Werkstoffkennwerte von Tragschichten mit hydraulischer und

Werkstoffkennwerte von Tragschichten mit hydraulischer und

Straßenbau
Werkstoffkennwerte von
Tragschichten mit
hydraulischer und
bituminöser Bindung
Dr.-Ing. Dieter Birmann, München
Bei der neuartigen Tragschicht
mit den Bindemitteln Zement
und Bitumenemulsion wird
erwartet, dass infolge der
visko-elastischen Eigenschaften beim Abbinden die
Rissneigung reduziert wird
und das übliche Kerben entfallen kann. Die Werkstoffkennwerte wurden für eine
Dimensionierung ermittelt.
Tragschichten
Die auf die mehrschichtige Fahrbahn einwirkenden Verkehrslasten
werden über die Deckschichten aus
Asphalt oder Beton durch gebundene
und ungebundene Tragschichten abgetragen und auf den Untergrund verteilt. Nach der Standardisierung des
Oberbaus von Verkehrsflächen RStO
[1] kann für Bauklassen mit größerer
Verkehrsbelastung als gebundene
Tragschicht [2] zur Anwendung kommen:
■ Asphalttragschicht ATS
■ Tragschicht
mit hydraulischem
Bindemittel (HGT, Verfestigung, Betontragschicht).
Eine neue Entwicklung ist eine
Tragschicht, die sowohl ein hydraulisches Bindemittel als auch Bitumenemulsion enthält. Sie wird im Folgenden kurz als
8
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■ Bitumen-HGT
bezeichnet und ist Gegenstand der
nachstehend beschriebenen Untersuchungen.
Asphalttragschichten und
Tragschichten mit
hydraulischem Bindemittel
Die konventionellen Tragschichten
– Asphalttragschichten und TragKriterium
schichten mit hydraulischem Bindemittel – haben auf Grund des unterschiedlichen Bindemittels sehr verschiedene Werkstoffeigenschaften [3,
4, 5, 6, 7], die in Tabelle 1 gegenübergestellt sind.
Bitumen-HGT
Die Bitumen-HGT ist eine Tragschicht aus Zuschlägen und den Bin-
Asphalttragschicht
Tragschichten mit
hydraulischem Bindemittel
Stoffverhalten
überwiegend viskos
überwiegend elastisch
Temperatureinfluss
temperaturabhängig
temperaturunabhängig
Dimensionierung über ...
Biegezug- und Schubspannung
Biegezugspannung
Zeitfestigkeit
Zeitschubfestigkeit in
Abhängigkeit von Lastwechselzahl
Wöhler-Linie für
Biegezugfestigkeit im
Zeitfestigkeitsbereich
Dauerfestigkeit
Dauerschubfestigkeit
(Definition: Lastwechselzahl
bei Abfall auf 50 % des
Anfangs-Schubmoduls)
Dauerbiegezugfestigkeit
(>2 Mio. Lw), etwa 50 % der
statischen Biegezugfestigkeit
Rissbildung
keine Risse
Rissstruktur, Rissbildung in
größeren Abständen, wenn
nicht gekerbt wird
Steifigkeit wird beschrieben Schubmodul bzw.
durch ...
Elastizitätsmodul
Elastizitätsmodul (groß)
Elastizitätsmodul [N/mm2]
1000 bis 14 000
(+30 °C bis –10 °C)
10 000 bis 20 000
(ungerissen)
Querdehnzahl [1]
0,25 bis 0,45
(+30 °C bis –10 °C)
0,15
Biegezugfestigkeit [N/mm2]
0,2 bis 1,4 (+30 °C bis –10 °C)
> 0,8
Schubmodul bei 20 °C
[N/mm2]
1100
–
Tabelle 1: Eigenschaften und Kennwerte von Asphalttragschichten und
Tragschichten mit hydraulischem Bindemittel
Straßenbau
menzusatzes eine
Reduzierung der
Rissneigung erreicht wird und
ggf. das Kerben
entfallen kann, was
von wirtschaftlicher Bedeutung
ist. Denn unter
den Fugen der Betondecke wird bei
direkter Auflagerung ein Kerben
1 Schwinden nach 28 Tagen in Abhängigkeit von der Dosieder klassischen
rung von Zement und Bitumenemulsion; Wassergehalt w
HGT gefordert, um
Reflexionsrisse zu vermeiden. Auch
demitteln Zement und Bitumenemulunter Asphaltschichten ist ein Kerben
sion. Die Zugabe erfolgt in der Reider HGT vorgeschrieben [2]
henfolge Zuschlag, Zement, Wasser
und Bitumenemulsion. Der Zement
■ bei hohen Festigkeiten
bindet das Emulsionswasser und wirkt
■ bei einer Einbaudicke über 20 cm
festigkeitssteigernd. Durch Zugabe
sowie
von Bitumenemulsion zu einer HGT
■ bei einer Gesamteinbaudicke der
wird erwartet, dass infolge der viskoAsphaltschichten von 14 cm und weelastischen Eigenschaften des Bituniger.
Kennwert
PrüfkörperAbmessung
Dimension
Alter in
Tagen
Wert
(Mittel)
Druckfestigkeit
Ø 150/125 mm
N/mm2
N/mm2
N/mm2
28
167
360
4,7
7,7
9,6
Statische Biegezugfestigkeit
(4-Punkt-Lagerung)
150 x 150 x 700 mm
N/mm2
N/mm2
28
290
1,2
2,1
Dauerbiegezugfestigkeit
150 x 150 x 700 mm
N/mm2
i. M. 214
0,9
Spaltzugfestigkeit
Ø 150/125 mm
150 x 150 x 150 mm
N/mm2
N/mm2
28
360
0,7
0,9
Zentrische Zugfestigkeit
30 x 30 x 60 mm
N/mm2
170
1,0
Thermisch ind. Zugfestigkeit
60 x 60 x 300 mm
N/mm2
240
1,1
Ø 150 mm
h = 70 mm
N/mm2
100
N/mm2
N/mm2
100
225
N/mm2
225
–10 °C:
2200
+30 °C: 400
–10 °C:
5000
+30 °C:
4000
Dynamischer Schubmodul
Querdehnzahl
150 x 150 x 600 mm
330
0,14
Statischer Druck-E-Modul
Ø 150/300 mm
N/mm2
28
10 000
Statischer Biege-E-Modul
150 x 150 x 700 mm
N/mm2
214
18 900
Dynamischer Biege-E-Modul
150 x 150 x 700 mm
N/mm2
214
19 600
Schwinden
100 x 100 x 500 mm
‰
‰
28
360
–0,03
–0,18
g
g
50
210
16
13
Masseverlust beim
Abbürstversuch
Kapillare Wasseraufnahme
Ø 100/200 mm
g/cm2
0,02
Tabelle 2: Werkstoffkennwerte von Laborkörpern einer Bitumen-HGT mit 3 %
Zementgehalt und 2 % Bitumenemulsion und 4,4 % Wassergehalt (1 % unter dem
optimalen Wassergehalt nach Proctor); Mittelwerte
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Straßenbau
Zur Dimensionierung von
Deckensystemen mit solchen neuartigen Tragschichten ist es erforderlich, die
Werkstoffkennwerte dieser
neuen Tragschicht zu ermitteln. Dies erfolgte im Rahmen eines Forschungsvorhabens, das mit Förderung
des Bundesministeriums für
Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW) durchgeführt wurde [8]. Dabei war
die Zusammensetzung des
Baustoffgemisches entsprechend den Vorgaben so zu
wählen, dass das Bindemittel mit hydraulischer Bindung überwiegt.
Erweiterte
Eignungsprüfung
2 Zeitliche Entwicklung der Druckfestigkeit von Proctorkörpern aus Bitumen-HGT (Z = 3 %, B = 2 %, W = 4,4 %)
menemulsion beträgt (Abbildung 1). Dies lässt im
jungen Alter eine geringere
Rissneigung erwarten.
Bei der 2. Serie mit einem
Wassergehalt von 1 % unter
dem optimalen Wassergehalt nach Proctor (w = 4,4 %)
wurde festgestellt: Bei gleicher Zusammensetzung, jedoch geringerem Wassergehalt wird die kapillare Wasseraufnahme reduziert und
der E-Modul, die Spaltzugfestigkeit, die 28-Tage-Biegezugfestigkeit und 28-TageDruckfestigkeit werden erhöht.
Hauptuntersuchung
(Werkstoff-Prüfserie)
Auf Grund der Voruntersuchungen wurde folgende
Zunächst wurden im RahZusammensetzung für die
men einer erweiterten EigPrüfkörper festgelegt, wobei
nungsprüfung durch die Abdie Festigkeitsanforderung
teilung Baustofftechnologie
nach ZTVT-StB 95 nicht eindes Forschungsinstituts der 3 Biegzugfestigkeit der Bitumen-HGT bei DauerschwingZementindustrie (FIZ) Mi- versuchen mit einer Unterspannung von 0,1 N/mm2; erreichte gehalten werden konnte,
was jedoch zur Verstärkung
schungszusammensetzungen Lastwechselzahlen in Abhängigkeit von der Oberspannung
der viskosen Komponente in
mit unterschiedlichen BindeKauf genommen wurde:
mittelkombinationen Zement (CEM I
verringern sich das Schwinden und
32,5 R) und hochstabiler kationischer
die kapillare Wasseraufnahme. Her■ 3 % Zementgehalt
Bitumenemulsion U 60 K untersucht.
vorzuheben ist das günstige Schwind■ 2 % Bitumenemulsionsgehalt
Der Zementgehalt wurde zwischen
verhalten nach 28 Tagen, das nur 25 %
■ 4,4 % Wassergehalt inkl. Emulsions3 und 7 Gew.-%, die Zugabemenge
einer konventionellen HGT ohne Bituwasser (1 % niedriger als der optimale
der Bitumenemulsion zwiWassergehalt nach Proctor).
schen 0 und 3 Gew.-% vaDie 28 Tage-Druckfestigriiert.
keit der Bitumen-HGT beBei der Herstellung der
trug 4,7 N/mm2 (Abbildung 2
Prüfkörper zeigte sich, dass
und 8; zum Vergleich die Andie Art der Bitumenemulforderung nach ZTVT: unter
sion und das hydraulische
Asphalt 7 bis 12 N/mm2, unBindemittel sorgfältig aufter Beton > = 15 N/mm2)
einander abgestimmt werIn der Tabelle 2 sind die
den müssen, um den Erhärim Rahmen der erweiterten
tungsprozess zu initiieren.
Eignungsprüfung und der
In zwei Serien wurde der
Werkstoff-Prüfserie ermittelWassergehalt variiert. Die
ten Werkstoffkennwerte der
1. Serie mit dem optimalen
Bitumen-HGT zusammenWassergehalt nach Proctor
fassend aufgeführt. Sie wer(w = 5,4 %) zeigte: Bei gleiden nachfolgend beschriechem Zementgehalt sinken
ben.
mit zunehmendem Anteil
Die Druckfestigkeit von
an Bitumenemulsion die
Proctorkörpern steigt von
Druckfestigkeit, Biegezugi. M. 4,7 N/mm2 (nach 28 Taund Spaltzugfestigkeit sowie 4 Drei aus Balken geschnittene Prüfkörper mit Riss infolge
gen) auf mehr als das dopder Elastizitätsmodul, weiter thermisch induzierter Zugspannung bei Abkühlung
pelte (nach 360 Tagen bis
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Straßenbau
5 Thermisch induzierte Zugspannung bei Abkühlung von
2 K/h
6 Abfallen des Schubmoduls in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl; bei 175 000 Ls beträgt die Zeitschubfestigkeit
dieses Bitumen-HGT-Prüfkörpers 0,59 N/mm2, siehe Bild 7
2 Jahre) an, zurückzuführen auf eine Änderung des Einflusses des Bitumenemulsionszusatzes mit der Zeit (Abbildung 2).
Die statische Biegezugfestigkeit wächst von 1,2 N/ mm2
(Alter: 28 Tage) auf 2,1 N/mm2 (Alter: 290 Tage), d. h. um
63 %, an. Unter oftmals wiederholter Belastung weist
7 Zeitschubfestigkeit einer bituminösen Tragschicht, der
Bitumen-HGT und von Schaumbitumen-Tragschichten
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die Bitumen-HGT – wie eine
bei den Abbürstversuchen
konventionelle HGT – eine
an Proctorkörpern der ersDauerfestigkeit auf. Die
ten und zweiten Serie ermitDauerbiegezugfestigkeit betelte Masseverlust, durch
trägt bei einer Grenzden die oberseitige Eroschwingspielzahl von 2 Mio.
sionsbeständigkeit quantifiim Mittel 0,9 N/mm2 bei eiziert wird, hängt von der
Druckfestigkeit ab, d. h., mit
nem mittleren Alter der Prüfzunehmendem Zementgekörper von 214 Tagen (Abbilhalt und gleich bleibendung 3). Demnach liegen
dem Bitumenemulsionsgevergleichbare Werte wie bei
halt wird der Erosionswidereiner konventionellen HGT
stand größer und mit zunehvor, bei der die Biegezugmendem Alter nimmt der
festigkeit 20 bis 25 % der
Erosionswiderstand zu (AbDruckfestigkeit und die
bildung 9).
Dauerbiegezugfestigkeit 0,6
Im Erosionsprüfstand wabis 0,7 N/mm2 beträgt.
ren an der Bitumen-HGTDie bei den DauerPlatte der Werkstoff-Prüfseschwingversuchen ermittelrie, die zu diesem Zeitpunkt
ten Biege-Elastizitätsmoduln
eine Würfeldruckfestigkeit
betragen im Mittel ca.
von fast 13 N/mm2 (150 mm
19 000 N/mm2.
Das Rissverhalten von AsKantenlänge) aufwies, keine
phaltschichten wird durch
Erosionserscheinungen bis
die thermisch induzierte
auf einen kleinen FlächenSpannung (kryogene Spananteil von ca. 1,4 % zu vernung) beschrieben [9, 10]. 8 und 9 28-Tage-Druckfestigkeit und Masseverlust der
zeichnen (Abbildung 10).
Die Bruchspannung bei Bitumen-HGT beim Abbürstversuch in Abhängigkeit vom
Abkühlen des Prüfkörpers Zementgehalt und Wassergehalt; Abbürstversuch bei der
Folgerungen und
von Raumtemperatur (i. M. 1. und 2. Serie mit 2 % Bitumenemulsion, Alter: 50 Tage und
Ausblick
20,4 °C) um i. M. 3,7 K Tem- 1 Abbürstversuch der 3. Serie, Alter 210 Tage
peraturdifferenz betrug i. M.
Die untersuchte Bitu1,1 N/mm2 (Abbildung 4
men-HGT mit 3 % Zement
und 2 % Bitumenemulsion hat im Alund 5) und ist damit vergleichbar der
400 N/ mm2. Der dynamische Schubter von 28 Tagen mit i. M. 4,7 N/mm2
zentrischen Zugfestigkeit, die an Prismodul der Werkstoff-Prüfserie mit eimen 60 x 60 x 300 mm bei Raumtemnem größeren Prüfkörperalter von
eine geringere Druckfestigkeit als in
peratur zu 1,0 N/mm2 ermittelt wurüber 200 Tagen war wesentlich größer
den ZTVT-StB 95 gefordert. Somit
und weniger temperaturabhängig.
werden die Druckfestigkeits-Anfordede. Demnach hat die Temperatur keiDer dynamische Schubmodul im o. g.
rungen nach ZTVT-StB 95 (im Alter
nen signifikanten Einfluss, was auf
Temperaturbereich nahm von 5000 auf
von 28 Tagen) unter Betondecken erdas Verhalten ähnlich einer HGT
4000 N/mm2 ab.
heblich unterschritten. Mit zunehschließen lässt.
mender Liegedauer tritt eine FestigDie Spaltzugfestigkeit nahm im
Als Zeitschubfestigkeit von Asphaltkeitsentwicklung auf etwa den dopZeitraum bis 360 Tage von 0,7 auf
tragschichten wird die Lastwechselpelten Wert (nach 360 Tagen) ein, da0,9 N/mm2 um 30 % zu. Diese Steigezahl unter einer bestimmten Schubbei wird der Einfluss der viskosen
spannung bezeichnet, bei der die Prüfrung hat ein geringeres Ausmaß als
Komponente verringert und die hydkraft bzw. der Schubmodul auf 50 %
die Druckfestigkeitssteigerung in dieraulische Komponente überwiegt.
des Wertes zu Beginn des Dauersem Zeitraum (100 %).
Trotz der geringeren Anfangsfestigversuchs abgefallen ist (Abbildung 6)
Die Querdehnzahl bei einer Druckkeit wurde ein ausreichender Ero[6, 7]. Die Zeitschubfestigkeit der
prüfung wurde i. M. zu µ = 0,14 aus
sionswiderstand festgestellt. Demnach
untersuchten Bitumen-HGT unter
der Dehnung in Längs- und Querrichist für eine entsprechende BitumenSchubbeanspruchung war etwa doptung ermittelt, entsprechend den tyHGT die Einhaltung der Festigkeitspelt so groß wie die einer Asphalttragpischen Werten für zementgebundene
anforderungen nach ZTVT-StB 95
schicht, zurückzuführen auf die hydSchichten.
nicht erforderlich bzw. muss neu defiraulische Bindung (Abbildung 7).
Der dynamische Schubmodul [7]
niert werden.
Das Erosionsverhalten wurde
von Prüfkörpern der EignungsprüVon Vorteil ist im Gegensatz zu
durch Abbürstversuche und durch
fung (2. Serie) mit einem Alter von
einer konventionellen HGT das anDauerschwinguntersuchungen im Ero100 Tagen lag bei Temperaturen von
fängliche sehr geringe Schwinden der
sionsprüfstand bestimmt [11, 12]. Der
–10 °C und +30 °C zwischen 2200 und
12
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Straßenbau
Bitumen-HGT von i. M. 3 · 10–5, das
nach 360 Tagen auf einen Wert von
i. M. 18 · 10–5 anwächst, d. h. auf einen
Wert, wie er auch bei konventionellen
HGT vorliegt. Daraus folgt, dass
sich die Bitumen-HGT erst langfristig wie eine konventionelle HGT
verhält. Dementsprechend erscheint
es möglich, unter Betondecken auf
das Kerben der Bitumen-HGT dann
zu verzichten, wenn das Betonieren
der Fahrbahndecke unmittelbar
nach dem Einbau der Bitumen-HGT
erfolgt. Durch das Fugenschneiden
und die anschließende Rissbildung
in der Betondecke wird ein Riss
zwangsläufig in der Tragschicht
entstehen, d. h., die Rissbildung in
der Bitumen-HGT wird durch die
Fugenausbildung der Betondecke gesteuert, spätere Rissbildungen in
der Bitumen-HGT sind nicht zu erwarten.
Da die untersuchte, relativ steife
Bitumen-HGT nach einem Jahr vergleichbare Eigenschaften wie eine
konventionelle HGT aufweist, ergibt
sich für die Bemessung entsprechender Asphalt-Oberbausysteme unter
diesen Voraussetzungen keine Auswirkung.
Im Rahmen einer weiterführenden
Untersuchung sollte geprüft werden,
ob mit erhöhtem Bitumenemulsionsanteil und reduziertem Zementgehalt, d. h. bei ausgeprägter viskoser
Komponente, ein niedrigerer E-Modul erreicht werden kann. Dies wirkt
sich auf die Dimensionierung aus und
muss entsprechend berücksichtigt
werden. Damit sind alternative Oberbausysteme denkbar:
■ Betondecken, bei denen das Kerben der erosionsbeständigen Tragschicht grundsätzlich entfallen kann,
was technische und wirtschaftlichen
Vorteile bringt
■ Asphaltaufbauten mit einer HGT
mit verstärkter viskoser Komponente,
bei denen die Dicke der Asphaltüberdeckung auf unter 14 cm reduziert werden kann, was auch bei einer Verstärkung der Tragschicht auf
20 cm eine wirtschaftliche Bauweise
ergeben kann.
Dies sollte an einer Erprobungsstrecke mit dünner Asphaltüberdeckung verifiziert werden.
10 Oberflächen-Messprofil P5 der Bitumen-HGT vor und nach dem Erosionsversuch
im Erosionsprüfstand (Tabellen und Abbildungen: Birmann)
Literatur
[1] Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen (Hrg.): Richtlinien für
die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen – RStO 01, Ausgabe 2002,
FGSV-Nr. 499.
[2] Forschungsgesellschaft für Straßen- und
Verkehrswesen (Hrg.): Zusätzliche Technische Vorschriften und Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau – ZTV T-StB 95,
Ausgabe 1995/Fassung 1998 FGSV-Nr. 999.
[3] Leykauf, Günther: „Beanspruchung und
Bemessung von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln im Fahrbahnwegebau.“ Mitteilung des Prüfamtes für Bau von
Landverkehrswegen der Technischen Universität München, Heft 37, 1982.
[4] Bonzel, Justus, Schmidt, Michael: „Zum
Festigkeits- und Verformungsverhalten von
hydraulisch gebundenen Tragschichten des
Straßenbaues.“ Straße und Autobahn, 1987,
Heft 10, S. 359–367.
[5] Eisenmann, Josef, Lempe, Ulrich, Leykauf, Günther: „Straßenbeanspruchung.“
Mitteilung des Prüfamtes für Bau von Landverkehrswegen der Technischen Universität
München, Heft 26, 4. Auflage, 1980.
[6] Eisenmann, J., Lempe, U.: Ermittlung
der Werkstoffkonstanten und der Dauerfestigkeit von bituminös gebundenen Baustoffen; in: Forschungsarbeiten auf dem Gebiet
des Eisenbahn- und Straßenoberbaues,
München 1974.
[7] Lempe, Ulrich: Dynamischer Schubmodul und Dauerschubfestigkeit bituminös
gebundener Baustoffe – Ermittlung und
Einfluss auf den Beanspruchungszustand
bituminöser Straßenbefestigungen; Straßenbau und Straßenverkehrstechnik Heft
130, 1972.
[8] Leykauf, Günther, Birmann, Dieter,
Uwe Willberg: Stoffkennwerte einer HGT
mit Zusatz von Bitumenemulsion (BMVBW
FE 08. 152/1998/NGB), Forschungsbericht
1841 vom 13. 10. 2000.
[9] Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen, Arb. Asphaltstraßen
(Hrg.): Technische Prüfvorschrift, Verhalten
von Asphalten bei tiefen Temperaturen,
Ausgabe 1994.
[10] Lempe, U., Maleki, N.: Die experimentelle Ermittlung thermischer Spannungen,
Zugfestigkeiten und des Relaxationsvermögens von Gussasphaltbelägen bei tiefen
Temperaturen; Bitumen 47 (1985), Heft 1,
S. 15–19.
[11] Eisenmann, J., Birmann, D.: Experimentelle Untersuchung des Abriebes und
der Erosion von gebundenen Tragschichten
unter Betondecken; Erosion zementgebundener Tragschichten unter Betondecken;
Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik Heft 725, 1996.
[12] Birmann, D.: Erosion von Asphalttragschichten unter Betondecken. Bitumen 55
(1993), Heft 1, S. 18–22.
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