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Fachvorträge aus Tagungsbänden von FGSV-Veranstaltungen

FGSV-Nr. FGSV M 12
Ort Aschaffenburg
Datum 2017-11-22
Titel Schichten ohne Bindemittel für die Straße im 21. Jahrhundert
Autoren Dr.-Ing. Christine Kellermann-Kinner
Kategorien
Einleitung

Schichten ohne Bindemittel (SoB) haben durch ihre Lage eine zentrale Rolle im Straßenoberbau. Ihre Hauptaufgaben sind, die Lasten aus Verkehr schadlos in den Untergrund/Unterbau weiterzuleiten und Schäden aus Witterungseinflüssen zu verhindern. Bisher erfolgt der Aufbau von SoB rein empirisch. Damit dauerhafte SoB als Fundament für die Straße im 21. Jahrhundert dienen können, müssen heute die Grundlagen für zukünftige Entwicklungen gelegt werden. Der Arbeitskreis 6.3.1 ,,Infiltrationsverfahren, Merkblatt für Schichten ohne Bindemittel" stellt sich diesen Herausforderungen. Es werden die Nachteile der heutigen Vorgehensweise in diesem und den drei folgenden Artikeln beschrieben und Ziele für Schichten ohne Bindemittel für die Straße im 21. Jahrhundert formuliert. Soweit schon Erkenntnisse vorliegen, fließen sie in das zukünftige Merkblatt für Schichten ohne Bindemittel ein.

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

1 Allgemeines

Schichten ohne Bindemittel (SoB) haben durch ihre Lage zwischen Decke, Tragschichten mit Bindemittel und Untergrund/Unterbau eine zentrale Rolle im Straßenoberbau. Ihre Hauptaufgaben sind, die Lasten aus Verkehr schadlos in den Untergrund/Unterbau weiterzuleiten und Schäden aus Witterungseinflüssen zu verhindern.

Bisher erfolgt der Aufbau von SoB rein empirisch. Der Aufbau beinhaltet die Wahl der Schichtdicke, die Auswahl von Gesteinskörnung und Baustoffgemisch und die Herstellung der Schicht. Dieses empirische Vorgehen beinhaltet einige Nachteile. Die bisherigen Erfahrungen lassen sich nur bedingt auf Sekundärbaustoffe oder neue Bauweisen übertragen. Die spezifischen Anforderungen unterschiedlicher Bauweisen wie Asphalt-, Beton-, Pflasterbauweisen oder versickerungsfähige Verkehrsflächen gehen nur unzureichend in den Aufbau von SoB ein. Die realen Beanspruchungen und das mechanische Verhalten werden kaum berücksichtigt. Die vorhandenen Prüfverfahren aus den 1930er Jahren messen nicht die relevanten Funktionseigenschaften der Schichten. Eine Übertragung von Laborergebnissen auf Eigenschaften der fertigen eingebauten Schicht ist nur bedingt möglich. Um rechnerisch dimensionieren zu können sind diese Daten aber notwendig.

Damit dauerhafte SoB als Fundament für die Straße im 21. Jahrhundert dienen können, müssen bauweisenspezifische Anforderungen aus dem Gesamtsystem definiert und die zu prüfenden relevanten Eigenschaften beschrieben werden. Die Anforderungen an die Herstellung der Baustoffgemische und an einen optimierten Einbau müssen erläutert und Empfehlungen zur Qualitätssicherung gegeben werden. Für eine zukünftige Dimensionierung und Substanzbewertung sind die Erforschung der Stoffgesetzes und Grenzzuständen der Tragschichten notwendig. Mit performance-orientierten Prüfverfahren können diese Eigenschaften im Labor bestimmt und an der eingebauten Schicht kontrolliert werden.

Bild 1: Aufgaben der Schichten ohne Bindemittel für die Straße im 21. Jahrhundert

Der FGSV-Arbeitskreis 6.3.1 ,,Infiltrationsverfahren, Merkblatt für Schichten ohne Bindemittel" stellt sich diesen Herausforderungen. Es werden die Nachteile der heutigen Vorgehensweise in den folgenden vier Absätzen beschrieben und Ziele für Schichten ohne Bindemittel für die Straße im 21. Jahrhundert formuliert. Soweit schon Erkenntnisse vorliegen fließen sie in das zukünftige Merkblatt für Schichten ohne Bindemittel ein.

2 Mechanisches Verhalten

SoB sind ein komplexes System aus Baustoffgemischen, die aus Gesteinskörnungen hergestellt werden. Die Eigenschaften können während der Dimensionierung, der Herstellung für die Lieferung und der Bauausführung festgelegt und beeinflusst werden. Bei den Anforderungen muss unterschieden werden, ob sich diese auf die Gesteinskörnung, das Baustoffgemisch oder die fertig eingebaute Schicht beziehen. Das Regelwerk trägt dem durch seinen modularen Aufbau Rechnung. Im vorhandenen Regelwerk werden allgemeine Grundanforderung gestellt. Diese Grundanforderungen müssen alle Baustoffe und Schichten erfüllen. Darüber hinausgehend enthält das Regelwerk stoff- oder bauweisenspezifische Anforderungen die nur für bestimmte Bauweisen oder Materialien gelten. Dies bedeutet nicht, dass die Anforderungen, die dort gefordert sind, qualitativ hochwertiger sind als die allgemeinen Grundanforderungen. Diese Grundanforderungen im Regelwerk beruhen auf langjährigen, empirischen Erfahrungen. Für spezielle Anwendungsfälle können Anforderungen an die Funktionseigenschaften gestellt werden, die über das Regelwerk hinausgehen. Oft wird versucht, diese Anforderungen mit Begrenzungen der Korngrößenverteilung oder Anforderungen an den CBR-Wert zu umschreiben. Aber die Korngrößenverteilung ist keine Eigenschaft des Baustoffgemisches, sondern beschreibt nur dessen Zusammensetzung. Aufgrund der durch Empirie geprägten Entwicklung des Straßenbaus ist dies für normale Anforderungen ausreichend. Diese Anforderungen berücksichtigen weder die reale Beanspruchung aus der gewählten Oberbauweise noch das mechanische Verhalten der konkreten Schicht.

SoB müssen die von außen einwirkenden Kräfte schadlos aufnehmen und in die Unterlage weiterleiten können. Die gesamte Straßenbefestigung muss so dimensioniert sein, dass während der gesamten Nutzungsdauer plastische Verformungen, die aus Kornumlagerungen sowie Kornzertrümmerungen resultieren, weitgehend ausgeschlossen werden.

Eine präzise mathematische Erfassung der mechanischen Beanspruchung eines Einzelkornes in der Tragschicht ist aufgrund der Unterschiede und Verschiedenartigkeit der Parameter Verkehrsbelastung, Dicke und Art der Schichten des Oberbaus und der Unterlage nicht möglich. Für eine rechnerische Dimensionierung ist aber die Kenntnis des Spannungs-Verformungsverhaltens über den gesamten Nutzungszeitraum der SoB notwendig. Das Gesteinskörnungsgemisch verhält sich bei Belastung nichtlinear-elastisch und plastisch. Bis zu einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln bei einer bestimmten Vertikalspannung (Grenzlastwechselzahl) treten vor allem elastische und plastische Verformungen nur in unmaßgeblicher Größenordnung auf. Nach Überschreiten dieser Grenzlastwechselzahl nehmen die plastischen Verformungen in einer für den Oberbau schädlichen Größenordnung zu. Diese Einflüsse und Auswirkungen auf den Oberbau gilt es bei der Dimensionierung entsprechend zu berücksichtigen. Versuchstechnisch wird das Spannungs-Verformungsverhalten von Baustoffgemischen durch den Triaxialversuch erfasst.

Bild 2: Ziel: Mechanisches Verhalten

Weiterführende Ansätze für besondere Anforderungen werden im FGSV-Arbeitspapier Nr. 60 ,,Mechanisches Verhalten von Tragschichten ohne Bindemittel in Befestigungen für Verkehrsflächen" zusammengefasst. Darin werden Theorien des Stoffverhaltens und die zulässigen Beanspruchungen beschrieben.

3 Formulierung von Anforderungen

Für spezielle Anwendungsfälle müssen Anforderungen an die Funktionseigenschaften gestellt werden, die über das Regelwerk hinausgehen. Zu den wichtigsten Funktionseigenschaften zählen die Tragfähigkeit und die Wasserdurchlässigkeit. Die Sieblinienbereiche für SoB orientieren sich traditionell an der Idealsieblinie nach Fuller. Mit diesen gut kornabgestuften, hohlraumarm verdichteten Gemischen soll eine hohe Lagerungsdichte und gute Tragfähigkeit erreicht werden. Für eine ausreichenden Wasserdurchlässigkeit ist dagegen ein zusammenhängender Porenraum notwendig. Eine Erhöhung der Tragfähigkeit durch Verdichtung führt also zu einer Veringerung des Porenraumes und damit zu einer Veringerung der Wasserdurchlässigkeit. Diese beiden Eigenschaften sind gegenläufig und müssen optimiert werden. Es stellt sich also die Frage: Wieviel Wasserdurchlässigkeit braucht die SoB?

Die unterschiedlichen Bauweisen stellen ganz unterschiedliche Anforderungen an die Eigenschaft Wasserdurchlässigkeit. Bisher bestehen national keine Anforderungen an die Wasserdurchlässigkeit von Baustoffgemischen. Die Eigenschaft Wasserdurchlässigkeit ist vor allen bei Versickerungsfähigen Verkehrsflächen, bei der Pflasterbauweise und unter Betondecken von Bedeutung. Versickerungsfähige Verkehrsflächenbefestigungen sind nach M VV so zu planen und zu bauen, dass die Bemessungsregenspende von mindestens 270 l/(s · ha) dauerhaft in den Untergrund versickern kann. Im M VV wird als Anforderungen ein Infiltrationsbeiwert ki 3 · 10-5 m/s gefordert.

Bild 3: Ziel: Formulierung von Anforderungen

4 Entwicklung von Prüfverfahren

Viele Prüfverfahren aus den 1930er Jahren messen einfach zu bestimmende Werte des Gesteins, die keine Aussagen über Eigenschaften der fertig verdichteten Schicht erlauben. So sind zum Beispiel die Anforderungen an den Widerstand gegen Zertrümmerung nicht von der Beanspruchung der Gesteinskörner in der Schicht abgeleitet, sondern trennen innerhalb einer Gesteinsgruppe die als Straßenbaustoff geeignente Varianten derselben Gesteinsart von den ungeeigneten ab. Mit fortschreitender Prüftechnik wäre es mittlerweile möglich, die gewünschte Funkionseigenschaft direkt im Labor zu bestimmen. Dafür müssen innovative, performanceorientierte Prüfverfahren entwickelt werden.

Ein weiteres Beispiel ist die Bestimmung der Verdichtung von Baustoffgemischen im Labor mit dem Proctorversuch. Ziel des Proctorversuches ist die Erstellung einer Verdichtungskurve in Abhängigkeit vom Wassergehalt und die Bestimmung einer maximalen Trockendichte aus dem Kurvenmaximum mit zugehörigem Wassergehalt. Da ungebundene Baustoffgemische aufgrund ihrer zweckorientierten Wasserdurchlässigkeit eine kapillarbrechende Sieblinie aufweisen, ist der Proctorversuch speziell im nassen Bereich der Proctorkurve häufig schwer zu generieren, da das Probenwasser in diesem Versuchsbereich häufig vom Probenmaterial nicht mehr aufgenommen und gehalten werden kann. Bei Baustoffgemischen für Schichten ohne Bindemittel zeigt sich oft kein ausgeprägtes Kurvenmaximum, so dass die Ermittlung des optimalen Wassergehaltes schwierig ist. Ist der Proctorversuch noch zeitgemäß?, obwohl diese Probleme seit Jahren bekannt sind. Ein alternatives Verfahren kann das europäisch genormte Vibrationshammerverfahren sein. Hier erfolgt die Verdichtung unter Vibration und Auflast mit einem festgelegten Wassergehalt. Dies spiegelt die Verhältnisse auf der Baustelle besser wider. Das Verfahren liefert vergleichbare Ergebnisse wie das Proctorverfahren für ungebundene Baustoffgemische ohne die bekannten Nachteile.

Bild 4: Ziel: Entwicklung von Prüfverfahren

5 Anforderungsgerechte Herstellung

Die Funktionseigenschaften unterliegen einem Homogenitätsanspruch, das heißt sie sollten räumlich möglichst einheitlich und in gleicher Güte nach Zielvorgabe und innerhalb der erlaubten Grenzen durch die Regelwerke anzutreffen sein. Bei Schichten ohne Bindemittel wird die fertige Leistung in Abständen von 500 m oder je angefangene 6.000 m² an einzelnen Punkten kontrolliert, was nichts über die Gleichmäßigkeit der erbrachten Leistung aussagt. Wichtiger als die erreichte Höhe der zu prüfenden Eigenschaft ist für die Qualität aber die Gleichmäßigkeit der Eigenschaft. Wie im Erdbau muss darauf hingearbeitet werden, dass Eigenschaften flächendeckend oder durch statistische Prüfpläne geprüft werden. Dichte bzw. der Verdichtungsgrad, Tragfähigkeit und Wasserdurchlässigkeit bilden die drei wichtigsten Funktionssäulen ungebundener Schichten und müssen daher anforderungsgerecht und in möglichst gleichbleibender Güteeigenschaft vorliegen. Um dies zu erreichen muss bei allen Herstellungsschritten der Qualitätsgedanke mitgetragen werden. Selbst wenn in den ,,Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Schichten ohne Bindemittel im Straßenbau" (ZTV SoB-StB) bei Tragschichten gefordert wird: ,,Das Baustoffgemisch ist mit dem Fertiger einzubauen", wird dies in der Praxis oft nicht ausgeführt. Gerade bei den Einbauverfahren fehlen innovative, technische Erneuerungen.

Zu einer anforderungsgerechten Herstellung gehört auch der Einsatz von nachhaltigen Baustoffen. Eine der Hauptaufgaben von SoB ist es die Befestigung vor Frostschäden zu schützen, dazu muss der frostsichere Oberbau eine bestimmte Mindestdicke aufweisen. Ein frostsicherer Oberbau besteht aus frostbeständigen Gesteinskörnungen, deren Zusammensetzung frostunempfindlich ist. Da bei SoB der Anteil d < 0,063 mm begrenzt ist, gelten deren Baustoffgemische aufgrund ihrer Kornzusammensetzung im Allgemeinen als frostunempfindlich. Reicht das Kriterium Feinanteil zur Beurteilung der Frostempfindlichkeit? Werden RC-Baustoffe oder industriell hergestellte Gesteinskörnungsgemische verwendet, greifen die empirischen Grenzwerte für natürliche Gesteinskörnungen häufig nicht. Diese Materialien könnten demnach, entgegen guter Praxiserfahrungen, nicht eingesetzt werden. Im Labor gibt es bisher kein genormtes Prüfverfahren für die Frostempfindlichkeit, es kann lediglich der Frostwiderstand des Gesteins bestimmt werden. Ob ein Baustoffgemisch frostempfindlich reagiert lässt sich im Labor durch den Frosthebungsversuch nachweisen.

Bild 5: Ziel: Anforderungsgerechte Herstellung

6 Grundlage für zukünftige Entwicklungnen

Damit dauerhafte SoB als Fundament für die Straße im 21. Jahrhundert dienen können, müssen heute die Grundlagen für zukünftige Entwicklungen gelegt werden.

Folgende Ziele gilt es zu erreichen: ­

– Das mechanische Verhalten ist untersucht und steht für eine Dimensionierung und Substanzbewertung zur Verfügung. ­

– Die zu prüfenden Funktionseigenschaften sind beschrieben und die bauweisenspezifischen Anforderungen sind definiert. ­

– Mit performance-orientierten Prüfverfahren können die Funktionseigenschaften gemessen werden. ­

– Eine anforderungsgerechte Herstellung ist durch einen optimierten Einbau mit nachhaltigen Baustoffen möglich.

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