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Fachvorträge aus Tagungsbänden von FGSV-Veranstaltungen

FGSV-Nr. FGSV M 11
Ort Duisburg
Datum 2012-04-18
Titel Einfluss der Eigenschaften von Gesteinskörnungen auf die Dauerhaftigkeit von Straßenbetonoberflächen
Autoren Dipl.-Ing. Jens Skarabis, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen, Dr.-Ing. Annette Spengler
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Einleitung

Die Texturierung von Betonfahrbahndecken kann entweder durch Ziehen z. B. eines Kunstrasens oder Besens über den frischen Oberflächenmörtel oder durch Ausbürsten des Oberflächenmörtels (Waschbeton) erfolgen. Dabei ist es das Ziel jeder Straßenbetonoberfläche, die Oberflächeneigenschaften, wie Griffigkeit, Lärmminderung und Frost-Tausalz-Widerstand über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten. Wesentliche Einflussparameter auf die Dauerhaftigkeit beider Texturierungen sind der Oberflächenmörtel, die feine und grobe Gesteinskörnung, die Mikro- und Makrotextur der Oberfläche sowie der Verbund zwischen Mörtel und Gesteinskörnung. In zwei Forschungsvorhaben wurde zum einen der Einfluss der feinen Gesteinskörnung auf die Dauerhaftigkeit eines kunstrasentexturierten Straßenbetons und zum anderen der Einfluss der groben Gesteinskörnung auf die Dauerhaftigkeit von Waschbetonfahrbahndecken untersucht. Die Untersuchungen zu den mit Kunstrasen texturierten Oberflächen zeigten, dass unterschiedliche Natur- und Brechsande die Konsistenz, den Luftporengehalt im Frischbeton und die Dicke der zu texturierenden Oberflächenmörtelschicht signifikant beeinflussen. Bei einer Polierbeanspruchung (Prüfverfahren Wehner/Schulze) wiesen Betone mit reinen Karbonatsanden deutlich geringere Griffigkeiten auf als Betone mit z. B. reinen Quarzsanden. Ein Karbonatgehalt von ca. 40 M.-% im Sand führte noch nicht zu einer geringeren Griffigkeit. Ein Einfluss des Sandes auf den Frost-Tausalz-Widerstand konnte nicht festgestellt werden. Bei Waschbetonen soll zur Gewährleistung dauerhaft guter Oberflächeneigenschaften die grobe Gesteinskörnung aus gebrochenem Festgestein mit hohem Widerstand gegen Polieren (Gestein der Kategorie PSV53) und einer Bruchflächigkeit C100/0 (Splitt) bestehen. Ziel des Vorhabens war es, den Einfluss von Bruchflächigkeit, Kornform und Polished Stone Value (PSV) der groben Gesteinskörnung auf die Dauerhaftigkeit der Oberflächeneigenschaften von Waschbetonen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass es durchaus möglich ist, dauerhafte Waschbetonoberflächen mit einem Kiessplitt der Bruchflächigkeit C90/1 und sogar C90/3 herzustellen. Weiterhin deuten die Untersuchungen darauf hin, dass Kiessplitt mit einem gemessenen PSV von 50 einen zu geringen Widerstand gegen Polieren hat. Ein gemessener PSV von 52 führte zu vergleichbaren Griffigkeiten im Beton wie bei Betonen mit Gesteinskörnungen, an denen ein PSV von 54 oder 56 bestimmt wurde. Demnach wäre eine möglich Verwendung von Gesteinskörnung der Kategorie PSV51 zu überdenken; dies wäre ökologisch und auch ökonomisch von Nutzen. Im Rahmen der Kontrollprüfungen sollte dann aber eine mehrmalige Bestimmung des PSV gefordert werden, um die Kategorie PSV51 stets sicher zu stellen. Eine Änderung der Anforderungen an die Kornform von derzeit SI15 ist nach Auswertung der Untersuchungen nicht zielführend. Letztendlich sollte ein Augenmerk auf die gesamte Kornformverteilung gelegt werden. Darüber hinaus ließen die Ergebnisse die Schlussfolgerung zu, dass bei Waschbeton ­ ähnlich wie bei Hochleistungsbetonen ­ die Bindemittelleimzusammensetzung und der Mörtelgehalt gezielt auf die grobe Gesteinskörnungszusammensetzung abgestimmt werden sollte.

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

1 Einleitung

Beim Bau von Betonfahrbahndecken können die Oberflächen entweder durch Ziehen z. B. eines Kunstrasens über den frischen Oberflächenmörtel oder durch Ausbürsten des Oberflächenmörtels (Waschbeton) texturiert werden. In einem Forschungsvorhaben wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Eigenschaften der feinen Gesteinskörnung, wie z. B. die Korngrößenverteilung, der Widerstand gegen Polieren und der Mürbkorngehalt die Dauerhaftigkeit kunstrasentexturierter Straßenbetone im Hinblick auf die Griffigkeit und den Frost-Tausalz-Widerstand beeinflussen.

Bei Fahrbahndecken mit Waschbetontextur soll zur Gewährleistung dauerhaft guter Oberflächeneigenschaften entsprechend dem ARS Nr. 14/2006 die grobe Gesteinskörnung aus gebrochenem Festgestein mit hohem Widerstand gegen Polieren (Gestein der Kategorie PSV53) und einer Bruchflächigkeit C100/0 zusammengesetzt sein. Systematische Untersuchungen, die diese Anforderungen an die grobe Gesteinskörnung bestätigen, fehlten bis dato. Daher wurde in einem weiteren Forschungsvorhaben der Einfluss der Eigenschaften der groben Gesteinskörnung, insbesondere der Bruchflächigkeit, der Kornform und des Widerstands gegen Polieren auf die Dauerhaftigkeit der Oberflächeneigenschaften von Waschbetonoberflächen untersucht. Aus den Erkenntnissen sollten erste mögliche Anforderungen an die zu verwendende grobe Gesteinskörnung abgeleitet werden.

2 Einfluss der feinen Gesteinskörnung auf die Dauerhaftigkeit von Straßenbetonoberflächen mit Kunstrasentextur

Im ersten Teil der Untersuchungen wurden die für die Dauerhaftigkeit eines Straßenbetons relevanten Eigenschaften von 15 Sanden (10 Natursande, 5 Brechsande) aus dem gesamten Bundesgebiet untersucht. Zu diesen Eigenschaften gehörten die Korngrößenverteilung, die mineralogische Zusammensetzung, der Widerstand gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung und der Widerstand gegen Polieren (PWS). Die Tabelle 1 gibt einen Überblick über die für die in dieser Veröffentlichung dargestellten Betonuntersuchungen verwendeten Sande und deren Eigenschaften.

Tabelle 1: Eigenschaften ausgewählter Sande

Die Korngrößenverteilung zeigte, dass die Brechsande im Vergleich zu den Natursanden einen deutlich höheren Anteil 0,125 mm aufwiesen.

Im zweiten Teil der Untersuchungen wurden mit insgesamt 10 verschiedenen Sanden praxisübliche Straßenbetone (z = 340 kg/m³, w/z = 0,45) hergestellt. Bei den Betonzusammensetzungen wurde der Sand volumetrisch ausgetauscht. Am Frischbeton wurde das Verdichtungsmaß zur Beurteilung der Verarbeitbarkeit, der Luftporengehalt zur Beurteilung des Frost-Tausalz-Widerstands und die Dicke der sich beim Verdichten an der Oberfläche absetzenden Mörtelschicht bestimmt. Die Bestimmung der Mörtelschichtdicke dient der Beurteilung der Texturierbarkeit des Betons. Für eine ausreichende Textur sollte die Mörtelschicht zwischen 0,5 und 1,0 mm dick sein [Schulze 1982]. Die Frischbetonuntersuchungen zeigten, dass der Sand den Luftporengehalt signifikant beeinflusst. Um einen Frischbetonluftporengehalt von ca. 5 Vol.-% zu erzielen, musste den Betonen, die mit Brechsanden hergestellt wurden, deutlich mehr Luftporenbildner zugegeben werden. Dies ist bedingt durch die feinere Sieblinie der Brechsande und die damit verbundene größere zu benetzenden Oberfläche. Die feinere Sieblinie der Brechsande führte ebenfalls zu einer steiferen Konsistenz dieser Betone im Vergleich zu den mit Natursanden hergestellten Betonen. Am Festbeton wurde der Einfluss des Sandes auf die Griffigkeit der Betonoberfläche mit der Prüfanlage Wehner/Schulze untersucht. Das Prüfverfahren Wehner/Schulze bietet die Möglichkeit der Griffigkeitsprognose von Fahrbahnoberflächen [Wörner 2008]. Die Prüfanlage besteht aus einem Maschinengehäuse mit dreistufiger Messapparatur, Bild 1, einem Behälter mit einem Wasser-Quarzmehl-Gemisch und einem PC zur Datenaufzeichnung und -verarbeitung.

Bild 1: Links: Griffigkeitsmessgerät Wehner/Schulze, rechts oben: Polierrollen, rechts unten: Messkopf mit Messgummis zur Griffigkeitsbestimmung

Zur Untersuchung wird die Probe in eine lateral bewegliche Einspannvorrichtung eingelegt (Bild 1). In Position 1 wird die Prüfkörperoberfläche durch Polierrollen (Bild 1, rechts oben) unter Zugabe des Wasser-Quarzmehl-Gemischs mechanisch beansprucht. In Position 2 wird die Oberfläche gespült und in Position 3 die Griffigkeit gemessen, indem ein in Rotation befindlicher Messkopf mit drei Messgummis (Bild 1, rechts unten) unter Zugabe von Wasser auf die Prüfoberfläche abgesenkt wird. Durch die kontinuierliche Messung des dabei auftretenden Drehmoments wird die Reibkraft bis zum Stillstand des Messkopfes aufgezeichnet, woraus der Gleitbeiwert ermittelt wird. Der Gleitbeiwert PWS ist der bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h ermittelte Reibbeiwert.

Für die Untersuchungen wurden Platten der Abmessungen l · b · h = 300 · 300 · 100 mm³ hergestellt und bei 20 °C / 85 % r.F. gelagert. Aufgrund der kreisförmigen Polierbeanspruchung und Griffigkeitsmessung wurde auf die Texturierung des Betons verzichtet. Die Oberfläche wurde nach der Herstellung lediglich geglättet. Im Alter von sieben Tagen wurden aus den Platten Zylinder mit einem Durchmesser von 225 mm herausgebohrt und auf eine Höhe von 4 cm gesägt. An den Probekörpern wurde im Alter von 28 Tagen die Prüfung nach Wehner/ Schulze durchgeführt. Zunächst wurde der PWS-Wert im Ausgangszustand bestimmt. Weitere Bestimmungen des PWS-Werts erfolgten nach 4.500, 7.500, 30.000, 45.000, 90.000, 180.000 und 270.000 Überrollungen. Im Bild 2 sind die Griffigkeitsentwicklungen der Betone dargestellt.

Vor Beanspruchungsbeginn lagen die PWS-Werte aller Betone auf einem vergleichbar niedrigen Niveau. Ein Sandeinfluss war nicht zu beobachten, da sich auf der Betonoberfläche eine Zementsteinschicht befand, die maßgeblich die Griffigkeit der Oberfläche bestimmte. Durch die folgenden Polierbeanspruchungen wurde Zementstein auf der Oberfläche entfernt und Sand freigelegt. Als Folge stiegen die Griffigkeiten der Betone kontinuierlich an. Den geringsten Griffigkeitsanstieg hatten die mit den Karbonatsanden 12 und 15 sowie mit dem Kristallinsand 13 hergestellten Betone. Der geringe Anstieg der PWS-Werte der Betone mit Sand 12 und Sand 15 war auf den geringen Widerstand gegen Polieren (vgl. Tabelle 1) dieser Karbonatsande zurückzuführen. Die mineralogische Zusammensetzung und der hohe Widerstand gegen Polieren des Sands 13 hätten einen höheren Griffigkeitsanstieg erwarten lassen. Dies zeigt, dass zur Abschätzung der Festbetoneigenschaften Voruntersuchungen am Beton eine sinnvolle Ergänzung zur Bestimmung der Sandeigenschaften darstellen. Deutlich höher war der Griffigkeitsanstieg der Betone mit den beiden Quarzsanden 1 und 8 sowie mit dem Kristallinsand 11. Die Griffigkeitsentwicklung des Betons mit Sand 2 zeigte, dass ein Karbonatgehalt von bis zu 39 % sich noch nicht negativ auf die Griffigkeit auswirkte. Der PWS-Wert dieses Betons war nach Beanspruchungsende mit denen der Sande 1, 8 (beide Quarz) und 11 (Kristallin) vergleichbar. Zur Charakterisierung der Oberflächenrauheit wurden mit einem Konfokalmikroskop auf den Betonoberflächen die maximalen Höhenunterschiede zwischen Sandkörnern und der umgebenden Zementsteinmatrix bestimmt. Im Bild 3 sind die maximalen Höhenunterschiede in Abhängigkeit der Griffigkeiten dargestellt.

Das Diagramm verdeutlicht, dass bei den Karbonatsanden 12 und 15 die Sandbestandteile an der Oberfläche poliert bzw. abgetragen wurden, was zu geringen Höhenunterschieden und somit Rauheiten und Griffigkeiten führte. Die höchsten PWS-Werte lagen bei den Betonen mit den höchsten Höhenunterschieden vor. Hier wurde der Sand aufgrund eines hohen Widerstands gegen Polieren weniger als der umgebende Zementstein abgetragen.

Bild 2: Griffigkeitsentwicklung der untersuchten Betone; links: Natursande, rechts: Brechsande

Bild 3: Oberflächenrauheit: Maximaler Höhenunterschied auf der beanspruchten Betonoberfläche in Abhängigkeit der Griffigkeiten; ermittelt mit einem Konfokalmikroskop

Der Frost-Tausalz-Widerstand der Betone wurde nach dem CDF-Verfahren ermittelt (CDF = Capillary Suction of De-icing solution and Freeze-Thaw Test). Zur Prüfung wurden nach dem BAW-Merkblatt Frostprüfung [BAW-Merkblatt] Würfel mit einer Kantenlänge von 150 mm hergestellt. An zwei gegenüberliegenden Seiten wurden Teflonscheiben in die Würfelschalungen eingelegt. Nach der Herstellung lagerten die Probekörper bis zum siebten Tag unter Wasser. Nach der Wasserlagerung wurden aus den Würfeln Prüfkörper mit l · b · h = 150 · 110 · 70 mm³ herausgesägt. Diese lagerten bis zum Prüfbeginn nach 28 Tagen bei 20 °C / 65 % r.F. Zum Prüfbeginn erfolgte eine siebentägige Vorsättigung durch kapillares Saugen in 3 %-iger Natriumchloridlösung. Als Prüffläche diente die an eine Teflonscheibe geschalte Fläche. Anschließend wurden die Probekörper mit 28 Frost-Tau-Wechseln beansprucht. Ein Frost-Tauwechsel entspricht einer Abkühlung des Betons von +20 °C auf -20 °C und einer anschließenden Erwärmung auf +20 °C. Die Dauer eines Frost-Tauwechsels beträgt 12 Stunden. Während der Frost-Tauwechsel befindet sich die Prüffläche des Betons in 3 %-iger Natriumchloridlösung, vgl. Bild 4. Ein Kriterium für den Frost-Tausalz-Widerstand nach dem CDF-Verfahren ist die Abwitterung nach 28 Frost-Tauwechseln. Betone mit hohem Widerstand gegen FrostTausalz-Beanspruchung dürfen nach (BAW-Merkblatt) eine maximale mittlere Abwitterung von 1500 g/m² nach 28 Frost-Tausalzzyklen aufweisen.

Bild 4: Ablauf des CDF-Tests (Setzer 2007)

Abweichend zum CDF-Verfahren wurde ergänzend zur Prüfung von geschalten Flächen für jeden Beton als praxisnahe Prüfbedingung zusätzlich die texturierte Betonoberfläche geprüft. Hierfür wurde ein texturierter Probekörper der Abmessungen 300 × 300 × 100 mm³ hergestellt und anschließend bei 20 °C / 85 % r.F. gelagert. Im Alter von sieben Tagen wurden aus diesem Probekörper vier Probekörper der Abmessungen l · b · h = 150 · 110 · 70 mm³ herausgesägt. Der weitere Prüfablauf entsprach dem nach BAW-Merkblatt Frostprüfung. Zur Betonherstellung wurden Sande verwendet, deren Eigenschaften (vgl. Tabelle 1) den Frost-Tausalz-Widerstand des Betons verringern könnten. Sand 1 wurde ausgewählt, da bei diesem mit 22,3 M.-% die Absplitterung beim Dosenfrost besonders hoch war. Sand 12 und 15 wiesen mit je 40 M.-% die höchsten Mürbkorngehalte auf. Laut [Sommer 1979] kann ein hoher Mürbkorngehalt zu einer Verringerung des Frost-Tausalz-Widerstands führen. Die Sande 11 und 13 wiesen in ihren Eigenschaften keine Auffälligkeiten auf und dienten in diesem Zusammenhang als Referenzsande. Der Verlauf der Abwitterungen der untersuchten Betone ist im Bild 5 dargestellt.

Die Abwitterungen der Prüfkörperoberflächen, die bei der Erhärtung gegen eine Teflonseite geschalt waren (Bild 5 links) lagen nach 28 Frost-Tauwechseln mit maximal 250 g/m² weit unter dem Akzeptanzkriterium (BAW-Merkblatt) von 1500 g/m². Die unterschiedlichen Abwitterungen nach 28 Frost-Tauwechseln sind lediglich auf eine Streuung während der Herstellung zurückzuführen. Somit konnten alle Betone unabhängig vom verwendeten Sand als frost-tausalzbeständig angesehen werden.

Bild 5: Abwitterung der untersuchten Betone: geschalte Prüfkörperfläche (links), texturierte Prüfkörperoberfläche (rechts)

Ein Einfluss der hohen Absplitterung bei Sand 1 im Dosenfrost sowie der hohen Mürbkorngehalte der Sande 12 und 15 auf den Frost-Tausalz-Widerstand konnte nicht festgestellt werden. Die im Bild 5 rechts dargestellten Abwitterungen der texturierten Oberseiten waren höher als die der geschalten Prüfkörperoberflächen. Dies ist damit zu begründen, dass an den texturierten Oberseiten mehr (abwitterbarer) Mörtel vorhanden war, infolge Texturierung, die Oberfläche größer war und die Nachbehandlung bei Lagerung bei 20 °C / 85 % r.F. schlechter war als bei den geschalten Prüfkörperoberflächen, die bis zum siebten Tag unter Wasser gelagert wurden. Auch bei den texturierten Proben war kein Einfluss des Sandes auf den FrostTausalz-Widerstand feststellbar. Die Abwitterungen aller Betone lagen ebenfalls weit unter dem Akzeptanzkriterium von 1500 g/m². Zusammenfassend konnte für die hier durchgeführten Untersuchungen festgestellt werden, dass bei Straßenbetonen mit einem Wasserzementwert von 0,45 und künstlichen Luftporen unabhängig vom verwendeten Sand frost-tausalzbeständige Betone hergestellt wurden.

3 Einfluss der groben Gesteinskörnung auf die Dauerhaftigkeit von Straßenbetonoberflächen mit Waschbetontextur

Für die Untersuchungen wurde eine praxisnahe Waschbetonrezeptur gewählt. Der Zementgehalt lag bei 430 kg/m³, der w/z-Wert betrug 0,38. Durch die Zugabe des Luftporenmittels wurde ein LP-Gehalt im Frischbeton von 5,5 Vol.-% angestrebt. Zur Einstellung der Konsistenz (C1/C2) war kein Fließmittel notwendig. Es wurde eine Ausfallkörnung gewählt, der Quarzsand 0/2 mm stammte aus der Region Schnaittach (Mittelfranken) und die grobe Gesteinskörnung 5/8 mm wurde aus insgesamt vier verschiedenen Werken geliefert. Sie war zum einen gebrochenes Felsgestein (Werk A) und zum anderen gebrochenes Rundkorn aus den Werken B, C und D. Die Körnung aus Werk A hatte eine Bruchflächigkeit der Kategorie C100/0, alle gelieferten gebrochenen Rundkörner (Kiessplitte) wiesen eine Bruchflächigkeit der Kategorie C90/1 auf. Der ermittelte PSV der vier unterschiedlichen Gesteinskörnungen lag bei 56 für den Splitt aus Werk A, bei 54 für den Kiessplitt aus Werk B, bei 52 für den Kiessplitt aus Werk C und bei 50 für den Kiessplitt aus Werk D. Der Splitt aus Werk A wies eine Kornformkennzahl SI von 12,8 auf, die Kiessplitte B, C und D hatten Kornformkennzahlen SI von 8,7 und 3,4 bzw. 6,9. Für die Untersuchungen am Beton wurden alle Gesteinskörnungen labortechnisch aufbereitet, das heißt das Überkorn über dem Sieb 8 mm sowie das Unterkorn unter dem Sieb 5 mm wurden entfernt.

Der Einfluss der Bruchflächigkeit wurde an der Gesteinskörnung aus Werk B mit einheitlichem PSV von ermittelten 54 untersucht. Neben voll gebrochener Gesteinskörnung (Kategorie C100/0) wurden Gesteinskörner der Kategorie C90/1 und der Kategorie C90/3 untersucht. Sowohl die Gesteinskörnung der Kategorie C100/0 als auch die der Kategorie C90/3 wurden im Labor gebrochen.

Bei den Untersuchungen zum Einfluss des Widerstandes gegen Polieren wurden Gesteinskörnungen verwendet, die bei gleicher Bruchflächigkeit (C90/1) unterschiedliche PSV aufwiesen. Die Untersuchungen erfolgten an Betonen mit den Kiessplitten der Werke B, C und D.

Der Einfluss der Kornform wurde untersucht, indem bei Betonen mit Gesteinskörnung aus Werk A bzw. B neben der Kornformkategorie SI15 auch die Kategorie SI20 untersucht wurde.

Mit den Gesteinskörnungen aus Werk A (C100/0) und B (C90/1) wurden orientierend Versuche mit einem Größtkorn von 11 mm durchgeführt. An der Betonzusammensetzung änderte sich lediglich die Sieblinie, es wurde wieder eine Ausfallkörnung gewählt.

Die Vorgehensweise des Vorhabens ist schematisch im Bild 6 zusammengefasst.

Bild 6: Schematische Darstellung der Vorgehensweise der Untersuchungen

Am Frischbeton wurden die Frischbetontemperatur und 10 min nach Wasserzugabe das Verdichtungsmaß bestimmt. Anschließend wurden die Frischbetonrohdichte und der Luftgehalt bestimmt.

Die Verdichtungsmaße lagen zwischen 1,20 und 1,34, wobei sich erwartungsgemäß ein höheres Verdichtungsmaß ergab, wenn der Beton mit Splitt hergestellt wurde. Die LP-Gehalte der Betone lagen zwischen 5,9 und 6,7 Vol.-%.

Für die Untersuchungen der Druck- und Spaltzugfestigkeit wurden Würfel (Kantenlänge 150 mm) bzw. Zylinder (Ø = 100 mm, h = 200 mm) angefertigt. Die gemittelten Werte der 28-Tage-Druckfestigkeiten lagen zwischen 43,5 und 50,6 N/mm², die Spaltzugfestigkeiten nach 28 Tagen lagen zwischen 3,5 und 4,7 N/mm².

Als Probekörper zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften der Waschbetonoberflächen wurden Schalungen der Abmessungen l · b · h = 300 · 300 · 50 mm³ verwendet. Diese wurden einlagig befüllt, wobei der eingefüllte Beton vor der Verdichtung mit einem Reibbrett angedrückt wurde. Um eine möglichst homogene Oberfläche zu gewährleisten, wurde während der Verdichtung kein weiterer Beton nachgefüllt. Für die Verdichtung wurde ein Rütteltisch mit einer Frequenz von 50 Hz (Schwingbereite = 0,4 mm) verwendet. Die Probekörperherstellung entsprach der Vorgehensweise nach TP Beton-StB zur Herstellung von Waschbetonlaborprobekörpern. Bei allen Betonen gelang es, die Oberfläche mit der Glättkelle abzuziehen und eine geschlossene Mörtelschicht zu erhalten.

Nach der Verdichtung wurden ca. 150 g/m² eines Kombinationsmittels aufgebracht, das sowohl eine verzögernde als auch eine nachbehandelnde Wirkung hat. Die Platten wurden nach 20 ± 2 h ausgebürstet.

Zunächst wurden die Waschbetonoberflächen durch die Bestimmung der Profilspitzenanzahl und der mittleren Oberflächentexturtiefe mittels des Sandfleckverfahrens charakterisiert. Insgesamt wiesen die Betone vergleichbare mittlere Oberflächentexturtiefen von ca. 1 mm auf, die Anzahl der Profilspitzen lag stets zwischen 40 und 60. Die im Forschungsvorhaben untersuchten Einflussparameter Bruchflächigkeit und Kornform scheinen über die Packungsdichte der Gesteinskörnung und die Verarbeitbarkeit des Frischbetons indirekt die Ausbildung des Waschbetonprofils zu beeinflussen. So wirkten sich hohe Bruchflächigkeiten und sogar sperrige, länglich/plattige Körner bei stets gleichbleibender Betonzusammensetzung positiv auf die Anzahl der Profilspitzen aus. Prägnanter war der Einfluss der Kornzusammensetzung selbst auf die Ausbildung der Oberfläche. So begünstigte ein hoher Anteil innerhalb der Kornfraktion 5/5,6 mm von 15- oder sogar 20 M.-% die Anzahl der Profilspitzen. Das bedeutet, dass bei Ausfallkörnungen ein höherer Anteil an Unterkorn beim Splitt bzw. Kiessplitt 5/8 mm von Vorteil sein könnten. Die Zusammensetzung der Gesteinskörnung ­ also die Sieblinie ­ hat letztendlich einen entscheidenden Einfluss auf die Anzahl der Profilspitzen.

Die Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit der Oberflächeneigenschaften der Waschbetonoberflächen mit den verschiedenen Gesteinskörnungen erfolgten mit dem kombinierten Laborbeanspruchungszyklus. Dieser simuliert die Exposition eines Straßenbetons praxisnah und zeitraffend. Die Praxisbeanspruchung wurde dabei durch eine Kombination aus lösender (gepufferte Lösung mit pH-Wert 4,5), mechanischer Beanspruchung (Prallabrieb) und FrostTausalzbeanspruchung (CDF-nahes Verfahren) simuliert. Die Veränderung der Oberflächeneigenschaften wurde zunächst durch Untersuchungen zur mittleren Oberflächentexturtiefe und zur Griffigkeit mit dem SRT-Pendel bewertet.

Um eine Griffigkeitsprognose für Waschbeton zu ermöglichen, wurden orientierend Untersuchungen an der Prüfanlage Wehner/Schulze durchgeführt.

Die mittleren Texturtiefen aller Betone lagen vor dem Laborbeanspruchungszyklus bei ca. 1 mm. Nach dem Laborbeanspruchungszyklus lag die geringste Zunahme der mittleren Oberflächentexturtiefe bei 0,09 mm, die höchsten Zunahmen lagen bei 0,23 bzw. 0,24 mm.

Die SRT-Werte aller Betone lagen vor dem Laborbeanspruchungszyklus zwischen 65 und 73 und nach dem Laborbeanspruchungszyklus zwischen 63 und 74. Auffallend ist, dass bei allen Betonen, bei denen der Splitt aus Werk A verwendet wurde, die SRT-Werte nach den Laborbeanspruchungszyklen geringer waren als vorher. Die Kiessplitte wiesen hingegen danach stets größere Werte auf. Dies lag vermutlich daran, dass der Granit während der Lagerung in der gepufferten Lösung mit pH-Wert 4,5 nicht angegriffen wurde, während die Kiessplitte aufgrund ihres Carbonatgehaltes aufrauten. Die anschließende mechanische Beanspruchung führte dann zu dem Griffigkeitsverlust aller Betone, da aber Betone mit Splitt aus Werk A zwischendurch nicht an Rauheit zunahmen, war bei diesen der SRT-Wert nach dem Laborbeanspruchungszyklus geringer.

Die Untersuchungen mit der Prüfanlage Wehner/Schulze wurden an fünf Betonen durchgeführt. Die Verläufe der Einzelmessungen machen deutlich, dass die Präzision des Verfahrens zur Griffigkeitsprognose für Waschbeton ungünstig ist. Offensichtlich wird die Griffigkeitsentwicklung hauptsächlich durch die Anordnung der Gesteine an der Betonoberfläche beeinflusst wie z. B. die Anzahl der Profilspitzen oder die Lage plattig/länglich geformter Gesteinskörner.

Die Untersuchungen lassen keine eindeutige Aussage zu, welches Gestein hinsichtlich der Dauerhaftigkeit von Waschbetonoberflächen besonders günstig ist. Gleiches gilt für die Untersuchungen mit dem SRT-Pendel. Es scheint aber, dass ein Korn mit einem gemessenen PSV von 50 wie Kiessplitt D eine zu geringe Griffigkeit hat, da innerhalb der Kiessplittbetone sowohl die SRT-Werte als auch der PWS-Wert den unteren Bereich darstellen.

Zusätzlich wurde zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit der Waschbetonoberflächen die Makround Mikrotextur anhand von Aufnahmen mit einem Doppeltriangulationssensor (Laser) untersucht und die Oberflächentextur bewertet. Hierfür wurde die Oberfläche der Probekörper in Flächenmitte abgetastet. Das dortige Messfeld bestand aus 400 Messlinien, die jeweils 400 Messpunkte beinhalteten. Mit einem Messpunktabstand von 200 m wurde dabei eine Fläche von 80 · 80 mm² erfasst. Das Bild 7 zeigt exemplarisch die Profile eines Betons vor und nach dem Laborbeanspruchungszyklus.

An den Profilen der Waschbetonoberflächen wurden die Kennwerte Rq (= RMS = Root Mean Square) und Rp (mittlere Glättungstiefe oder MPD = Mean Profile Depth) mittels einer Software bestimmt. Aus der Materialanteilkurve und über den Gestaltfaktor g wurde die Krümmung der Oberfläche umschrieben.

Alle Mittenrauwerte Rq der Waschbetone mit Größtkorn 8 mm lagen in einer Bandbreite von 0,370 und 0,507 mm. Bei den Betonen waren tendenziell die quadratischen Mittenrauwerte nach dem Laborbeanspruchungszyklus etwas geringer als vor dem Laborbeanspruchungszyklus, was bedeutet, dass die Oberflächen danach eine geringere Rauheit hatten. Dies korrelierte mit den Ergebnissen der Griffigkeitsmessungen mit dem SRT-Pendel. Zwischen den Mittenrauwerten und den untersuchten Parametern Bruchflächigkeit und Kornform ist keine eindeutige Korrelation zu erkennen, der Mitterauwert des Betons scheint aber geringer zu sein, je geringer der PSV der Gesteinskörnung ist.

Die mittleren Glättungstiefen Rp der Betone lagen vor dem Laborbeanspruchungszyklus zwischen 1,137 und 1,302 mm. Nach dem Laborbeanspruchungszyklus waren sie bis auf eine Ausnahme (Beton mit Kiessplitt aus Werk B der Kategorie C90/3) größer (zwischen 1,121 und 1,635 mm), aus der Erhöhung der einzelnen Kennwerte ließ sich aber nicht folgern, ob eine der hier untersuchten Gesteinskörnungen die Dauerhaftigkeit einer Waschbetonoberfläche positiv oder negativ beeinflusst.

Welchen Einfluss das Korn selbst hatte und wie groß dieser war, wurde durch die Untersuchungen zur Mikrorauheit geklärt. Hierfür wurden nur an den Gesteinskornoberflächen die Kennwerte Rq und Rp bestimmt. Das Bild 8 stellt die beiden Oberflächenkennwerte dar, die ca. 20 bis 25 % der jeweiligen Rauheitskennwerte der Betonoberfläche entsprachen.

Bild 7: Profile des Betons mit Gesteinskörnung aus Werk B vor und nach dem Laborbeanspruchungszyklus

Bild 8: Quadratischer Mittenrauwert Rq und mittlere Glättungstiefe Rp der Gesteinskörnung aus Werk A, B, C und D

Die Werte des Kiessplittes D lagen deutlich unter den Werten von Splitt A, insbesondere nach dem Laborbeanspruchungszyklus. Daraus lässt sich wieder folgern, dass Kiessplitt D eine für Waschbeton zu geringe Oberflächenrauheit hat, was die Untersuchungen der Griffigkeit gemessen mit dem SRT-Pendel bestätigt.

Nach Auswertung der Materialanteilkurven zeigte sich, dass Betone mit Gesteinskörnung hoher Bruchflächigkeit offensichtlich eher eine Oberfläche aufwiesen, die einem "Plateau mit Schluchten" (konkav) ähneln. Untersuchungen nach Krieger et al. haben ergeben, dass sich eine Textur in der Form eines Plateaus mit Schluchten einerseits günstig auf das Lärmverhalten auswirkt und andererseits eine gute Griffigkeit gewährleistet [Krieger 2000]. Eine zu günstige Kornform ("SI5"), aber auch ein hoher Anteil ungünstig geformter Körner (SI20), führten bei den Untersuchungen hingegen zu der hinsichtlich der Geräuschemission eher ungünstigeren konvexen Textur in der Form von "Bergen und Tälern". Anzumerken ist aber hier, dass die Gestalt einer Waschbetonoberfläche nie von nur einem einzelnen Parameter, wie z. B. der Bruchflächigkeit oder der Kornform, abhängig ist. Vielmehr beeinflussen sich die Parameter gegenseitig und führen gemeinsam zu Frischbetoneigenschaften, die eine dichte Packung der Gesteinskörner an der Oberfläche begünstigen. Die Folgerung ist dann eine konkave Oberfläche, die dem gewünschten "Plateau mit Schluchten" ähnelt.

4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Im Hinblick auf die feine Gesteinskörnung wurde in den Untersuchungen festgestellt, dass der Sand die Konsistenz und den Luftporengehalt des Frischbetons sowie die Dicke der zu texturierenden Oberflächenmörtelschicht signifikant beeinflusst. Folglich sind die für eine hohe Dauerhaftigkeit erforderlichen Frischbetoneigenschaften über die Zusatzmittelmengen einzustellen. Reine Karbonatsande können bei rein polierender Beanspruchung der Oberfläche die Griffigkeit deutlich verringern. Ein Einfluss des Sandes auf den Frost-TausalzWiderstand von Straßenbetonen konnte nicht festgestellt werden.

Im Hinblick auf die grobe Gesteinskörnung können folgende Anforderungen aus den Ergebnissen abgeleitet werden:

– ­ Bruchflächigkeit:
Die Ergebnisse zeigen, dass es durchaus möglich ist, dauerhafte Waschbetonoberflächen mit einem Kiessplitt der Bruchflächigkeit C90/1 und sogar C90/3 herzustellen.

– ­ Widerstand gegen Polieren:
Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass Kiessplitt mit einem gemessenen PSV von 50 einen zu geringen Widerstand gegen Polieren hat. Kiessplitt aus Werk C, der zwar der Kategorie PSV51 zugeteilt wird, der aber einen PSV von 52 aufwies, führte zu vergleichbaren Griffigkeiten im Beton wie die Gesteinskörnungen aus Werk B und A, an denen ein PSV von 54 bzw. 56 bestimmt wurde. Demnach wäre die Anforderung an die Kategorie PSV53 zu überdenken, da ein PSV von 52 (Kiessplitt aus Werk C) ausreichte. Es sollte eine weitere Untersuchungsreihe mit einem Gesteinskorn eines gemessenen PSV von 51 erfolgen. Wird an diesem Beton einen vergleichbare Griffigkeit gemessen, wäre es durchaus vorstellbar, ein Gesteinskorn der Kategorie PSV51 zu fordern. Dies würde die Verfügbarkeit der Materialien um ein Vielfaches erweitern und wäre ökologisch und auch ökonomisch von Nutzen. Im Rahmen der Kontrollprüfungen sollte dann aber eine mehrmalige Bestimmung des PSV gefordert sein, um die Kategorie PSV51 stets sicher zu stellen. ­

– Kornform:
Eine Änderung der Anforderungen an die Kornform von derzeit SI15 ist nach Auswertung aller Untersuchungen nicht zielführend. Weder eine Verschärfung der Kategorie SI15 auf z. B. SI5 oder eine Erhöhung des Anteils ungünstig geformter Körner (SI20) führten zu der gewünschten Oberflächentextur, die einem "Plateau mit Schluchten" ähnelt. Letztendlich muss auch gefolgert werden, dass die Oberflächengestalt nicht nur von der Menge ungünstig geformter Körner mit der Verhältniszahl l/d = 1/3 abhängen kann. Es sollte zukünftig ein Augenmerk auf die gesamte Kornformverteilung gelegt werden, das heißt z. B., dass bestimmte Gehalte an Körnern mit dem Verhältnis l/d = 1/2,5, 1/2, 1/1,5, usw. gefordert werden könnten.

– ­ Größtkorn 11 mm:
Die orientierenden Untersuchungen zeigten, dass es möglich ist, Waschbetonoberflächen mit einem Größtkorn von 11 mm herzustellen. Um Anforderungen an die Gesteinskörnung ableiten zu können, sind aber weitere Untersuchungen, insbesondere zur Geräuschemission, nötig.

5 Literaturverzeichnis

Setzer 2007 – S e t z e r, M.J.; S c h i e ß l, P.; K e c k, H.J.; P a l e c k i, S.; B r a n d e s, C.: Entwicklung eines Prüfverfahrens für Beton in der Expositionsklasse XF2; Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Brücken- und Ingenieurbau, Heft B 56, Bergisch Gladbach, Juli 2007.

Schulze 1982 – S c h u l z e, K.H.; H o f f m a n n, G.; D a m e s, J.: Einfluss der Oberflächenausführung von Betondecken auf die Griffigkeit, Heft 356, Schriftenreihe Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, BMV 1982.

Sommer 1979 – S o m m e r, H.: Die Sande Österreichs ­ Kornzusammensetzung, Abschlämmbares und Frostbeständigkeit, Zement und Beton, 24. Jahrgang, Heft 1; Wien, 1979.

Wörner 2008 – W ö r n e r, Th.; W e n z l, P.: Forschungsbericht zu FA 7.204/2003/EGB: Bewertungshintergrund für Verfahren zur Griffigkeitsprognose, München 2008.

BAW-Merkblatt – Bundesanstalt für Wasserbau (BAW): Frostprüfung von Beton (BAW-Merkblatt Frostprüfung), Ausgabe Dezember 2004.

Krieger 2000 – K r i e g e r, B.; K u n z, K.; S u l t e n, P.: Dauerhaft griffige und geräuscharme Betonfahrbahndecken ­ Stand der Entwicklung, Straße und Autobahn 12, 2000, S. 753­759.

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