Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.
1 Einleitung und Hintergrund
Als „Bankett“ wird im Straßenbau jener Bereich des Straßenquerschnittes verstanden, der an der Seite des befestigten Fahrbahnbereiches anschließt. Das Bankett hat vor allem zwei Funktionen: a) die verformungsarme Ableitung von Verkehrslasten, wenn Fahrzeuge vom befestigten Teil der Fahrbahn abkommen, und b) die Weiterleitung des von der befestigten Fahrbahn abfließenden Oberflächenwassers in den Böschungsbereich sowie die Rückhaltung von Schadstoffen des in diesem Bankettbereich versickernden Straßenabflusses. Aus bodenmechanischer Sicht sollte das Bankettmaterial dementsprechend eine möglichst große Steifigkeit bei geringer Durchlässigkeit aufweisen. Eine große Steifigkeit wäre prinzipiell mit feinkornarmen grobkörnigen Materialien erreichbar, während die Anforderung einer geringen Durchlässigkeit zur Forderung eines feinkornreichen Materials führen würde.
Der Kompromiss aus beiden Anforderungen liegt in der Regel bei Körnungen, bei denen das Grobkorngerüst noch maßgeblich an der Lastabtragung teilnimmt, die Poren aber ausreichend mit Feinkorn gefüllt sind und eine freie Durchströmung mit Oberflächenwasser so verhindern. Siehe dazu auch Tabelle 1. Bei welchen Mischungsanteilen von Grob- und Feinkorn beide Anforderungen (an die Steifigkeit und Durchlässigkeit) erfüllt werden können, hängt von den Eigenschaften der jeweiligen Materialien (zum Beispiel Abstufung und Korndichten von Grob- und Feinkorn, Plastizität des Feinkorns, Angularität der Körner, Neigung zum Kornbruch, etc.) ab. Erschwerend bei der Suche nach einem vorteilhaften Kompromiss wirkt dabei, dass das Optimum von Verdichtung, Scherfestigkeit, Zusammendrückbarkeit und Durchlässigkeit nicht grundsätzlich beim selben Mischungsverhältnis und Wassergehalt auftreten muss (Voß et al., 1986).
Tabelle 1: Umschlagpunkt zwischen tragendem Grobkornskelett und tragender Feinkornmatrix
Aufgrund der Ergebnisse zweier Forschungsarbeiten (Koukoulidou, Birle et al., 2014; Werkenthin, Kluge et al., 2014) ist in den neuen ZTV E-StB (ZTV E-StB 17) vor diesem Hintergrund als Bankettmaterial nun ein gemischtkörniges Material der Bodengruppe GU oder GT nach DIN 18196 mit einem Feinkornanteil zwischen 8 % und 12 % vorgesehen.
Allerdings konnte im Rahmen der genannten Forschungsprojekte nicht untersucht werden, welche Tragfähigkeiten auf sandreichen Bankettmaterialien der Gruppen GU/GT erreicht werden können und wie sich Bankettmaterialien, die den Anforderungen der ZTV E-StB 17 entsprechen, in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung und dem Feinkornanteil unter Witterungsbeanspruchung verhalten. Es wurden deshalb in einem weiteren Forschungsvorhaben (Henzinger, Barka et al., 2018) entsprechende Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse unter Beachtung der Ergebnisse von Koukoulidou, Birle et al. (2014) nachfolgend vorgestellt werden.
2 Vorgehensweise
Zur Klärung der Fragestellungen wurden unterschiedliche Materialien gezielt so gemischt, dass sie die Anforderungen der ZTV E-StB 17 erfüllen, und anschließend hinsichtlich ihrer Verdichtungseigenschaften (Proctorversuch), ihrer Durchlässigkeit und ihrer Tragfähigkeit (CBR-Versuche) untersucht. Um zu quantifizieren, welchen Einfluss die Witterung auf die Tragfähigkeit der Bankettmaterialien hat, wurden verdichtete Proben dieser Mischungen mehreren Nass-Trocken-Wechseln bzw. Frost-Tau-Wechseln unterzogen und anschließend mit dem CBR-Versuch untersucht. Da die Witterungseinflüsse im Labormaßstab nur eingeschränkt abgebildet werden können, wurden ergänzend Feldversuche durchgeführt, wobei die eingebauten Materialien über ein Winterhalbjahr hinweg mehrmals beprobt wurden.
3 Laborversuche
3.1 Vorgehen
Im Rahmen von Laborversuchen wurden typische Bankettmaterialien der Bodengruppen GU und GT (Feinkornanteile vorrangig 8 bis 12 M.-%) in Bezug auf ihre Verdichtungseigenschaften, ihre Tragfähigkeit (CBR) und ihre Durchlässigkeit im Verdichtungsoptimum hin untersucht. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf sandreiche Mischungen gelegt. Im Anschluss wurde die Tragfähigkeit (CBR) von im Optimum verdichteten Proben direkt nach Verdichtung, nach mehreren Nass-Trocken-Wechseln (bzw. Nasslagerung) und Frost-Tau-Wechseln bestimmt.
3.2 Versuchsböden
Die Basismaterialien für die Herstellung der Versuchskörnungen wurden in Anlehnung an die Untersuchungen in FE 05.0177/2012/MRB ausgewählt. Zusätzlich wurde gemischtes RC-Material aus Bauschutt in die Untersuchungen mit aufgenommen. Als grobkörnige Bestandteile für die Mischungen wurden also gewählt:
a) gebrochene Gesteinskörnung,
b) gebrochener RC-Beton sowie
c) gebrochener RC-Mix.
Als feinkörnige Materialien für die Mischungen wurde gewählt: ein leicht plastischer Ton mit mind. etwa 70 % Schluffanteil (TL gem. DIN 18196) sowie ein ausgeprägt plastischer Ton (TA/OT gem. DIN 18196). Um die angestrebten Versuchskörnungen zu erhalten, wurden diese Materialien in unterschiedlichen Anteilen gemischt. Die Feinanteile der so erhaltenen Materialien bewegen sich, wie vorgesehen, im Bereich leicht unter bis leicht über 10 M.-%. Die Anteile < 2 mm liegen zwischen etwa 35 M.-% und 60 M.-% (Bild 1). Betrachtet man nun die Korngrößenverteilungen dieser 22 Mischungen zusammen mit den von Koukoulidou, Birle et al. (2014) untersuchten 18 Mischungen (Bild 2) ist zu erkennen, dass damit nun eine Vielzahl möglicher Böden der Bodengruppe GU mit Feinanteilen zwischen 5 % und ca. 17 % und Anteilen < 2 mm zwischen etwa 20 M.-% und 60 M.-% untersucht wurde
Bild 1: Korngrößenverteilungen der untersuchten Mischungen
Bild 2: Kornverteilungsband der von Koukoulidou; Birle et al. (2014) untersuchten Mischungen
3.3 Ergebnisse
Die Ergebnisse der Versuche zur Wasserdurchlässigkeit (DIN 18130-1) von im Optimum verdichteten Proben (DIN 18127) sind zusammenfassend im Bild 3 dargestellt, wobei die Ergebnisse von Koukoulidou, Birle et al. (2014) einbezogen wurden. Bei der Betrachtung der Umhüllenden der Daten ist erkennbar, dass die in den ZTV E-StB 17 geforderte schwache Durchlässigkeit (entspricht nach DIN 18130-1 einer Vorgabe von k < 1∙10-6 m/s) in den genannten Bodengruppen etwa bei Feinkornanteilen zwischen 6 und 15 M.-% erreichbar ist. Bei näherer Betrachtung zeigt Bild 3 mit Ausnahme weniger Datenpunkte, dass die geforderte Durchlässigkeit von nahezu allen Materialien ab 10 M.-% eingehalten wird. Anhand der vorliegenden Daten kann festgestellt werden, dass für Bankettbaustoffe nach ZTV E-StB 17 keine systematische Beeinflussung der Durchlässigkeit aufgrund des Anteils < 2 mm zu befürchten ist. In Bezug auf die Abhängigkeit der Durchlässigkeit vom Feinkornanteil kann zusätzlich erwähnt werden, dass für die untersuchten Materialien insgesamt keine systematischen Unterschiede zwischen den Bodengruppen GU und GT identifiziert werden konnten (Bild 4).
Bild 3: Durchlässigkeit aller Mischungen (inkl. der Ergebnisse von Koukoulidou; Birle et al., 2014), getrennt für Böden mit unterschiedlichen Anteilen an Material < 2 mm
Bild 4: Durchlässigkeit aller Mischungen (inkl. Daten von Koukoulidou;Birle et al., 2014), getrennt in Bodengruppen in Abhängigkeit vom Feinkornanteil
An den einzelnen Versuchsmischungen wurden außerdem zur Ermittlung der Tragfähigkeit CBR-Versuche zu folgenden Versuchszeitpunkten durchgeführt:
− 3 Tragfähigkeitsversuche direkt nach Verdichtung (CBR0),
− 3 Tragfähigkeitsversuche nach 6 Nass-Trocken-Wechseln bzw. mehrtägigem Einstau (CBRNT),
− 3 Tragfähigkeitsversuche nach 6 Frost-Tau-Wechseln (CBRFT).
Die Untersuchungen erfolgten in Anlehnung an TP BF-StB, Teil B 7.1 und wurden an der Unterseite von Proben durchgeführt, die jeweils im Verdichtungsoptimum hergestellt wurden (Verdichtung mit Proctorenergie). Im Bild 5 sind die nach Verdichtung erreichten CBR-Werte dargestellt. Zusätzlich sind darin die von Koukoulidou, Birle et al. an den etwa im Proctoroptimum verdichteten Proben ermittelten CBR-Werte enthalten. Es ist für alle Materialien, unabhängig vom Größtkorn, mit zunehmendem Feinkornanteil eine Abnahme der CBR-Werte feststellbar. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das tragende, grobkörnige Kornskelett mit zunehmendem Feinkornanteil immer mehr von einer tragenden Feinkornmatrix abgelöst wird.
Bild 5: Tragfähigkeit (CBR0) aller Mischungen (inkl. Daten von Koukoulidou; Birle et al., 2014) direkt nach dem Verdichten, getrennt für die Materialien mit GK 8 mm und 32 mm
Im Bild 6 ist die Änderung der Tragfähigkeit durch Bewitterung in Form von Nass-Trocken-Wechseln (ΔCBRNT = CBRNT – CBR0) dargestellt. Wie Bild 6 (links) zeigt, nehmen die CBR-Werte nach Wasserlagerung mehrheitlich zu, ohne dass dabei eine systematische Abhängigkeit vom Feinkornanteil zu erkennen wäre. Im Bild 6 (rechts) sind die Ergebnisse in Abhängigkeit vom Anteil < 2 mm aufgetragen. Es lässt sich dabei weder für die Materialien mit Größtkorn 8 mm, noch für die Materialien mit Größtkorn 32 mm eine ausgeprägte Abhängigkeit der Werte vom Sandanteil feststellen. Bezüglich der Tragfähigkeit ist dementsprechend durch wiederholte Nass-Trocken-Wechseln nicht mit einer relevanten Beeinträchtigung zu rechnen. Im Gegenteil ist sogar für Bankettmaterialien mit Recyclingmaterial im Grobkorn aufgrund des Verfestigungspotentials eine Zunahme der Tragfähigkeit mit der Zeit zu erwarten.
Bild 6: Änderung der Tragfähigkeit (ΔCBRNT) aller Mischungen nach 6 Nass-Trocken-Zyklen (bzw. mehrtägigem Einstau) in Abhängigkeit vom Feinkornanteil (links) und vom Anteil < 2 mm (rechts)
Im Bild 7 ist die Änderung der Tragfähigkeit (ΔCBRFT = CBRFT – CBR0) nach einmaliger, oberflächlicher Wasserzugabe (bzw. nach eintägigem Einstau) und 6 darauffolgenden Frost-Tau-Zyklen dargestellt. Die Daten sind je nach Art des Grobkornanteils und der Bodengruppe getrennt voneinander gekennzeichnet und weisen darauf hin, dass auch bei Frost-Tau-Beanspruchung die Mischungen mit Recyclingmaterialien sich tendenziell günstiger verhalten, als vergleichbare Materialien mit natürlichem Grobkorn. Das bedeutet, ihr Festigkeitsabfall ist geringer, oder sie weisen sogar noch eine Verfestigung auf. Eine aus-geprägte Abhängigkeit der Änderung der Tragfähigkeit (ΔCBRFT) von der Bodenart oder dem Feinkornanteil ist auf Basis der vorliegenden Daten nicht zu erkennen. Lediglich bei den Mischungen mit natürlichem Grobkorn kann der Bodengruppe GT im Vergleich zur Bodengruppe GU ein leicht nachteiliges Verhalten unterstellt werden
Bild 7: Änderung der Tragfähigkeit (ΔCBRFT) aller Mischungen nach 6 Frost-Tau-Zyklen (nach 1-tägigem Einstau) in Abhängigkeit vom Feinkornanteil (links) und vom Anteil < 2 mm (rechts)
3.4 Folgerungen und Empfehlungen
Die Laboruntersuchungen zur dauerhaften Tragfähigkeit (Nass-Trocken-Wechsel und Frost-Tau-Wechsel) und Durchlässigkeit von sandreichen Bankettbaustoffen nach ZTV E-StB 17 haben die im Regelwerk definierten Anforderungen an Baustoffe und den Verdichtungsgrad vollinhaltlich bestätigt. Aus derzeitiger Sicht sind keine zusätzlichen Anforderungen oder Anpassungen zu den Vorgaben erforderlich.
4 Feldversuche
4.1 Vorgehen
In einem Feldversuch nahe Allenberg (Landkreis Aichach-Friedberg) wurden mit 4 Bankettmaterialien Versuchsfelder angelegt (verdichtet in 2 Lagen á etwa 30 cm). Der Zustand der eingebauten und den natürlichen Klimaverhältnissen ausgesetzten Materialien wurde über den Winter 2017/2018 und bis in den Frühsommer 2018 zu ausgewählten Zeitpunkten experimentell ermittelt. Dazu wurden die Felder zu vier Zeitpunkten mit Hilfe von Dichtebestimmungen sowie statischen und dynamischen Plattendruckversuchen untersucht. Die für den Versuchszeitraum relevanten Wetterdaten (Tagesmittelwerte) sind anhand einer etwa 11 km nordwestlich der Versuchsfelder gelegenen Wetterstation dokumentiert (Bild 8). Die Klimadaten belegen, dass das Versuchsfeld im Februar 2018 einer ausgeprägten Frostperiode ausgesetzt war. Die Beprobung der Versuchsfelder erfolgte an zwei Terminen vor und an zwei Terminen nach dieser Frostperiode. Bei der Beprobung wurde jeweils darauf geachtet, dass im Versuchsfeld kein Bodenfrost vorhanden war.
Bild 8: Wetterdaten der Wetterstation Ainertshofen, etwa 11 km nordwestlich der Versuchsfelder (Quelle: Agrarmeteorologie Bayern)
4.2 Material
Die in den Feldversuchen verwendeten Materialien wurden von einem Schotterwerk nahe Ingolstadt und von einem Recyclingunternehmen aus Dachau speziell auf die Anforderungen an Bankettbaustoffe nach der neuen ZTV E-StB 17 hergestellt. Es handelt sich einerseits um einen Kalksteinbruch der Kornklasse 0/32 mm und Kornklasse 0/8 mm, sowie um ein Recyclingmaterial aus gemischtem Bauschutt in den Kornklassen 0/32 mm und 0/8 mm. Die Materialien wiesen im nicht eingebauten Zustand Feinkornanteile hauptsächlich zwischen etwa 8 und 9 M.-% auf.
4.3 Ergebnisse
Die bei den Feldern direkt im Anschluss an die Herstellung ermittelten Verdichtungsgrade lagen beim Kalksteinschotter 0/32 mm zwischen DPr ≈ 94 % und 98 %, beim RC-Mix 0/32 mm zwischen DPr ≈ 96 % und 101 %, beim Kalksteinschotter 0/8 mm zwischen DPr ≈ 93 % und 100 % und beim RC-Mix 0/8 mm zwischen DPr ≈ 94 % und 99 %.
Der Vergleich der gemessenen Trockendichten (Densitometer) der Felder im Bild 10 legt vor allem in der Frostperiode des Winters 2017/2018 (bis zum 3. Beprobungstermin) eine zumindest oberflächliche Auflockerung aller Materialien nahe. Zwischen dem 3. und 4. Beprobungstermin (nach der Frostphase, Frühsommer 2018) sind u. a. zu dieser Auflockerung gegenläufige Tendenzen erkennbar, die auf eine Art „Selbstheilung“ der aufgelockerten Oberflächen hindeuten.
Die an der verdichteten Oberfläche über die Zeit dokumentierten EV1-Werte der Plattendruckversuche sind im Bild 11 dargestellt. Die Darstellung zeigt, dass bei den natürlichen Materialien (Kalksteinschotter) die Tragfähigkeit bei Erstbelastung über die Frostphase (1. bis 3. Beprobungstermin) hinweg abnimmt. Nach der Frostphase (zwischen 3. und 4. Beprobungstermin) ist die Entwicklung unterschiedlich, tendenziell verbleiben die Werte aber auf einem ähnlichen Niveau. Die beiden Felder mit RC-Materialien zeigen in der Frostphase unterschiedliche Entwicklungen. Nach der Frostphase steigt aber auch der EV1-Wert konsistent an. Es wird vermutet, dass die beobachtete Entwicklung mit den gegenläufigen Einflüssen aus tiefreichender Nachverfestigung und oberflächlicher, witterungsbedingter Auflockerung zu tun haben.
Bild 10: Trockendichte gemessen mit dem Densitometer über die Zeit
Bild 11: Verformungsmodul EV1 über die Zeit
Im Bild 12 sind die bei den Versuchsfeldern dokumentierten EV2-Werte eingetragen. Es ist ersichtlich, dass die Anforderungswerte der ZTV E-StB 17 (EV2 ≥ 80 MPa) bereits beim Einbau eingehalten werden können, teilweise liegen die Werte deutlich über den Anforderungswerten. Der Wiederbelastungsmodul der natürlichen Bankettmaterialien (Kalksteinschotter) bleibt nach Einbau nahezu unbeeinflusst von der Bewitterung konstant. Der Wiederbelastungsmodul der RC-Materialien (RC-Mix) steigt hingegen über die Beprobungstermine stark an und weist somit auf das Nachverfestigungspotenzial dieser Materialien hin.
Das Bild 13 zeigt die mit dem dynamischen Plattendruckversuch ermittelten EVd-Werte über die Zeit. Direkt nach Einbau erfüllen die dokumentierten Werte teilweise noch nicht die Anforderungen der ZTV E-StB 17 (EVd ≥ 40 MPa). Die Steifigkeiten aller Materialien entwickeln sich allerdings über die Zeit hin bis zum 3. Beprobungstermin zu höheren Werten, woraufhin sie vor allem beim groben Kalksteinschotter (0/32 mm) bis zum 4. Beprobungstermin wieder deutlich abfallen. Warum das Steifigkeitsverhalten über die Zeit nicht qualitativ ähnlich wie bei den statischen Plattendruckversuchen verläuft (wie man es erwarten würde), ist nicht geklärt.
Bild 12: Verformungsmodul EV2 über die Zeit Bild 13: Verformungsmodul EVd über die Zeit
4.4 Folgerungen und Empfehlungen
Die Felduntersuchungen haben bestätigt, dass der im Regelwerk formulierte Anforderungswert von EV2 ≥ 80 MPa direkt nach Verdichtung eingehalten werden kann, der Anforderungswert EVd ≥ 40 MPa ggf. aber überprüft werden sollte (für GU/GT voraussichtlich EV2/EVd > 2). Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die Tragfähigkeiten EV2 und EVd bei den verwendeten Bankettmaterialien über den Winter 2017/2018 erhalten blieben (oder anstiegen). Gleichzeitig sind oberflächliche Auflockerungen durchaus wahrscheinlich und spiegeln sich vor allem im EV1-Wert wieder. Diese Auflockerungen sind für die Beurteilung einer Spurrillenbildung aufgrund des Abkommens eines Fahrzeugs von der Fahrbahn wohl von besonderer Relevanz. Es sollte auch geprüft werden, ob gesonderte Regelungen für Bankette geringer Stärke und bei Tragfähigkeiten des Planums an der Untergrenze der zulässigen Werte sinnvoll sind, da in solchen Fällen die Steifigkeit des unterliegenden Materials die versuchstechnisch ermittelbare Steifigkeit an der Bankettoberfläche maßgeblich beeinflusst.
5 Danksagung und Hinweise
Diesem Beitrag liegen Teile der im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, unter FE-Nr. 05.0177 und FE-Nr.05.194 durchgeführten Forschungsarbeiten sowie den im Zuge des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Projektes Nr. 1135-14 „Substitution von natürlichen mineralischen Baustoffen durch Ersatzbaustoffe im Erd- und Tiefbau“ durchgeführten Untersuchungen zugrunde. Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein bei den Autoren.
Literaturverzeichnis
Henzinger, C.; Barka, E.; Birle, E. (2018): Anforderungen an Baustoffe für schwach durchlässige, dauerhaft tragfähige, ungebundene Bankette. Entwurf des Schlussberichtes zur FE 05.0047/2016/ MGB im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen
Koukoulidou, A.; Birle, E.; Heyer, D. (2014): Baustoffe für standfeste Bankette. Forschungsbericht zu FE 05.0177/2012/MRB im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen
Voß, R.; Floss, R.; Brüggemann, K. (1986): Die Bodenverdichtung im Verkehrswege-, Grund- und Dammbau. Düsseldorf: Werner Verlag
Werkenthin, M.; Wessolek, G.; Kluge, B. (2014): Untersuchungen zur Optimierung von Schadstoffrückhalt und Standfestigkeit von Banketten. Unveröffentlichter Forschungsbericht zu FE 05.160/2010/MGB, Technische Universität Berlin – FG Standortkunde Bodenschutz, Berlin
FGSV: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 17), Ausgabe 2017, Köln (FGSV 599) |