Abhängigkeit der technologischen Eigenschaften von...

HOCHSCHULE KONSTANZ TECHNIK, WIRTSCHAFT UND GESTALTUNG UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

Abhängigkeit der technologischen Eigenschaften von

Halbstarren Belägen im Verkehrsbau vom

Wasser-Trockenmörtel-Verhältnis

BACHELORARBEIT

an der

Fakultät Bauingenieurwesen

eingereicht von

Daniel Schrodin

Matrikelnummer 276291

Juli 2007

Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Sylvia Stürmer, HTWG Konstanz

Abteilungsleiter Sven Mrotzek, SKS Bau GmbH & Co. KG

Inhaltsverzeichnis 2

Inhaltsverzeichnis

INHALTSVERZEICHNIS................................. .............................................................. 2

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS .............................. ....................................................... 5

ABBILDUNGSVERZEICHNIS.............................. ......................................................... 6

TABELLENVERZEICHNIS ................................ ........................................................... 9

1 EINLEITUNG............................................................................................................ 11

2 MODERNE DECKSCHICHTEN AUS ASPHALT................ ..................................... 12

2.1 Das Bindemittel Bitumen..................................................................................................................................12 2.1.1 Herstellung von Bitumen.............................................................................................................................13 2.1.2 Zusammensetzung des Bitumens ................................................................................................................18 2.1.3 Eigenschaften von Bitumen.........................................................................................................................19 2.1.4 Polymermodifizierte Bitumen PmB ............................................................................................................23

2.2 Asphaltdeckschichten .......................................................................................................................................27 2.2.1 Asphaltbeton................................................................................................................................................29 2.2.2 Splittmastixasphalt SMA.............................................................................................................................30 2.2.3 Gussasphalt..................................................................................................................................................31 2.2.4 Offenporige Asphaltdeckschichten .............................................................................................................32

2.2.4.1 Einschichtige offenporige Asphaltdeckschicht (OPA) ........................................................................32 2.2.4.2 Zweischichtige offenporige Asphaltdeckschicht (ZWOPA) ...............................................................34

2.2.5 Weitere Asphaltdeckschichten ....................................................................................................................36 2.2.5.1 Farbige Asphaltdecken ........................................................................................................................36 2.2.5.2 Temperaturabgesenkte Asphalte (TAA)..............................................................................................36 2.2.5.3 Gummimodifizierter Asphalt...............................................................................................................37

2.3 Herstellung von Asphaltstraßen ......................................................................................................................38 2.3.1 Asphaltmischgutherstellung ........................................................................................................................38 2.3.2 Einbau von Asphaltmischgut.......................................................................................................................39

2.3.2.1 Walzasphalt .........................................................................................................................................39 2.3.2.2 Gussasphalt..........................................................................................................................................41

2.4 Technologische Eigenschaften..........................................................................................................................42 2.4.1 Walzasphalt .................................................................................................................................................42 2.4.2 Gussasphalt..................................................................................................................................................44

2.5 Marktsituation...................................................................................................................................................45

3 MODERNE DECKSCHICHTEN AUS BETON .................. ....................................... 46

3.1 Zement ...............................................................................................................................................................47

3.2 Konstruktion .....................................................................................................................................................49 3.2.1 Schichtdicke ................................................................................................................................................49 3.2.2 Fugen...........................................................................................................................................................50 3.2.3 Dübel und Anker .........................................................................................................................................50


3.3 Herstellung.........................................................................................................................................................51 3.3.1 Betonherstellung..........................................................................................................................................51 3.3.2 Einbau der Betondecke................................................................................................................................52

3.4 Technologische Eigenschaften..........................................................................................................................53

3.5 Marktsituation...................................................................................................................................................54

4 HALBSTARRE DECKSCHICHTEN......................... ................................................ 55

4.1 Entwicklung.......................................................................................................................................................56

4.2 Ausgangsstoffe...................................................................................................................................................56 4.2.1 Asphalttraggerüst ........................................................................................................................................57 4.2.2 Verfüllmörtel ...............................................................................................................................................58

4.3 Herstellung der Halbstarren Deckschicht.......................................................................................................60 4.3.1 Mischgutherstellung für das Asphalttraggerüst...........................................................................................60 4.3.2 Einbau des Asphalttraggerüstes...................................................................................................................60 4.3.3 Einbringen des Mörtels ...............................................................................................................................61

4.4 Technologische Eigenschaften..........................................................................................................................66 4.4.1 Verformungsstabilität ..................................................................................................................................66 4.4.2 Rauheit ........................................................................................................................................................66 4.4.3 Farbe............................................................................................................................................................67 4.4.4 Sonstige Eigenschaften................................................................................................................................67

4.5 Erfahrungen aus der Praxis .............................................................................................................................70

4.6 Marktsituation...................................................................................................................................................72

5 UNTERSUCHUNGEN AN HALBSTARREN DECKSCHICHTEN...... ...................... 73

5.1 Regelwerke.........................................................................................................................................................74

5.2 Herstellung der Probekörper ...........................................................................................................................75 5.2.1 Mörtelprismen .............................................................................................................................................75 5.2.2 Asphalttraggerüst ........................................................................................................................................76 5.2.3 Halbstarre System .......................................................................................................................................77

5.3 Prüfung der Probekörper.................................................................................................................................83 5.3.1 Prüfergebnisse des Mörtels .........................................................................................................................85

5.3.1.1 Mörtel Biegezugfestigkeiten................................................................................................................87 5.3.1.2 Mörtel Druckfestigkeiten.....................................................................................................................88 5.3.1.3 Gesamtporosität des Mörtels ...............................................................................................................89 5.3.1.4 Wasseraufnahme des Mörtels ..............................................................................................................89

5.3.2 Ergebnisauswertung der Mörtelprüfungen ..................................................................................................90 5.3.3 Ergebnisse der Prüfungen des Halbstarren Systems....................................................................................91

5.3.3.1 Optische Untersuchung........................................................................................................................91 5.3.3.2 Biegezugfestigkeiten des Halbstarren Systems ...................................................................................94 5.3.3.3 Druckfestigkeiten des Halbstarren Systems.........................................................................................94

5.3.4 Ergebnisauswertung der Prüfungen am Halbstarren System.......................................................................95

5.4 Mikroskopische Gefügeuntersuchung des Verbundes zwischen Mörtel und Asphalt ................................97 5.4.1 Mikroskopie der Probekörper......................................................................................................................97 5.4.2 Untersuchung der Bohrkerne.......................................................................................................................97

5.4.2.1 Mikroskopie des Bohrkerns...............................................................................................................101 5.4.3 Ergebnisauswertung ..................................................................................................................................103


6 ZUSAMMENFASSUNG .................................. ....................................................... 104

7 QUELLENVERZEICHNIS ............................... ....................................................... 106

ANHANG 1: PROTOKOLL SIEBANALYSE TROCKENMÖRTEL ...... ..................... 110

ANHANG 2: PROTOKOLL FRISCHMÖRTELUNTERSUCHUNGEN ..... ................. 111

ANHANG 3: PROTOKOLL MÖRTEL – BIEGEZUGFESTIGKEIT 24 H................... 112

ANHANG 4: PROTOKOLL MÖRTEL – BIEGEZUGFESTIGKEIT 28 TAGE............ 114

ANHANG 5: PROTOKOLL MÖRTEL – DRUCKFESTIGKEIT 24 H.. ....................... 116

ANHANG 6: PROTOKOLL MÖRTEL – DRUCKFESTIGKEIT 28 TAG E ................. 117

ANHANG 7: PROTOKOLL HALBSTARRER BELAG – BIEGEZUGFESTIGKEIT 28 TAGE ......................... ............................ 118

ANHANG 8: PROTOKOLL HALBSTARRER BELAG – DRUCKFESTIGKEIT 28 TAGE ............................ ............................... 121

ANHANG 9: BILDER ................................... ............................................................. 124

SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG .......................... ............................................. 126

Abkürzungsverzeichnis 5

Abkürzungsverzeichnis AbZ Allgemein bauaufsichtliche Zulassung

Blaine spezifische Oberfläche nach der Blaine-Methode bestimmt

DIBt Deutsches Institut für Bautechnik

Gew.-% Gewichtsprozent

Gt Giga-Tonnen

HGT hydraulisch gebundene Tragschicht

LAU-Anlagen Anlagen zum Lagern, Abfüllen und Umschlagen bestimmter

wassergefährdender Flüssigkeiten

M HD Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten

M.-% Masseprozent

mf72h Gewicht eines Probekörpers nach 72 Stunden Wasserlagerung

mg,od Gewicht eines getrockneten Probekörpers

OPA offenporige Asphaltdeckschicht

PAK polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

PmB polymermodifizierte Bitumen

Pw Gesamtporosität

PZ Portlandzement

RStO Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von

Verkehrsflächen

TL Technische Lieferbedingungen

Vol.-% Volumenprozent

W/TM Wasser / Trockenmörtel - Wert

W72h Wasseraufnahme eines Probekörpers nach 72 Stunden

ZTV Asphalt - StB Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für

den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt

ZTV Beton - StB Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für

den Bau von Fahrbahndecken aus Beton

Abbildungsverzeichnis 6

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Weltreserven an Erdöl 2004................................................................................13

Abbildung 2: Weltweite Erdölförderung 2004..........................................................................14

Abbildung 3: Entwicklung des Ölpreises ..................................................................................15

Abbildung 4: Bitumengewinnung aus Erdöl .............................................................................16

Abbildung 5: Verwendung von Bitumen ..................................................................................19

Abbildung 6: Thermoviskoses Verhalten von Bitumen ............................................................21

Abbildung 7: Straßenaufbau......................................................................................................28

Abbildung 8: Mittlere Sieblinien für einen Asphaltbeton, einen Splittmastixasphalt, einen

offenporigen Asphalt und einen Gussasphalt......................................................33

Abbildung 9: Vertikalschnitt durch einen ZWOPA-Bohrkern.................................................34

Abbildung 10: Gegenüberstellung des Schallabsorbtionsverhaltens von einschichtigem und

zweischichtigem offenporigem Asphalt .............................................................35

Abbildung 11: Schema einer Chargenmischanlage ....................................................................39

Abbildung 12: Standardbohle mit Vibration...............................................................................40

Abbildung 13: Überblick über das Straßennetz in Deutschland, Stand August 2005 ................45

Abbildung 14: Bewährte Betondeckenkonstruktion...................................................................49

Abbildung 15: Sieblinien mit einem Größtkorn von 16 mm ......................................................51

Abbildung 16: Arbeitsschema eines Gleitschalungsfertigers .....................................................52

Abbildung 17: Deckenbefestigungsarten auf den Bundesautobahnen........................................54

Abbildung 18: Sieblinie des Mineralstoffgemisches für ein Asphalttraggerüst laut M HD.......57

Abbildung 19: Füllereffekt von Mikrosilica ...............................................................................59

Abbildung 20: Ausführungsbeispiele einer Flächenbefestigung mit einer Halbstarren

Deckschicht.........................................................................................................61

Abbildung 21: Die Mörtelsuspension fließt an den Rändern des Traggerüstes aus ...................62

Abbildung 22: Abdichtung der offenen Ränder des Asphalttraggerüstes mit Sand ...................63

Abbildung 23: Mit Mauerwerksmörtel verschlossener Einlaufschacht......................................63

Abbildung 24: Einlaufschacht nach Herstellung der Halbstarren Deckschicht..........................63

Abbildung 25: Aufbringen des Mörtels mit einem Schlauch .....................................................65

Abbildung 26: Abziehen des überschüssigen Mörtels................................................................65

Abbildung 27: Mikroskopische Struktur einer Halbstarren Deckschicht ...................................67

Abbildung 28: Unbehandelte Oberfläche ...................................................................................68

Abbildung 29: Geschliffene Oberfläche (Terazzoeffekt) ...........................................................68

Abbildung 30: Geschliffene und versiegelte Oberfläche............................................................68

Abbildung 31: Unbehandelte, farbige Oberfläche ......................................................................69

Abbildung 32: Kugelgestrahlte, farbige Oberfläche...................................................................69


Abbildung 33: Durch den Verkehr abgefahrene, oberste Mörtelschicht eines farbigen

Halbstarren Belages ............................................................................................69

Abbildung 34: Detailansicht eines auf der Belagsoberfläche haftenden Mineralstoffkornes.....71

Abbildung 35: Gebaute Halbstarre Flächen in Deutschland.......................................................72

Abbildung 36: Sieblinie des Confalt Mörtels .............................................................................76

Abbildung 37: Lamellenverdichter .............................................................................................77

Abbildung 38: eingeschaltes Asphalttraggerüst..........................................................................77

Abbildung 39: Versuchsaufbau zur Bestimmung des Fließvermögens des Frischmörtels.........79

Abbildung 40: Verfüllen des Asphalttraggerüsts mit Mörtel .....................................................80

Abbildung 41: Zersägen der Probenplatten ................................................................................81

Abbildung 42: Prisma wird durch fräsen auf die geforderte Höhe von 40 mm gebracht ...........81

Abbildung 43: Herstelloberseite eines Prismas ..........................................................................82

Abbildung 44: Abgeglichenes Prisma der Größe 40 x 40 x 160 ................................................82

Abbildung 45: Ermittlung der Mörtel-Biegezugfestigkeit..........................................................83

Abbildung 46: Druckfestigkeitsprüfung an Prismenhälften .......................................................83

Abbildung 47: Dreipunktbiegeversuch nach DIN EN 12390-5..................................................84

Abbildung 48: Druckfestigkeitsprüfung des Halbstarren Systems.............................................84

Abbildung 49: Mörtel – Biegezugfestigkeiten nach 24 Stunden in Abhängigkeit vom W/TM –

Verhältnis............................................................................................................87

Abbildung 50: Mörtel – Biegezugfestigkeiten nach 28 Tagen in Abhängigkeit vom W/TM –

Verhältnis............................................................................................................87

Abbildung 51: Entwicklung der Mörtel – Biegezugfestigkeit mit zunehmendem Alter ............87

Abbildung 52: Mörtel - Druckfestigkeiten nach 24 Stunden in Abhängigkeit vom W/TM –

Verhältnis............................................................................................................88

Abbildung 53: Mörtel – Druckfestigkeiten nach 28 Tagen in Abhängigkeit vom W/TM –

Verhältnis............................................................................................................88

Abbildung 54: Entwicklung der Mörtel - Druckfestigkeit mit zunehmendem Alter..................88

Abbildung 55: Schwindrisse auf einem Halbstarren Belag (W/TM = 0,30) ..............................91

Abbildung 56: Oberfläche eines Halbstarren Belages (W/TM = 0,24) ......................................91

Abbildung 57: Unterschiedliche Färbung der Oberflächen bei unterschiedlichen W/TM -

Werten.................................................................................................................92

Abbildung 58: Pinholes bei einer Probeplatte, die mit einem W/TM – Wert von 0,22 hergestellt

wurde ..................................................................................................................92

Abbildung 59: Pinhole – Bildung kurz nach dem Einschlämmen des Mörtels (W/TM=0,22) ..93

Abbildung 60: Unvollständig Verfülltes Asphalttraggerüst W/TM = 0,22)...............................93

Abbildung 61: Biegezugfestigkeit des Halbstarren Belages in Abhängigkeit vom W/TM -

Verhältnis............................................................................................................94

Abbildung 62: Druckfestigkeit des Halbstarren Belages in Abhängigkeit vom W/TM -

Verhältnis............................................................................................................94


Abbildung 63: Einrütteln der Mörtelsuspension mit einem Flächenrüttler, der Mörtel wird

jedoch hauptsächlich verdrängt und nicht in die Hohlräume des

Asphalttraggerüstes eingerüttelt. ........................................................................96

Abbildung 64: Gefügeuntersuchung des Halbstarren Systems mit einem W/TM – Verhältnis

von 0,22 ..............................................................................................................97

Abbildung 65: Versiegeln einer geschliffenen Halbstarren Deckschicht mit Epoxydharz ........98

Abbildung 66: Risse in der Oberfläche einer Halbstarren Deckschicht .....................................98

Abbildung 67: Mörtelabplatzungen an der Oberfläche einer Halbstarren Deckschicht .............99

Abbildung 68: Ausbrüche an der Belagsoberfläche ...................................................................99

Abbildung 69: Querrisse in einer Halbstarren Deckschicht .....................................................100

Abbildung 70: Bohrkern aus einer Halbstarren Deckschicht ...................................................100

Abbildung 71: Oberfläche des Bohrkerns, in der Vergrößerung (unten) sind die Risse Nr.1 und

Nr.2 zu sehen ....................................................................................................102

Abbildung 72: Der gleiche Bohrkern in der Ansicht, in der Vergrößerung (oben) sind die Risse

Nr.1 und Nr.2 zu sehen, die von der Oberfläche ausgehend in die Halbstarre

Deckschicht eindringen ....................................................................................102

Abbildung 73: Optimaler Bandbreitenbereich für die Abstimmung des W/TM – Verhältnisses

bzw. der Ausflusszeit........................................................................................105

Tabellenverzeichnis 9

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Anforderungen an Straßenbaubitumen...................................................................23

Tabelle 2: Liefersorten PmB nach TL PmB ............................................................................25

Tabelle 3: PmB und seine Einsatzmöglichkeiten ....................................................................26

Tabelle 4: Anwendungsgebiete aller Bitumensorten...............................................................26

Tabelle 5: Bemessungsrelevante Beanspruchung und zugeordnete Bauklasse.......................28

Tabelle 6: Zweckmäßige Mischgutarten und Mischgutsorten im Heißeinbau........................29

Tabelle 7: Variationsmöglichkeiten zur Optimierung der Asphalteigenschaften ...................43

Tabelle 8: Vergleich von Guss- und Walzasphalt ...................................................................44

Tabelle 9: Normalzemente und ihre Zusammensetzung nach DIN EN 197-1 ........................48

Tabelle 10: Anforderungen an Straßenbeton.............................................................................53

Tabelle 11: Materialeigenschaften /-anforderungen des Verfüllmörtels...................................64

Tabelle 12: Gegenüberstellung der verschiedenen Verfahren zur Konsistenzbestimmung des

Frischmörtels..........................................................................................................78

Tabelle 13: rm -(P) -Werte zum Ausreißertest nach Grubbs......................................................86

Tabelle 14: Gegenüberstellung aller ermittelten Frisch- und Festmörtelwerte in Abhängigkeit

vom W/TM – Verhältnis ........................................................................................90

Tabelle 15: Alle am Halbstarren Belag ermittelten Werte in Abhängigkeit vom W/TM -

Verhältnis .............................................................................................................104

Vorwort 10

Vorwort Für die intensive Betreuung dieser Bachelorarbeit möchte ich Frau Prof. Dr.-Ing Sylvia Stürmer danken, die jederzeit für ein konstruktives Gespräch Zeit hatte und sich für dieses interessante Thema begeistern ließ. Der Firma SKS BAU GmbH & Co. KG, vertreten durch den Abteilungsleiter Herrn Sven Mrotzek, möchte ich herzlich für die Unterstützung bei den von mir durchgeführten Versuchen danken. Den Mitarbeitern der öffentlichen Prüfstelle für Baustoffe und Geotechnik der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Gestaltung Konstanz, Herr Jens Harder und Herr Andreas Weber danke ich für die Anregungen bei der Durchführung des praktischen Teils dieser Arbeit. Dem Leiter der öffentlichen Baustoffprüfstelle der Hochschule für Technik Stuttgart, Dipl.-Ing für Bauwesen Herrn Dr. Eduard Andreas Konopka danke ich für die zur Verfügung gestellte Literatur und die hilfreichen Anregungen. Konstanz, Juli 2007 Daniel Schrodin

1 Einleitung 11

1 Einleitung

Die Anforderungen an die heutigen Verkehrsflächen steigen ständig. Die bewährteste und am meisten verwendete Flächenbefestigung für Verkehrswege und Flächen aller Art ist die Asphaltbauweise. Doch diese Bauweise erreicht durch die stetig zunehmenden Belastungen durch Verkehr und Klimawandel ihre Grenzen. Im Bereich der Mineralstoffe und der Bindemittel sind die technischen Möglichkeiten weitestgehend ausgereizt und bieten keinen großen Verbesserungsspielraum mehr. Deckschichten aus Beton mit ihrer hohen Verformungsstabilität könnten hier eine Alternative zur Asphaltdeckschicht sein, diese haben neben ihrem hohen Herstellungspreis aber noch andere Nachteile. Die Lücke zwischen diesen beiden unterschiedlichen Deckschichtarten versucht die recht junge Bauweise der Halbstarren Deckschichten zu schließen. Diese Bauweise bedient sich der technologischen Eigenschaften und Vorteile der flexiblen Asphaltbauweise und kombiniert sie mit denen der starren Betonbauweise. Die flexiblen Eigenschaften übernimmt ein hohlraumreiches Asphalttraggerüst und die starren ein sehr fließfähiger Verfüllmörtel, der die Hohlräume des Asphalttraggerüstes auffüllt. Nach abschließendem Abbinden des Verfüllmörtels bilden die beiden Einzelkomponenten die Halbstarre Deckschicht. Diese Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit den technologischen Eigenschaften des Verfüllmörtels und der Halbstarren Deckschicht sowie ihren Abhängigkeiten vom Wasser/Trockenmörtel – Verhältnis des Verfüllmörtels. Es soll die Frage untersucht werden, welchen Einfluss der Verfüllmörtel, der mit variierendem Wasser/Trockenmörtel-Verhältnis angemischt wurde, auf die technologischen Eigenschaften der Halbstarren Deckschicht hat. Die vorliegende Arbeit gibt in den ersten beiden Kapiteln einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen moderner Fahrbahnbefestigungen aus Asphalt und Beton. Das darauf folgende Kapitel beschäftigt sich näher mit den Halbstarren Deckschichten. Es soll die Besonderheiten dieser noch recht jungen Bauweise erläutern. In den beiden letzten Kapiteln werden die Versuche und Ergebnisse dokumentiert, die die Fragestellung dieser Bachelorarbeit beantworten.

2 Moderne Deckschichten aus Asphalt 12

2 Moderne Deckschichten aus Asphalt

2.1 Das Bindemittel Bitumen Zur Zeit der industriellen Revolution wurde die Notwendigkeit für befestigte Straßen immer größer, um das Steigende Verkehrsaufkommen sicher und effizient abwickeln zu können. Mit dem Bau einer möglichst haltbaren Straße beschäftigte sich erstmals der Schotte John Loudon McAdam im Jahr 1815. Der von ihm entwickelte Straßenaufbau setzt sich aus einzelnen Korngruppen aus gebrochenem Stein zusammen, diese werden übereinander geschichtet. Als Bindemittel fand Teerpech Verwendung, welches erst nachträglich über der obersten Schicht vergossen wurde. Diese Bauweise bildete für über 100 Jahre den Standard für den Bau von befestigten Straßen und wurde nach ihrem Erfinder, Makadam – Bauweise benannt. Der Belgier Edward de Smedt entwickelte 1872 den „Warmeinbau“ von Walzasphalt so wie er heute bekannt ist, bei diesem Verfahren wird heißer Asphalt durch Walzen verdichtet. Von Asphalt spricht man sobald das organische Bindemittel Bitumen Gesteinskörnungen umhüllt und eine stabile Schicht bildet. Zu der Begriffsbestimmung von Asphalt findet sich im Brockhaus: Asphalt der, natürliches oder künstliches Gemenge von Bitumen und Gestein. Natur-Asphalt findet sich in Form mächtiger Lager (Totes Meer, Trinidad); Asphaltgestein wird auch bergmännisch gewonnen. Verwendung im Straßen-, Wasser-, Hoch- und Tiefbau zur Feuchtigkeits-, Wärme-, Schallschutz, ferner gegen Korrosion. Genormt sind Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel nach DIN EN 12 591 „Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Anforderungen an Straßenbaubitumen“. Die DIN EN 12 591 [A.2] gilt jedoch nur für Straßenbaubitumen. Für die übrigen Bindemittel wie z. B. polymermodifizierte Bitumen, Bitumenemulsionen und Sonderbindemittel gelten die bisher gültigen Bedingungen unverändert fort. Das sind insbesondere die Teile 2 bis 5 der DIN 1995:

• Teil 2 Anforderungen an die Bindemittel Fluxbitumen - Ausgabe Oktober 1989

• Teil 3 Anforderungen an die Bindemittel Bitumenemulsionen - Ausgabe Oktober 1989

• Teil 4 Anforderungen an die Bindemittel Kaltbitumen - Ausgabe Oktober 1989

• Teil 5 Straßenpeche, Bitumenpeche, Kaltpechlösungen (Ausgabe Oktober 1989)

Mit der Einführung der ZTV T-StB 86/90 im August 1990 ist die Verwendung von „pechstämmigen“ Bindemitteln im Straßenbau „untersagt“ und eingestellt worden. Der


Grund für das Verwendungsverbot von Pechbindemitteln im Straßenbau ist in der chemischen Zusammensetzung des Straßenpechs und der daraus resultierenden Problematik für die Umwelt und die Gesundheit der Menschen zu sehen. Straßenpech (Steinkohlenteer-Spezialpech und (Teeröle) ist ein Pyrolyseprodukt der Steinkohle und enthält unter anderem hohe Konzentrationen (bis 40 M.-%) an zum Teil kanzerogenen (krebserregende) polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen – kurz: PAK – sowie an toxischen Phenolverbindungen, die teilweise leicht wasserlöslich sind. Beide sind medizinisch und ökologisch höchst bedenklich. Bei der Herstellung und dem Heißeinbau von straßenpechhaltigem Mischgut werden PAK freigesetzt und an die Luft abgegeben [10].

2.1.1 Herstellung von Bitumen

Bitumen kann aus Erdöl oder anderen natürlichen Vorkommen gewonnen werden. Der entscheidende Ausgangsstoff für die Bitumengewinnung ist das Erdöl. Für Europa ist die Ölförderung Afrikas und des Nahen Ostens von Bedeutung. Die vorhandenen Erdölreserven der Erde werden mit 159,4 Gt angegeben. Daraus ergibt sich, dass bei konstanter Förderung von 3,8 Gt/Jahr (siehe Abbildung 2) die bis jetzt bekannten Erdölreserven in ca. 42 Jahren aufgebraucht sein werden. Sie sind unter Umständen durch verbesserte Fördermethoden und die Entdeckung neuer Lagerstätten noch zu steigern, wobei auch der Preis der Erdölprodukte eine wesentliche Rolle spielt. Bei höheren Preisen würde sich auch die Ausbeutung heute noch als unwirtschaftlich geltender Lagerstätten lohnen, die aus diesen Gründen nicht in die Reserven eingerechnet sind. Die Aufteilung der Reserven auf die einzelnen Länder ist in Abbildung 1 dargestellt. Russland zählt mit zu den Hauptlieferanten für Europa.

Abbildung 1: Weltreserven an Erdöl 2004 [7]


Abbildung 2: Weltweite Erdölförderung 2004 [7]

In Deutschland wurde Bitumen kurz vor dem 1. Weltkrieg als Baustoff eingeführt, erlangte jedoch wegen des Krieges keine große Bedeutung. Nach der Überwindung der wirtschaftlichen Schwierigkeiten der Kriegs- und Nachkriegszeit setzte sich seine Verwendung ab 1925 endgültig durch. Der 2. Weltkrieg brachte die Sperrung der überseeischen Rohölzufuhren und somit eine Unterbrechung dieser Entwickelung. Nach dem 2. Weltkrieg wurde Erdöl in der Bundesrepublik Deutschland wieder preisgünstig verfügbar. Bitumen fiel in dieser Zeit praktisch als ,,Abfallprodukt" bei der Herstellung von Benzin und Diesel an. Die Entwickelung des Rohölpreises seit Beginn der 70-ziger Jahre bis in die Gegenwart ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Erdölkrisen der 70-ziger Jahre ließen die Rohöl- und somit auch die Bitumenpreise ganz erheblich steigen, so dass nach Ersatzbauweisen gesucht wurde. Bauweisen mit ungebundenen Tragschichten wurden verstärkt eingesetzt. Im Autobahnneubau und bei größeren Reparaturlosen auf Autobahnen erwies sich die Zementbetondecke als preisgünstige Alternative zur bituminösen Bauweise. Erst in den Jahren 1986/87 sanken die Bitumenpreise wieder auf ein Niveau, das den bituminösen Bauweisen verbesserte Marktchancen gegenüber der Zementbetonbauweise auf den eben genannten Gebieten gab.


US$ / Barrel

US$ / Barrel

inflationsbereinigt

Abbildung 3: Entwicklung des Ölpreises [I.2]

Bitumen ist das älteste bekannte Mineralölprodukt. Es wird nicht nur aus Rohöl gewonnen, sondern es kommt auch als Bestandteil von Asphalt und Asphaltgestein in der Natur vor. Das bekannteste natürliche Bitumenvorkommen ist der Asphaltsee in Trinidad. In diesem Asphaltsee liegt das Bitumen gebunden in einem Gemisch aus Mineralstoffen und Wasser vor. Im See steht der Asphalt in folgender Zusammensetzung an [23]:

39% Bitumen 30% Mineralstoffe 31% emulgiertes Salzwasser

Nach der Reinigung hat raffinierter Trinidadasphalt oder das Trinidad - Epuré folgende Zusammensetzung:

53 bis 55% Bitumen 36 bis 37% Mineralstoffe 9 bis 10% restliche Bestandteile

Weitere Handelsformen sind:

Trinidad – Pulver und Trinidad – Epuré Z

Trinidad – Pulver ist eine Mischung aus feingemahlenem Trinidad – Epuré mit Steinmehl – Zusätzen im Verhältnis 1:1. Trinidad – Epuré Z ist eine Korngröße von 0/8 mm zerkleinertem Trinidad – Epuré, das in Kunststoffsäcken geliefert wird. Ein Kieselzusatz von max. 3 M.-% wirkt einem Wiederverkleben entgegen [A.1]. Trinidad – Epuré findet als Zusatz beim Gussasphalt Verwendung.


Großtechnische Herstellung von Bitumen Bitumen wird großtechnisch in Raffinerien hergestellt. Zur Bitumenherstellung werden folgende drei Verfahren angewendet:

1. Destillation 2. Extraktion, Fällung 3. Blasen, Oxidation

Destillation Die Verarbeitung von Erdöl auf Bitumen ist im Prinzip recht einfach (siehe Abbildung 4). Durch Destillation, d.h. durch Verdampfung und nachfolgende Kondensation, werden die Benzine, Petroleum, Gasöl und die Schmieröle abgetrennt. Das zurzeit bekannteste System der destillativen Erdölverarbeitung ist die Rektifikationskolonne. Im Röhrenofen wird das Rohöl in der ersten Stufe auf 350°C erhitzt und gelangt anschließend in die unter atmosphärischen Druck stehende Kolonne. Hier werden die einzelnen Destillate wie Leichtbenzin, Kerosin und Gasöl, abgezogen und in Strippkolonnen geleitet, wo sie von unerwünschten leichteren Destillaten befreit werden. In der zweiten Stufe wird unter vermindertem Druck gearbeitet, um die Destillationstemperatur niedrig zu halten und damit die Mineralölprodukte möglichst zu schonen [6]. Die schwerer siedenden Bestandteile erhitzt man in der zweiten Stufe nochmals auf 350°C und leitet sie in eine unter vermin dertem Druck stehende Kolonne. Hier werden abermals leichtere Bestandteile von den schwereren getrennt. Dabei handelt es sich bereits um Straßenbaubitumen, die evtl. noch durch eine weitere Verarbeitungsstufe, auf die verschiedenen Spezifikationen nach DIN EN 12591 gebracht werden.

Abbildung 4: Bitumengewinnung aus Erdöl [I.5]

Hochvakuum Bitumen erhält man durch weiteres Destillieren von hochsiedenden Ölen in einer zweiten Vakuumkolonne [23]. Die Härte des Bitumens hängt von der Menge der abgetrennten schweren Destillate ab. Vakuumbitumen ist härter als das Bitumen,


das bei der atmosphärischen Destillation anfällt. Hochvakuumbitumen ist hart bis springhart. Extraktion Verschiedene flüssige Kohlenwasserstoffe, vor allem Propan, lösen unter bestimmten Bedingungen Öl und Parafine gut, die bituminösen Anteile hingegen nur in geringerem Maße. Das macht man sich zu Nutze indem bei der Schmierölherstellung die öligen Bestandteile aufgrund ihrer günstigeren Löslichkeit von den bituminösen Bestandteilen getrennt werden. Industriell wird die Propanextraktion, also die Entasphaltierung mit Propan , am meisten angewandt. Je nach Einsatzmaterial und Betriebsbedingungen können 30 bis 70% Bitumen gewonnen werden. Äthan als Lösungsmittel liefert eine große Menge weiches bituminöses Material. Butan dagegen liefert ein Bitumen mit höherem Erweichungspunkt bei geringerer Ausbeute. Der Effekt von Propan liegt zwischen beiden. Bei den Lösungsmitteln handelt es sich um „Flüssiggase“, die bei normalem Druck und normaler Temperatur gasförmig sind, aber schon bei mäßigen Überdrücken in den flüssigen Zustand übergehen. Ursprünglich führte man die Entasphaltierung mit Propan diskontinuierlich durch. Die modernen Großindustrieverfahren verwenden die kontinuierlichen Gegenstromkolonnen. Die in diesen Kolonnen im Gegenstrom fließenden Öl- und Propanmengen mischen sich mit dem Einsatzmaterial und die Komponenten werden kontinuierlich voneinander getrennt. Vom verarbeiteten Rohstoff und den Herstellungsbedingungen abhängig können mit diesem Verfahren die unterschiedlichsten Sorten der Straßenbaubitumen gewonnen werden [23]. Blasen, Oxidation In Fällen, in denen die Vakuumdestillation unwirtschaftlich ist, z.B. wenn nur ein geringer Anteil hochsiedendes Gasöl im Rohöl vorhanden ist, oder zur Herstellung besonderer Bitumen, wendet man den Blasprozess an. Der wesentliche Vorteil bei diesem Verfahren ist die partielle Oxidation der Kohlenwasserstoffe. Deshalb werden die geblasenen Bitumen auch oxidierte Bitumen genannt. Der Blasprozess führt zur Zunahme der Asphaltene. Der Bitumenblasprozess ist eine heterogene Reaktion zwischen gasförmiger Phase (Luft) und flüssiger äußerer Phase (Erdölkohlenwasserstoffe). Der Sauerstoff der Luft kommt mit den Kohlenwasserstoffen des Bitumens in Berührung und bildet mit einem Teil des Wasserstoffes Wasser, das dann als Wasserdampf das System verlässt [23]. Je nach Einsatzprodukt, Temperatur und Blaszeit gewinnt man Bitumensorten mit verbesserter Beständigkeit gegen Kälte und Wärme. Im Vergleich zu dampfdestillierten


Rückstandsbitumen ist es weniger temperaturempfindlich und daher sehr gut für Dichtungszwecke geeignet. Allerdings ist geblasenes Bitumen weniger wetterbeständig. Verwendet wird geblasenes Bitumen für Dichtungsbahnen, Rohrisolierungen, Beschichtungsmaterialien oder Kitte. Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel werden eingeteilt in [23]:

• Straßenbaubitumen (Destillationsbitumen) gemäß DIN EN 12591 • Fluxbitumen

• Bitumenemulsion gemäß DIN 1995-3 (zukünftig DIN EN 1308)

• Kaltbitumen gemäß DIN 1995-4

• Polymermodifiziertes Bitumen gemäß TL PmB (zukünftig DIN EN 14023) • Polymermodifiziertes Bindemittel für Oberflächenbehandlungen gemäß TL PmOB

• Polymermodifiziertes Bitumenemulsionen für Dünne Schichten im Kalteinbau

• Hartbitumen (Hochvakuumbitumen)

• Oxidationsbitumen

2.1.2 Zusammensetzung des Bitumens Bitumen wird aus geeigneten Erdölen hergestellt. Erdöl ist ein Naturprodukt, das je nach Herkunft eine sehr unterschiedliche Zusammensetzung aufweist. So genannte leichte Rohöle enthalten relativ wenig nicht verdampfbare Anteile. Die Ausbeute an leichten Produkten wie Naphtha, Benzin, Diesel und an leichtem Heizöl ist hoch. Schwere Rohöle besitzen dagegen einen relativ großen, leicht abdestillierbaren Rückstand. Bitumen kann vorteilhaft aus bestimmten schweren Rohölen hergestellt werden, bei denen der Bitumenanteil bis zu 60% betragen kann, z. B. aus mittelamerikanischen Vorkommen wie aus Mexiko oder Venezuela. Aufgrund seiner biologischen Herkunft besteht Bitumen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff [23]. Bitumen ist ein dunkelfarbiges, schwerflüchtiges, komplexes Gemisch. Es enthält, neben den Kohlenwasserstoffen, kleine Mengen von Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff. In Spuren enthält Bitumen auch Halogene, Phosphor und Metalle. Bitumen besitzt eine kolloidale Struktur, das heißt, die Asphaltene liegen dispergiert1 in den Maltenen und Erdölharzen vor. Aus dem besonderen Aufbau und der kolloidalen Struktur des Bitumens ergeben sich dessen wertvollen technischen Eigenschaften, die vor allem im Bauwesen sehr geschätzt sind. In welchen unterschiedlichen Bereichen Bitumen heute Verwendung findet, ist in Abbildung 5 dargestellt.

1 Dispersion: Stoffe, die keine chemische Bindung eingehen und sich kaum oder gar nicht ineinander lösen.


Abbildung 5: Verwendung von Bitumen [I.1]

2.1.3 Eigenschaften von Bitumen Dichte Die Dichte von Bitumen hängt von der Bitumenhärte ab und ändert sich mit der Temperatur. Je weicher das Bitumen ist, desto geringer ist seine Dichte; je höher die Temperatur des Bitumens ist, desto geringer ist seine Dichte. Die Kenntnis der genauen Werte der Dichte ist wichtig für eine exakte Dosierung der Bindemittel-Zugabe zu den Mineralstoffen bei der Herstellung von Asphalten in den Mischanlagen. Im Bereich der in der Praxis vorkommenden Temperaturen liegen die Werte für Strassenbaubitumen zwischen 1,00 und 1,09 [g/cm3] [4]. Spezifische Wärme in Joule je Kelvin und Kilogramm Die spezifische Wärme c ist bei den verschiedenen Bitumen nahezu identisch. Ihre Größe erhöht sich leicht bei steigender Temperatur und ist etwa nur halb so groß wie für Wasser. Das bedeutet, dass nur etwa halb soviel Joule benötigt werden, um 1 kg Bitumen um 1 K zu erwärmen. Für überschlägige Berechnungen des Wärmebedarfs ist diese Kenntnis nützlich [23]. Elektrische Eigenschaften Zu den elektrischen Eigenschaften des Bitumens gehört die spezifische elektrische

Leitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit ist mit 11101 −⋅ bis 111010 −⋅ S/m sehr gering (35…90°C). Deshalb ist Bitumen gut als Isoliermittel in der Elektroindustrie geeignet. Die Leitfähigkeit erhöht sich mit steigender Temperatur [23].


Wärmeausdehnung von Bitumen Die temperaturabhängige Änderung der Dichte des Bitumens beruht auf der Wärmeausdehnung des Bitumens. Der räumliche Wärmeausdehnungskoeffizient liegt im Bereich von 150°C bis 200°C bei 0,0006 /K und ist d amit ca. 20mal so groß wie der von Mineralstoffen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird vor allem bei der Zugabe des Bitumens in den Mischanlagen bei der Asphalt-Herstellung benötigt. Ferner muss diese Eigenschaft des Bitumens beim Heißeinbau von Asphalten beachtet werden.

• Heißes Bitumen füllt mehr Hohlräume im Mineralstoffgemisch als kaltes. Das bei höheren Temperaturen entsprechend größere Bindemittelvolumen erleichtert das Einbauen und Verdichten. Von der Rezeptur sehr dicht zusammengesetztes Mischgut kann bei sehr hohem Verdichtungszustand und sehr hohen Temperaturen zur ,,Überfettung" neigen. Es kann zu Bindemittelanreicherung an der Oberfläche beim Einbauen und Verdichten oder infolge Nachverdichtung durch Schwerverkehr kommen.

• Abkühlende Asphaltschichten verkürzen sich (thermischer Schwund), wenn sie auf der Unterlage gleiten können. Dabei können sie von Randeinfassungen oder Anschlußflächen abreißen. Ein fester Schichtenverbund mit der Unterlage wirkt der Verkürzung entgegen.

Thermoviskoses Verhalten [I.3] Bitumen ist eine Flüssigkeit, deren Fließverhalten sich mit der Temperatur ändert. Im kalten Zustand ist Bitumen zähplastisch bis springhart. Mit zunehmender Erwärmung wird es immer weicher und durchläuft mit der Steigerung der Temperatur stufenlos alle Zustände von fest über zähflüssig bis dünnflüssig. Beim Abkühlen werden alle Zustände rückwärts durchlaufen, ohne dass eine stoffliche Änderung eintritt. Es gibt beim Bitumen daher kein ,,Abbinden". Die temperaturbedingte Änderung der Viskosität ist wiederholbar und umkehrbar. Dieses thermoviskose Verhalten des Bitumens ist auch Grundlage für seine Verarbeitung. Jeder Vorgang wie Transport, Lagerung, Pumpen, Spritzen, Mischen, Einbauen und Verdichten hat einen bestimmten Temperatur- und somit Viskositätsbereich. Allerdings sind obere Grenzbereiche der Temperatur bei der Verarbeitung, Transport und Lagerung festgelegt, damit das Bitumen nicht verbrennt. Dieses Verhalten ist auch wichtig für die Sperrzeiten von Asphaltbefestigungen nach dem Einbau. Nach dem Abkühlen auf normale Tagestemperaturen hat das Bitumen die für die Belastbarkeit der Asphaltschichten notwendige Festigkeit erreicht und kann, nach abgeschlossener Verdichtung, dem Verkehr übergeben werden. In der Baupraxis haben die thermoviskosen Eigenschaften folgende Bedeutung für Asphaltbefestigungen.


• Erkaltete Mischgutproben können wieder erwärmt und unter genormten Bedingungen erneut verdichtet werden (wichtig für die Materialprüfung, z. B. bei der Herstellung und Prüfung von Marshall-Probekörpern).

• Erkaltete Ränder eingebauter Mischgutbahnen können wieder erwärmt werden, damit kann das Verkleben zweier in zeitlich versetzten Abstand hergestellter Bahnen verbessert werden (wichtig für die halbseitige Bauweisen und das Bauen unter Verkehr).

• Schadhafte Fahrbahndecken können unter Verwendung des alten Deckenmaterials erneuert werden. Das vorhandene Material wird aufgeheizt, aufgelockert, aufgenommen und meist unter Zugabe von Neumischgut wieder profilgerecht eingebaut und verdichtet.

Es gibt folgende Sanierungsverfahren:

� Rückformen ohne Mischgutzugabe (Reshape), � Rückformen unter Mischgutzugabe - ohne Mischen (Repave) � Rückformen unter Mischgutzugabe - mit Mischen (Remix)

• Asphaltfräsgut und zerkleinerten Asphaltaufbruch können bei der Herstellung von Asphaltmischgut in bestimmtem Umfang wieder beigemischt werden (Recycling).

Das thermoviskose Verhalten des Bitumens ist in der nachfolgenden Abbildung 6 schematisch für weiche und harte Bitumensorten dargestellt.

Abbildung 6: Thermoviskoses Verhalten von Bitumen [I.4]

Elast-Viskoses Verhalten Der Steifigkeitsmodul des Bitumens hängt von der Belastungszeit und der Bitumensorte ab. Wird dem Bitumen durch Belastung eine Verformung aufgezwungen,


so reagiert es sowohl elastisch als auch viskos. Bei sehr kurzer Belastungszeit, beispielsweise bei schnellem Verkehr, überwiegt der elastische Anteil. Die aufgezwungene Verformung bildet sich nach der Entlastung weitgehend zurück. Je länger die Belastungszeit ist, desto größer wird der viskose Anteil der Verformungen, der als bleibende Verformung in Erscheinung tritt. Längere Belastungszeiten treten vor allem bei langsamen oder stehenden Verkehr (in Staus), bei Parkflächen und vor Kreuzungen auf. Dieses Verhalten wird noch von der Viskosität des Bitumens (Bitumensorte, Temperatur) beeinflusst. Je weicher das Bitumen, desto größer ist der viskose Anteil in Abhängigkeit von der Temperatur. Für das Gebrauchsverhalten von Asphaltbefestigungen ist das elast-viskose Verhalten von Bitumen aus folgenden Gründen von Bedeutung [I.3]:

• Verkehrsstöße werden gedämpft, Fahrbahn und Fahrzeug werden geschont. • Es besteht die Gefahr bleibender Verformungen durch den viskosen Anteil der

Verformungen infolge der Verkehrsbelastung durch langsamen und spurfahrenden Schwerverkehr (Spurrinnen). Man versucht diesen Verformungen durch eine entsprechende Wahl der Bitumensorte und Zusammensetzung des Mischgutes entgegen zu wirken.

Verhalten gegenüber chemischen Einflüssen Bitumen ist beständig gegen die Einwirkung von organischen und anorganischen Salzen, aggressiven Wässern, Alkalien und schwachen Säuren jeder Konzentration. Je härter das Bitumen, desto größer ist seine Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Einflüssen. Nicht ganz unempfindlich ist Bitumen gegen die Einwirkung von Luftsauerstoff und Sonnenbestrahlung. Die daraus resultierende Oxidation beschränkt sich jedoch auf die Oberfläche und verläuft sehr langsam. Unbedingt zu vermeiden sind übermäßig hohe Temperaturen bei der Herstellung von Asphalt, die die Oxidation beschleunigen. Von den meisten organischen Lösungsmitteln wird Bitumen aufgelöst. Besonders während der Bauausführung sind durch geeignete Maßnahmen Schäden durch abtropfende Treibstoffe und Öle zu verhindern. Aus diesem Grund sind Befestigungen aus Asphalt für Tankstellen nicht geeignet, hier werden andere Bauweisen wie aus Beton oder Halbstarre Beläge verwendet [I.3]. Straßenbaubitumen nach DIN EN 12591 Die am häufigsten im Asphaltstraßenbau eingesetzten Bitumen sind die weichen bis mittelharten Straßenbaubitumen. Sie dienen vornehmlich für die Herstellung von Asphaltmischgut und zwar für Asphalttragschichten, Asphaltbinderschichten, Asphaltbeton, Splittmastixasphalt, Gussasphalt, offenporige Asphaltdeckschichten, Halbstarre Deckschichten, Tragdeckschichten und in Sonderfällen für Oberflächenbehandlungen im Heißeinbau. Straßenbaubitumen werden nach ihrer Nadelpenetration klassifiziert und danach bezeichnet. In Tabelle 1 sind die Bitumensorten mit den zugehörigen technischen Forderungen angegeben.


Tabelle 1: Anforderungen an Straßenbaubitumen [23]

2.1.4 Polymermodifizierte Bitumen PmB [I.6] Durch Wirtschaftswachstum und weitgehende Aufhebung der Grenzen in Europa nimmt der Schwerlastverkehr immer weiter zu. In vielen Fällen geht zusätzlich eine Erhöhung der Achslast einher. Die Beanspruchungen durch Klima und Verkehr führen somit zu ständig steigenden Belastungen unserer Verkehrswege. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden kommen immer häufiger polymermodifizierte Bindemittel bei der Asphaltherstellung zum Einsatz. Für hoch belastete Straßen reicht die Verwendung von herkömmlichen Straßenbaubitumen in vielen Fällen nicht mehr aus. Bei Verwendung von polymermodifizierten Bindemitteln können härtere Bitumen verwendet werden, ohne dabei die Gefahr der Rissbildung bei tiefen Temperaturen


einzugehen. Dieser Effekt kann deutlich durch den Vergleich der Plastizitätsspannen2 von Straßenbaubitumen und polymermodifizierten Bindemitteln dargestellt werden. Die Plastizitätsspanne liegt bei Straßenbaubitumen etwa zwischen 60 K und 70 K und bei polymermodifiziertem Bitumen um 5 K bis 10 K höher. Der Erweichungspunkt steht für das Verhalten des Bindemittels bei Sommertemperaturen und der Brechpunkt nach Fraaß steht für das Verhalten bei winterlichen Temperaturen. Durch die Zugabe von geeigneten Polymeren wird erreicht, dass die Plastizitätsspanne nach beiden Seiten aufgeweitet wird. Das Verhalten bei Wärme (Sommer) als auch bei Kälte (Winter) verbessert sich also durch eine Modifizierung mit Polymeren. Die Vorteile von polymermodifizierten Bindemitteln im Vergleich mit Straßenbaubitumen können wie folgt zusammengefasst werden:

• bessere Wärmestandfestigkeit, • bessere Haftung am Gestein,

• bessere Kohäsion,

• besseres Ermüdungsverhalten und

• besseres Kälteverhalten. Für die Modifizierung von Bitumen mit Polymer haben sich hauptsächlich die Blockcopolymere wie z.B. Styrol-Butadien-Styrol (SBS) aus der Gruppe der Elastomere oder Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) aus der Gruppe der Plastomere in Deutschland durchgesetzt. Die Elastomere beeinflussen das elastische Verhalten des Bitumens, außerdem erhöht sich die Viskosität. Die ausgeprägtere Elastizität kann in Form der elastischen Rückstellung einer vorher gedehnten Bitumenprobe gemessen werden. Die Plastomere beeinflussen über ihren Schmelzpunkt die Viskosität des Bindemittels und wirken bis dahin ebenfalls viskositätserhöhend. Die Polymere werden mit Schermischern im Basisbitumen eingearbeitet. Auf diese Weise entsteht quasi eine „Mikro-Bewehrung“ des Bitumens durch lange Kohlenstoffketten. Ein wichtiges Kriterium für gebrauchsfertiges PmB ist seine Lagerstabilität. Bitumen und Polymere müssen eine homogene Einheit bilden und sich bei Transport, Lagerung und Verarbeitung nicht trennen. In Deutschland wird seit 1973 werksgemischtes polymermodifiziertes Bitumen für den Straßenbau hergestellt und eingesetzt. Der Anteil des polymermodifizierten Bitumens in Deutschland lag im Jahr 2005 bei 18% des Gesamtbitumenverbrauchs im Straßenbau (siehe Abbildung 5). Aufgrund der immer weiter steigenden Beanspruchungen unserer Verkehrswege wird die Verwendung von PmB künftig weiter zunehmen [I.6]. Gebrauchsfertige

2 Plastizitätsspanne: Differenz zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel und dem Brechpunkt nach Fraaß


polymermodifizierte Bitumen im Sinne der „Technischen Lieferbedingungen für gebrauchsfertige Polymermodifizierte Bitumen“ (TL PmB 2001) [A.5] sind mit Polymeren homogen aufbereitete Bitumen. Als Polymere werden heißlagerbeständige, bitumenverträgliche Elastomere oder Thermoplaste3 sowie Gemische aus beiden eingesetzt. Die gebrauchsfertigen Bindemittel weisen definierte, prüfbare elastoviskose Eigenschaften auf. Die Einteilung der verschiedenen polymermodifizierten Sorten erfolgt in die Kategorien PmB 25, 45, 65, 130 und 40/100-65. Die Grenzwerte für die Nadelpenetration werden durch den Term 40/100, also mindestens 40 bis maximal 100 1/10 mm, der Erweichungspunkt mit mindestens 65° C angegeben. Bei den Bezeichnungen der herkömmlichen, polymermodifizierten Sorten (PmB 25, 45, 65, 130) hat man sich an den Bezeichnungen der alten DIN 1995 für Straßenbaubitumen orientiert, nach der jeweils die mittlere Nadelpenetration angegeben wurde. Polymermodifizierte Bitumen werden in unterschiedlichen Sorten nach Tabelle 2 geliefert. Die gebrauchsfertigen elastomermodifizierten (PmB A) und höher polymermodifizierten Bitumen (PmB H) sind bei Lieferung, Lagerung und Verarbeitung wie Straßenbaubitumen zu behandeln.

Liefersorte Bezeichnung

PmB 130 A, PmB 65 A, PmB45 A, PmB 25 A

elastomermodifizierte Bitumen

PmB 65 C, PmB 45 C, PmB 25 C thermoplastmodifizierte Bitumen

PmB 40/100-65 H höher polymermodifiziertes Bitumen

Tabelle 2: Liefersorten PmB nach TL PmB [A.5] In Tabelle 3 sind beispielhaft Einsatzmöglichkeiten für die Verwendung elastomermodifizierte und höher polymermodifizierte Bitumen zusammenfassend dargestellt. Die möglichen Anwendungen sind den ZTV Asphalt – StB 01 [A.3] sowie den TL PmB, Ausgabe 2001 [A.5] entnommen.

3 Thermoplaste: Lassen sich durch Erwärmung beliebig oft in einen plastischen Zustand überführen


Bindemittelsorte Einsatzmöglichkeit PmB 130 A Dünne Schichten im Heißeinbau;

Dichtungsasphalte PmB 65 A Dünne Schichten im Heißeinbau auf Versiegelung PmB 45 A Asphaltbinder: 0/22 S, 0/16 S;

Splittmastixasphalt: 0/8 S, 0/11 S Gussasphalt 0/11 S, 0/8 S, 0/5 S, auch als Schutz- und Deckschicht bei Brückenbelägen, Deck- und Binderschicht im Flugplatzbau

PmB 25 A Asphaltbinder: 0/22 S, 0/16 S; Splittmastixasphalt: 0/8 S, 0/11 S Gussasphalt 0/11 S, 0/8 S, 0/5 S auch als Schutz- und Deckschicht bei Brückenbelägen

PmB 40/100-65 H Offenporige Asphaltdeckschichten: 0/8, 0/11; Abdichtung der Unterlage von offenporigen Asphaltdeckschichten, Splittmastixasphalt: 0/8 S, 0/11 S; Spannungsabbauende Membranzwischenschichten (SAMI)

Tabelle 3: PmB und seine Einsatzmöglichkeiten [A.3, A.5]

Tabelle 4: Anwendungsgebiete aller Bitumensorten [I.1] Bei vielen Asphaltzusammensetzungen gibt es im Bereich der Mineralstoffe so gut wie keine Variationsmöglichkeiten mehr. „Hochleistungsbindemittel“ wie die oben genannten polymermodifizierten Bindemittel sind die einzige Möglichkeit, den steigenden Anforderungen an eine Asphaltstraße gerecht zu werden.


2.2 Asphaltdeckschichten

Die Fahrbahndecke ist der obere Teil des Oberbaues, sie liegt auf der Tragschicht oder einer anderen geeigneten Unterlage. Die Decke besteht aus einer oder zwei Binderschichten und einer darüber liegenden Deckschicht oder nur aus einer Deckschicht [A.3] (siehe Abbildung 7). Deckschichten können aus

• Asphalt, oder • aus Beton, oder aus

• einer Kombination von beiden (halbstarre Bauweise) hergestellt werden. Fahrbahndecken unterliegen der direkten Einwirkung des Verkehrs und der Witterung. An sie werden folgende Anforderungen gestellt [11]:

• Verkehrssicherheit Hohe Ebenheit, gute Griffigkeit und Helligkeit

• Dauerhaftigkeit Verschleißfestigkeit, Verformungsbeständigkeit (Spurrinnen), Witterungs- und Ermüdungsbeständigkeit

• Wirtschaftlichkeit Geringe Neubaukosten, möglichst lange Nutzungsdauer, geringer Erhaltungsaufwand

• Ökologie Keine Verunreinigung von Wasser und Boden, Wiederverwendung gebrauchter Baustoffe, Teer-/ Pechproblematik

• Kommunale Bereiche Deckschichten mit geringen Rollgeräuschen, möglichst kurze Bauzeiten


Abbildung 7: Straßenaufbau [24]

Den konstruktiven Aufbau der Asphaltdecken in Abhängigkeit von der Verkehrsbelastung regeln die „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen“ (RStO 2001) [A.6]. Danach bestehen die Decken bei Bauklassen SV sowie I-III aus je einer Binder- und Deckschicht und bei den Bauklassen IV und V nur aus einer Deckschicht. Die entscheidende Bemessungsgröße von Fahrbahnbefestigungen ist die bemessungsrelevante Beanspruchung B4 [A.6].

Zeile Bemessungsrelevante Beanspruchung B Äquivalente 10 t- Achsübergänge in Mio.

Bauklasse

1 2 3 4 5 6 7

über 32 über 10 bis 32 über 3 bis 10 über 0,8 bis 3 über 0,3 bis 0,8 über 0,1 bis 0,3

bis 0,1

SV I II III IV V VI

Tabelle 5: Bemessungsrelevante Beanspruchung und zugeordnete Bauklasse [A.6]

4 Bemessungsrelevante Beanspruchung B: Summe der gewichteten äquivalenten 10 t- Achsübergänge, die bis zum Ende des Nutzungszeitraumes in dem Fahrstreifen mit der höchsten Verkehrsbeanspruchung zu erwarten sind. Die Gewichtung erfolgt durch die Berücksichtigung von Fahrstreifen-, Fahrbreiten- und Steigungsfaktoren [A.6]


Zu berücksichtigen sind dabei besondere Beanspruchungen wie:

• spurfahrender Schwerverkehr und enger Kurvenfahrt

• Steigungsstrecken • langsam fahrender Schwerverkehr

• häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge ( z.B. vor Lichtzeichenanlagen, Verkehrszeichen)

• in Kreuzungs- und Einmündungsbereichen • Standverkehr (z.B. Busverkehrsflächen, Parkflächen)

• extreme klimatische Einflüsse (Südhanglage, hohe Temperaturen über längere Zeiträume).

Die ZTV –Asphalt ist mit der Tabelle 1.1 behilflich für gegebene Verkehrsbelastungen die richtige Mischgutart zu finden (siehe Tabelle 6).

Beanspruchung Bauklasse/ Flächenart

Asphalt- binder

Asphalt- beton

Splittmastix- asphalt

Guss- asphalt

SV + I 0/22 S 0/16 S

- 0/11 S 0/8 S normale

oder besondere II

0/22 S 0/16 S

(0/16 S) 0/11 S

0/11 S 0/8 S

0/11 S

besondere III + StSLW (0/22 S) 0/16 S

(0/16 S) 0/11 S

0/11 S 0/8 S

0/11 S

III + IV 0/16 (0/8) 0/8

(0/5) (0/11) (0/8)

V + VI - 0/8 0/8 0/5

(0/11) (0/8) normale

St LLW Rad- und Gehwege

-

0/5 0/8 0/5

(0/8) (0/5)

(): nur in Ausnahmefällen Mischgutsorten mit erhöhter Standfestigkeit sind mit S gekennzeichnet. Tabelle 6: Zweckmäßige Mischgutarten und Mischgutsorten im Heißeinbau [A.3]

2.2.1 Asphaltbeton Asphaltbeton5 nach ZTV Asphalt – STB 01 ist die am häufigsten verwendete Mischgutart für Deckschichten [11]. Asphaltbeton kann als Deckschicht auf Straßen der Bauklassen II bis VI und Wegen aller Art sowie auf anderen Verkehrsflächen eingebaut werden. Für hoch belastete Flächen bzw. Sonderflächen ist dieser Belag jedoch weniger geeignet.

5 Asphaltbeton: Mischgut mit nach dem Betonprinzip zusammengesetzter Körnung, also Körnungen von Null bis Größtkorn ohne Ausfallkörnung, daher der Name Asphaltbeton. Asphaltbeton wird aus Bitumen und Gesteinskörnungen hergestellt, hydraulische Bindemittel kommen nicht zum Einsatz.


Das Mischgut wird aus Edelsplitt, Edelbrechsand, Natursand, Füller und Straßenbaubitumen zusammengesetzt. Das Mineralstoffgemisch muss so aufgebaut sein, dass es einen geringen Hohlraumgehalt aufweist und sich die Lagerungsdichte und Korngrößenverteilung nur geringfügig verändern kann [11]. Für die Kornzusammensetzungen gelten allgemein folgende Zusammenhänge [4,6]:

• Je höher der Natursandanteil im Mineralstoffgemisch, desto besser die Verarbeitbarkeit, desto geringer die Standfestigkeit (Verdichtungswilliges Mischgut).

• Je höher der Brechsandanteil, desto schlechter die Verarbeitbarkeit, desto höher die Standfestigkeit (Verdichtungsunwilliges Mischgut).

• Stärkere Verkehrsbelastung erfordert gröberes und splittreicheres Mischgut und größere Einbaudicken. Dies gilt besonders für die Mischgutsorten 0/11 S und 0/16 S für Straßen mit besonderen Beanspruchungen. Auf Natursand ist ganz zu verzichten.

2.2.2 Splittmastixasphalt SMA

Splittmastixasphalt besteht aus Edelsplitt, Edelbrechsand, Natursand und Füller, hat aber im Gegensatz zu Asphaltbeton einen sehr hohen Splitgehalt (70-80 Gew.-%) sowie ein Mineralstoffgemisch mit Ausfallkörnung (d.h. die mittleren Kornfraktionen sind reduziert). Hieraus ergibt sich, dass die groben Splittkörner über gegenseitigen Kontakt die Tragfähigkeit erzeugen [14]. Die Hohlräume sind mit einem besonders bitumenreichen Mörtel6 (Bitumen und Füller) weitgehend auszufüllen. Damit die erforderlich hohen Bindemittelgehalte von ≥ 6,8 M.-% ohne Entmischungsgefahr gleichmäßig verteilt bleiben, ist die Zugabe von stabilisierenden Zusätzen notwendig. Als Zusätze kommen u. a. organische Faserstoffe und Polymere in Pulver- oder Granulatform zur Anwendung. Das Splittgerüst verlangt die Verwendung von zähem und schlagfestem Material mit hohem Polierwiderstand. Zur Erhöhung der Standfestigkeit der Mischgutsorten 0/11 S und 0/8 S wird nur Edelbrechsand (d.h. kein Natursand) verwendet. Splittmastixasphalt ist durch schwere statische und/oder schwere Vibrationswalzen (> 9 t) zu verdichten. Dabei darf die Vibrationsverdichtung nur bei ausreichend hoher Mischguttemperatur (>100°C) und erst nach einem statische n Walzübergang erfolgen,

6 Bituminöser Mörtel: Besteht aus Bitumen und Füller (Korngröße des Füllers ≤ 0,09 mm). Nicht zu verwechseln mit dem Verfüllmörtel für Halbstarre Deckschichten, der im Folgenden Verfüllmörtel oder nur Mörtel genannt wird.


um Gefügestörungen auszuschließen. Die Anzahl der Walzgänge sollte auf drei begrenzt werden, um Bindemittelanreicherungen an der Oberfläche zu vermeiden. Auf den Einsatz von Gummiradwalzen sollte ganz verzichtet werden, da ebenfalls die Gefahr von Mörtelanreicherungen an der Oberfläche besteht [14]. Um eine ausreichende Griffigkeit bei Verkehrsübergabe sicherzustellen, wird empfohlen 1 – 2 kg/m² entstaubter und ggf. bituminierter Edelsplitt 2/5 mm oder 0,5 – 1 kg/m² Brechsand-Splitt-Gemisch 1/3 mm gleichmäßig aufzubringen. Das Abstreumaterial ist auf die noch heiße Deckschicht aufzubringen und durch Walzen einzudrücken. Splittmastixasphalt kann als Deckschicht auf Straßen aller Bauklassen, Wegen und Verkehrsflächen aller Art eingebaut werden. Für besonders hohe Beanspruchungen sollen bei den Bauklassen SV, I bis III polymermodifiziertes Bitumen verwendet werden [A.3].

2.2.3 Gussasphalt Die Entwicklungsgeschichte des Gussasphalts reichen in die ersten Jahre des vorigen Jahrhunderts zurück. Die ersten technischen Vorschriften Deutschlands sind aus dem Jahre 1917 bekannt. Gussasphalt bietet, dank seiner Eigenschaften, wie:

• Leichte Verlegbarkeit, • Unmittelbare Benutzung nach Fertigstellung, • Abriebfestigkeit, • Gute Verformungsbeständigkeit, • Wasserdichtheit und Tausalzbeständigkeit

vielseitige Einsatzmöglichkeiten auch im Hochbau. Gussasphalt unterscheidet sich von den Walzasphalten dadurch, dass er mit hohem Bindemittelgehalt als Zweiphasensystem ohne Hohlräume hergestellt wird. Er wird aus Edelsplitt, Edelbrechsand, Natursand, Füller und Straßenbaubitumen hergestellt. Die Tragfunktion wird aber nicht, wie bei den Walzasphalten durch ein Mineralstoffgerüst hergestellt, sondern durch eine durchgehende Mörtelphase, welche die Hohlräume im Mineralstoffgemisch völlig ausfüllt. Der Mörtel ist sehr steif eingestellt. Als Bindemittel kommen sehr harte Bindemittel, wie 30/45, 20/30, PmB 45 oder PmB 25 zum Einsatz. Bei besonderen Anforderungen kann auch der Zusatz von Naturasphalt oder die Verwendung polymermodifizierter Bitumen vorgesehen werden. Der praktisch hohlraumfreie Gussasphalt ist so zusammengesetzt, dass er im Einbauzustand einen geringen Bitumenüberschuss hat und somit gießbar und


streichbar ist. Der maschinelle Einbau benötigt einen eigenen Straßenfertigertyp mit spezieller Bohle. Er bedarf beim Einbau keiner Verdichtung [11]. Zur Füllung des Bindemittels werden etwa 25 Gew.-% Füller gebraucht. Im Sandbereich wird überwiegend Natursand (etwa 27 Gew.-%), im Splittbereich müssen Edelsplitte eine gute Kornabstufung bis zum Größtkorn vervollständigen (etwa 48 Gew.-%). Die Zahlen beziehen sich auf häufig vorkommende Gussasphalte 0/11 mm. GA 0/11 S muss mehr Splitt und außerdem Brechsand enthalten [20]. Gussasphalt kann als Deckschicht auf Straßen und Wegen aller Art sowie auf anderen Verkehrsflächen eingebaut werden. Er wird vorzugsweise auf höchstbelasteten Verkehrsflächen und Brückenbauwerken verwendet. Mit Gussasphalt lassen sich relativ dünne Beläge herstellen, die wegen ihres geringen Gewichtes zur Wirtschaftlichkeit eines Brückenbauwerkes beitragen (Das Eigengewicht des Brückenbauwerkes wird durch den Gussasphalt positiv beeinflusst). Die dauerhafte Verbindung des Asphalts mit den Unterlagen aus Beton oder Stahl ist dabei besonders wichtig. Der Gussasphaltbelag schützt zudem das Bauwerk vor dem Eindringen von Wasser und Schadstoffen [I.1].

2.2.4 Offenporige Asphaltdeckschichten

2.2.4.1 Einschichtige offenporige Asphaltdeckschich t (OPA)

Offenporiger Asphalt stellt eine besondere Form der Asphaltdeckschichten dar. Das Mischgut ist so zusammengesetzt, dass die verdichtete Schicht einen hohen Hohlraumgehalt aufweist (≥ 22 Vol.-%). Die vorhandenen Hohlräume sind überwiegend untereinander verbunden, so dass der durch den Verkehr verursachte Lärm gemindert wird und das Oberflächenwasser in der Schicht abfließen kann [A.4]. Offenporige Asphaltdeckschichten werden im Straßenbau hauptsächlich zur Lärmminderung eingesetzt. Der abgestrahlte Lärm wird um ca. 4 dB(A) reduziert und die Frequenzen in einen für das menschliche Gehör angenehmeren Bereich verschoben [8]. Durch die hohlraumreiche Konstruktion entstehen noch andere Vorteile, bei Regen wird die Sprühfahnenbildung reduziert und Aquaplaning vorgebeugt. Zur Erzeugung des Hohlraumes werden nur Edelsplitte mit vollständig gebrochener Oberfläche verwendet. Das Gemisch besteht aus sehr sorgfältig aufgebautem Splittgemenge bis 11 mm Korndurchmesser mit sehr geringem Sand-Füller-Anteil (Ausfallkörnung, siehe Abbildung 8) und einem polymermodifizierten Bindemittel. Wegen der extremen Ausfallkörnung zur Erzeugung der Hohlräume werden Bindemittelträger, in der Regel Cellulosefaser, benötigt. An die Bindemittel werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Verwendet werden daher polymermodifizierte Bindemittel PmB 65 und PmB 45 [A.4] sowie höher modifiziertes PmB 40/100 – 65H (siehe Tabelle 3) [A.5].


Abbildung 8: Mittlere Sieblinien für einen Asphaltbeton, einen Splittmastixasphalt, einen offenporigen Asphalt und einen Gussasphalt [I.3]

Neben Vorteilen dieser Bauweise gibt es auch einige Besonderheiten und Nachteile [14]:

• Der Einbau erfordert sehr viel Erfahrung und exakte Einhaltung der Vorgaben der Eignungsprüfung. Es sind nicht alle Mischwerke für die Herstellung des Mischgutes geeignet (z.B. wegen ungleichmäßiger Zugabe der Bindemittelträger)

• Nutzungsdauer beträgt nur ca. 10 Jahre, d.h. sie ist um ein Drittel geringer als die mittlere Nutzungsdauer von Splittmastixasphalt auf Autobahnen.

• Die Unterlage der offenporigen Schicht muss aufwändig abgedichtet werden, so dass kein Wasser in den darunter liegenden Straßenoberbaus eindringen kann.

• Eine seitliche Entwässerung der Konstruktion muss jederzeit gewährleistet sein.

• Durch das anwachsende Zusetzten der Poren mit der Liegezeit wird die Lärmminderung durch den Belag entsprechend kleiner. Reinigungsversuche haben sich neben enormen Kosten und der Verkehrsbehinderung als wenig tauglich erwiesen.

• Erhöhter Aufwand beim Winterdienst (Mehrverbrauch an Auftaumitteln)

• Höhere Anfälligkeit gegenüber dem Eindringen von Chemikalien, Öl und Vergaserkraftstoffen, die den offenporigen Belag zerstören können.

• Geringe Erhaltungsfreundlichkeit (Das Mischgut ist schlecht von Hand einzubauen)

• Das Nutzungsende des offenporigen Asphalts wird meist schlagartig erreicht.

Asphaltbeton 0/11

Splittmastixasphalt 0/11 S

Offenporiger Asphalt 0/11

Gussasphalt 0/11 S


Die offenporige Asphaltbauweise ist in den ZTV Asphalt-StB 2001 noch nicht als Regelbauweise enthalten. In der neuen ZTV Asphalt-StB 2007, die im Herbst 2007 erscheint, wird die offenporige Asphaltbauweise aufgenommen. Die lärmmindernde Wirkung des einschichtigen offenporigen Asphaltes ist insbesondere für Fahrgeschwindigkeiten unter 70 km/h und hohem Lkw-Anteil noch nicht befriedigend. In solchen Fällen bietet sich die Ausführung eines zweischichtigen offenporigen Asphaltes (ZWOPA) an [8].

2.2.4.2 Zweischichtige offenporige Asphaltdeckschic ht (ZWOPA)

Die bisherige schalltechnische Wirksamkeit von offenporigen Asphalten bezog sich in der Vergangenheit auf einschichtige OPA’s mit einem Hohlraumgehalt von > 15 Vol.-% mit DStrO - Werten von -4,0 dB(A) für OPA 0/11 und -5,0 dB(A) für OPA 0/8. Der ZWOPA besteht aus ca. 2,5 cm OPA 0/8 als obere Schicht mit einem Hohlraumgehalt von ≥ 24 Vol.-% und ca. 4,5 cm OPA 0/16 als untere Schicht mit einem Hohlraumgehalt ≥ 22 Vol.-%. Bezüglich der bautechnischen Anforderungen und der Qualität der einzusetzenden Mineralstoffe und des Bindemittels gelten die gleichen Voraussetzungen wie für den einschichtigen OPA. Die Abbildung 9 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen ZWOPA - Bohrkern. Die unterschiedliche Struktur ist deutlich zu erkennen.

Abbildung 9: Vertikalschnitt durch einen ZWOPA-Bohr kern [8]

Bei zweischichtigem OPA werden Schallemissionen bei 50 km/h um mindestens 5 dB(A) und bei 100 km/h um mindestens 8 dB(A) reduziert. Die Abbildung 10 zeigt eine Gegenüberstellung des Schallabsorptionsverhaltens von einschichtigem und zweischichtigem offenporigem Asphalt.


Der Schallabsorptionsgrad α = 1 bedeutet 100 % Absorption. Beim einschichtigen OPA werden in einem schmalen Frequenzbereich bei ca. 800 Hz nahezu 100 % der auftretenden Schallenergie absorbiert, wobei beim zweischichtigen OPA bei ca. 500 Hz 90 % und bei ca. 1500 Hz 80 % absorbiert werden. Die absorbierende Wirksamkeit ist also breitbandiger und damit wirksamer [8].

Abbildung 10: Gegenüberstellung des Schallabsorbtionsverhaltens von einschichtigem und zweischichtigem offenporigem Asphalt [8]


2.2.5 Weitere Asphaltdeckschichten

2.2.5.1 Farbige Asphaltdecken

Grundsätzlich lässt sich jeder Asphalt einfärben. Hierbei werden einfärbbare Bindemittel statt Bitumen verwendet und Farbpigmente zugegeben. Es können Asphaltbefestigungen in rot, braun, grün, gelb, blau oder sämtlichen Mischtönen hergestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass eingefärbte Asphalte nicht mit schwarzen Asphaltresten in der Mischanlage, den Transport- und Verarbeitungsgeräten in Berührung kommen dürfen. Mischanlage und Fertiger müssen für die Verarbeitung von farbigem Mischgut gereinigt werden. Das Gestalten von Verkehrsflächen dient verschiedenen Zielen, z.B. [1]:

• Die Kraftfahrer über optisch- psychologische Wirkung zu veranlassen, langsamer zu fahren.

• Teile der Straße als Verkehrsflächen besonderer Zweckbestimmung (Radwege, Parkplätze usw.) zu kennzeichnen und damit die Verkehrssicherheit zu erhöhen.

• Die Straße als städtebaulichen Raum erlebbar zu machen.

2.2.5.2 Temperaturabgesenkte Asphalte (TAA)

Vor allem um Energie bei der Herstellung von Asphaltmischgut zu sparen und damit den Ausstoß an Kohlendioxid (CO2) zu reduzieren, aber auch unter dem Aspekt des Gesundheits- und Arbeitsschutzes, werden seit einiger Zeit Niedrigtemperaturasphalte erprobt. Der normalen Asphaltrezeptur werden Zusätze in Form von Wachsen zugegeben (Additive). Diese Zusätze sind bei der Herstellungstemperatur von Asphalten dünnflüssig und verbessern dadurch die Mischbarkeit, Umhüllbarkeit und Verdichtbarkeit deutlich. Beim Abkühlen unter ca. 80°C b is 100°C kristallisieren diese Zusätze feinstverteilt aus und bilden so einen Füller, der zu einer starken Versteifung des Bindemittels führt [2].

Die viskositätsabsenkenden Eigenschaften können auch sehr gut dafür genutzt werden, die Herstell- und Einbautemperaturen um 20 bis 30°C zu reduzieren. Dies gilt für Walz- und Gussasphalte. Bei einer Zugabe der Additive an der Mischanlage ist mit einem Leistungsabfall der Mischanlage von ca. 30% zu rechnen. Insbesondere bei viskositätsabgesenkten polymermodifiziertem Bitumen ist die Mischzeit an der Chargenmischanlage um ca. 10 Sekunden zu verlängern. Die durch die Temperaturabsenkung erzielte Energieeinsparung geht dadurch weitestgehend wieder


verloren, so dass in der Gesamtbilanz eine Energieeinsparung von lediglich ca. 10% übrig bleibt. Durch die Temperaturabsenkung werden die Emissionen an Dämpfen und Aerosolen drastisch gesenkt. Die Verdichtung ist besonders sorgfältig durchzuführen. Der erste Verdichtungsvorgang mit der Stampferbohle des Asphaltfertigers beginnt bei ca. 130°C. Es ist ein erhöhter Walzeneinsatz erforderl ich, um bei dem geringeren Wärmepotential noch eine ausreichende Verdichtung zu erzielen. Seit Mai 2006 regelt das „Merkblatt für Temperaturabsenkung von Asphalt - M TA“ der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) den Einsatz und die Ausführung von temperaturabgesenkten Asphalten [3].

2.2.5.3 Gummimodifizierter Asphalt

Bei dieser Bauweise wird Gummigranulat 0/1 mm, welches überwiegend aus Lkw-Altreifen stammt, in Bitumen mindestens 45 Minuten bei ca. 180 °C „gekocht“. Die Gummipartikel schwellen dabei auf etwa die doppelte Größe an, indem sie leichtere Teile der Maltenphase des Bitumens aufnehmen und dadurch anlösen. In Abhängigkeit von der Herkunft und der Partikelgröße des Gummigranulats werden zwischen 12 und 22 M.-%, bezogen auf die Bitumenmenge, eingesetzt. Durch diese Modifikation verändern sich die Eigenschaften des Bindemittelsystems erheblich. Die Zielsetzung bei Verwendung von Gummiasphalt liegt in der Erhöhung bzw. Verbesserung von:

• Langlebigkeit (Flexibilität)

• Alterungsbeständigkeit

• Temperaturverhalten • Das Bindemittel hat eine sehr starke Haftung zu Mineralstoffen

• Dauerhaft griffige Asphaltschichten

• Lärmmindernde Asphalte Bei gummimodifizierten Asphaltdecken wurde eine Rollgeräuschminderung von 3-4 dB gegenüber Asphaltbetondecken gemessen [2].


2.3 Herstellung von Asphaltstraßen

2.3.1 Asphaltmischgutherstellung

Bei den Mischanlagen zur Asphaltherstellung wird zwischen mobilen oder stationären Anlagen unterschieden. Stationäre Anlagen stehen im Regelfall in der Nähe der Gewinnungsstätten der Mineralstoffe, beispielsweise in der Nähe von Steinbrüchen. Derartige Anlagen decken heute den normalen Bedarf an bituminösem Mischgut bundesweit ab. Mobile oder ,,Baustellenmischanlagen" werden nur bei Bauvorhaben mit einem sehr großen Bedarf an bituminösem Mischgut eingesetzt, um Transportkosten zu sparen. Funktion und Aufbau von stationären oder mobilen Anlagen sind im Prinzip gleich. Man unterscheidet jedoch nach der Arbeitsweise zwei Arten von Mischanlagen, die Trommelmischanlagen (ca. 3%) und die Chargenmischanlagen (ca. 97%) (siehe Abbildung 11) [11]. Trommelmischanlagen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Asphalt in einer einzigen Trommel hergestellt wird, in der die Mineralstoffe getrocknet, entstaubt und mit dem Bitumen gemischt werden. Der Trommelmischer ist nicht für schnelle Mischgutwechsel geeignet, weil für einen Mischgutwechsel in der Regel die Trommel leergefahren werden muss. Sie werden jedoch häufig als Baustellenanlagen eingesetzt. Bei den üblichen Chargenmischanlagen wird das Mineralstoffgemisch in der Trockentrommel getrocknet und entstaubt, über einen Heißelevator, Zwischensiebung und Heißverwiegung dem Mischer zugeführt und dort letztendlich mit dem eingedüsten Bitumen vermischt, nachdem zuvor noch Füller zugeführt wurde [11]. Das Prinzip einer Asphaltmischung besteht darin, ein Korngerüst herzustellen, welches bereits ohne Bindemittelzugabe hohe Stabilität besitzt. Eine Wiederverwendung von alten Asphaltdecken ist möglich. Das Recyclingmaterial wird durch Fräsen oder Aufbrechen der Asphaltschicht und anschließender Zerkleinerung gewonnen. Es ist oft sehr günstig zu beziehen.


Abbildung 11: Schema einer Chargenmischanlage [23]

2.3.2 Einbau von Asphaltmischgut

2.3.2.1 Walzasphalt Das Asphaltmischgut wird aus stationären Mischanlagen bezogen. Bei der Wahl der Mischanlage sollte auf Transportentfernung und Straßen- und Verkehrsverhältnisse geachtet werden. Für den Transport des Mischgutes auf die Baustelle werden in der Regel Lkw-Kipper benutzt. Der Asphalt wird während des Transports mit einer Plane abgedeckt. Die Abdeckung des heißen Mischgutes soll folgendes verhindern:

• Eine oxidative Schädigung des Bitumens (Verhärtung, Klebkraftverlust)

• Starke Abkühlung des Asphaltmischgutes

• Eindringen von Niederschlagswasser in das heiße Asphaltmischgut Der Einbau erfolgt mit Hilfe von Straßenfertigern. Der Einsatz von Flachbaggern (Straßenhobel, Planierraupen) oder der manuelle Einbau sollte bei den hohen Anforderungen an die Ebenheit unterbleiben und auf untere Schichten und Restflächen beschränkt werden. Von dem Fertiger wird das Mischgut entsprechend der vorgegebenen Breite und Dicke verteilt und vorverdichtet. Die eingesetzten Fertigertypen weisen Unterschiede hinsichtlich Arbeitsbreite, Einbaudicke, erreichbarem Verdichtungsgrad und Fahrwerk (Rad- oder Kettenfahrwerk) auf [23]. Straßenfertiger mit Radfahrwerk können schneller von einem Einsatzort zum anderen umgesetzt werden. Zudem verfügen diese i.d.R. über die Zulassung zur Teilnahme am Straßenverkehr, d.h. Fertiger mit Radfahrwerk dürfen auf öffentlichen Straßen fahren. Fertiger für Walzasphalt besitzen eine schwimmende


Einbaubohle, wobei sich das Gewicht der Bohle mit dem dynamischen Auftrieb im Gleichgewicht befindet. Die Einbaudicke lässt sich hierbei durch den Anstellwinkel α der Bohle regeln. Durch die schwimmende Bohle können Unregelmäßigkeiten der Unterlage ausgeglichen werden. Die Einbaubohlen bestehen meistens aus einem Tamper (Grundbohle) und einer Vibrationsbohle (siehe Abbildung 12) [14].

Abbildung 12: Standardbohle mit Vibration [14]

Unmittelbar nach dem Einbau mit Fertigern muss die Hauptverdichtung erfolgen. Ist das Mischgut zu stark abgekühlt, lässt es sich nicht mehr verdichten. Der erste Walzgang muss statisch erfolgen, alle weiteren können statisch oder mit Vibration durchgeführt werden. Die Wahl des Verdichtungsgerätes ist vom Mischgut, der Einbaubreite und anderen Randbedingungen abhängig. Es werden Dreirad-, Gummirad- und Tandemwalzen eingesetzt. Für eine optimale Verdichtung fahren Walzen nach einem bestimmten Walzschema über den Asphalt. Asphalt sollte nur bei guten Witterungsverhältnissen eingebaut werden. Bei Temperaturen unter 3 °C dürfen keine Deckschichten hergestellt werden. Weiterhin muss beim Einbau der Boden schnee- und eisfrei sein. Die Asphaltstraße ist nach dem Durchkühlen befahrbar [20].


2.3.2.2 Gussasphalt Gussasphalt wird in beheizten und mit Rührwerk ausgestatteten Transportkochern von der Mischanlage auf die Baustelle transportiert. Der Einbau erfolgt weitgehend maschinell mit schienen- oder raupengeführten, höhenverstellbaren, beheizten, meist hin- und herschwingenden Abziehbohlen. Durch die streichende Bewegung der Abziehbole wird an der Oberfläche Mörtel angereichert, der zur besseren Griffigkeit sofort aufgeraut werden muss. Um die Griffigkeit zu erhöhen, wird leicht mit Bitumen umhüllter Edelsplitt der Lieferkörnung 2/5 mm und/oder 5/8 mm in einer Menge von 15 bis 18 kg/m² maschinell, bei kleineren Flächen auch von Hand, auf die heiße Oberfläche gleichmäßig aufgebracht. Der Splitt muss mit Gummirad- und Glattmantelwalzen eingedrückt werden. Durch die walkende Wirkung der Gummiradwalze wird der Verbund zwischen Gussasphalt und einer eventuell darunter liegenden Binderschicht zusätzlich verbessert [4]. Der Einbau von kleinen Flächen erfolgt von Hand. Hierbei wird der aus Eimern vorgelegte Gussasphalt mit einem Spachtel (Streichholz) verstrichen. Flächen für Geh- und Radwege sowie für langsamen Verkehr können durch Abreiben mit Sand abgestumpft werden. Anschlüsse von Gussasphalt an Walzasphalt oder andere Baustoffe sind grundsätzlich als Fugen auszubilden. Gleiches gilt für Anschlüsse von Gussasphalt an Gussasphalt beim Einbau heiß an kalt [20].


2.4 Technologische Eigenschaften

2.4.1 Walzasphalt Die Standfestigkeit von Asphalt während der Gebrauchsdauer lässt sich schon bei der Eignungsprüfung durch die richtige Wahl des Bindemittels bzw. der Mineralstoffkomponenten beeinflussen (siehe Tabelle 7). Asphaltbeton5 braucht wegen seiner Anpassungsfähigkeit an Längenänderungen durch plastische Verformung keine Fugen (Abgrenzung Asphalt – Betondecke) und ist bei guter Verdichtung (Hohlraumgehalt < 6 Vol.-%) praktisch wasserdicht [20]. Er erhält seine Stabilität nicht nur aus der Adhäsion des Bindemittels zum Korn, sondern wesentlich aus der Reibung des Korngerüstes und muss deswegen durch Walzen verdichtet werden (Abgrenzung Walzasphalt – Gussasphalt). Damit sich die Reibung entwickeln kann, muss im Material stets ein Mindestporenraum erhalten bleiben [20]. Walzasphalt besteht aus den drei Phasen – Mineralstoff, Bitumen und Hohlräumen (Abgrenzung Walzasphalt – Gussasphalt). Bei der Konzeption von Walzasphalt ist der Hohlraumgehalt von wesentlicher Bedeutung. Am Beispiel der Deckschicht zeigt sich, dass in der fertigen Asphaltschicht Hohlraumgehalte unter 3 Vol.-% - vor allem bei starker Verkehrsbeanspruchung – die Verformung (Spurrinnenbildung) begünstigen. Hohlraumgehalte über 7 Vol.-% erleichtern das Eindringen von Wasser und vermindern so die Verschleißfestigkeit der Deckschicht. Daher werden die Hohlraumgehalte für die fertigen Deckschichten auf 6 bis 7 Vol.-% begrenzt. Bei der Eignungsprüfung (Marshallkörper) sollten die Hohlraumgehalte für diese Schichten unter 4 Vol.-% liegen [11]. Der Hohlraumgehalt bei Deckschichten muss:

• klein genug sein, um unter Berücksichtigung der Verdichtung auf der Baustelle den Hohlraumgehalt der fertigen Deckschicht unter 6 bis 7 Vol.-% zu halten,

• groß genug sein, damit der Hohlraumgehalt der fertigen Schicht auch bei intensiver Nachverdichtung durch Schwerverkehr nicht unter den für die Standfestigkeit kritischen Wert von 2 Vol.-% sinkt [11].

Der Hohlraumgehalt wird wesentlich durch die Menge des bituminösen Mörtels6 (Bindemittel + Füller) gesteuert. Ein hoher bituminöser Mörtelanteil ist günstig für die Verschleißfestigkeit und die Dauerhaftigkeit unter dynamischer Belastung. Andererseits wird die Griffigkeit ungünstig beeinflusst. Der an der Oberfläche reichlich vorhandene bituminöse Mörtel trägt den Reifen mit, verringert jedoch die Rauheit. Er


verstopft die für das Verdrängen des Wassers unter den Reifen notwendigen Kanäle. Außerdem werden Helligkeit und Lichtstreuung geringer [20].

Merkmal Maßnahme/Variation Auswirkung / Zielgröße

Lage im oberen Bereich Einzelhohlraum klein, Gesamthohlraum groß, kohäsionsbetontes Mischgut, empfindlich gegenüber Bindemittelschwankungen

Lage im Fullerbereich Einzelhohlraum klein, Gesamthohlraum groß, insgesamt dichte Mischung

Lage im unteren Bereich Einzelhohlraum groß, Gesamthohlraum groß, Empfindlichkeit gegenüber Bindemittelschwankungen gering

Lage der Sieblinie

Ausfallkörnung Einzelhohlraum sehr groß, Gesamthohlraum sehr groß, Empfindlichkeit gegenüber Bindemittelschwankungen gering

Natursand

gute Verarbeitbarkeit, geringer Bindemittelbedarf

Sandart

Brechsand Verarbeitbarkeit und Verdichtbarkeit erschwert, erhöhter Bindemittelbedarf, erhöhte innere Reibung

kubisch hohe Lagerungsdichte, geringes Hohlraumangebot

Kornform

im Grenzbereich geringe Lagerungsdichte, größeres Hohlraumangebot

schwacher Füller geringe Versteifung. weicher Mörtel, gute Verarbeitbarkeit

Füller

starker Füller hohe Versteifung, schlechtere Verarbeitbarkeit, höherer Bindemittelbedarf

Menge Lagerungsdichte des Mineralstoffgemisches, Steifigkeit des Asphaltes

Bindemittel

Sorte Mörtelsteifigkeit / Klebkraft

Tabelle 7: Variationsmöglichkeiten zur Optimierung der Asphalteigenschaften [11]


2.4.2 Gussasphalt Eine besondere Bedeutung beim Gussasphalt kommt dem bituminösen Mörtel zu. Er ermöglicht im heißen Zustand das Verstreichen bzw. Verteilen und Abgleichen. Später bettet er die Splittkörner voll ein und liefert den entscheidenden Anteil zur Standfestigkeit. Beim Abkühlen entsteht eine Verkürzung des Materials, die im Mörtelbereich stattfindet, da die Mineralstoffe nur unwesentlich zur Verkürzung beitragen. Der Schrumpfungsprozeß beim Gussasphalt ist ausgeprägter als beim Walzasphalt. Ein Abreißen von festen Randeinfassungen ist möglich. Daher sind stets Fugen vorzusehen, die durch Verguss oder eingelegte Schmelzbänder zu schließen sind [19]. Nachstehend in Tabelle 8 sind die wesentlichen Unterschiede vom Gussasphalt gegenüber Walzasphalt zur besseren Verdeutlichung aufgeführt.

Gussasphalt Walzasphalt

• hohlraumfrei durch hohen Mörtelanteil, bestehend aus Bitumen und Füller

• definierter Resthohlraumgehalt, durch entsprechende Wahl der Bitumen- und Füllergehalte

Hohlräume

• höheres Bindemittelvolumen als Hohlraumvolumen im Mineralstoffgemisch

• Hohlräume im Mineralstoffgemisch nur zum Teil mit Bitumen ausgefüllt

Verdichtung

• Gussasphalt ist im physikalischen Sinn eine Flüssigkeit, Flüssigkeiten lassen sich nicht verdichten

• Walzasphalt ist ein Kornhaufwerk; lose geschüttete Kornhaufwerke müssen zur Erzielung von Standfestigkeit verdichtete werden

Standfestigkeit

• Die Standfestigkeit des Gussasphalts wird maßgebend von der Steifigkeit des Mörtels beeinflusst

• Die Standfestigkeit des Walzasphalts resultiert im wesentlichen aus der Zusammensetzung der Mineralstoffmischung

Tabelle 8: Vergleich von Guss- und Walzasphalt [19]


2.5 Marktsituation Die Asphaltbauweise stellt die gängigste Befestigungsbauweise für Flächen und Verkehrswege aller Art dar. Dies hat sie zum einen der positiven technologischen Eigenschaften zu verdanken sowie den, im Vergleich zu anderen Bauweisen, günstigen Herstellungs- und Unterhaltungskosten. Der Neubau-Preis für einen Quadratmeter Straßenbefestigung in Asphaltbauweise (Bauklasse I, Zeile 1, nach RstO: 4 cm Asphaltbeton, 8 cm Asphaltbinder und 18 cm Asphalttragschicht) liegt bei ca. 30 Euro. Eine Betondecke der gleichen Bauklasse ist um ca. 30% teurer. In Abbildung 13 kann man die Anteile der unterschiedlichen Straßenklassen, am gesamten deutschen Straßennetz, sehen. Das Komplette Netz von ca. 650 000 km Länge ist ausschließlich mit einer Fahrbahndecke aus Asphalt befestigt. Lediglich 30% der Bundesautobahnen sind mit einer Betondecke befestigt. Das ist weniger als ein Prozent der gesamten Straßennetzlänge [13].

Straßennetzlänge gesamt ca. 650.000 km

2,8% 6,7%

14,1%

12,9%63,5%

Bundesautobahnen

Bundesstraßen

Landesstraßen

Kreisstraßen

Gemeindestraßen

Abbildung 13: Überblick über das Straßennetz in Deutschland, Stand August 2005 [13]

3 Moderne Deckschichten aus Beton 46

3 Moderne Deckschichten aus Beton Die Betondecke ist ohne Zweifel eine geeignete Konstruktion für hohe Verkehrsbelastungen. Die Lastverteilung ist wegen der Plattenwirkung sehr gut. Sie ist unabhängig von Witterung und Verkehrsart. Die auftretenden Verformungen sind gering und von elastischer Natur. Es entstehen keine Spurrinnen, Querwellen und Verdrückungen. Die Nutzungsdauer ist wegen der hohen Festigkeit groß. Störungen des Verkehrs durch Erneuerungsarbeiten sind selten. Für die guten Eigenschaften muss allerdings ein hoher Herstellungspreis gezahlt werden, der nur gerechtfertigt ist, wenn er auf einen starken Verkehr umgelegt werden kann oder wenn die Betondecke die einzige technische Lösung eines Problems ist. Die Anpassung der Konstruktion in Dicke und Ausführung zur Kostenersparnis ist nur bedingt möglich [20]. Erschwernisse für den Einsatz:

• Die Betondecke braucht Fugen. Diese sind in allen Bauwerken problematische Stellen und pflegebedürftig. Häufig gehen Schäden von ihnen aus. Zusammen mit der rauen Oberfläche sind sie auch eine wesentliche Ursache für die Entstehung größeren Lärms, besonders bei älteren Betondecken.

• Die Auflagerfläche muss ebenflächig sein und darf die Ebenheit nicht verlieren, damit sich die Auflagerbedingungen nicht ändern. Sonst besteht Bruchgefahr.

• Eine Sanierung von Mängeln ist aufwendig. Besonders kritisch wirkt sich dies in Stadtstraßen aus, in denen Leitungen liegen.

Der Einsatz von Betondecken bleibt auf Straßen und Flächen mit starker Belastung beschränkt [20]:

• Autobahnen • Industrieflächen

• Häfen

• Speditionen

• Parkplätze für Lkws und Busse


3.1 Zement Beton für Fahrbahndecken wird aus Zement, Gesteinskörnungen, Wasser, Betonzusatzmitteln und gegebenenfalls Betonzusatzstoffen hergestellt. Zement ist ein hydraulisch erhärtender Baustoff. Er besteht aus einem Gemisch fein gemahlener, nichtmetallisch-anorganischer Bestandteile. Zement kann durch gemeinsames Vermahlen des bis zur Sinterung gebrannten Zementklinkers mit anderen Haupt- und Nebenbestandteilen oder durch Mischen getrennt fein gemahlener Haupt- und Nebenbestandteile hergestellt werden. Die Mahlfeinheit nach Blaine soll 3500 cm²/g nicht überschreiten (Schwindneigung). Zu den Hauptbestandteilen nach DIN EN 197-1 [A.13] zählen Portlandzementklinker, Hüttensand, gebrannter Ölschiefer, natürliche Puzzolane7 (z. B. Trass), Kalkstein oder Steinkohlenflugasche. Außer Nebenbestandteilen (Füller) müssen zur Steuerung des Erstarrens und der Festigkeitsentwicklung Sulfatträger (natürlicher Gips und Anhydrit, Gips aus Rauchgasentschwefelungsanlagen) zugesetzt werden. Nach Zugabe von Wasser entsteht eine Suspension (Zementleim), die aufgrund einsetzender Hydratationsreaktionen sowohl an der Luft als auch unter Wasser erstarrt, erhärtet und dauerhaft fest bleibt. Zement wird hauptsächlich als Bindemittel für Beton und Mörtel verwendet. Die hydraulische Erhärtung von Zementen beruht überwiegend auf der Entstehung von Calciumsilicathydraten. Kennzeichnendes Merkmal für Zemente ist eine durch Norm festgelegte Mindestdruckfestigkeit von 32,5 N/mm². Außer den Calciumsilicaten des Zementklinkers und der beteiligten Phasen von latent hydraulischen sowie puzzolanischen Bestandteilen, die für die Festigkeitsbildung verantwortlich sind, beeinflussen u. a. auch Calciumaluminate die Hydratationsreaktionen im frühen Stadium und damit das Erstarren. Bei den deutschen Normzementen ist Portlandzementklinker der wichtigste hydraulisch reagierende Hauptbestandteil. Portlandzementklinker besteht im Wesentlichen aus den Klinkerphasen Tricalciumsilicat (C3S), Dicalciumsilicat (C2S), Tricalciumaluminat (C3A) und Calciumaluminatferriten (C2(A, F)), die beim Brennen der Ausgangsstoffe entstehen. Die verschiedenen Klinkerphasen unterscheiden sich sowohl in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit als auch in ihrem Beitrag zur Festigkeitsentwicklung des Zementsteins. C3A und C3S hydratisieren am schnellsten, während C2(A, F) und C2S deutlich langsamer reagieren. Für die Entwicklung der Frühfestigkeit ist in erster Linie die Hydratation des C3S verantwortlich, während C2S zur Festigkeitsentwicklung im

7 Puzzolane: Gesteinsmehle vulkanischen Ursprungs mit geeigneter chemisch-mineralogischer Zusammensetzung, können mit gelöstem Calciumhydroxid reagieren und erhärtungsfähige Verbindungen bilden


höheren Alter beiträgt. Zur Regelung des Erstarrungsverlaufs wird Zementen Calciumsulfat zugegeben [21]. Das Erstarren darf bei 20°C frühestens 2 Stunden nach dem Anmachen beginnen, um eine ausreichende Verarbeitbarkeit des Betons zu gewährleisten. Die DIN EN 197-1 [A.13] unterteilt den Zement in fünf Hauptzementarten:

CEM I: Portlandzement CEM II: Portlandkompositzement CEM III: Hochofenzement CEM IV: Puzzolanzemente CEM V: Kompositzemente

Diese Hauptzementarten werden entsprechend der Zugabemenge ihrer Hauptbestandteile in weitere 27 Zementarten unterteilt (siehe Tabelle 9).

1) Der Anteil von Silicastaub ist auf 10 M.-% begrenzt Tabelle 9: Normalzemente und ihre Zusammensetzung nach DIN EN 197-1 [9]


3.2 Konstruktion

3.2.1 Schichtdicke Die Konstruktion eines Straßenoberbaus mit Betondecke ist an sich recht einfach: Die Decke aus Beton wird so ausgebildet, dass der Beton ohne Bewehrung unter den Verkehrslast- und Temperaturspannungen keinen Schaden erleidet. Die Auflagerspannungen werden soweit verringert, dass der Boden der Unterlage nicht überlastet wird. Die Schadensfreiheit bei Frosteinwirkung wird bei nicht frostsicherer Unterlage durch eine Frostschutzschicht gewährleistet. Ihre Dicke ergibt sich als Differenz zwischen der frostsicheren Tiefe und der Dicke der Hauptkonstruktion. Kritische Stellen bei der Betondecke sind die Fugen. Sie müssen funktionstüchtig erhalten werden. Die im Fugenbereich auftretenden höheren Spannungen dürfen das Auflager nicht verändern. Dieses wird unter anderem durch eine hydraulisch gebundene Tragschicht (HGT), die direkt unter der Betondecke liegt, erreicht (Abbildung 14) [20].

Abbildung 14: Bewährte Betondeckenkonstruktion [5]

In den RStO 2001 [A.6] sind die Bemessungsregeln in einer Standardisierung zusammengefasst. Für die konstruktiven Einzelheiten sind außerdem die ZTV Beton-StB 01 [A.7] zu beachten. Die RStO sehen zwischen 16 und 30 cm dicke Betondeckschichten vor.


3.2.2 Fugen Zur Vermeidung von wilden Rissen und zum Ausgleich der Längenänderung durch Abkühlung und Erwärmung ist die Fahrbahndecke aus Beton durch Fugen in einzelne Platten unterteilt. Die Fugenarten werden in Quer- und Längsschein-, Raum- und Pressfugen unterschieden.

• Scheinfuge n sind Sollbruchstellen in einer Betondecke, die durch Querschnittsschwächung an der Oberseite der Decke hervorgerufen werden.

• Raumfugen trennen Betondecken in ihrer ganzen Dicke voneinander. Der breite, vorgebildete Spalt ermöglicht eine zwängungsfreie Wärmedehnung der Platte.

• Pressfugen (Arbeitsfugen) trennen die Platten ebenfalls in ihrer ganzen Dicke voneinander. Sie lassen aber im Gegensatz zu den Raumfugen keinen Raum für eine Ausdehnung der Platten über ihre ursprüngliche Länge hinaus.

Eine Fahrbahndecke wird quer zur Fahrtrichtung durch Querscheinfugen und in Fahrtrichtung durch Längsfugen, die als Schein- oder Pressfugen ausgebildet werden, in Einzelplatten unterteilt. Der Abstand der Schein- und Pressfugen soll in der Regel das 25-fache, bei quadratischen Platten das 30-fache, der Plattendicke nicht überschreiten. Demzufolge sollte die maximale Plattenlänge nicht länger als 7,50 m sein. Im Autobahnbau sind 5 m üblich [5].

3.2.3 Dübel und Anker Im Allgemeinen sind an den Querfugen zur Lastübertragung und zur Sicherung gleicher Höhenlage Dübel, an den Längsfugen zur Verhinderung des Auseinanderwanderns der Platten Anker vorzusehen. Dübel gestatten Längsbewegungen, übertragen nur Querkräfte und dienen der Führung der Platten. Sie verhindern beim Überfahren der Fuge die Stufenbildung im Bereich der Plattenränder. Das Abwandern der Platten in Richtung der Querneigung oder infolge von gleichgerichteten Verkehrskräften wird durch Anker verhindert. Dies tritt besonders an Press- und Längsscheinfugen auf. Anker haben vollen Verbund mit dem Beton. Sie können, im Gegensatz zu Dübeln, Längs- und Querkräfte übertragen [20].


3.3 Herstellung

3.3.1 Betonherstellung Der Beton wird bei großen Bauvorhaben auf der Baustelle in mobilen Betonmischanlagen hergestellt. Ein zweischichtiger Aufbau erfordert zwei Anlagen. Für kleine Bauvorhaben mit geringen Betonmengen wird Transportbeton verwendet. Die Bestandteile der Mischung werden entsprechend einer Mischanweisung zugegeben. Von großer Bedeutung ist hierbei die Kenntnis der Oberflächenfeuchte der verwendeten Gesteinskörnungen, insbesondere der feinen Gesteinskörnung. Unberücksichtigte Schwankungen der Oberflächenfeuchte verfälschen die abgemessene Stoffmenge der Gesteinskörnung. Außerdem können über den veränderten Wassergehalt die Konsistenz und der Luftgehalt des Frischbetons und über den veränderten Wasserzementwert die Festbetoneigenschaften deutliche Schwankungen erfahren.

Abbildung 15: Sieblinien mit einem Größtkorn von 16 mm

Der Luftporenbildner soll während des Hauptmischgangs zusammen mit dem Anmachwasser zugesetzt werden. Einen wesentlichen Einfluss auf die Aktivierung des Luftporenbildners hat neben der Betonzusammensetzung und der Mischintensität auch die Frischbetontemperatur.


3.3.2 Einbau der Betondecke Die Herstellung von Betondecken mit Hilfe von Gleitschalungsfertigern ist heute die Standardbauweise. Ihre wesentlichen Merkmale sind:

• Verteilen des Betons

• Verdichten (mit Innenrüttlern und Pressbohle) • Dübel- und Ankereinbau

• Höhengenaue Fertigung

• Glätten der Oberfläche • Mitführen der gleitenden Schalung

Der Einbau kann einschichtig oder zweischichtig erfolgen. Die Anker werden in der Mitte von oben eingerüttelt. Die abschließende Glättebohle als pendelnder Längsglätter hängt an einem Ausleger des Fertigers. Damit der Rand der frischbetonierten Fahrbahndecke nicht absackt, muss der Frischbeton eine ausreichende Grünstandsfestigkeit8 aufweisen. Die Länge der mitgeführten Schalung und die Konsistenz des Frischbetons müssen darauf abgestimmt sein.

Abbildung 16: Arbeitsschema eines Gleitschalungsfertigers [5]

Betondeckschichten dürfen erst nach ausreichender Aushärtung für den Verkehr freigegeben werden. Die Verkehrsfreigabe ist von der erreichten Druckfestigkeit abhängig. Diese muss 70% der in Tabelle 10 geforderten Werte erreichen. Dazu

8 Grünstandsfestigkeit: Die Festigkeit des Frischbetons, der verarbeitet und verdichtet, aber noch nicht erstarrt ist.


werden Probekörper hergestellt, die an der Einbaustelle auf der fertigen Decke gelagert werden und wie diese nachzubehandeln sind.

Mindestwerte des Betons im Alter von 28 Tagen Bauklasse Druckfestigkeit am Würfel

von 20 cm Kantenlänge [N/mm²] Biegezugfestigkeit [N/mm²]

SV, I bis IV 351 402 5,5

V und VI 251 302 4,0 1 Druckfestigkeit jedes Probekörpers 2 Mittlere Druckfestigkeit jeder Serie Tabelle 10: Anforderungen an Straßenbeton [23]

Die geforderten Anfangsfestigkeiten werden in der Regel nach 7 Tagen erbracht. Zementbetondecken können deshalb nur für Neubauten oder bei Erneuerungen Anwendung finden, wenn über längere Zeit der Verkehr ferngehalten werden kann. Eine Ausnahme für kleinere Bauaufgaben stellt die Entwicklung des frühhochfesten Betons mit Fließmittel dar, der bereits nach 24 h 70% von der geforderten Druckfestigkeit erreicht und freigegeben werden kann [23].

3.4 Technologische Eigenschaften Die kritische Beanspruchung ist die Biegezugspannung, die durch die Biegezugfestigkeit der Betonplatte allein aufzunehmen ist. Aus wirtschaftlichen Gründen wird auf eine Bewehrung der Betonplatte im Regelfall verzichtet. Die auftretenden Druckspannungen liegen wesentlich unter der Betondruckfestigkeit und werden bei Beton mit ausreichender Biegezugfestigkeit nicht ausgenutzt. Die Druckfestigkeit einer Betondecke liegen mit ca. 40 N/mm² gut 40-mal so hoch wie die von einer Asphaltdeckschicht. Für extrem stark Belastete Industrieflächen werden Hochleistungsbetone mit über 100 N/mm² Druckfestigkeit eingesetzt. Zur Sicherung eines ausreichenden Frost-Tausalzwiderstandes ist die Zugabe von luftporenbildenden Zusätzen vorgeschrieben. Der beim Gefrieren des Wassers in den Kapillarporen entstehende Überdruck kann durch Entweichen in die künstlich erzeugten Poren abgebaut werden. Beton mit einer großen Anzahl kleiner Luftporen ist widerstandsfähiger, weil der entstehende Überdruck umso geringer ist, je kleiner der Abstand der künstlichen Luftporen untereinander und damit von den Kapillarporen ist. Die Prüfung des wirksamen Luftporengehalts erfolgt an Anschliffen aus Bohrkernen indem unter einem Spezialmikroskop die wirksamen Poren gezählt werden [2].


Bei einer Deckschicht aus Beton hat der Unterbau weniger die Aufgabe die Tragfähigkeit der Gesamtbefestigung zu erhöhen (Abgrenzung Betondecke – Asphaltdecke), sondern folgende vorrangigen Aufgaben:

• Gewährleistung einer dauerhaften gleichmäßigen Auflage

• Gewährleistung einer hohen Verdichtung des Zementbetons beim Einbau • Ausreichende Standfestigkeit gegen Verformung durch Baustellenverkehr

• Gewährleistung einer gleichmäßigen Arbeitsebene für Fertiger und andere Einbaumaschinen.

Wegen der großen Steifigkeitsunterschiede zwischen Betonplatte und ungebundener Unterlage sind jedoch Veränderungen der Auflagerbedingungen systembedingt zu befürchten. Wird die Betondecke sorgfältig hergestellt ist eine Nutzungsdauer von 30 Jahren zu erwarten [2].

3.5 Marktsituation Der Bau von Verkehrswegen und Flächenbefestigungen mit einer Betondecke beschränkt sich heute in Deutschland auf Autobahnen und Industrieflächen. Mangelhafte Betondecken werden meistens durch Asphaltdecken im Hocheinbau ersetzt, dabei wird die neue Asphaltbefestigung auf die vorhandene, entspannte Betondecke aufgebaut. In Abbildung 17 ist der Anteil der einzelnen Deckenbefestigungsarten auf den Bundesautobahnen zu erkennen. Laut „der Elsner 2007“ [13] umfasste der Anteil der Deckenbefestigungen auf den deutschen Bundesautobahnen: Betondecken zu 28% und bituminöse Decken zu 72% (davon 46% Gussasphalt und 26% Asphaltbeton).

28%46%

26%

Betondecken

Asphaltbeton

Gußasphalt

Abbildung 17: Deckenbefestigungsarten auf den Bundesautobahnen [13]

4 Halbstarre Deckschichten 55

4 Halbstarre Deckschichten Halbstarre Beläge sind Deckschichten für hohe statische und dynamische Verkehrslasten. Sie bestehen aus zwei Komponenten , einem hohlraumreichen Asphalttraggerüst und einem Hochleistungsfließmörtel oder flexibilisierten Epoxydharz, mit dem die Hohlräume in einem zweiten Arbeitsgang vollständig verfüllt werden. Halbstarre Deckschichten vereinen die positiven Eigenschaften von Asphalt und Beton, sie sind tragfähiger als Asphalt und elastischer als Beton. Das System der Halbstarren Beläge wurde bereits in den 70er Jahren konzipiert und ist seitdem insbesondere durch Fortschritte in der Zement- und Zusatzmitteltechnologie weiterentwickelt worden. Halbstarre Deckschichten werden fugenlos hergestellt und halten bei geringen Einbaudicken von 3 – 6 cm hohen Punktlasten stand und sind mechanisch hochbelastbar [16]. Sie sind flüssigkeitsdicht und chemikalienbeständig. Halbstarre Deckschichten finden aufgrund ihrer Eigenschaften in den folgenden Bereichen Anwendung [22]:

� Lagerhallen � Industriefußböden � Gabelstaplerverkehrsflächen � Hochregal-Lager � Container Terminals � Hafengelände � Flughafen Standplätze und Fahrstraßen � Parkhäuser � Einkaufscenter und Supermärkte � Speditions-Umladestationen � Sanierung von Asphalt und Betonböden � stark befahrene Kreuzungen � Beschleunigungs- und Verzögerungsstreifen � Busverkehrsflächen � stark beanspruchte Verkehrswege � Tankanlagen � militärisch genutzte Flächen

Auf Ingenieurbauwerken mit schwingenden Bauteilen würden Halbstarre Deckschichten9 schnell Risse bilden und sind deshalb dafür nicht geeignet. Auf Ingenieurbauwerken sollte das hohlraumreiche Asphalttraggerüst daher mit einem speziell entwickelten flexibilisierten Epoxydharz verfüllt werden und nicht mit einem hydraulischen Verfüllmörtel [12].

9 Halbstarre Deckschichten oder Halbstarre Beläge: Werden groß geschrieben, da sie Eigennamen sind


4.1 Entwicklung Die 1.Generation der halbstarren Bauweise wurde bereits in den 70er Jahren entwickelt und unter Einsatz von normalen Zementen hergestellt. Der Verfüllmörtel wurde noch mit einfachem PZ 35 (alte Bezeichnung nach DIN 1164-1 für Portlandzement mit einer Mindestdruckfestigkeit von 35 N/mm²) hergestellt und mit Acrylatdispersion verbessert. Die mit den damals zur Verfügung stehenden Verfüllmörteln hergestellten Flächen stellten sich teilweise als sehr rissanfällig heraus. Die Rissbildung und teilweise Verformungen wurden durch zu hohlraumarme Traggerüste und durch zu steife Mörtel verursacht. Trotz Einsatz von Rüttelplatten und hohen Wasser – Trockenmörtel – Verhältnissen (0,6-0,8) gelang selten eine vollständige Verfüllung der Hohlräume. Bei hohen statischen Lasten führte dies zu Verdrückungen. Eine weitere Ursache für die Bildung von Rissen war das „Verdursten“ des Mörtels, der bei zu großer Sonneneinstrahlung und zu hohen Temperaturen des Asphalttraggerüstes eingebracht wurde [16]. Folglich wurde die halbstarre Bauweise in den 80er Jahren praktisch nicht mehr eingesetzt. Die Entwicklung von Superverflüssigern für Beton und der Einsatz von Mikrosilica hat die Herstellung von hochwertigen Verfüllmörteln der 2. Generation in den 90er Jahren ermöglicht. Diese Hochleistungsfließmörtel müssen eine niedrige Viskosität bei gleichzeitig hoher Frühfestigkeit aufweisen, denn die Fließfähigkeit des Mörtels ist beim Einbau ohne Rüttelplatte Vorraussetzung für eine ausreichende Verfüllung der Hohlräume. Die hohe Frühfestigkeit macht eine Nutzung der Flächen nach zwei bis drei Tagen möglich [16]. Seit 2004 gibt es von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen das „Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten“ (M HD) [A.8], das Hinweise und Empfehlungen für Planung und Ausführung von halbstarren Befestigungen auf Verkehrs- und Lagerflächen enthält. Das Merkblatt hat die Verbreitung der halbstarren Bauweise gefördert. Mittlerweile gibt es verschiedene Mörtel, die auf dem Markt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten angeboten werden.

4.2 Ausgangsstoffe Halbstarre Deckschichten bestehen aus einem hohlraumreichen Traggerüst aus Asphalt und einem modifizierten, hydraulischen Verfüllmörtel10, mit dem in einem zweiten Arbeitsgang die Hohlräume des Asphalttraggerüstes verfüllt werden. Die

10 hydraulischer Verfüllmörtel: Im Folgenden Verfüllmörtel, oder nur Mörtel genannt


beiden Einzelkomponenten Asphalttraggerüst und Mörtel werden unabhängig voneinander hergestellt und ergeben erst im Verbund die Halbstarre Deckschicht [A.8].

4.2.1 Asphalttraggerüst

Das hohlraumreiche Asphalttraggerüst wird in der Regel aus einem Einkorngerüst 8/11 mm hergestellt. Als Gesteinskörnungen sind Edelsplitte und Füller gemäß den „Technischen Lieferbedingungen für Mineralstoffe im Straßenbau“ (TL Min-StB) zu verwenden. Der Anteil schlecht geformter Gesteinskörner sollte 10 M.-% nicht überschreiten, da hohe Anteile an schlecht geformten Körnern zu schlecht verfüllbaren und ungleichmäßig verteilten Hohlräumen im Asphalttraggerüst führen. Der Anteil an Unterkorn muss sehr gering sein. Der Einsatz von Asphaltgranulat (Recyclingmaterial) ist nicht möglich. Das Mischgut ist nach dem Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten und nicht nach dem Merkblatt für den Bau von offenporigen Asphalt- Deckschichten zu konzipieren. Folgende Rezeptur kann als Richtrezeptur für ein Asphalttraggerüst laut [22] verwendet werden:

4,0 M.-% Bitumen 70/100 oder 50/70 4,0 M.-% Füller (Kalkstein Füller, Flugasche oder Zement) 0,3 M.-% Zellulosefasern (Arbocell, Technocell oder ähnlich)

91,7 M.-% Kubischer Splitt Zuschlag 8/11 oder 11/16 mm Bei dieser Richtrezeptur sind die Hohlräume untereinander verbunden und machen 25 – 30 Vol.-% des fertigen Asphalttraggerüstes aus.

Abbildung 18: Sieblinie des Mineralstoffgemisches für ein Asphalttraggerüst laut M HD [A.8]


4.2.2 Verfüllmörtel

Der speziell entwickelte Verfüllmörtel wird als fertig gemischter Werktrockenmörtel geliefert. Die Hauptbestandteile des hydraulischen Verfüllmörtels bilden Zement und Quarzsand. Der Zement muss den Anforderungen der DIN EN 197-1 genügen. Die chemische Charakterisierung der Trockenmörtel-Zubereitung setzt sich laut dem Produktdatenblatt eines Verfüllmörtels wie folgt zusammen [15]:

45 - 75 Gew.-% Portlandzementklinker 25 - 45 Gew.-% Quarzsand 0 - 5 Gew.-% Eisen Oxid 5 -25 Gew.-% Amorphe Silicate

Neben den Hauptbestandteilen Sand und Zement werden dem Mörtel Silicastaub (Mikrosilica) zugegeben. Die mittlere Teilchengröße von Mikrosilica beträgt ca. 0,1 µm und ist bis zu 100-mal kleiner als ein Zementpartikel. Aufgrund dieser Eigenschaft wird der Mikrobereich der Korngrößenverteilung im Mörtel ergänzt und es kann eine höhere theoretische Packungsdichte von 80%, gegenüber einem normalen Zementmörtel (40-50%), erreicht werden (Abbildung 19). Ein weiteres Merkmal von Mikrosilica ist seine puzzolanische Reaktivität. Hervorgerufen durch das reaktive, amorphe Siliciumdioxid und die große spezifische Partikeloberfläche von ca. 16 bis 22 m²/g, trägt es zur Festigkeitssteigerung des Mörtels bei. Infolge der puzzolanischen Reaktion wird der Kapillarporenanteil im Beton gesenkt und die Dauerhaftigkeit des Mörtels wird gesteigert. Weiterhin ist beim Einsatz von Mikrosilica eine Verbesserung der Kontaktzone zwischen dem Gesteinskorn und dem Zementstein zu beobachten. Die Verdichtung der Übergangszone wird durch die bloße Anwesenheit des Mikrosilicas erreicht. Durch die Reaktion zwischen dem Silicastaub und dem Calciumhydroxid (Ca(OH)), das durch die Zementhydratation freigesetzt wird, entstehen homogene Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH-Phasen). Derartige Produkte dienen primär der Festigkeitsentwicklung im Zementstein [I.7].


Abbildung 19: Füllereffekt von Mikrosilica [I.7]

Silicastaub findet überwiegend Anwendung im Bereich der Hochleistungsbetone, wie beispielsweise sehr dichte oder hochfeste Betone. Eine Wassereinsparung ist aufgrund der relativ feinkörnigen Kornverteilung nicht möglich. Daher wird in der Regel die Zugabe von Silicastaub mit einer Zugabe von Fließmittel verbunden sein. Mikrosilica ist pulverförmig oder in Suspensionen verfügbar [I.7].


4.3 Herstellung der Halbstarren Deckschicht

4.3.1 Mischgutherstellung für das Asphalttraggerüst Das Mischgut für das Asphalttraggerüst wird mischtechnisch wie jedes andere Asphaltmischgut hergestellt. Die Mischgutherstellung wurde in ihren Grundzügen bereits in dem Kapitel 2.3.1 Asphaltmischgutherstellung auf Seite 38 beschrieben. Bei der Mischgutproduktion des Asphalttraggerüstes im Asphaltmischwerk sind zusätzlich zu den ZTV Asphalt-StB folgende Hinweise zu beachten:

• Um im Asphalttraggerüst die für die Mörtelfüllung gleichmäßig verteilten und zugänglichen Hohlräume zu erzielen, ist neben der Kornform die Einhaltung der Anforderungen an Über- und Unterkornanteil des Splittes besonders wichtig. Die Gesteinskörnungen sind daher in der Mischanlage ausschließlich über die Heißabsiebung zu führen.

• Auf Grund der fehlenden Sandkomponente wird der Splitt in der Trockentrommel durch die direkte Einwirkung der Brennerflamme stärker erhitzt. Um eine mögliche schädliche Veränderung des Bindemittels zu verhindern, soll die Temperatur des Mischgutes beim Verlassen des Mischers höchstens 150°C betrag en.

4.3.2 Einbau des Asphalttraggerüstes Halbstarre Deckschichten sind grundsätzlich auf einer tragfähigen Unterlage herzustellen. Als Unterlage sind mit Zement stabilisierte Tragschichten oder hydraulisch gebundene Kiestragschichten geeignet. Auf einer bestehenden Befestigung aus Beton oder Asphalt kann das Asphalttraggerüst für die Halbstarre Deckschicht ebenfalls hergestellt werden. Die Unterlage muss vor dem Einbau des Asphalttraggerüstes sauber und ebenflächig sein. Verschmutzungen müssen gegebenenfalls entfernt werden. Unebenheiten oder Risse in der Unterlage müssen ausgeglichen bzw. verschlossen werden [A.8]. Beim Neubau einer Verkehrsflächenbefestigung wird die Halbstarre Deckschicht auf einer Unterlage aus Asphalt aufgebracht. Abhängig von der Art der Belastung kommen hierfür laut dem Merkblatt für die Herstellung von Halbstaren Deckschichten [A.8] zwei Bauweisen in Betracht (siehe Abbildung 20). Die Dimensionierung ist an die RStO angelehnt.


Abbildung 20: Ausführungsbeispiele einer Flächenbefestigung mit einer Halbstarren Deckschicht [A.8] Sind ausschließlich hohe statische Lasten zu erwarten, kann eine Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel (HGT) unter der Asphalttragschicht zum Einsatz kommen. Vor dem Einbau muss die Unterlage mit einer Bitumenemulsion versiegelt werden. Die Versiegelung soll den sehr dünnflüssigen Mörtel am Eindringen in den Unterbau hindern. Der Einbau des Asphalttraggerüstes erfolgt in der Regel mit Straßenfertigern. Sind Niederschläge zu erwarten, ist die Fläche so klein zu bemessen, dass sie vor dem Niederschlag mit dem Mörtel verfüllt werden kann. Ist dies nicht möglich, ist das Asphalttraggerüst vor Wasserzutritt zu schützen. Die Ebenheit des Asphalttraggerüstes entscheidet auch über die Ebenheit der fertigen Deckschicht. Spätere Korrekturen sind nicht mehr möglich. Deshalb ist Handeinbau möglichst zu vermeiden. Die Verdichtung sollte nur mit leichten Glattmantelwalzen ≤ 6,0 t ohne Vibration erfolgen, um die Zugänglichkeit der Hohlräume zu gewährleisten. Im eingebauten Asphalttraggerüst sollte der Hohlraumgehalt zwischen 25 und 30 % liegen. Nach dem Abkühlen werden die Hohlräume des Asphalttraggerüstes in einem zweiten Arbeitsgang mit dem auf der Baustelle hergestellten Mörtel verfüllt.

4.3.3 Einbringen des Mörtels Vor dem Einbringen des Mörtels in die Hohlräume des Asphalttraggerüstes müssen Abflüsse, Kanaldeckel und offene Kanten des Traggerüstes abgedichtet werden, damit der sehr dünnflüssige Mörtel auf der zu bearbeitenden Fläche verbleibt. In Abbildung 21 kann man gut erkennen, dass die Mörtelsuspension an den nicht abgedichteten


Rändern des Asphalttraggerüstes ausfließt. Im unteren Teil des Bildes erkennt man die Unterlage, auf die das Traggerüst gebaut wurde. Für die Abdichtung von offenen Kanten hat sich Sand als sehr geeignet erwiesen (siehe Abbildung 22). Einlaufschächte können zur Abdichtung mit einem Mauerwerksmörtel mit niedriger Festigkeit verschlossen werden. Dabei wird der Auslauf des Schachtes mit einem Gegenstand, der leicht wieder entfernt werden kann, verschlossen. Als nächstes wird der Schacht mit Sand aufgefüllt, da der Auslauf des Schachtes verschlossen wurde, kann auch kein Sand in die Entwässerungsleitung gelangen. Abschließend wird eine dünne Mörtelschicht aufgebracht, die plangleich mit dem Asphalttraggerüst abschließt (siehe Abbildung 23). Nach ausreichender Erhärtung des Verfüllmörtels, kann der Einlaufschacht wieder freigelegt und der Sand entnommen werden (siehe Abbildung 24). Das Vermörteln der Einlaufschächte stellt eine sichere Lösung dar, um das Eindringen des sehr dünnflüssigen Verfüllmörtels in das Entwässerungssystem zu verhindern. Abdichtungsversuche mit Folien blieben erfolglos, teuere Reinigungsarbeiten des Entwässerungsnetzes waren die Folge. Anschlußbauwerke (z.B. Säulen, Wände, angrenzende Flächen) sind mit einem Spritzschutz (Folien, Abkleben) vor Verschmutzung durch den Mörtel zu schützen.

Abbildung 21: Die Mörtelsuspension fließt an den Rändern des Traggerüstes aus [17]


Abbildung 22: Abdichtung der offenen Ränder des Asphalttraggerüstes mit Sand

Abbildung 23: Mit Mauerwerksmörtel verschlossener Einlaufschacht

Abbildung 24: Einlaufschacht nach Herstellung der Halbstarren Deckschicht

Durch Mörtel verschlossener Einlaufschacht

Asphalttraggerüst

Freigelegter Einlaufschacht

Halbstarre Deckschicht


Während dem Einbringen des Mörtels soll die Temperatur des Asphalttraggerüstes zwischen 5 und 30°C liegen. Wird bei höheren Temperatu ren verfüllt, kann es zum vorzeitigen Erstarren des Mörtels und damit zu einer geringen Ausfüllung der Hohlräume kommen. Eine unvollständige Hohlraumverfüllung ergibt eine Halbstarre Deckschicht die keine ausreichende Standfestigkeit zur Folge hat. Aus diesem Grund sollte an heißen Sommertagen das Verfüllen der Hohlräume in die kühleren Tageszeiten bzw. in die Nacht verlegt werden [A.8]. Der Verfüllmörtel für Halbstarre Deckschichten wird meistens in Silos geliefert und auf der Baustelle mit Wasser gemischt. In der Tabelle 11 sind die Anforderungen an den Mörtel für Halbstarre Beläge laut der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung der Confalt-KH- Dichtschicht aufgeführt.

Materialeigenschaften / -anforderungen Prüfverfahre n/ Angaben

Trockenmörtel

Größtkorn (d95) < 0,5 mm DIN 4226-111

Rohdichte 1,95 – 2,10 g/cm³ DIN 18555-212

Lagerungsdauer 6 Monate Herstelldatum

Frischmörtel

Mischverhältnis Wasser / Trockenmörtel

0,21 – 0,23

Luftporengehalt ≤ 2 Vol.-% DIN 18555-212

Fließvermögen - Ausflusszeit sofort - Ausflusszeit nach 15 min

≤ 16 s

≤ 20 s

mit ICO-Trichter in Anlehnung an das Trichterverfahren nach DIN EN 44513

Festmörtel

Biegezugfestigkeit - nach 24 h - nach 7 Tagen - nach 28 Tagen

≥ 5 N/mm²

≥ 7,5 N/mm²

≥ 10 N/mm²

DIN EN 196 - 114

Druckfestigkeit - nach 24 h

- nach 7 tagen - nach 28 tagen

≥ 40 N/mm²

≥ 50 N/mm²

≥ 80 N/mm²

DIN EN 196 - 114

Tabelle 11: Materialeigenschaften /-anforderungen des Verfüllmörtels [A.9] Zur Aufbereitung des Mörtels sollten ausschließlich Zwangsmischer verwendet werden. Geeignet sind horizontal oder vertikal montierte Durchlauf- oder Chargenmischer. Der Trockenmörtel wird nach Herstellerangabe mit der

11 DIN 4226-1: Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel – Teil 1; Normale und schwere Gesteinskörnungen 12 DIN 18555-2: Prüfung von Mörteln mit mineralischen Bindemitteln; Frischmörtel mit dichten Zuschlägen; Bestimmung der Konsistenz, der Rohdichte und des Luftgehalts. 13 DIN EN 445: Einpressmörtel für Spannglieder - Prüfverfahren 14 DIN EN 196-1: Prüfverfahren für Zement - Teil 1; Bestimmen der Festigkeit


vorgegebenen Wassermenge versetzt und über einen Schlauch an der Einbaustelle ausgetragen (Abbildung 25). Die Abbildung 25 zeigt auch das Verteilen des Mörtels, der zur Sicherstellung einer vollständigen Verfüllung der Hohlräume des Asphalttraggerüstes an der Oberfläche dick vorliegen und bewegt werden muss. Die Mörtelsuspension wird mit Gummischiebern so lange bewegt, bis kein Nachsickern mehr zu beobachten ist. Anschließend wird die Fläche scharf über den Splittköpfen abgezogen, so dass auf der Oberfläche keine Mörtelansätze und –überschüsse zurückbleiben (Abbildung 26) [16].

Abbildung 25: Aufbringen des Mörtels mit einem Schlauch und bewegen mit Gummischiebern

Abbildung 26: Abziehen des überschüssigen Mörtels


4.4 Technologische Eigenschaften

4.4.1 Verformungsstabilität Nach den Anforderungen der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung muss der Mörtel nach nur einem Tag bereits eine Druckfestigkeit von 40 N/mm² und nach 28 Tagen eine Endfestigkeit von über 80 N/mm² haben. Diese Mörteleigenschaften sind durch Eigenüberwachung vor Ort zu überprüfen, um die Qualität dieser sensiblen Bauweise zu gewährleisten. Die hohe Frühfestigkeit bedeutet, dass die Halbstarren Deckschichten bereits am folgenden Tag begangen und nach 2 Tagen mit dem Lkw befahren werden können. Nach 3 Tagen können Halbstarre Deckschichten voll belastet und für den Verkehr freigegeben werden. Die Druckfestigkeit der Halbstarren Deckschichten liegt bei 7 bis 10 N/mm, also zehn Mal so hoch wie die von Walz- und Gussasphalt [12]. Mit dem Halbstarren Belag wurden auch Spurbildungsversuche durchgeführt. Mit dem Stahlrad wurden bei einer Radlast von 700 N und einer Prüftemperatur von 50°C im Wasserbad 20 000 Überrollungen durchgeführt. Die Spurrinnentiefe des Halbstarren Belages betrug weniger als 1 mm und war ausschließlich auf den Abrieb der oberflächlichen Mörtelschlämme zurückzuführen [16]. Betonbauweisen sind ebenfalls sehr verformungsstabil, haben aber gegenüber der Halbstarren Bauweise Nachteile. Für einen dauerhaften Einsatz von Betonplatten ist eine regelmäßige Fugenpflege notwendig. Insbesondere im industriellen Bereich wurden aber öfters auch Unebenheiten durch ungleichmäßige Setzungen beobachtet. Bei der halbstarren Bauweise nimmt der etwa 0,3 mm dicke bituminöse Bindemittelfilm um die Mineralstoffkörner die Dehnungen aus Gefügespannungen, bedingt durch Temperatur und Lasteinwirkung, auf. Deshalb kann diese Bauweise innerhalb der Fläche fugenlos hergestellt werden [18].

4.4.2 Rauheit Fahrbahnoberflächen müssen aus Verkehrssicherheitsgründen eine angemessen Rauheit aufweisen. Halbstarre Deckschichten haben ohne eine zusätzliche Oberflächenbehandlung durch die feine Struktur des Mörtels und die Ausbildung eines Mörtelfilms auf der Oberfläche keine ausreichende Anfangsrauheit. Im Laufe der Zeit wird die Halbstarre Deckschicht unter Verkehr durch Abfahren der obersten Mörtelschicht rauer. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Anfangsgriffigkeit von Verkehrsflächen zu erhöhen. Ein bewährtes Verfahren ist die Oberfläche durch kugelstrahlen griffiger zu machen [16].


4.4.3 Farbe Halbstarre Deckschichten haben durch den Mörtel eine helle zementfarbige Oberfläche. Durch den Zusatz von mineralischen Farben ist das Einfärben der Mörtelkomponente möglich. Die Auswahl der Mineralstoffe des Asphalttraggerüstes in Kombination mit einem farbigen Mörtel eröffnen neue innovative Gestaltungsmöglichkeiten für spezielle gestalterische Anwendungen. Durch den eingefärbten Mörtel erhält man eine dauerhaft farbige Oberfläche. Da die Farbe nicht auf die fertige Oberfläche aufgebracht wird, kann sie auch nicht so schnell verwittern oder durch den Verkehr abgefahren werden [16].

4.4.4 Sonstige Eigenschaften Durch die Mikrostruktur des Hochleistungsfließmörtel im Zusammenhang mit der vollständigen Verfüllung der Hohlräume des Traggerüstes sind Halbstarre Deckschichten ein flüssigkeitsdichter und chemikalienbeständiger Belag . Die verfestigte Halbstarre Deckschicht hat keine Verdichtungsporen und Makrokapillaren (Abbildung 27) und ist somit frostbeständig und widerstandsfähig gegenüber Tausalzen [16].

Abbildung 27: Mikroskopische Struktur einer Halbstarren Deckschicht

Halbstarre Deckschichten können Aufgrund des gleichen Aufbaus sehr gut mit Asphaltbauweisen kombiniert werden und weisen eine niedrigere Bauhöhe auf als

Bitumen

Verfüllmörtel

Mineralkorn


Fahrbahnbefestigungen aus Beton. Neben der hohen statischen und dynamischen Tragfähigkeit, der fugenlose Bauweise, der kurzen Bauzeit (gegenüber einer Betonbauweise) und der niedrigen Bauhöhe sind als weiterer Vorteil die Temperaturstabilität von -50°C bis +90°C zu nennen. A uf den folgenden Seiten sind einige Beispiele zur Oberflächengestaltung abgebildet.

Abbildung 28: Unbehandelte Oberfläche

Abbildung 29: Geschliffene Oberfläche (Terazzoeffekt) [I.9]

Abbildung 30: Geschliffene und versiegelte Oberfläche [I.9]


Abbildung 31: Unbehandelte, farbige Oberfläche [I.9]

Abbildung 32: Kugelgestrahlte, farbige Oberfläche [I.9]

Abbildung 33: Durch den Verkehr abgefahrene, oberste Mörtelschicht eines farbigen Halbstarren Belages [I.9]


4.5 Erfahrungen aus der Praxis Bei dem Bau von Halbstarren Deckschichten handelt es sich um eine sehr sensible Bauweise, bei der bereits kleine Fehler zu großen Schäden führen können. Das im Jahr 2004 eingeführte Merkblatt steigert sicherlich die Akzeptanz dieser Bauweise bei Ausschreibenden und Behörden. Es birgt allerdings auch die Gefahr, dass das Merkblatt als reine Arbeitsanleitung - insbesondere von Baufirmen ohne Erfahrung - verstanden wird. Eine Schulung der Einbaukolonne und der Fachbauleitung sind daher unerlässlich, um ein qualitativ einwandfreies Produkt zu erhalten. Für den Auftraggeber empfiehlt es sich daher, die Halbstarre Bauweise nur von Fachfirmen, nach Vorlage entsprechender Referenzen, ausführen zu lassen [12]. Im Folgenden werden einige Beobachtungen geschildert, die während der Bauausführung von Halbstarren Deckschichten und an älteren Flächen dieser Bauweise von dem Verfasser dieser Arbeit gemacht wurden. a) Lose Mineralstoffkörner des Asphalttraggerüstes werden durch das Einschlämmen

des Mörtels nach oben gedrückt. Der Verfüllmörtel füllt die Hohlräume des Asphalttraggerüstes aus und lässt dabei die einzelnen nicht im Verbund haftenden Gesteinskörner aufschwemmen. Dieser schlechte Verbund der einzelnen Mineralstoffkörner untereinander kann bei der Herstellung des Asphalttraggerüstes (zu kaltem Asphalt, zu kalter Außentemperatur, schlechter Verbund zwischen Nahtstellen) auftreten.

� Diese ungebundenen Gesteinskörner sind meistens recht zahlreich. Wenn der

Mörtel abbindet, werden diese Gesteinskörner fest an die Oberfläche der Halbstarren Deckschicht gebunden und ergeben ein optisch unschönes Bild. Zudem bilden diese immerhin bis zu 11 bzw. 16 mm großen Körner eine stellenweise raue Belagsoberfläche.


Abbildung 34: Detailansicht eines auf der Belagsoberfläche haftenden Mineralstoffkornes

Da die Mörtelsuspension mit einem Schiebegerät großflächig abgezogen wird (Abbildung 26) ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung der Gesteinskörner über die gesamte Fläche der Halbstarre Deckschicht. Diese Körner müssen in einem zusätzlichen Arbeitsgang Zeit und Arbeitsintensiv mit einem Metallschieber mechanisch entfernt werden.

Mögliche Lösung zu a):

• sorgfältige Herstellung des Asphalttraggerüstes

• nach Erhärtung und Abkühlung des Asphaltes: Diesen mit einer saugenden und aufnehmenden Kehrmaschine reinigen, um etwaige ungebundenen Gesteinskörner entfernen zu können. So ist es möglich, oben genannte Nachteile und damit zusätzliche Nacharbeiten zu vermeiden. Befahren des hohlraumreichen Traggerüstes nur mit einer Kehrmaschine die weniger als 6 t Gesamtgewicht hat (Hohraumverschluß durch Nachverdichtung).

b) Das Asphalttraggerüst ist vor Niederschlägen zu schützen und es sollte beim

Verfüllen mit Mörtel eine Temperatur > 5°C aufweisen .

Mögliche Lösung zu b):

• Um das Asphalttraggerüst vor eindringendem Niederschlagswasser zu schützen haben sich Zelte bewährt (siehe Abbildung 34) die auch gleichzeitig beheizt werden können.


4.6 Marktsituation

Seit 1994 wurden in Deutschland ca. 1 Mio. m² Halbstarre Beläge der neuen Generation in Industrie- und Verkehrsflächen eingebaut. Seit 2004 gibt es von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen das „Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten“ (M HD), das Hinweise und Empfehlungen für Planung und Ausführung von halbstarren Befestigungen auf Verkehrs- und Lagerflächen enthält. Das Merkblatt hat die Verbreitung der halbstarren Bauweise, wie in Abbildung 35 zu erkennen ist, gefördert. Gegenwärtig besitzen drei halbstarre Systeme die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Institutes für Bautechnik als Flächenabdichtungssystem nach den Vorgaben des Wasserhaushaltsgesetzes (§ 19g Abs. 1 WHG) [I.8].

• CONFALT-KH-Dichtschicht (SKS BAU GmbH & Co. KG) • STRABAPHALT-ChemR-Flächenabdichtungssystem (STRABAG AG)

• RAM Densit Flächenabdichtungssystem (DEUTAG GmbH & Co. KG)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Flä

che

in 1

.000

m²

Deutschland

Abbildung 35: Gebaute halbstarre Flächen in Deutschland [17]

5 Untersuchungen an Halbstarren Deckschichten 73

5 Untersuchungen an Halbstarren Deckschichten Es wurden folgenden Versuche durchgeführt:

Verfüllmörtel:

• Siebanalyse • Konsistenz

• Frischmörtelrohdichte

• Festmörtelrohdichte

• Biegezugfestigkeit • Druckfestigkeit

• Gesamtporosität

• Wasseraufnahme Halbstarrer Belag:

• Optische Untersuchung • Rohdichte

• Biegezugfestigkeit

• Druckfestigkeit • Mikroskopie der Probekörper

• Mikroskopie eines Bohrkernes aus einer 8 Jahre alten Fläche


5.1 Regelwerke Die Einzelkomponenten der Halbstarren Deckschicht, das hohlraumreiche Asphalttraggerüst und der Verfüllmörtel werden getrennt sowie im Verbund (Halbstarre Deckschicht) geprüft. Die Herstellung und Prüfung der Einzelkomponenten erfolgt nach den bekannten Richtlinien und Normen, die für das jeweilige Ausgangsprodukt gelten. Beim Asphalttraggerüst sind dies grundsätzlich die ZTV Asphalt – StB, sofern im „Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten“ nichts anderes festgelegt ist. Die Gesteinskörnungen werden nach TL Gestein-StB15 geprüft und das Bitumen muss den Anforderungen nach DIN EN 12591 [A.2] entsprechen. Der kunststoffmodifizierte Hochleistungsfließmörtel wird nach Zementnormen, wie z.B. der DIN EN 196-1 [A.11], geprüft. Die für diese Arbeit durchgeführten Prüfungen am Halbstarren Belag orientierten sich an dem Prüfprogramm für Halbstarre Beläge des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt). Gegenstand dieses Prüfprogramms sind die zur Erlangung einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung erforderlichen Anforderungen und Prüfungen für Halbstarre Beläge. Das Halbstarre System wurde nach Betonnormen geprüft, wie z.B. nach der DIN EN 12390-5 [A.10], da es (noch) keine speziellen Prüfungen für Halbstarre Deckschichten gibt. Die Anforderungen und Prüfungen beziehen sich auf die in der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung festgehaltenen Vorgaben. Dem Verfasser dieser Arbeit stand die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung der „CONFALT-Dichtschicht als Bestandteil des CONFALT-KH-Flächenabdichtungssystems“ [A.9] zur Verfügung.

15 TL Gestein-StB: Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau


5.2 Herstellung der Probekörper Der werkseitig vorgemischte Trockenmörtel wurde am 28.04.2007 in einem Silo auf eine Baustelle in Pfronten geliefert. Dort wurden Probeentnahmeeimer mit dem Trockenmörtel befüllt, verschlossen und nach Konstanz in die öffentliche Baustoffprüfstelle geliefert. In der öffentlichen Baustoffprüfstelle der HTWG Konstanz wurden alle weiteren Prüfungen durchgeführt. Der Trockenmörtel stammt von der Firma Contec ApS aus Dänemark und ist unter dem Handelsnamen CONFALT-Mörtel erhältlich.

5.2.1 Mörtelprismen Die mengenmäßige Verteilung der einzelnen Körnungen im Trockenmörtel wurde durch eine Siebanalyse ermittelt. Dazu wurden vier verschiedene Siebe mit den Maschenweiten: 0,063 mm, 0,125 mm, 0,25 mm und 0,5 mm verwendet. Aus den ermittelten Werten konnte eine Sieblinie erstellt werden (siehe Abbildung 36). Die Sieblinie ist stetig und weist keine Ausfallkörnung auf.

Auffallend ist der große Anteil der Körnungen ≤ 0,063 mm mit ca. 43%. Die bauaufsichtliche Zulassung gibt ein Größtkorn (d95) von <0,5 mm vor. Bei der Siebung des Confalt-Mörtels wurde ein Überkornanteil von 1,75 M.-% festgestellt. Im Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten ist ein Größtkorn (d95) von <0,25 mm als Anforderung festgelegt. Generell bedeutet ein größer gewähltes Größtkorn, dass:

• bei gleich bleibender Wasserzugabe die Verarbeitbarkeit des Frischmörtels verbessert wird.

• bei gleich bleibender Verarbeitbarkeit die Wasserzugabe vermindert und die Festigkeit des Mörtels erhöht wird.

• oder bei gleich bleibender Verarbeitbarkeit und Mörtelfestigkeit die Bindemittelzugabe verringert werden kann


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,063 0,125 0,25 0,5

Maschenweite in mm

Sie

bdur

chga

ng in

Mas

se -

%

Abbildung 36: Sieblinie des Confalt Mörtels

Um den Einfluss eines variierenden Wasser/Trockenmörtel – Verhältnisses (W/TM) auf die technologischen Eigenschaften des Festmörtels feststellen zu können, wurden Mörtelprismen mit vier unterschiedlichen W/TM – Verhältnissen hergestellt. Die einzelnen W/TM – Werte waren: 0,22 (Soll), 0,25, 0,27 und 0,28. Von jedem der unterschiedlichen Mischungsverhältnisse wurden jeweils drei Prismen mit den Normgrößen 40 mm x 40 mm x 160 mm hergestellt. Der Mörtel wurde 2 Minuten auf Stufe eins und weitere 2 Minuten auf Stufe zwei mit der abgemessenen Wassermenge in einem Labormischer gemischt. Die Prismen wurden nach 24 Stunden Lagerung im Feuchtraumschrank ausgeschalt und bis zu den Festigkeitsprüfungen in Wasser gelagert. Während der Prismenherstellung wurde die Frischmörtelrohdichte sowie das Fließvermögen (Konsistenz) des Frischmörtels ermittelt. Alle durch Versuche ermittelten Werte und daraus abgeleitete Größen sind übersichtlich in Tabelle 14 unter Kapitel 5.3.2 Ergebnisauswertung auf Seite 90, in Abhängigkeit des W/TM – Verhältnisses zusammengestellt.

5.2.2 Asphalttraggerüst Die Asphalttraggerüstplatten konnten im zentralen Baustofflabor der Firma F.Kirchhoff in Stuttgart hergestellt werden. Die Platten wurden nach einer bewährten Mischungsanweisung für Halbstarre Deckschichten der Firma F.Kirchhoff hergestellt und hatten Abmessungen von 260 x 320 x 50 mm. Die Verdichtung der Platten erfolgte mit einem Lamellenverdichter (Abbildung 37). Der Lamellenverdichter erzeugt bei einer gewissen Mischgutmenge, die in die Form eingefüllt wird, einen bestimmten Verdichtungsgrad. Bei der im Versuch verwendeten Menge Asphalt laut der Mischungsanweisung ergab sich ein Hohlraumgehalt der Asphaltplatten von ca. 30 %.


Dies entspricht dem in der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung gefordertem Wert.

Abbildung 37: Lamellenverdichter

Nachdem die Asphaltplatten ausgekühlt waren, wurden sie in Holzschalungen als Umfassungen gegeben. Diese Holzschalungen sollen beim späteren Verfüllen der Platten ein Ablaufen des Verfüllmörtels verhindern (Abbildung 38).

Abbildung 38: eingeschaltes Asphalttraggerüst

5.2.3 Halbstarre System Bei der Herstellung der Halbstarren Prüfkörper wurde immer sofort nach dem Anmischen des Mörtels dessen Fließvermögen geprüft. Nur ein ausreichend fließfähiger Mörtel kann die Hohlräume der Asphaltschicht hohlraumfrei ausfüllen. Dabei wurde festgestellt, dass bei dem in der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung [A.9] angegebenen Mischverhältnis Wasser / Trockenmörtel (W/TM) von 0,21-0,23, der gelieferte Mörtel kein ausreichendes Fließvermögen aufwies. Das Fließvermögen wurde mit dem ICO-Trichterverfahren ermittelt. Bei einem W/TM – Verhältnis von 0,22 konnte eine Ausflusszeit aus dem ICO-Trichter von 20 Sekunden ermittelt werden. Damit lag die Zeit vier Sekunden über der geforderten Zeitvorgabe (siehe Tabelle 12). Neben dem ICO-Trichterverfahren gibt es noch zwei weitere


Methoden das Fließvermögen des Frischmörtels zu überprüfen: das Marsh-Trichterverfahren und Venturio-Trichterverfahren. Bei allen drei Verfahren wird die Ausflusszeit in Sekunden gemessen, die ein Liter Mörtelsuspension unmittelbar nach Herstellung benötigt, um den Trichter zu durchlaufen. Das Prüfverfahren lehnt sich an das Trichterverfahren der DIN EN 445 [A.12] an. Da alle drei Trichter unterschiedliche Abmessungen haben, gelten für jeden Trichter auch andere Ausflusszeiten. Daher ist es unerlässlich, immer das Verfahren anzugeben, mit dem das Fließvermögen des Mörtels bestimmt wurde. So wird sichergestellt, dass nicht Werte die mit unterschiedlichen Verfahren erhoben wurden, miteinander verglichen werden.

Trichter Ausflusszeiten

sofort [s] Prüfverfahren Düsen - ø Vor-/Nachteile

ICO-Trichter

116≤ 211≥

10 mm

+ kurze Prüfungsdauer + gute Feinabstimmung + Trichter leicht zu Reinigen

Marsh-Trichter

350≤ 225≥

10 mm

-lange Prüfungsdauer + gute Feinabstimmung - schlecht zu Reinigen

Venturio-Trichter 2

1

11

18

≥

≤

Ermittlung der Ausflusszeit, die ein Liter Mörtelsuspension benötigt, um den Trichter zu durchfließen. In Anlehnung an das Trichterverfahren der DIN EN 445

13 mm

+ kurze Prüfungsdauer -schlechte Feinabstimmung + leicht zu Reinigen

1 Werte laut bauaufsichtlicher Zulassung, bzw. 2 In der Praxis als bewährte Größen angewendet 3 Laut Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten (M HD) [A.8]

Tabelle 12: Gegenüberstellung der verschiedenen Verfahren zur Konsistenzbestimmung des Frischmörtels

Für die hier beschriebene Versuchsreihe wurde das ICO-Trichterverfahren verwendet, da es in der bauaufsichtlichen Zulassung für die Confalt-KH-Dichtschicht als Prüfverfahren zur Konsistenzbestimmung des Frischmörtels angegeben ist. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 39 zu sehen.


Abbildung 39: Versuchsaufbau zur Bestimmung des Fließvermögens des Frischmörtels

Konsistenzbestimmung des Frischmörtels: Die untere, schmale Öffnung (Düse) des ICO - Trichters wird mit dem Finger verschlossen. Der Trichter wird mit etwas mehr als einem Liter Mörtelsuspension gefüllt. Nachdem der Trichter gefüllt ist, nimmt man in die freie Hand die Stoppuhr. Die Zeitmessung wird zeitgleich mit dem Öffnen der Düse gestartet. Gestoppt wird, sobald der unter dem Trichter stehende Messbecher bis zur 1-Liter-Markierung gefüllt ist. Die gestoppte Zeit ist exakt die Ausflusszeit, die ein Maß für die Konsistenz des Frischmörtels ist. Je größer die Ausflusszeit, desto größer ist die Viskosität, umso dickflüssiger ist also die Mörtelsuspension. Der Trichter steht in einem Stativ, um gewährleisten zu können, dass bei allen Messungen die exakt gleichen Bedingungen gegeben sind. Die Mörtelsuspension mit einem W/TM – Verhältnis von 0,22 war am zähflüssigsten (Ausflusszeit von 20 Sekunden). Bei der Mörtelsuspension mit dem höchsten W/TM – Wert von 0,30 konnte die niedrigste Ausflusszeit ermittelt werden (Ausflusszeit von 9 Sekunden). Verfüllen der Hohlräume des Asphalttraggerüstes: Der angemischte und geprüfte (Fließvermögen) Frischmörtel wurde auf die Asphaltplatte gegeben. Mit einem handelsüblichen Gummischieber wurde der Mörtel solange auf der Oberfläche verteilt, bis kein Nachsickern mehr zu beobachten war (Abbildung 40). Nachdem die Hohlräume mit Mörtel eingeschlämmt waren, wurde die frisch verfüllte Platte auf einen Schocktisch gespannt. Durch die rüttelnden Bewegungen des Schocktisches soll sichergestellt werden, dass die Hohlräume mit dem Verfüllmörtel restlos gefüllt sind. Werden Nachsickerungen des Mörtels an der

ICO-Trichter

Stativ

Messbecher mit Skalierung

Stoppuhr


Oberfläche beobachtet, müssen diese umgehend mit neuem Frischmörtel verfüllt werden. Auf der Baustelle wird diese Verdichtungsenergie mit einer Rüttelplatte, die auf der Oberfläche des Asphalttraggerüstes fährt, erzeugt. Um die Effektivität der Verdichtung überprüfen zu können, wurde die auf der Baustelle angewendete Vorgehensweise für diese Versuchsreihe übernommen. Mit dem Unterschied, dass die Rüttelplatte durch den Schocktisch ersetzt wurde. Bis einschließlich zu einem W/TM - Verhältnis von 0,25 zeigte die Verdichtungsarbeit von 1 Minute bei Stufe 5 auf dem Schocktisch Wirkung. Es konnten ein Nachsickern des Verfüllmörtels beobachtet werden. Ab einem W/TM –Wert von 0,27 war jedoch kein Nachsickern mehr zu beobachten. Zur Nachbehandlung wurden die verfüllten Prüfplatten zweifach in Folie eingewickelt und alle freien Ränder mit Klebeband verschlossen. Die verpackten Platten wurden 6 Tage bei 20°C und Raumfeuchte gelagert. Auf diese W eise wurden sechs verschiedene Probeplatten hergestellt. Jede Platte wurde mit einem unterschiedlich angemischten Mörtel verfüllt. Es wurde Mörtel mit sechs verschiedenen Wasser/Trockenmörtel – Verhältnissen von 0,22, 0,24, 0,25, 0,27, 0,28 und 0,30 zum verfüllen der sechs Platten verwendet. Das Asphalttraggerüst wurde nie verändert und war bei allen sechs Platten identisch. Die Temperatur des Asphalttraggerüstes betrug zum Zeitpunkt des Verfüllens ca. 20°C. Alle Platten hab en die Abmessung von 260 x 320 x 50 mm.

Abbildung 40: Verfüllen des Asphalttraggerüsts mit Mörtel

Um die Prüfungen am Halbstarren System durchführen zu können, wurden die Platten im Alter von 7 Tagen in 40 x 50 x 160 mm große Prismen zersägt. Aus jeder Platte wurden 12 Prismen gewonnen. Die Platten wurden mit einer wassergekühlten Diamantsäge zersägt (siehe Abbildung 41).

Asphalttraggerüst

Verfüllmörtel

Holzschalung

Gummischieber


Abbildung 41: Zersägen der Probenplatten

Laut der bauaufsichtlichen Zulassung sollen die Prismen eine Größe von 40 x 40 x

140≥ mm haben. Da die gesägten Prismen 50 mm hoch waren, mussten alle Prismen um 10 mm abgefräst werden (siehe Abbildung 42). So wurde gleichzeitig eine plangeschliffene Prismenunterseite hergestellt. Die Oberseite wurde nicht bearbeitet, sie muss laut der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung erhalten bleiben. Da die Oberseite aber eine ungleichmäßige Struktur aufwies, wurde sie durch eine dünne Ausgleichsschicht abgeglichen (Abbildung 44). So wurde gewährleistet, dass bei den Biegezug- und Druckfestigkeitsprüfungen eine gleichmäßige Lasteintragung gegeben war.

Abbildung 42: Prisma wird durch fräsen auf die geforderte Höhe von 40 mm gebracht

wassergekühltes Diamantsägeblatt

Halbstarrer Belag

fahrbarer Sägetisch

Wasserkühlung

Diamantbesetzter Fräskopf

Eingespanntes Prisma


Abbildung 43: Herstelloberseite eines Prismas

Abbildung 44: Abgeglichenes Prisma der Größe 40 x 40 x 160


5.3 Prüfung der Probekörper Mörtelprismen Die Biegezug- und Druckfestigkeiten des Mörtels wurden nach 24 Stunden und nach 28 Tagen ermittelt. Die Mörtelfestigkeiten wurden nach DIN EN 196-1 [A.11] erhoben. Vor der Biegezugfestigkeitsprüfung konnte die Festmörtelrohdichte bestimmt werden. An Reststücken des Mörtels wurde die Wasseraufnahme des bei 105°C getrockneten Festmörtels ermittelt. Aus der Reindichte und der Rohdichte konnte die Gesamtporosität berechnet werden, welche eine Aussage über die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Mörtels liefert.

Abbildung 45: Ermittlung der Mörtel-Biegezugfestigkeit

Abbildung 46: Druckfestigkeitsprüfung an Prismenhälften


Halbstarrer Belag Die abgeglichenen Prismen der Größe 40 x 40 x 160 mm wurden nach 28 Tagen geprüft. Die Bestimmung der Biegezugfestigkeit der Prismen erfolgte nach DIN EN 12390-5 [A.10] unter Verwendung der mittigen Lasteintragung (Dreipunktbiegeversuch). Die Druckfestigkeit wurde nach DIN EN 196-1 [A.11] geprüft.

Abbildung 47: Dreipunktbiegeversuch nach DIN EN 12390-5

Abbildung 48: Druckfestigkeitsprüfung des Halbstarren Systems


5.3.1 Prüfergebnisse des Mörtels Die Statistische Auswertung aller einzelnen Prüfwerte erfolgten unter Anwendung des Ausreißer – Tests nach Grubbs. Ausreißer-Test nach Grubbs Ausreißer-Tests werden benutzt, um

• routinemäßig die Zuverlässigkeit von Daten zu kontrollieren, • rechtzeitig gewarnt zu werden, die Datengewinnung besser zu kontrollieren und um

• Beobachtungen, die extrem sind und bedeutungsvoll sein können, zu erfassen. Ein Ausreißer stellt sich als extrem hoher oder niedriger Wert innerhalb einer Reihe üblicher mäßig unterschiedlicher Messwerte dar. Er darf unter gewissen Umständen vernachlässigt werden, aber eine saubere statistische Entscheidung ob dieser Wert ein Ausreißer ist, ist nur selten möglich. Dazu wird u. a. der nachfolgende Test nach Grubbs benutzt [I.10]. Die ermittelten Ausreißer sind im Anhang dokumentiert, die Berechnungen wurden ohne die Ausreißer wiederholt. Berechnung :

1. Berechnung der Differenz zwischen Prüfmerkmalergebnis und Mittelwert: d i = x i – 8 i: Index di: Abweichung (zum Index) xi: Prüfmerkmalergebnis (zum Index) 8: Mittelwert

2. Berechnung der Prüfgröße:

PG = dmax / s

PG: Prüfgröße als Absolutwert dmax: größte Differenz zum Mittelwert s: Standardabweichung

3. PG - Vergleich mit dem Wert aus der Tabelle 13 (rm -( P)-Werte nach Grubbs):

Es liegt ein Ausreißer vor, wenn PG ≥ rm(P, n) und kein Ausreißer, wenn PG < rm(P, n).


Zwischenwerte sind linear zu interpolieren Tabelle 13: rm -(P) -Werte zum Ausreißertest nach Grubbs [I.10]


5.3.1.1 Mörtel Biegezugfestigkeiten

5,6

5 4,8

5,66,9

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0,22 Soll 0,25 0,27 0,28

W/TM - Verhältnis

Bie

gezu

gfes

tigke

it [N

/mm

²]

Mörtel - Biegezugfestigkeiten nach 24h

Abbildung 49: Mörtel – Biegezugfestigkeiten nach 24 Stunden in Abhängigkeit vom W/TM – Verhältnis

10

7,8 7,4 7,8

9,3

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0,22 Soll 0,25 0,27 0,28

W/TM - Verhältnis

Bie

gezu

gfes

tigke

it [N

/mm

²]

Mörtel - Biegezugfestigkeiten nach 28 Tagen

Abbildung 50: Mörtel – Biegezugfestigkeiten nach 28 Tagen in Abhängigkeit vom W/TM – Verhältnis

2810

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Alter [d] ( -Maßstab)

Bie

gezu

gfes

tigke

iten

[N/m

m²]

W/TM = 0,22SollW/TM = 0,25W/TM = 0,27W/TM = 0,28

Abbildung 51: Entwicklung der Mörtel – Biegezugfestigkeit mit zunehmendem Alter


5.3.1.2 Mörtel Druckfestigkeiten

40 37,4 27,531,746,6

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0,22 Soll 0,25 0,27 0,28

W/TM - Verhältnis

Dru

ckfe

stig

keit

[N/m

m²]

Mörtel - Druckfestigkeiten nach 24h

Abbildung 52: Mörtel - Druckfestigkeiten nach 24 Stunden in Abhängigkeit vom W/TM – Verhältnis

97,3

81,1 81,0

89,9

80

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0,22 Soll 0,25 0,27 0,28

W/TM - Verhältnis

Dru

ckfe

stig

keit

[N/m

m²]

Mörtel - Druckfestigkeiten nach 28 Tagen

Abbildung 53: Mörtel – Druckfestigkeiten nach 28 Tagen in Abhängigkeit vom W/TM – Verhältnis

2810

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Alter [d] ( -Maßstab)

Dru

ckfe

stig

keite

n [N

/mm

²]

W/TM = 0,22SollW/TM = 0,25W/TM = 0,27W/TM = 0,28

Abbildung 54: Entwicklung der Mörtel - Druckfestigk eit mit zunehmendem Alter


5.3.1.3 Gesamtporosität des Mörtels

Die Gesamtporosität Pw berechnet sich aus der Dichte (Reindichte) des Trockenmörtels und der Festmörtelrohdichte nach folgender Gleichung.

%100Re

Re ×−=indichte

RohdichteindichtePw [Vol.-%]

5.3.1.4 Wasseraufnahme des Mörtels

Die Wasseraufnahme wurde an Festmörtelstücken bestimmt, die bei 105 °C 24 Stunden getrocknet wurden. Nach dem Wiegen der trockenen Proben konnte das Trockengewicht mg, od dokumentiert werden. Die trockenen Proben wurden für 72 Stunden in Wasser gelegt. Die wassergesättigten Proben wurden gewogen und das Gewicht mf72h konnte notiert werden. Die Wasseraufnahme lässt sich wie folgt berechnen:

%100,

,7272 ×

−=

odg

odghfh m

mmW [M.-%]


5.3.2 Ergebnisauswertung der Mörtelprüfungen Die Mörtel – Biegezugfestigkeiten nach 24 Stunden aller Mischungen mit unterschiedlichen W/TM – Werten liegen im Bereich der geforderten 5 N/mm² oder deutlich darüber. Die vorgegebene Biegezugfestigkeit von mindestens 10 N/mm² nach 28 Tagen erreicht jedoch keine der Proben (siehe Abbildung 51 und Tabelle 14). Bei der Druckfestigkeit ergibt sich ein umgekehrtes Bild. Die geforderte Druckfestigkeit von mindestens 40 N/mm² nach 24 Stunden erreicht lediglich die Mörtelmischung mit einem W/TM – Wert von 0,22. Alle anderen Proben erreichen diesen Minimalwert nicht. Die Nacherhärtung des Mörtels zeigt jedoch, dass nach 28 Tagen alle Proben den Mindestwert von 80 N/mm² laut allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung erreichen, oder deutlich überschreiten (siehe Abbildung 54 und Tabelle 14).

W/TM - Verhältnis 0,22 0,25 0,27 0,28 Anforderung

Frischmörtelrohdichte [g/cm³] 2,10 2,05 2,01 1,98 1,95-2,101

Festmörtelrohdichte [g/cm³] 2,11 2,06 2,02 1,99 -

Ausflusszeit [s] 20 13 11 10 ≤ 161

Reindichte [g/cm³] 3,0 3,0 3,0 3,0 -

Gesamtporosität P w [Vol.-%] 29,0 30,7 32,0 32,3 -

Wasseraufnahme W [M.-%] 9,8 12,8 14,7 16,6 -

Druckfestigkeit 24 h [N/mm²] 46,6 37,4 31,7 27,5 ≥ 401

Druckfestigkeit 28 d [N/mm²] 97,3 89,9 81,1 81,0 ≥ 801

Biegezugfestigkeit 24 h [N/mm²] 6,9 5,6 5,6 4,8 ≥ 52

Biegezugfestigkeit 28 d [N/mm²] 9,3 7,8 7,4 7,8 ≥ 102 1 Anforderung laut allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung 2 Anforderung laut Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten Tabelle 14: Gegenüberstellung aller ermittelten Frisch- und Festmörtelwerte in Abhängigkeit vom W/TM – Verhältnis


5.3.3 Ergebnisse der Prüfungen des Halbstarren Syst ems

5.3.3.1 Optische Untersuchung

Beschaffenheit der Oberfläche: Nach sieben Tagen Lagerung bei Raumfeuchte und einer Temperatur von ca. 20°C, wurden die Platten aus der Folie entnommen und einer ersten optischen Untersuchung unterzogen. Dabei konnte man feststellen, dass die Oberfläche mit zunehmenden W/TM – Verhältnis immer heller wird. Die Oberfläche mit einem W/TM –Wert von 0,30 war am hellsten. Die Oberfläche des Halbstarren Belages, der mit einem W/TM - Wert von 0,22 hergestellt wurde, war die Dunkelste aller Probeplatten (siehe Abbildung 57). Das Halbstarre System, mit dem W/TM – Verhältnis von 0,30 wies bereits nach 28 Tagen deutliche Schwindrisse auf (Abbildung 55). Die Oberflächen der anderen Proben waren alle einwandfrei. Auffallend ist, dass die Risse immer von Mineralstoffkorn zu Mineralstoffkorn verlaufen. Die Risse treffen immer senkrecht auf die Mineralstoffkörner auf.

Abbildung 55: Schwindrisse auf einem Halbstarren Belag (W/TM = 0,30)

Abbildung 56: Oberfläche eines Halbstarren Belages (W/TM = 0,24)


Abbildung 57: Unterschiedliche Färbung der Oberflächen bei unterschiedlichen W/TM - Werten

Pinholes Pinholes (Stecknadelkopf große Löcher, siehe Abbildung 58) dringen nur wenige Millimeter in die Oberfläche des Mörtels ein. Pinholes konnten nur bei der Probeplatte festgestellt werden, die mit einem W/TM – Verhältnis von 0,22 hergestellt wurde.

Abbildung 58: Pinholes bei einer Probeplatte, die mit einem W/TM – Wert von 0,22 hergestellt wurde

Alle anderen Probeplatten (W/TM = 0,24; 0,25; 0,27; 0,28 und 0,30) bildeten keine Pinholes. Pinholes entstehen durch sehr langsames Nachsickern des Frischmörtels. Der Frischmörtel mit einem W/TM – Verhältnis von 0,22 war zu dickflüssig um in die Hohlräume des Asphaltes ausreichend schnell genug eindringen zu können. Die Pinholes bildeten sich unmittelbar nach dem Einschlämmen des Asphalttraggerüstes mit dem Frischmörtel. Die Pinhole – Bildung wurde unmittelbar nach dem Abziehen des überschüssigen Mörtels von der Asphaltoberfläche beobachtet (siehe Abbildung 59).

W/TM = 0,22

W/TM = 0,30

Pinholes


Abbildung 59: Pinhole – Bildung kurz nach dem Einschlämmen des Mörtels (W/TM=0,22)

Verfüllungsgrad des Asphalttraggerüstes Wie im Kapitel 5.2.3 Halbstarre System auf Seite 77 dokumentiert wurde, war bei der Herstellung der Probeplatten mit unterschiedlichen W/TM – Werten zu beobachten, dass das vorgegebene W/TM – Verhältnis laut der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung von 0,22 einen zu dickflüssigen Frischmörtel ergab. Mit dem ICO-Trichterverfahren wurde sofort nach Anmischen des Mörtels eine Ausflusszeit von 20 Sekunden ermittelt. In der bauaufsichtlichen Zulassung soll die Ausflusszeit unmittelbar nach Anmischen jedoch 16≤ Sekunden betragen. Es wurde trotzdem eine Probeplatte mit diesem zu dickflüssigen Mörtel hergestellt, um feststellen zu können, ob der Mörtel die Hohlräume des Asphalttraggerüstes vollständig ausfüllen kann. Das Ergebnis ist in Abbildung 60 zu sehen, die ein aus der Probeplatte gesägtes, 50 mm hohes, Prisma zeigt. Der Mörtel war nicht ausreichend fließfähig, um die Hohlräume vollständig verfüllen zu können. Der Mörtel drang nur ca. 25 - 30 mm in die 50 mm starke Schicht des Asphalttraggerüstes ein. Mit diesem Verfüllmörtel, der mit einem Wasser/Trockenmörtel-Verhältnis von 0,22 angemischt wurde, war nur ein Verfüllungsgrad von ca. 50 - 60% zu erreichen.

Abbildung 60: Unvollständig verfülltes Asphalttraggerüst (W/TM = 0,22)

50 mm

unverfüllte Hohlräume


5.3.3.2 Biegezugfestigkeiten des Halbstarren Systems

1,3

2,0

3,33,0

3,23,23,1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,22 Soll 0,24 0,25 0,27 0,28 0,30

W/TM - Verhältnis

Bie

gezu

gfes

tigke

it [N

/mm

²]

Halbstarrer Belag - Biegezugfestigkeiten nach 28 Tagen

Abbildung 61: Biegezugfestigkeit des Halbstarren Belages in Abhängigkeit vom W/TM - Verhältnis

5.3.3.3 Druckfestigkeiten des Halbstarren Systems

8,910

15,717,1

18,417,9

18,6

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0,22 Soll 0,24 0,25 0,27 0,28 0,30

W/TM - Verhältnis

Dru

ckfe

stig

keit

[N/m

m²]

Halbstarrer Belag - Druckfestigkeiten nach 28 Tagen

Abbildung 62: Druckfestigkeit des Halbstarren Belages in Abhängigkeit vom W/TM - Verhältnis


5.3.4 Ergebnisauswertung der Prüfungen am Halbstarr en System Die schlechte Hohlraumverfüllung des Asphaltgerüstes bei einem W/TM – Verhältnis von 0,22 wie in der optischen Prüfung im Kapitel 5.3.3.1 Optische Untersuchung auf Seite 91 festgestellt wurde, kann an einer variierenden Trockenmörtelqualität liegen. Der Trockenmörtel, der in den Versuchen untersucht wurde, hatte nicht die exakten Eigenschaften, die er laut allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung haben sollte. Dies kann an einer nicht gleich bleibenden Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile des Mörtels liegen. Möglich ist aber auch eine Entmischung der einzelnen Bestandteile, die bei dem Transport des Mörtels in Silos auftreten kann. Da der Mörtel in die Silos geblasen wird, ist es durchaus denkbar, dass sich die extrem feinen Bestandteile entmischen. Die Mörtelsuspensionen mit den folgende W/TM – Verhältnisse von 0,24, 0,25, 0,27, 0,28 und 0,30 verfüllten die vorhandenen Hohlräume des Asphalttraggerüstes vollständig. Dies war eindeutig durch augenscheinliche Überprüfung festzustellen. Lichtmikroskopische Gefügeuntersuchungen bestätigten diese ersten augenscheinlichen Beobachtungen. Während der Versuche wurde festgestellt, dass eine zu dickflüssige Mörtelsuspension an der unmittelbar nach dem Einbringen des Mörtels, einsetzenden Pinhole - Bildung erkannt werden kann. Pinhole – Bildung kann ein Zeichen für eine unvollständige Hohlraumverfüllung sein. Deshalb sollte auf der Baustelle, bei beobachteter Pinhole – Bildung, die Frischmörtelkonsistenz umgehen flüssiger eingestellt werden. So kann eine unvollständige Hohlraumverfüllung vermieden werden. Falls sich doch Pinholes bilden, kann an dieser Stelle der Verfüllungsgrad der Hohlräume durch eine Bohrkernentnahme überprüft werden. Die mangelnde Hohlraumverfüllung ist die Ursache für die zu geringe Biegezugfestigkeit des Halbstarren Belages mit einem W/TM – Wert von 0,22. Der mit diesem Mörtel hergestellte Halbstarre Belag erreichte eine Biegezugfestigkeit von nur 1,3 N/mm² und lag damit 35% unter dem Mindestwert von 2 N/mm². Wurde eine vollständige Hohlraumverfüllung erreicht, so änderte sich die Biegezugfestigkeit mit steigendem W/TM – Verhältnis kaum, sondern blieb mit ca. 3 N/mm² gleich bleibend hoch. Eine gute Hohlraumverfüllung wurde in der vorliegenden Versuchsreihe ab einem W/TM – Verhältnis von 0,24 erreicht. Ein hoher W/TM – Wert wirkt sich auf die technologischen Eigenschaften des Halbstarren Belages nicht unmittelbar negativ aus.


Ein ausreichend fließfähiger Mörtel, also eine Mörtelsuspension mit hohem W/TM - Wert ( 24,0≥ ), ist bei dem Einschlämmen des Mörtels in die Asphalthohlräume eher

von Vorteil. Ein W/TM – Wert von 0,27 erwies sich im Rahmen dieser Versuchsreihe am Besten, da er leicht zu verarbeiten war und eine gute Hohlraumverfüllung bei gleichzeitig hohen Biegezugfestigkeiten gewährleistete. Risse an der Oberfläche durch Schwinden des Mörtels konnten bei einem W/TM – Wert von 0,27 nicht beobachtet werden. Ab einem W/TM . Wert von 0,28 setzte leichte Schwindrissbildung ein. Bei einem W/TM – Verhältnis von 0,30 waren nach 28 Tagen jedoch deutlich Risse zu erkennen, die durch Schwinden des Mörtels entstanden sind (Abbildung 55).Da aber eine rissfreie Oberfläche für einen dauerhaften Belag unerlässlich ist, muss die im letzten Absatz getroffene Aussage eingeschränkt werden. Die Bandbreite des sinnvoll anzuwendenden Wasser/Trockenmörtel-Verhältnisses wird auf einen kleinen Bereich zwischen 0,24 – 0,27 begrenzt . Ab einem W/TM – Verhältnis von > 0,25 bzw. bei einer Ausflusszeit aus dem ICO-Trichter von <13 Sekunden kann auch auf eine Verdichtungsarbeit verzichtet werden, da diese im Labor auf dem Schocktisch keine Wirkung zeigte. Auf der Baustelle wird ab einer Ausflusszeit von <13 Sekunden der Einsatz von einer Rüttelplatte oder sonstigem Verdichtungsgerät während dem Einschlämmen des Mörtels überflüssig. Die Mörtelsuspension ist dann so fließfähig, dass sie alleine durch die Schwerkraft die Hohlräume vollständig ausfüllt. Ein Bearbeiten der eingeschlämmten Fläche mit einer Rüttelplatte bewirkt lediglich ein Verdrängen des im Überschuss auf der Asphaltoberfläche vorgelegten Mörtels (siehe Abbildung 63). Eine Nachverdichtung der Mörtelsuspension ist, wie im Versuch auch, hier nicht zu beobachten.

Abbildung 63: Einrütteln der Mörtelsuspension mit einem Flächenrüttler, der Mörtel wird jedoch hauptsächlich verdrängt und nicht in die Hohlräume des Asphalttraggerüstes eingerüttelt.

Fahrspur der Rüttelplatte

Im Überschuss vorgelegte Mörtelsuspension

Durch die Rüttelplatte verdrängte Mörtelsuspension


5.4 Mikroskopische Gefügeuntersuchung des Verbundes zwischen Mörtel und Asphalt

5.4.1 Mikroskopie der Probekörper

Oben: Photografische Aufnahme Unten: Mikroskopische Vergrößerungen Abbildung 64: Gefügeuntersuchung des Halbstarren Systems mit einem W/TM – Verhältnis von 0,22

5.4.2 Untersuchung der Bohrkerne Die untersuchten Bohrkerne stammten aus einer bewitterten und ca. 8 Jahre alten Fläche. Die Befestigung wurde von der bauausführenden Firma erstmalig mit einem Halbstarren Belag befestigt. Bei der Fläche handelt es sich um eine Musterfläche, die als ein Teil der Betriebshof-Befestigung, auch durch Baumaschinen, insbesondere durch Lkws befahren wurde. Die Fläche ist somit durch Wind, Wetter und hohe Belastungen beansprucht worden. Die Oberfläche der Musterfläche wurde mit verschiedenen Verfahren behandelt, ein Teil blieb unbehandelt. Dies waren im Einzelnen:

• Schleifen

• Schleifen und Versiegeln mit Epoxydharz

Hohlräume


Die Fläche, die mit Epoxydharz versiegelt wurde, war als solche nicht mehr zu erkennen. Sie sieht wie eine geschliffene, aber unversiegelte Fläche aus.

Abbildung 65: Versiegeln einer geschliffenen Halbstarren Deckschicht mit Epoxydharz

Bei der optischen Untersuchung der Bohrkernoberfläche konnten deutliche Risse festgestellt werden. Diese Risse verlaufen, wie bei den in dieser Versuchsreihe hergestellten Probekörpern mit einem W/TM – Verhältnis von 0,30 (siehe Kapitel 5.3.3.1 Optische Untersuchung auf Seite 91), von Mineralstoffkorn zu Mineralstoffkorn (Abbildung 66).

Abbildung 66: Risse in der Oberfläche einer Halbstarren Deckschicht


Diese Rissbildung ist auch bei der geschliffenen Oberfläche zu beobachten. Die Risse haben das Abplatzen von Mörtelstücken begünstigt, wie in Abbildung 67 zu sehen ist. Diese Schadstellen können sich unter dynamischer Belastung rasch vergrößern. Abbildung 68 zeigt deutlich größere Mörtel – und Mineralstoffausbrüche an der Oberfläche. Der Halbstarre Belag wurde in einer stark frequentierten Fahrbahn vor einem großen Einkaufscenter in Konstanz verlegt.

Abbildung 67: Mörtelabplatzungen an der Oberfläche einer Halbstarren Deckschicht

Abbildung 68: Ausbrüche an der Belagsoberfläche

10 mm


Auf beiden Flächen, sowohl auf der 8 Jahre alten Betriebshoffläche und der 3 Jahre alten Verkehrsfläche in Konstanz, sind größere Risse entstanden. Diese Rissbildung kann auf eine Überbelastung des oberen bzw. unteren Straßenaufbaus zurückgeführt werden. Die Risse auf der Verkehrsfläche in Konstanz sind hauptsächlich quer zur Fahrtrichtung entstanden (siehe Abbildung 69).

Abbildung 69: Querrisse in einer Halbstarren Deckschicht

Abbildung 70: Bohrkern aus einer Halbstarren Deckschicht


5.4.2.1 Mikroskopie des Bohrkerns

Um den Bohrkern mikroskopisch Untersuchen zu können, wurde er zersägt. So konnte der Querschnitt begutachtet werden. Die Bilder der Mikroskopie sind in den Abbildungen 71 und 72 zu erkennen. Abbildung 71 zeigt die Draufsicht auf das Bohrkernstück und Abbildung 72 die Ansicht auf das gleiche Bohrkernstück. Auf der Oberfläche kann man gut die Risse erkennen, die wie in der Ansicht zu sehen sind, tiefer in das halbstarre System eindringen und keinesfalls nur oberflächlich sind.


Abbildung 71: Oberfläche des Bohrkerns, in der Vergrößerung (unten) sind die Risse Nr.1 und Nr.2 zu sehen

Abbildung 72: Der gleiche Bohrkern in der Ansicht, in der Vergrößerung (oben) sind die Risse Nr.1 und Nr.2 zu sehen, die von der Oberfläche ausgehend in die Halbstarre Deckschicht eindringen

Riss Nr.1 Riss Nr. 2

Riss Nr. 1

Riss Nr. 2


5.4.3 Ergebnisauswertung Bei den hier untersuchten Bohrkernen konnten an der Oberfläche Risse festgestellt werden, die auf ein Schwinden des Mörtels zurückzuführen sind. Diese Schwindrisse haben zu Mörtelabplatzungen geführt, wie sie auf der Musterfläche des Betriebshofes und der Verkehrsfläche in Konstanz festgestellt wurden. Solche Schwindrisse bildeten sich auch bei den Probekörpern mit einem hohen W/TM – Wert von 0,30, die im Rahmen dieser Bachelorarbeit hergestellt wurden. Ein zu hohes W/TM - Verhältnis begünstigt die Rissbildung in so einem Maße, dass es sich für die Dauerhaftigkeit der Halbstarren Deckschicht negativ auswirkt. Die Risse, die auf der Oberfläche der acht Jahre alten halbstarren Betriebshofbefestigung festgestellt worden sind, beschränken sich nicht nur auf die Oberfläche der Deckschicht. Diese Risse haben sich von der Oberfläche ausgehend, in das innere der Deckschicht ausgebreitet. Abplatzungen des Mörtels und Ausbrüche ganzer Mineralstoffkörner sind die Folge. Die in der Halbstarren Deckschicht aufgetretenen Querrisse (siehe Abbildung 69) sind durch zu hohe Belastungen entstanden. Die Belastungen durch den Verkehr konnten durch den Unterbau nicht aufgenommen und schadlos in den Untergrund abgeleitet werden. Ein zu gering dimensionierter Unterbau oder eine zu geringe Verdichtung des Unterbaues können dafür verantwortlich sein. Eine Kombination aus beiden wäre für die mangelhafte Tragfähigkeit ebenfalls möglich.

6 Zusammenfassung 104

6 Zusammenfassung Nach Auswertung der durchgeführten Prüfungen, an den Ausgangsstoffen sowie an dem Halbstarren Belag, kann zusammengefasst werden, dass es nur einen engen W/TM – Bereich gibt, wo der Verfüllmörtel für die Halbstarre Deckschicht sich gut verarbeiten lässt, alle Hohlräume des Asphalttraggerüstes verfüllt und im abgebundenen Zustand keine Risse bildet. Wird in diesem engen W/TM - Bereich der Trockenmörtel angemischt, ist es möglich dauerhafte und hoch belastbare Halbstarre Deckschichten herzustellen. Als Vorraussetzung sind geschulte und erfahrene Einbaukolonnen selbstverständlich. Die besonderen Eigenschaften der beiden Ausgangskomponenten, dem Asphalttraggerüst und dem Verfüllmörtel, müssen den Verarbeitenden bekannt sein. Die technologischen Eigenschaften, der fertigen Halbstarren Deckschicht, werden in besonderem Maße durch die Eigenschaften des Verfüllmörtels bestimmt. Einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des Verfüllmörtels hat das Wasser /Trockenmörtel – Verhältnis, mit dem die Mörtelsuspension hergestellt wurde. Der Bereich, in dem der Wasser / Trockenmörtel – Wert sinnvoller weise liegen sollte, ist sehr klein. Für den Bauausführenden bedeutet dies, dass mehrmals während der Bauausführung die Konsistenz des Frischmörtels sofort nach anmischen kontrolliert werden muss. Die Konsistenz, gemessen als Ausflusszeit mit dem Trichterverfahren, korreliert unmittelbar mit dem Wasser / Trockenmörtel – Verhältnis (siehe Abbildung 73). Dem Bauausführenden bietet sich mit dem Trichterverfahren ein leicht zu handhabendes Verfahren zur Abstimmung des optimalen W/TM – Verhältnisses auf der Baustelle. Die Wahl der geeigneten Ausgangsstoffe muss nach dem „Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten (M HD)“ oder nach der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung (AbZ) für das jeweilige Produkt erfolgen. Der Verfüllmörtel muss - die Fließfähigkeit und die Festigkeiten sind hier entscheidend - genau die geforderten Werte aufweisen. Das hohlraumreiche Asphalttraggerüst muss nach der speziell entwickelten Mischgutzusammensetzung konzipiert sein, es darf nicht irgendein anderes Mischgut für hohlraumreiche Deckschichten (z.B. Mischgut für offenporige Asphaltdeckschichten) verwendet werden.

W/TM - Verhältnis 0,22 0,24 0,25 0,27 0,28 0,30 Anforderung Ausflusszeit [s] 20 14 13 11 10 9 - Rohdichte [g/cm³] 1,92 2,24 2,22 2,22 2,22 2,21 - Biegezugfestigkeit 28 d [N/mm²] 1,3 3,1 3,2 3,2 3,3 3,0 2≥ Druckfestigkeit 28 d [N/mm²] 8,9 18,6 17,9 18,4 15,7 17,1 10≥

Tabelle 15: Alle am Halbstarren Belag ermittelten Werte in Abhängigkeit vom W/TM - Verhältnis

6 Zusammenfassung 105

Abbildung 73: Optimaler Bandbreitenbereich für die Abstimmung des W/TM – Verhältnisses bzw. der Ausflusszeit

Im Zusammenhang mit der noch recht jungen Bauweise der Halbstarren Deckschichten gibt es noch einige offene Fragen, ein paar sind hier aufgeführt: a) Wie groß ist die reelle Druckfestigkeit des Halbstarren Belages auf einer großen

Fläche, also nicht nur an einem Probekörper im Labor? Wie verhält sich eine Fläche unter Belastung, kann Sie mehr Kraft aufnehmen als ein Probewürfel?

b) Die Kontrolle des Verfüllungsgrades wird an Bohrkernen überprüft, diese Methode

ist unter Umständen mit Fehlern behaftet. An der Schnittfläche des Bohrkerns werden die Hohlräume quantitativ erfasst und auf die gesamte Fläche hochgerechnet. Das Ergebnis muss nicht zwangsweise für die gesamte Fläche repräsentativ sein und ist deshalb vorsichtig zu betrachten. Durch die Bohrkernentnahme wird die geschlossene Fläche unterbrochen was als ein weiterer Nachteil zu sehen ist. Zum Verfüllungsgrad gibt es im Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten keine Anforderungen / Aussagen, da er noch nicht genau bestimmt werden kann.

� Eine Lösung könnten dabei zerstörungsfreie Diagnoseverfahren bieten, die schon

in der Überprüfung von Betonbauteilen eingesetzt werden z. B Ultraschall oder Radar – Verfahren.

c) Ein weitere Frage ist, wie wirken sich unterschiedliche Asphalttraggerüst –

Temperaturen auf das Verfüllen der Hohlräume mit dem Verfüllmörtel aus? Bei welchen Traggerüsttemperaturen erzielt man tragfähige Halbstarre Deckschichten?

20 14 11 10 913

0,30 0,27 0,25 0,24 0,22 0,28 W/TM - Verhältnis

Ausflusszeit [s]

- Pinholes - Schlechte Hohlraumverfüllung - Geringe Festigkeit

Optimaler Bereich Gute Hohlraumverfüllung

Hohe Festigkeiten Keine Rissbildung

- Schwindrisse - Mörtelabplatzungen - Geringe Dauerhaftigkeit

7 Quellenverzeichnis 106

7 Quellenverzeichnis Fachliteratur [1] Asphalt Kalender 2003, Bitumenwerkstoffe und ihre Anwendung, Herausgegeben von:

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[A.7] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von

Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton – StB 01), FGSV Köln, 2001 [A.8] Merkblatt für die Herstellung von Halbstarren Deckschichten (M HD), FGSV Verlag

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Ausreißertest nach Grubbs

Anhang 1: Protokoll Siebanalyse Trockenmörtel 110

Anhang 1: Protokoll Siebanalyse Trockenmörtel

Vorhaben: Bachelorarbeit, Halbstarre Beläge Prüftag: 02.07.2007 Entnahme: 28.04.2007 Uhrzeit: 8.00 Prüfverfahren: Siebanalyse Material: Confalt Trockenmörtel Prüfer: D. Schrodin Gewicht der Probe: 258,0 g Maschenweite in mm

Rückstand in g Rückstand gesamt in g

Rückstand in %

Durchgang in %

< 0,063 111,7 257,6 100,00 0,00 0,063 30,9 145,9 56,64 43,36 0,125 51,2 115 44,64 55,36

0,25 59,3 63,8 24,77 75,23 0,5 4,5 4,5 1,75 98,25

1 0 0 0,00 100,00

Anhang 2: Protokoll Frischmörteluntersuchungen 111

Anhang 2: Protokoll Frischmörteluntersuchungen

Vorhaben: Bachelorarbeit, Halbstarre Beläge Prüftag: 02.05.2007 Entnahme: 28.04.2007 Uhrzeit: 16.00 Prüfverfahren: DIN 18555 - 2 Material: Confalt Trockenmörtel Prüfer: D. Schrodin Ausgangsmenge der Mischung: Trockenmörtel [g] 1600 1800 1700 1700 Wasser [g] 352 450 459 476 Mischverhältnis W / TM 0,22 0,25 0,27 0,28 Rohdichte Frischmörtel Luftporentopf leer [g] 1650 1650 1650 1650 Luftporentopf voll [g] 3754 3703 3657 3634 Rohdichte [g/cm³] 2,104 2,053 2,007 1,984 Fließvermögen sofort [s] 20 13 11 10

Anhang 3: Protokoll Mörtel – Biegezugfestigkeit 24 h 112

Anhang 3: Protokoll Mörtel – Biegezugfestigkeit 24 h

Anhang 3: Protokoll Mörtel – Biegezugfestigkeit 24 h 113

Anhang 4: Protokoll Mörtel – Biegezugfestigkeit 28 Tage 114

Anhang 4: Protokoll Mörtel – Biegezugfestigkeit 28 Tage

Anhang 4: Protokoll Mörtel – Biegezugfestigkeit 28 Tage 115

Anhang 5: Protokoll Mörtel – Druckfestigkeit 24 h 116

Anhang 5: Protokoll Mörtel – Druckfestigkeit 24 h

Anhang 6: Protokoll Mörtel – Druckfestigkeit 28 Tage 117

Anhang 6: Protokoll Mörtel – Druckfestigkeit 28 Tag e

Anhang 7: Protokoll Halbstarrer Belag – Biegezugfestigkeit 28 Tage 118

Anhang 7: Protokoll Halbstarrer Belag – Biegezugfestigkeit 28 Tage

Anhang 8: Protokoll Halbstarrer Belag – Druckfestigkeit 28 Tage 121

Anhang 8: Protokoll Halbstarrer Belag – Druckfestigkeit 28 Tage

Anhang 9: Bilder 124

Anhang 9: Bilder

Bild A1: Probeplatte auf einem Schocktisch

Bild A2: Nachgesickerter Verfüllmörtel

Bild A3: Hohlräume in einer 8 Jahre alten Halbstarren Deckschicht

Anhang 9: Bilder 125

Bild A4: Silo mit Trockenmörtel, Pumpe (vorne links) und Stromgenerator (rechts) zur Mörtelaufbereitung

Bild A5: Verfüllmörtel sickert in das Asphalttraggerüst ein

Bild A6: Frisch hergestellte Halbstarre Deckschicht, rechts wurde der Mörtelüberschuss schon abgezogen, links noch nicht

Selbständigkeitserklärung 126

Selbständigkeitserklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbständig angefertigt

habe. Es wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel

benutzt. Wörtlich oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches

kenntlich gemacht.

Ort, Datum Daniel Schrodin

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