfassung der Änderung in den Fugenspaltbreiten sowie in jedem Testfeld ein Thermoelement installiert. Zwischen den jeweils gemessenen Temperaturen und den zugehörigen Fugenbreiten (Querscheinfugen) konnte eine gute lineare Korrelation festgestellt werden (Bild 11).

Gleichzeitig wurde bei den vor-Ort-Untersuchungen die Dichtheit der Fugenfüllsysteme mit einer Vakuum-Saugglocke überprüft und anhand semi-quantitativer Kriterien bewertet. Dabei konnten innerhalb des Beobachtungszeitraums von 21 Monaten keine Veränderungen der Dichtheit festgestellt werden.

Zur eigentlichen Validierung des entwickelten Prüfverfahrens wurden darüber hinaus nach 12 Monaten Bohrkerne aus den Fugenbereichen entnommen und den einschlägigen Laborprüfungen unterzogen. Bei der modifizierten heiß verarbeitbaren Fugenmasse vom Typ N2+ (FM6) zeigte sich im dynamischen Scherrheometer ein lediglich leicht erhöhter komplexen Schermodul. Eine signifikante Veränderung des visko-elastischen Materialverhaltens, definiert durch eine Veränderung des Phasenwinkels, konnte dabei nicht festgestellt werden.Gleiches gilt für die statischen und zyklischen Druck-/Zug-/Scherversuche an den ausgebauten Proben.

Diese konnte auch in den Systemprüfungen an originären Proben aus der Strecke bestätigt werden, da diese bei 20 °C sogar ein größeres Dehnvermögen als die nicht gealterten Referenzproben aufwiesen (Bild 12).

Bei den ausgebauten Systemproben konnte insbesondere bei der kalt verarbeitbaren Fugenmasse nebenbei ein positiver Einfluss des zusätzlichen Nachschneidens der Fugenflanken (und anschließendem Ausbürsten – A23 T1.2) bei der Instandsetzung auf das Adhäsionsverhalten zwischen Fugenmasse und Fugenflanke festgestellt werden (Bild 13).

Bild 11: Lineare Abhängigkeit zwischen der Oberflächentemperatur und der Änderung der Fugenspaltbreite in %

Bild 12: Spannungsentwicklung der originären Systemprüfkörper der A23 und der Laborprüfkörpern der heiß verarbeitbaren Fugenmasse FM6 (Typ N2+) im statischen Zug-/Scherversuch bei -20 °C

Bild 13: Spannungsentwicklung der originären Systemprüfkörper der A23 und der Laborprüfkörpern der kalt verarbeitbaren Fugenmasse FM7 (Klasse 35) im statischen Zug-/ Scherversuch bei -20 °C

2.4 Bewertungsansatz

Unter Einbeziehung der Systemprüfungen an Labor- und in-situ-Proben wurde ein erster Bewertungsansatz entwickelt, mit dem anhand wissenschaftlich orientierter Kenn- und Grenzwerte Fugenmassen im originären Referenzzustand ebenso wie im künstlich gealterten Zustand bewertet werden können (Prüftemperatur: -20°C). Als charakteristischer Kennwert wurde die Dehnung bei 80 % der Maximalspannung im abfallenden Belastungsast (ε80,kA, ε80,Ref) bestimmt.

Für eine Kategorisierung wurden des Weiteren Ergebnisse von Systemprüfungen an Ausbauproben einer heiß verarbeitbaren Fugenmasse vom Typ N2 (FM2) aus repräsentativen Streckenabschnitten der BAB A48 (Nutzungsdauer 1,5 Jahre) und BAB A2 (Nutzungsdauer 3 Jahre) herangezogen. Der Vergleich der statischen Zug-/Scherversuche der im Labor hergestellten Systemprüfkörper ohne und mit künstlicher Alterung (REF und V1) mit den originären Systemprüfkörpern der repräsentativen Streckenabschnitte (A48 und A2) zeigt, dass sich die Spannungs-Dehnungsverläufe der originären Systemprüfkörper mit steigender Nutzungsdauer den der künstlich gealterten Systemprüfkörpern (V1) tendenziell annähern (Bild 14). Wie aus Bild 15 zu entnehmen ist, konnte weiterhin mit zunehmendem Alter der Fugenmassen eine stetige Abnahme der charakteristischen Dehnung (ε80) festgestellt werden. Unter Annahme einer exponentiell verlaufenden Alterung von heiß verarbeitbaren Fugenmassen konnte für die künstliche Laboralterung (V1) ein simulierter Nutzungszeitraum von etwa 6 Jahren mit einem Bestimmtheitsmaß R = 0,9976 ermittelt werden.

Bild 14: Spannungsentwicklung der originären Systemprüfkörper der BAB A 48, der BAB A 2 und der Laborprüfkörper (REF, V1) der heiß verarbeitbaren Fugenmasse vom Typ N2 (FM2) bei 20°C

Bild 15: Ermittlung der simulierten Nutzungsdauer durch die künstliche Laboralterung der heiß verarbeitbaren Fugenmasse des Typs N2 im statischen Zug-/Scherversuch bei -20 °C

4 Ausblick

In Zukunft sollen heiß verarbeitbare Fugenmassen über einen quantitativen Bewertungsansatz auf Grundlage von wissenschaftlich abgeleiteten Grenzwerten aus in-situ-Untersuchungen sowohl im nicht gealterten Referenzzustand als auch im künstlich gealterten Zustand ganzheitliche bewertet werden können. In Bezug auf die Dauerhaftigkeit von eingebauten Fugenmassen haben sowohl die in diversen Laboruntersuchungen ermittelten Spannungsentwicklungen als auch der daraus entwickelte Bewertungsansatz für die heiß verarbeitbaren Fugenmassen gezeigt, dass deren Alterungsverhalten das Gesamtsystem „Fuge“ maßgeblich beeinflusst und dieser Parameter daher zwingend im Gesamtsystem zu berücksichtigen ist. Für kalt verarbeitbare Fugenmassen ist das Verfahren zur künstlichen Alterung noch zu modifizieren (z. B. durch Wegfall der PAV-Konditionierung), bevor auch für diese Fugenmassen entsprechende Bewertungskriterien festgelegt werden können.

Auf die in den letzten Jahren an heiß verarbeitbaren Fugenmassen des Typs N2 festgestellten Mängel hin wurden diese Fugenmassen von den einschlägigen Herstellern weiterentwickelt. Diese Modifikationen (Typ N2+) führten in den Systemuntersuchungen sowohl hinsichtlich des Dehnvermögens als auch hinsichtlich Alterung bereits zu erheblich verbessertem Verhalten. Resümierend lässt sich festhalten, dass mit dem in diesem Forschungsprojekt entwickelten Prüfverfahren heiß verarbeitbare Fugenmassen unter Einbeziehung einer künstlichen Laboralterung ganzheitlich charakterisiert und bewertet werden können.

5 Danksagung

Diesem Vortrag liegen Teile des im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt von für Straßenwesen, unter FM 08.0228/2013/ BRB laufenden Forschungsvorhaben zugrunde. Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein beim Autor.

References

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) (2015): ZTV Fug-StB 15 – Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugen in Verkehrsflächen. 2015 (897/1)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) (2015): TP Fug-StB 15 – Technische Prüfvorschriften für Fugenfüllstoffe in Verkehrsflächen. 2015 (FGSV 897/3)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) (2015): TL Fug-StB 15 – Technische Lieferbedingungen für Fugenfüllstoffe in Verkehrsflächen. 2015 (FGSV 897/2)