In unbewehrten Betonfahrbahndecken, wie sie in Deutschland Standard sind, sind Fugen einschließlich deren Abdichtung unabdingbarer Bestandteil der Konstruktion. Gleichzeitig muss von der Fugenabdichtung eine entsprechende Dauerhaftigkeit erwartet werden, wenngleich diese Abdichtung im Laufe der Nutzungsdauer einer Betonfahrbahndecke im Abstand von etwa 7 bis 10 Jahren mehrfach erneuert werden muss. Die Dauerhaftigkeit der Fugensysteme ist somit ein entscheidendes Element für die Lebenszykluskosten einer Betonfahrbahndecke. In den letzten Jahren wurden vermehrt Schäden an Fugenabdichtungen von Betonfahrbahndecken, insbesondere bei heiß verarbeitbaren Fugenmassen (N2) beobachtet. Diese zeigten sich oftmals innerhalb von ein bis zwei Jahren in Form von Ablösungen der Fugenmasse von den Fugenflanken bzw. Reißen des Fugenfüllstoffes selbst und zwar sowohl bei der Fugenabdichtung in Neubaustrecken als auch bei der turnusmäßigen Fugenpflege/-erneuerung in Bestandsstrecken. Nach den derzeitigen Regelwerken werden entsprechende Anforderungen lediglich getrennt an den Fugenfüllstoff und das Voranstrichmittel gestellt bzw. die entsprechenden Nachweise separat geführt. Eine Bewertung des Gesamtsystems ,,Fuge" mit seinen geschnittenen Betonfugenflanken, dem Voranstrich und dem Fugenfüllstoff erfolgt bislang nicht. Darüber hinaus werden bei den einschlägigen Laborprüfungen nicht alle in Betonfahrbahnen relevante Beanspruchungen realitätsnah einbezogen. Vor diesem Hintergrund werden derzeit in einem umfangreichen, von der BASt geförderten Forschungsprojekt zum einen die maßgebenden Ursachen für die derzeitigen Probleme mit Fugenvergusssystemen eruiert, zum anderen unter wissenschaftlichen Ansätzen ein kombiniertes Prüfverfahren entwickelt, mit dem Fugenfüllsysteme ganzheitlich unter Berücksichtigung der maßgebenden Einwirkungen überprüft werden können. Dazu werden zunächst die maßgebenden Beanspruchungen in Fugen (infolge thermischer und hygrischer Verformungen unter Berücksichtigung von Fugenspaltbreiten, -abständen usw. sowie unter Verkehrsbeanspruchungen) quantifiziert. Kernpunkt sind zum einen die reale Abbildung von diesen in einer kombinierten Zug-/Scherprüfung sowohl unter statischen als auch dynamischen Randbedingungen. Des Weiteren stehen rheologische Untersuchungen an bituminösen Fugenmassen zu deren Charakterisierung im Fokus. Durch eine solche ganzheitliche Bewertung soll es ermöglicht werden, Fugen in Zukunft wesentlich dauerhafter zu planen und auszuführen und damit die Betonbauweise für Fahrbahndecken insgesamt wieder robuster und wirtschaftlicher zu gestalten.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

In Deutschland sind Betonfahrbahndecken in aller Regel unbewehrt ausgebildet. Diese können als mehr oder weniger endlos lange Platten betrachtet werden. Um eine wilde Rissbildung infolge von unvermeidbaren Zwangsspannungen zu vermeiden, sind Fugen unabdingbar. Hierzu werden in einem vergleichsweise engen Raster frühzeitig Scheinfugen geschnitten, die dann über den Rest der Plattendicke durchreißen sollen. Raumfugen kommen hingegen nur in Sonderfällen vor.

Fugen, unabhängig ob Schein- oder Raumfugen, sind zwingend abzudichten. Falls dies nicht gegeben ist, kann Wasser in diese eindringen und z. B. im Unterbau durch entsprechende Pumpeffekte zu Ausspülungen von Feinstteilen und in Folge zu Hohllagen und letztendlich zu Eckabbrüchen führen (Bild 1). Des Weiteren können durch undichte Fugen auch gelöste Salze in die Konstruktion eindringen, was beispielsweise eine schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Fugenbereich nachhaltig forciert, soweit die entsprechenden Randbedingungen vorliegen (Bild 2).

Bild 1: Eckabbrüche infolge Ausspülungen im Unterbau

Bild 2: Intensive AKR im Fugenbereich

Die Abdichtung der Fugen erfolgt in aller Regel durch bituminösen Heißverguss oder Kaltverguss auf 2-Komponenten-Basis, vereinzelt werden auch Fugenprofile eingesetzt. Die Dauerhaftigkeit solcher Fugenabdichtungen ist in der Regel deutlich geringer als jene der Betondecke. Fugen sind als vergleichsweise wartungsintensive Teile der Betonfahrbahn zu sehen. Sie sind regelmäßig zu inspizieren, inwieweit sie noch intakt sind und ihre Funktion vollumfänglich erfüllen. Die Fugenabdichtung ist als Verschleißteil zu sehen, sie werden etwa alle 5 bis 10 Jahre grunderneuert.

2 Aktuelle Probleme bei Fugen

In letzter Zeit haben sich verstärkt Probleme, insbesondere mit Heißvergussmassen (N2) gezeigt. Vielfach wird bereits wenige Jahre nach dem Vergießen der Fugen von Ablösungen der Vergussmassen von den Fugenflanken oder deren Aufreißen berichtet. Charakteristisch für diese Schäden ist, dass
- ­ ­ ­ ­ ­ diese praktisch ausnahmslos bei heißverarbeitbaren Fugenmassen festgestellt werden,

- sich diese sowohl in Scheinfugen als auch in Raumfugen finden,

- auch vergleichsweise unbelastete Bereiche (z. B. Standstreifen) betroffen sind,

- diese Erscheinungen sich über ganze Lose hinweg erstrecken,

- solche Schäden sowohl bei Fugenerneuerungen als auch bei Neubauten festgestellt werden,

- diese Schäden bereits oft nach 1 bis 3 Jahren zu beobachten sind, und

- sich die gleichen Schadensbilder oftmals schon nach bereits kurzer Zeit in nachgebesserten Fugen erneut zeigen.

Als potenzielle Ursachen werden in den laufenden Diskussionen mehrere Aspekte angeführt, z. B., dass sich sowohl die Fugenmassen als auch die Voranstrichmittel in den letzten Jahren verändert haben, möglicherweise die Fugenschneidtechnik Veränderungen erfahren hat und auch die Betone, insbesondere hinsichtlich der verwendeten Zemente und Zusammensetzungen, Variationen erfahren haben. Darüber hinaus sind durchaus weitere Ursachen möglich.

Bislang werden Fugenfüllstoffe und Voranstrichmittel jeweils separat überprüft. Die Regelungen hierfür sind in den ZTV Fug-StB, TL Fug-StB und in DIN EN 14188 dargelegt. Dabei stellt sich die Frage, inwieweit bei diesen Prüfungen alle für ein Fugenfüllsystem in einer Betonfahrbahndecke relevanten Eigenschaften realitätsnah erfasst werden. Das Gesamtsystem ,,Fuge", das heißt der Betonuntergrund, die Fugenflanken, der Voranstrich und letztendlich die Fugenmasse wird bislang nicht ganzheitlich überprüft, dementsprechend sind auch keine vollumfänglichen Regelungen festgeschrieben. Um den derzeitigen Problemen etwas näher auf die Spur zu kommen, wird derzeit in einem von der Bundesanstalt für Straßenwesen in Auftrag gegebenen Forschungsprojekt an der Ruhr-Universität Bochum ein Prüfverfahren entwickelt, mit dem Fugensysteme und letztendlich deren Dauerhaftigkeit ganzheitlich untersucht und bewertet werden können. Dabei sind alle maßgebenden Einflüsse und Beanspruchungen auf ein Fugenfüllsystem einzubeziehen. Gleichzeitig sollen in diesen Studien die maßgeblichen Parameter auf die Dauerhaftigkeit der Fugensysteme herausgefiltert werden.

3 Beanspruchungen in Fugen

An äußeren Einwirkungen auf das Fugenfüllsystem sind neben den mechanischen/zyklischen Verkehrsbeanspruchungen insbesondere thermische und hygrische Verformungen zu nennen. Darüber hinaus können unterschiedliche Witterungseinflüsse durch Alterung zu einer Veränderung der Materialeigenschaften führen. Nicht zuletzt wird die Beanspruchung des Fugenfüllsystems auch durch die Fugengeometrie und die Fugenausbildung maßgeblich bestimmt. Dabei ist zu differenzieren, ob in der Fuge Dübel angeordnet sind, die eine horizontale Verformung zulassen, oder ob Letztere durch Anker behindert werden.

Von maßgeblicher Bedeutung für die Beanspruchung des Fugenfüllsystems sind die Temperaturverhältnisse beim Fugenschnitt und anschließendem Einbau des Fugendichtstoffes. Werden die Fugen einer Betondecke im Winter bei etwa 5 °C geschnitten und erfolgt bei dieser Temperatur auch der Fugenverguss, so kann sich die Fuge nach dem Reißen bei entsprechender Erwärmung im nächsten Sommer nur minimal schließen. Die Folge sind entsprechende Druckspannungen im unteren Bereich der Fuge (Bild 3). Erfolgen umgekehrt der Fugenschnitt und -verguss im Sommer, reißt die Fuge auch bei entsprechend hoher Temperatur. Die Abkühlung im nächsten Winter führt dann zu einem Öffnen der Fuge (Bild 3). Dementsprechend erfährt das Fugenvergusssystem erhebliche Dehnungen.

Bild 3: Beanspruchung des Fugenvergusssystems bei unterschiedlichen Vergusstemperaturen

Nach den derzeitigen Regelwerken müssen Fugenvergussmassen des Typs N2 sowohl positive als auch negative Verformungen bis zu
25 % aufnehmen können. Bei Dehnungen bzw. Stauchungen über diese Grenzwerte hinaus ist somit unter Umständen bereits mit Schäden zu rechnen. Wie im Bild 4 ersichtlich, werden diese Grenzdehnungen von 25 % in 8 mm breiten Fugen bei Plattenlängen von 5 m eingehalten, wenn der Fugenschnitt bzw. der Fugenverguss bei Temperaturen zwischen 5 und 25 °C erfolgt. Allerdings sind hierbei hygrische Verformungen noch nicht berücksichtigt. Zählt man die Schwindverformungen hinzu, wird rasch klar, dass selbst bei einer Vergusstemperatur von 15 °C im anschließenden Winter bei Temperaturen unter etwa 5 °C Dehnungen in der Fugenmasse bereits den Grenzwert von 25 % überschreiten.

Bild 4: Dehnungen in 8 mm breiten Fugen von 5 m langen Platten bei verschiedenen Vergusstemperaturen

Stellt man dieselbe Betrachtung für unterschiedliche Fugenspaltbreiten zwischen 8 und 12 mm an, so zeigt sich, dass ­ wie zu erwarten ­ mit zunehmender Fugenspaltbreite das Problem einer Überdehnung der Fugenmasse entschärft werden kann (Bild 5). Andererseits sind sehr breite Fugen jedoch anfälliger gegenüber Kantenabplatzungen und führen zu erhöhten Lärmemissionen.

Bild 5: Dehnungen in unterschiedlich breiten Fugen von 5 m langen Platten bei einer Vergusstemperatur von 25 °C

Bei den bisher hier angestellten Betrachtungen zu Fugenbewegungen wurde stets davon ausgegangen, dass jede Scheinfuge auch tatsächlich nach unten durchreißt. In Wirklichkeit findet man oftmals ein sogenanntes Paketreißen, bei dem nur etwa jede zweite oder dritte Scheinfuge gerissen ist. Dadurch sind die für die Fugenverformung maßgeblichen Plattenlängen dann nicht mehr 5 m, sondern schlagen mit 10 m oder 15 m oder eventuell sogar noch mehr zu Buche. Betrachtet man allein die thermischen Fugendehnungen in einer 8 mm breiten Fuge, die bei 25 °C vergossen wurde (Bild 6), so wird rasch offensichtlich, dass bei 2 bzw. 3 zusammenhängenden Platten die Grenzdehnung von 25 % von den Fugenmassen sehr schnell überschritten wird.

Bild 6: Dehnungen in 8 mm breiten Fugen von unterschiedlich langen Platten (infolge ,,Paketreißen") bei einer Vergusstemperatur von
25 °C

Im Bild 7 ist das Ergebnis von Messungen der Fugenspaltbreiten an einer etwa 11 Jahre alten Betondecke dargestellt. Dabei wurde zwischen einer Messung im Winterhalbjahr bei etwa 3 °C und einer folgenden Messung im Sommer bei ca. 25 °C je nach Fugenspaltbreite eine Dehnung zwischen 5,7 und 8,5 % gemessen. Rechnerisch ergeben sich allerdings höhere Dehnungen zwischen etwa 10 und 20 %. Es muss daher davon ausgegangen werden, dass die Fugen sich in situ nicht komplett schließen konnten, z. B. weil der Fugenschluss durch Verschmutzungen behindert wurde oder die Fuge in der kalten Jahreszeit geschnitten und vergossen wurde (vgl. Bild 3).

Bild 7: In situ-Änderungen der Fugenspaltbreite zwischen einer Temperatur von etwa 3 °C und 25 °C

Neben solchen Horizontalbewegungen, die nach ZTV Fug-StB 3 mm nicht überschreiten sollen, können in den Fugen infolge Verkehrsbelastung auch vertikale Verschiebungen auftreten. Bei einer Wirksamkeit der Dübel von 80 % können sich vertikale Verschiebungen von ca. 0,1 mm einstellen. Dementsprechend wird der Fugenverguss in seiner Flanke mit Scherspannungen beansprucht.

4 Aktuelles Forschungsprojekt

In das im bereits genannten Forschungsprojekt zu entwickelnde ganzheitliche Prüfverfahren sind 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 8).

Bild 8: Versuchskörper für kombinierte Zug/Druck und Schubbeanspruchungen

Mit dieser Versuchseinrichtung werden derzeit sowohl statische als auch zyklische Zug/Druckund Scherversuche verformungsgesteuert durchgeführt. 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 durch UV-Strahlung, Temperaturbeanspruchung sowie Frost- und Tausalzeinwirkung künstlich gealtert.

Im Bild 9 sind die sich in einem solchen statischen Zug-/Scherversuch bei einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm/min und einer Prüftemperatur von + 20 °C einstellenden Spannungen für vier verschiedene heiß verarbeitbare Fugenmassen dargestellt. Wie daraus ersichtlich ist, bauen sich in den vier Fugenmassen trotz gleicher Versuchsbedingungen sehr unterschiedliche Spannungen auf. Während sich in Fugenmasse 4 auch bei sehr großen Dehnungen (bis 300 %) vergleichsweise geringe Spannungen einstellen, war bei Fugenmasse 3 bereits bei einer Dehnung von etwa 30 % die maximale Spannung erreicht. Bei nur geringfügig größerer Dehnung löste sich die Fugenmasse bereits mehr oder weniger vollständig von den Fugenflanken ab.

Im selben Versuch bei - 20 °C und entsprechend angepassten langsamerer Prüfgeschwindigkeit von 0,1 mm/min (Bild 10) zeigten sich ebenfalls Unterschiede im Spannungsaufbau der vier Fugenmassen. Die Spannungsentwicklung wurde hier nur bis zu einer Dehnung von 50 % verfolgt. Wie in etwa zu erwarten, bauten sich bei dieser niedrigen Prüftemperatur um das ca. 40fache höhere Spannungen auf als bei einer Prüftemperatur von + 20 °C.

In unseren Breiten werden Fugenmassen in Betonfahrbahndecken im Winter auch durch Frost und Taumitteleinwirkung beansprucht. Um auch diese Beanspruchung in den Versuchen mit abbilden zu können, wurden entsprechende Probekörper in Anlehnung an das CDF-Prüfverfahren Frosttauzyklen unter gleichzeitiger Einwirkung einer 3%-igen NaCl-Lösung ausgesetzt (Bild 11). Die Probekörper wurden dabei so in den Prüfbehälter eingelagert, dass die Tausalzlösung in die Fuge eindringen konnte.

Bild 9: Spannungsentwicklung im statischen Zug-/Scherversuch bei + 20 °C und einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm/min für vier verschiedene heiß verarbeitbare Fugenmassen

Bild 10: Spannungsentwicklung im statischen Zug-/Scherversuch bei - 20 °C und einer Prüfgeschwindigkeit von 0,1 mm/min für vier verschiedene heiß verarbeitbare Fugenmassen

Bild 11: Temperaturzyklus und Lagerungsbedingung der Prüfkörper bei der CDF-Prüfung

Gegenüber den Referenzproben, die nicht mit Frost- und Taumittel beaufschlagt worden sind, zeigten die frosttaumittelbeanspruchten Fugen nach vier bzw. 28 Frosttauwechseln im statischen Zug-/Scherversuch bei 20 °C eine reduzierte Spannungsentwicklung (Bild 12).

Bild 12: Spannungsentwicklung im statischen Zug-/Scherversuch bei 20 °C und einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm/min einer heiß verarbeitbaren Fugenmasse, die zuvor in der CDF-Prüfung Frost- und Taumittelbeanspruchungen ausgesetzt war

Parallel zu den Zug/Druck- und Scherversuchen werden in diesen Versuchsreihen die bituminösen Fugenmassen selbst auch rheologischen Untersuchungen unterzogen. Neben ausgewählten Standardprüfungen nach TL/TP Fug-StB werden spezielle Scher- und Relaxationsversuche durchgeführt. Die hierbei relevanten Kenngrößen ,,komplexer Schub-/Schermodul" sowie die ,,Phasenwinkel" liefern Informationen über die viskosen und elastischen Anteile einer Fugenmasse. Sie werden in einem dynamischen Scherrheometer nach DIN EN 14770 bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Auch bei diesen Untersuchungen konnten Unterschiede zwischen den vier untersuchten Fugenmassen festgestellt werden (Bild 13).

Bild 13: Komplexer Schermodul und Phasenwinkel der vier untersuchten Fugenmassen in rheologischen Untersuchungen im Scherrheometer

Ein unterschiedliches Verhalten der Fugenmassen zeigte sich ebenfalls in weiteren Relaxationsversuchen. Dabei wurde eine 5 mm dicke Prüfschicht aus der jeweiligen Fugenmasse in einen Zugstempel eingespannt und bei einer Temperatur von -10 °C mit einer Dehnung von 10 % beaufschlagt. Der Spannungsabbau wurde anschließend über einen Zeitraum von 120 Min. verfolgt (Bild 14).

Bild 14: Spannungsabbau innerhalb von 120 Minuten in Relaxationsversuchen bei - 10 °C

Literaturverzeichnis

Deutsches Institut für Normung (2004): DIN EN 14188 Fugeneinlagen und Fugenmassen. Beuth Verlag, Berlin

Deutsches Institut für Normung (2012): DIN EN 14770 Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel ­ Bestimmung des komplexen Schermoduls und des Phasenwinkels ­ Dynamisches Scherrheometer (DSR). Beuth Verlag, Berlin

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2001): Technische Lieferbedingungen für Fugenfüllstoffe in Verkehrsflächen, Ausgabe 2001 (TL Fug-StB 01), Köln FGSV 897/2

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2001): Technische Prüfvorschriften für Fugenfüllstoffe in Verkehrsflächen, Ausgabe 2001 (TP Fug-StB 01), Köln FGSV 897/3

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2001): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugenfüllungen in Verkehrsflächen, Ausgabe 2001 (ZTV Fug-StB 01), Köln FGSV 897/1