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Foamed bitumen and cement stabilized mixes. Characteristics and pavement design

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[Quelle: https://d-nb.info]

In Anbetracht der zunehmenden Bedeutung negativer Umweltauswirkungen von Bau- und Sanierungsmaßnahmen und die effizientere Nutzung der Ressourcen im Verkehrssektor haben verschiedene alternative Lösungen und Ansätze an Aufmerksamkeit gewonnen. Die Stabilisierungstechnologie ist eine der Methoden, die zur Herstellung von Materialien mit verbesserten Eigenschaften, geringerem Energieaufwand bei der Herstellung und höherem Anteil an recycelten Produkten eingesetzt werden kann und somit negative Umweltauswirkungen verringert. Durch die Verwendung von Schaumbitumen und Zement als Bindemittel kann ein Verbundprodukt aus verschiedenen Arten von granularem Ausgangsmaterial hergestellt werden. Schaumbitumen und zementstabilisiertes Material (FCSM) hat eine höhere Tragfähigkeit als das Ausgangsmaterial, ist weniger feuchtigkeitsempfindlich und bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flexibilität (aufgrund von Bitumen) und Steifigkeit (aufgrund von Zement). Es kann Verwendung finden, um eine schnellere Bauzeit, einen höheren Anteil an rezyklierten Zuschlagstoffen, eine niedrigere Produktionstemperatur und damit geringere Emissionen zu erreichen. Das Verständnis des Materialverhaltens ist notwendig, um das Beste aus den genannten Vorteilen herauszuholen und optimale Eigenschaften auf der Grundlage der Anforderungen des jeweiligen Projekts zu erzielen. Derzeit ist die Nutzung des Materials in Deutschland vor allem aufgrund des Mangels an nationalen Erfahrungswerten begrenzt. Neben anderen Parametern spielt die Menge der beiden Bindemittel (Schaumbitumen und Zement) eine große Rolle für die Eigenschaften des resultierenden Materials. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde versucht, dieses Material genauer zu untersuchen und die Auswirkungen der beiden Bindemittel auf die mechanischen und leistungsbezogenen Eigenschaften zu bewerten und sie in den bestehenden nationalen Analyseansatz für die Dimensionierung zu integrieren. Der Ansatz bestand darin, so weit wie möglich die bestehenden Methoden und das in Deutschland vorhandene Wissen anzuwenden. Im ersten Teil wurden Proben mit unterschiedlichen Kombinationen von Bitumen- und Zementgehalt, aber dem gleichen Ausgangsmaterial und der gleichen Mischgutabstufung hergestellt. Indirekte Zugversuche im statischen und zyklischen Modus, bei verschiedenen Temperaturen und Frequenzen wurden durchgeführt, um die Festigkeit, Steifigkeit und das Verhalten der Mischungen bei zyklischer Belastung (Ermüdung) zu bewerten. Der Vergleich der Steifigkeitsfunktionen verschiedener Mischgutkombinationen zeigte, dass die Wirkung des Zements auf die Erhöhung der Steifigkeit dominanter ist als die des Bitumens. Es wurde gezeigt, dass die Höhe der Poissonzahl ein wichtiger Faktor bei der Anwendung des indirekten Zugmodus für die Steifigkeitstests ist. Die Poissonzahl wurde bei verschiedenen Temperaturen für alle Mischungskombinationen bestimmt und ihr Einfluss auf die Steifigkeitsfunktionen bewertet. Der Vergleich der Hauptkurven mit dem Referenz-Heißmischasphalt zeigte eine geringere Temperaturabhängigkeit dieser Mischungen. Die Ergebnisse der mehrstufigen Steifigkeitsprüfungen zeigten, dass neben der Temperatur und der Belastungsrate auch die Höhe der Spannung (oder Dehnung) im Test die Materialreaktion beeinflusst. Die Ergebnisse der mehrstufigen Steifigkeitsprüfungen zeigten, dass sich nach der ersten Stufe ein Zustand der Steifigkeitsnachgiebigkeit einstellt, bei dem die Steifigkeit nur von der Temperatur abhängt und bis zum maximalen Dehnungsniveau gültig ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Materialverhalten eine Kombination aus bituminösem Verbund und körnigem, ungebundenem Material ist. Die Ergebnisse der Ermüdungstests zeigten eine gute Korrelation zwischen dem Verhältnis von Zement zu Bitumen und der Steigung der Ermüdungslinie. Es wird empfohlen, den Zementgehalt niedrig zu halten (normalerweise 1 % und nicht mehr als 1,5 % der Trockenmasse der Zuschlagstoffe). Basierend auf den Versuchsergebnissen dieser Untersuchung kann ein Bitumenanteil von mehr als 3 % zu einem Material führen, bei dem die Ermüdung als primäre Versagensart angesehen werden kann. Im zweiten Teil wurden die gewonnenen Erkenntnisse für die Entwicklung eines analytischen Dimensionierungsentwurfs für Beläge mit FSCM-Schicht verwendet. Es wurde ein Modell entwickelt, das beide Verhaltensweisen des Materials berücksichtigt. Seine Parameter können anhand der Steifigkeits-Hauptkurve und der Ergebnisse von mehrstufigen Steifigkeitsprüfungen (eine Temperatur und Frequenz) bestimmt werden. Das Modell wurde angewandt, um die Steifigkeit bei verschiedenen Temperaturen und horizontalen Dehnungsstufen als Eingabeparameter in eine linear-elastische Belagsplanungssoftware zu bestimmen. Außerdem wurde ein Verschiebungsfaktor bestimmt, um die Laborergebnisse zur Ermüdung mit der Lebensdauer des Belags zu verknüpfen. Unter Berücksichtigung der Dimensionierungsergebnisse mit verschiedenen Materialmodellen wurde eine dreistufige Dimensionierungsmethode entwickelt, die auf dem Niveau der verfügbaren Materialdaten und der erforderlichen Genauigkeit der Dimensionierung basiert. Durch die Nutzung der Erkenntnisse und entwickelten Methoden dieses Forschungsprojektes ist es nun möglich, FCSM-Mischungen herzustellen, Probekörper zu präparieren, diese zu prüfen, die erforderlichen Eingangsparameter zu bestimmen und die Dimensionierung von Fahrbahnaufbauten mit dieser Bauart in Deutschland durchzuführen. Dies sind die Grundlagen für weitere Forschungen und Entwicklungen zu diesem Baustoff und dieser Bauweise in Deutschland.

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F. Schmidt-Döhl, L. Franke, C. Jehn
Nachträgliche Alkaliaufnahme der Betondecken von Verkehrswegen und der Prüfkörper in Performance-Tests infolge von Taumittel-Beaufschlagung. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3330
2016, 52 S., 26 Abb. u. 43 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Straßenbau besteht durch ein hohes Verkehrsaufkommen die Forderung nach dauerhaften Fahrbahndecken, die einer hohen Belastung standhalten. Fahrbahndecken aus Beton sind hierbei gegenüber Asphaltdecken im Vorteil. Zudem gewährleistet die Helligkeit der Betone eine erhöhte Verkehrssicherheit. Jedoch gibt es auch Nachteile, die dieser Baustoff mit sich bringt und die in Form von Schäden und damit verbundenen Kosten manchmal erst nach Jahren ans Licht gelangen. Der in den Medien in diesem Zusammenhang verwendete Begriff ?Betonkrebs? bezeichnet Schäden auf Grund einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). In Deutschland stehen 350 km Autobahnfahrbahn unter Verdacht an dieser ?Krankheit? zu leiden. Betonfahrbahndecken sind Bedingungen ausgesetzt, die eine schädigende AKR begünstigen: Feuchteeinwirkung, Zufuhr von Alkalien durch Streusalze im Winter sowie große lastabhängige Beanspruchungen. In Performance-Prüfungen konnte durch Alkalizufuhr von außen die schädigende Wirkung von Natriumsalzen gezeigt werden. Alkalien in Betonen reagieren unter bestimmten Voraussetzungen mit reaktionsfähiger Kieselsäure aus der Gesteinskörnung zu einem Gel, welches sich unter Volumenzunahme bildet und so zu erheblichen Schäden in Bauwerken führt (Alkali-Kieselsäure-Reaktion). Bereits seit 1974 existiert in Deutschland eine Richtlinie zur Vermeidung solcher Schäden. Trotz dieser Vorkehrungen stellt die Alkali-Kieselsäure-Reaktion gerade im Betonstraßenbau ein Problem dar, denn durch Streusalze werden im Winter von außen zusätzliche Alkalien zugeführt. Die dynamische Beanspruchung der Fahrbahndecken erzeugt außerdem Pumpeffekte und dadurch beschleunigte Transportprozesse im Inneren des Betons. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Anreicherung des Alkaligehaltes im Bindemittel der Betone infolge von Taumittel-Beaufschlagung zu ermitteln. Dazu werden Bohrkerne aus alkaligeschädigten Betonfahrbahnen entnommen und untersucht. Mit einem neu entwickelten Analyseverfahren wird das Na2O-Äquivalent des Bindemittels in verschiedenen Tiefen der

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Ulrich Book, Frank Huppertz, Jürgen Neisecke
Entwicklung von verlässlichen Prüf- und Bewertungskriterien für das Verschleißverhalten und die Dauerhaftigkeit rissüberbrückender OS-Beschichtungen für befahrbare Betonflächen
Bauforschung, Band T 3208
2015, 102 S., zahlr. Abb., Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Beim Neubau und bei der Instandsetzung frei bewitterter Parkdecks werden als Betonschutz häufig rissüberbrückende Beschichtungssysteme verwendet. Für diesen Anwendungsfall kommen vor allem flexible Polyurethanharz- oder Polyurethan-Epoxidharzkombinationen zum Einsatz. Diese Werkstoffe besitzen niedrige E-Moduln und hohe Reißdehnungen und sind somit sehr flexibel und weich eingestellt. Trotzdem findet man bei solchen Beschichtungssystemen in der Praxis häufig - vor allem in mechanisch hoch belasteten Bereichen, wie z. B. Kurven, Auffahrten, Rampen und Spindeln - immer wieder typische Verschleißschäden in Form von Rissen und Schichtdickenabbau bis hin zum völligen Versagen des gesamten Oberflächenschutzsystems. Das Verschleißverhalten dieser befahrenen, rissüberbrückenden OS-Systeme hängt von einer Vielzahl unterschiedlicher Beanspruchungs- und Werkstoffparameter ab. Bisherige Prüfverfahren, die die Befahrbarkeit eines Bodens simulieren, beruhen hingegen noch stark auf Empirie sowie auf den jeweiligen Erfahrungen von Herstellern und Anwendern derartiger Systeme. Es ist daher davon auszugehen, dass zurzeit keine allgemein gesicherte Prüfmethode verfügbar ist, welche weder die Dauerhaftigkeit in Bezug auf die Beanspruchung aus dem Fahrverkehr zuverlässig nachweisen kann noch irgendwelche praxisrelevanten Aussagen zum Verschleißverhalten während der Verkehrsbelastung ermöglicht. In dem vom DAfStb geförderten Forschungsvorhaben sollte daher nach einer detaillierten Vorstudie grundsätzlich geklärt werden, wie und unter Nutzung von welchem der bisherigen Prüfverfahren sowohl die Größe des Verschleißes als auch - als ganz wesentliche Erkenntnis - dessen zeitlicher Verlauf an OS-Systemen zerstörungsfrei ermittelt und dokumentiert werden können.

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Zeitschriftenartikel

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Voß, Karl-Uwe
Guidance on the design and installation of paved concrete gutters (Part 2) (kostenlos)
BFT International, 2022

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Wellner, Frohmut; Zeißler, Alexander
Baustoff- und strukturoptimierte Asphaltbefestigungen
Straße + Autobahn, 2022

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Garrecht, Harald
Potentials for future infrastructural projects. Slip-form paving in road construction
BFT International, 2020

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Voß, Karl-Uwe
Root causes of green deposits and foliage effects on concrete block pavements
BFT International, 2020

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Seitz, Peter
940 Meter unter Dach und Fach
Tec 21, 2020

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Highlights aus dem Programm 2022