In Deutschland ist zur Bestimmung der Referenzdichte des Verdichtungsgrades der Proctorversuch nach DIN EN 13286-2 [1] festgelegt. Die Anwendung des Proctorversuches für grobkörnige ungebundene Baustoffgemische entsprechend TL SoB-StB [2] hat immer wieder gezeigt, dass eine Bestimmung des optimalen Wassergehaltes und der maximalen Trockendichte häufig nicht eindeutig möglich sind [3]. Während Versuchsproben aus dem Bereich des Erdbaus wegen ihres üblicherweise hohen schluffig-tonigen Feinkornanteils (Korngrößenanteil 0,063 mm) zugeführtes Probenwasser zumeist problemlos aufnehmen und halten können, zeigen ungebundene Baustoffgemische aufgrund ihres relativ geringen Feinkornanteils und ihrer abgestuften, kapillarbrechenden Sieblinie nach TL SoB-StB [2] während eines Proctorversuches speziell im feucht-nassen Bereich der Proctorkurve oft keine ausgeprägte Abhängigkeit der Trockendichte vom Wassergehalt [4, 5, 6, 7]. Im Forschungsvorhaben FE-Nr. 06.099/2012/EGB [8] wurde das Vibrationshammerverfahren nach DIN EN 13286-4 [9] als Verdichtungsverfahren identifiziert, welches in-situ-konform verdichtet und mit dem sehr vergleichbare Ergebnisse zum Proctorverfahren unter Verwendung eines festgelegten Wassergehaltes erzielt wurden. Hinzu kommen eine leichte Handhabung und eine Prüfdurchführung, die weniger zeitintensiv ist. Ein weiterer Vorteil dieses Verdichtungsverfahren ist, dass es eine geringere Neigung zur Kornverfeinerung während der Probenverdichtung aufweist [10].

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

1 Einleitung

1933 verdeutlichte R. R. Proctor in seinem Artikel: ,,Fundamental Principles of Soil Compaction" [11] den Zusammenhang von Verdichtungsenergie und Wassergehalt auf die erzielbare Trockendichte von bindigen Böden. Aus diesem Zusammenhang resultierte der nach Proctor benannte Proctorversuch.

Während eines Proctorversuches wird mit einem Fallgewicht, das auf eine Prüfkörperoberfläche nach festgesetzten Parametern fällt, der Hohlraumanteil einer Versuchsprobe reduziert und deren Raumdichte erhöht. Durch Wasserzugabe wird der Verdichtungsprozess gefördert, wobei es theoretisch für eine Versuchsprobe einen Wassergehalt gibt, bei dem sie sich in Abhängigkeit von der eingesetzten Verdichtungsenergie optimal verdichten lässt und eine maximal erreichbare Trockendichte erzielt. Das Bild 1 zeigt das Grundprinzip der Beziehung zwischen erzielbarer Trockendichte und verwendetem Wassergehalt.

Bild 1: Beziehung zwischen Trockendichte und Wassergehalt nach DIN EN 13286 1 [12]

2 Problemstellung

Verdichtungskurven entsprechend dem Bild 1 sind oft nur für Baustoffgemische eindeutig ermittelbar, aus denen das zugeführte Probenwasser nicht frei abfließen kann. Frostschutz-, Kies- und Schottertragschichten dagegen werden durch die Vorgabe von Sieblinienbereichen gezielt hinsichtlich einer kapillarbrechenden, entwässernden Eigenschaft zusammengesetzt. Aufgrund dieser Entwässerungseigenschaft folgt für ungebundene Baustoffgemische während der Laborverdichtung, speziell im feucht-nassen Bereich (s. Bild 2) der Proctorkurve, häufig die Schwierigkeit, dass sowohl die Ermittlung der maximalen Trockendichte als auch die des optimalen Wassergehaltes nur bedingt möglich ist.

Bild 2: Beispiel einer entwässernden Proctorversuchsprobe

Aus dieser reinen Versuchsproblematik für ungebundene Baustoffgemische ergibt sich ein negativer Folgeeffekt, da die im Labor bestimmte maximale Trockendichte als Referenzgröße in den Verdichtungsgrad Dpr (Verhältnis aus Proctor- und Einbaudichte) einfließt, der wiederum in der Baupraxis als Nachweiskriterium für die erbrachte Verdichtungsleistung nach der Herstellung von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) verwendet wird.

Darüber hinaus werden bei der Herstellung einer ToB Baustellenfahrzeuge und -geräte eingesetzt, die zur Materialverdichtung die Parameter Frequenz, Amplitude und Eigenlast nutzen. Konträr dazu erfolgt die Laborverdichtung, die zur Materialverdichtung entsprechend Proctorverfahren ein Fallgewicht nutzt. Neben der Tatsache, dass der Proctorversuch für dränierende Baustoffgemische nicht optimal geeignet ist und dem Folgeeffekt auf den Verdichtungsgrad Dpr, besteht somit zusätzlich eine Verfahrensdiskrepanz zwischen der Labor- und der in-situVerdichtung.

3 Lösungsansatz

Zusätzlich zum Proctorverfahren stehen weitere europäisch genormte Laborverdichtungsverfahren zur Verfügung, die Verdichtungsparameter nutzen, die eher der in-situ-Verdichtung entsprechen. Aufgrund der vorgestellten Problematik des Proctorversuches wurde daher ein umfassendes Forschungsprojekt durchgeführt, welches das Ziel hatte, Lösungsansätze für dränierende Baustoffgemische während der Laborverdichtung zu finden. Dies beinhaltet hauptsächlich die Suche nach einem alternativen Verdichtungsverfahren, das die Verdichtungsproblematik für dränierende Baustoffgemische optimiert bzw. nicht aufweist und das verfahrenstechnisch eher der in-situ-Verdichtung entspricht. Hierzu zählen der Vibrationshammer nach DIN EN 13286-4 [13] und der Vibrationstisch nach DIN EN 13286-5 [14], die möglicherweise eine Lösung zur Verdichtungsproblematik von dränierenden Baustoffgemischen bieten.

4 Verdichtungsverfahren und Untersuchungsprogramm

Innerhalb des Forschungsprojektes wurden zu Beginn drei europäisch genormte Verdichtungsverfahren berücksichtigt, die in den Bildern 3 bis 5 dargestellt sind. Während beim Proctorversuch ein Fallgewicht, das auf eine Probenoberfläche fällt, zur Herstellung einer dichteren Kornmatrix genutzt wird, erfolgt die Verdichtung mit dem Vibrationshammer durch einen Schlagbohrer, der mittels einer Stampferplatte vertikal form- und kraftschlüssig auf der Probenoberfläche aufsitzt und das Probenmaterial durch frequentierte Schläge verdichtet. Die Verdichtung von Probenmaterial mit dem Vibrationstisch wird durch eine Schwingung mit festgelegter Amplitude und einem Auflastgewicht bewirkt.

Bild 3: Proctorverdichter nach DIN EN 13286-2

Bild 4: Vibrationshammer nach DIN EN 13286-4

Bild 5: Vibrationstisch nach DIN EN 13286-5

Vorläufiges Ziel der Laborstudie war, eines der beiden alternativen Verdichtungsverfahren zu identifizieren, das in fortführenden Versuchsreihen vertieft im Vergleich zum Proctorverfahren untersucht werden sollte.

Die Laborstudie umfasste in der Summe zwölf verschiedene praxisgerechte 0/32 mm Baustoffgemische ohne Überkorn entsprechend den SDV-Vorgaben durch die TL SoB-StB [2] unter Berücksichtigung sämtlicher Gesteinsgruppen des Anhangs A des Entwurfes der TL GesteinStB [15]. An den Baustoffgemischen wurden umfassende vergleichende Verdichtungsversuche nach DIN EN 13286 4 [13] und DIN EN 13286 5 [14] im Vergleich zum Proctorverfahren nach DIN EN 13286-2 [1] an trockenen und angefeuchteten Proben durchgeführt.

5 Untersuchungsergebnisse

Anhand erster Versuchsergebnisse, die aufzeigten, dass das Verdichtungsverfahren nach DIN EN 13286-5 [14] Resultate erzielt, die stärker vom Ergebnisbild des Proctorverfahrens abwichen, sowie der jeweiligen Versuchsdurchführung und weiteren Erkenntnissen aus einem weiteren Forschungsvorhabens [10], konnte das Verdichtungsverfahren mittels Vibrationshammer nach DIN EN 13286-4 [13] als das Laborverfahren identifiziert werden, das im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes umfänglich mit dem Proctorverfahren verglichen wurde. Die Probenverdichtung mit dem Vibrationshammer erzielte Trockendichten, die als nahezu identisch im Vergleich zu Proctorverfahren zu bewerten sind. Dies gilt sowohl für Versuchsproben, die mit einem optimalem Wassergehalt verdichtet wurden (s. Bild 6) als auch für trocken verdichtete Proben (s. Bild 7).

Bild 6: Ergebniskorrelation DIN EN 13286-4 (feucht) zu DIN EN 13286-2 (feucht)

Bild 7: Ergebniskorrelation DIN EN 13286-4 (trocken) zu DIN EN 13286-2 (feucht)

Die erzielten Korrelationskoeffizienten von nahezu eins für Proben die mit einem optimalen Wassergehalt bzw. trocken verdichtet wurden, heben die ergebnistechnische Gleichwertigkeit der beiden miteinander verglichenen Verdichtungsverfahren hervor.

Die Übertragung des Verfahrens einer Trockenverdichtung im Labor in die Baupraxis bedingt das Problem, dass die in-situ-Verdichtung aufgrund der entstehenden Staubentwicklung keineswegs trocken durchgeführt werden kann. Daher schied als Lösungsansatz für dränierende Baustoffgemische eine trockene Probenverdichtung im Labor aus, da hierbei kein Ergebnis für einen Wassergehalt generiert werden kann.

Zur Lösung dieser Problematik wurde daher eine Arbeitshypothese aufgestellt, die die Probenverdichtung im Labor mit einem festgelegten Wassergehalt vorsieht, der unterhalb des optimalen Wassergehaltes liegt und somit das Problem der Probenentwässerung im feuchten Bereich der Proctorkurve umgehen sollte. Hierfür wurden die einzelnen Ergebnispunkte der Versuchskurven aller durchgeführten Verdichtungsversuche pro Baustoffgemisch und Verdichtungsverfahren gemittelt und erneut dargestellt. Beispielhaft ist dies im Bild 8 für ein Basaltgemisch gezeigt.

Bild 8: Gemittelte Verdichtungskurven inklusive Fehlerbereiche für Ergebnisse aus Proctorund Vibrationshammerversuchen an einem Basaltgemisch

Das Procedere bestätigte für nahezu alle verwendeten Baustoffgemische, dass die gemittelten Kurvenverläufe, die mit dem Proctor- und dem Vibrationshammerverfahren erzielt wurden, Schnittpunkte ergaben, an denen Trockendichten erzielt wurden, die dem Ergebnis einer Verdichtung mit einem optimalen Wassergehalt entsprachen. Für die untersuchten Baustoffgemische lag dieser Schnittpunkt tendenziell bei einem Wassergehalt von etwa 3 M. %. Zusammenfassend stellt das Bild 9 die gemittelten Ergebnisse für alle Baustoffgemische bei einer Verdichtung mit dem Vibrationshammer mit einem festgelegten Wassergehalt von 3 M. % den Ergebnissen gegenüber, die mit einem optimalen Wassergehalt im Proctorversuch erzielt wurden.

Bild 9: Ergebniskorrelation DIN EN 13286-2 (opt. Wassergehalt) zu DIN EN 13286-4 (3 M.-% Wassergehalt)

Aus dem Bild 9 ist zu erkennen, dass das Vibrationshammerverfahren auch bei Verwendung eines festgelegten Wassergehalts von 3 M. % für alle verwendeten Baustoffgemische tendenziell Trockendichten erzielt, die einer optimalen Verdichtung mit dem Proctorverdichter entsprechen. Der über diese Darstellung erzielte Korrelationskoeffizient liegt bei R2 = 0,96.

6 Zusammenfassung und Diskussion

Mit der umfassenden Laborstudie an zwölf Baustoffgemischen konnte gezeigt werden, dass mit dem Vibrationshammerverfahren nahezu identische Ergebnisse im Vergleich zum Proctorverfahren erzielt werden können. Die versuchstechnischen Vorteile des Vibrationshammerverfahrens liegen in der besseren Handhabung, der einfacheren und der schnelleren Durchführung der Prüfung. Zudem verdichtet der Vibrationshammer verfahrenstechnisch analog zu den auf den Baustellen eingesetzten Verdichtungsverfahren.

Aufgrund der vorgestellten Problematik zur Verdichtung von ungebundenen Baustoffgemischen im Labor mittels Proctorversuch und den vorgestellten Ergebnissen bieten sich folgende Lösungsoptionen zur Bestimmung der Trockendichte mit dem Vibrationshammerverfahren an:

– Verdichtung eines Baustoffgemisches im trockenen Zustand ­

– Verdichtung eines Baustoffgemisches mit einem festgelegten Wassergehalt.

Bei Anwendung der Trockenverdichtung im Labor muss ein für die in-situ-Verdichtung geeigneter Wassergehalt angegeben werden, welcher über die Trockenverdichtung jedoch ausgeschlossen wäre. Als geeignete Lösungsoption kann daher die Laborverdichtung mit einem festgelegten Wassergehalt in Betracht gezogen werden. Der bei dieser Vorgehensweise gewählte Wassergehalt lässt sich auf die Baustelle übertragen, da in der Regel angefeuchtete Baustoffgemische angeliefert werden. Weiterhin ist festzuhalten, dass die Kurvenverläufe der Trockendichten der untersuchten Baustoffgemische in den Verdichtungsversuchen nur eine geringe Empfindlichkeit bezogen auf Änderungen des Wassergehaltes aufwiesen. Auch auf dieser Grundlage kann auf die Verwendung eines einheitlichen Wassergehaltes verwiesen werden. Die vorgestellten Ergebnisse des Forschungsvorhabens [8] lassen einen Wassergehaltswert von 3 M. % als geeignet erscheinen.

7 Ausblick

In-situ-konforme Prüfbedingungen auf Laborebene sind notwendige Voraussetzungen, um hier Messergebnisse zu generieren, die mit Feldergebnissen vergleichbar sind. Dementsprechend ist es notwendig, performance orientierte Prüfverfahren zu etablieren, die diesen Umstand optimieren. Bezüglich der Verdichtung von ungebundenen Baustoffgemischen bietet sich hier das Verdichtungsverfahren nach DIN EN 13286-4 [9] als möglicherweise zukunftsweisendes Laborprüfverfahren an, das nach ersten Erkenntnissen besser zur Verdichtung von ungebundenen Gemischen geeignet ist.

Die Verifizierung eines einheitlich festgelegten Verdichtungswassergehaltes von 3 M.-% und dessen Einfluss auf die Wasserdurchlässigkeit müssen Inhalt weiterer Untersuchungen sein. Ebenso muss in weiterführenden Untersuchungen der Einfluss eines Vibrationshammers auf die Kornzertrümmerung genauer bestimmt werden.

Diese weiterführenden Fragestellungen werden aktuell im Forschungsvorhaben: FE 06.0115/2017/EGB untersucht. Sollte aus diesem Projekt aufgezeigt werden können, dass das Laborprüfverfahren nach DIN EN 13286-4 [9] die Verhältnisse in der Praxis bei der Verdichtung von Frostschutz-, Kies- und Schottertragschichten exakter widerspiegelt, könnten zukünftig Auseinandersetzungen im Zusammenhang mit dem Leistungsnachweis weitestgehend vermieden werden.

Literaturverzeichnis

1 DIN EN 13286-2 (2010-12): Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische ­ Teil 2: Laborprüfverfahren zur Bestimmung der Referenz-Trockendichte und des Wassergehaltes; Proctorversuch. Beuth Verlag, Berlin

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

3 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (1980): Merkblatt für die Herstellung von Tragschichten ohne Bindemittel. Ausgabe 1980, Köln

4 P a u l m a n n, G.; G r ä t z, B. (1989): Untersuchung der Verdichtung von Tragschichten ohne Bindemittel. Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Bundesminister für Verkehr, Heft 546

5 S c h w a b b a u r, T.; F i l l i b e c k, J.; F l o s s, R. (2002): Ermittlung von Zusammenhängen zwischen dem CBR-Wert des Tragschichtmaterials und der Tragfähigkeit EV2 von Tragschichten ohne Bindemittel. Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Wohnungswesen, Heft 852

6 B r a n d l, H. (1977): Ungebundene Tragschichten im Straßenbau (Verdichtung, Kornverfeinerung, Frostbeständigkeit, Tragverhalten, Dimensionierung, Qualitätsanforderungen, Prüfung). Bundesministerium für Bauten und Technik, Straßenforschung, Heft 67

7 D r e n e v i c h, V. P.; E v a n s, A. C.; P r o c h a s k a, A. B. (2007): A Study of Effective Soil Compaction Control of Granular Soils. Final Report, Report-No.: FHW/IN/JTRP-2007/12, Indiana Department of Transportation and Purdue University

8 B i a l u c h a, R.; M e r k e l, Th.; D e m o n d, D.; R i t t e r, H.-J.; H a a s, S. (2014): Bezugsgröße für den Verdichtungsgrad von Schichten ohne Bindemittel. Schlussbericht, FE-Nr.: 06.0099/2012/EGB, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung

9 DIN EN 13286-4 (2003-07): Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische ­ Teil 4: Laborprüfverfahren für die Trockendichte und den Wassergehalt; Vibrationshammer. Beuth Verlag, Berlin

10 B i a l u c h a, R.; M e r k e l, Th.; D e m o n d, D. (2014): Verdichtbarkeit und Tragfähigkeit von Baustoffgemischen unter Berücksichtigung neuer europäischer Regelungen. Abschlussbericht AiF-Forschungsvorhaben: 16733/N

11 P r o c t o r, R. R. (1933): Fundamental principles of Soil Compaction. Engineering News Record, Vol. III, No.9, pp. 245­248

12 DIN EN 13286-1 (2003-07): Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische ­ Teil 1: Laborprüfverfahren für die Trockendichte und den Wassergehalt; Einführung, allgemeine Anforderungen und Probenahme. Beuth Verlag, Berlin

13 DIN EN 13286-4 (2003-07): Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische ­ Teil 4: Laborprüfverfahren für die Trockendichte und den Wassergehalt; Vibrationshammer. Beuth Verlag, Berlin

14 DIN EN 13286-5 (2003-07): Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische ­ Teil 5: Laborprüfverfahren für die Trockendichte und den Wassergehalt; Vibrationstisch. Beuth Verlag, Berlin

15 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TL Gestein-StB). Entwurf 2013-02