Bodenbewegung für den JadeWeserPort Wilhelmshaven

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1 ISSN Mai Bodenbewegung für den JadeWeserPort Wilhelmshaven Straßenbau Prozesssicherer Automatisierter Straßenbau (PAST) Arbeiten bei der Straßenerhaltung Dynamische Modellierung von Betondecken Asphaltieren nach REACH-Registrierung von Bitumen Persönliche Schutzausrüstung Warnkleidung Erdbau/Verdichtung Infrastrukturbau + Baugrundverbesserung

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3 Heft Jahrgang Mai 2011 Fachzeitschrift der Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft Prävention Bau des JadeWeserPort Wilhelmshaven (Foto: Josef Möbius Bau-AG) Verlag: Erich Schmidt Verlag GmbH & Co. KG Süddeutsche Zweigstelle, Paosostraße 7, München Telefon (0 89) , Fax (0 89) Verantwortlicher Schriftleiter: Klaus-Richard Bergmann, Geschäftsführer der Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft Redaktion: Dipl.-Ing. Bernhard Arenz, Leiter der Prä ven tion der BG BAU Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Blaasch, Dipl.-Ing. Ramona Bischof, Post anschrift: München, Ortsanschrift: Landsberger Straße 309, Mün chen, Telefon (0 89) (App. 818), Fax (0 89) oder -829 Die mit Namen oder Initialen gezeichneten Beiträge entsprechen nicht in jedem Fall der Meinung der BG BAU Prävention. Für sie trägt die BG BAU Prävention lediglich die allgemeine pressegesetzliche Verantwortung. Vertrieb: Erich Schmidt Verlag GmbH & Co. KG, Süddeutsche Zweigstelle, Paosostraße 7, München, Telefon (0 89) , Fax (0 89) Konto: Berliner Bank AG, Kto.-Nr (BLZ ) IBAN: DE BIC(SWIFT): DEUTDEDB110 Bezugsbedingungen: Bezugsgebühren im Jahresabonnement 42, /sfr 60, ; für in Aus bildung be findliche Bezieher jährlich 21, /sfr 24, (gegen Vorlage einer Studien- bzw. Ausbildungs bescheinigung); Einzelbezug je Heft 4, /sfr 6, (jeweils einschließlich 7 % Mehrwertsteuer und zzgl. Versand kosten). Die Bezugs gebühr wird jährlich im Voraus er hoben. Abbestellungen sind mit einer Frist von 2 Monaten zum 1.1. jeden Jahres möglich. Preise für gebundene Ausgaben früherer Jahrgänge auf Anfrage. Die Zeitschrift ist auch als ejournal erhältlich, weitere Informationen unter Bei den Mitgliedsbetrieben der BG BAU ist der Bezugs preis im Mit glieds beitrag enthalten. Anzeigen: Erich Schmidt Verlag GmbH & Co. KG, Süddeutsche Zweigstelle, Paoso straße 7, München, Telefon (0 89) , Fax (0 89) Es gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 46, die auf Wunsch zugesandt wird. Der Anzeigenteil ist außer Verantwortung der Schriftleitung. ISSN: Gesamtherstellung: PC-Print GmbH, Infanteriestraße 11a, Haus A1, München IVWgeprüfte Auflage Inhalt Bodenbewegung für den JadeWeserPort Wilhelmshaven Qualitätsverbesserungen beim Asphaltstraßenbau vom Mischwerk zum Fertiger (Teil 1) Vorbereitende Arbeiten bei der Straßenerhaltung Fräsen und Reinigen der Unterlage Neuer Ansatz zur dynamischen Modellierung von Betondecken unter realen Bedingungen Punktuelle und vollflächige Oberflächenbehandlungen in der Straßenerhaltung Weiter asphaltieren auch nach der REACH-Registrierung von Bitumen Warnkleidung Überarbeitete BGI/GUV-I Einsatz von Geokunststoffen bei technischen Sicherungsmaßnahmen zum Boden- und Grundwasserschutz bei Infrastrukturbaumaßnahmen Dynamische Baugrundverbesserung durch den Einsatz schwerer Polygonwalzen 38 Fachbereich Bauwesen Verkehrssicherheitstag Familien-Event mit Tipps für den Alltag Stichwort Recht Fachausschüsse Bau und Tiefbau Prüf- und Zertifizierungsstelle im DGUV Test Mitteilungen aus der Industrie Veranstaltungen Buchbesprechungen

4 Bodenbewegung für den JadeWeserPort Wilhelmshaven Dr.-Ing. Volker Herwig, Hamburg In Wilhelmshaven wird einer der größten Tiefseewasserhäfen Deutschlands gebaut. Die ca. 290 ha große Hafenfläche, die in einer Bauzeit von etwa 3 Jahren entsteht, ragt im Schutz von Dämmen ca. 1,8 km weit in die Jade hinein und schließt mit der Kaje am Fahrwasser ab. Der Geländesprung von über 27 m wird hier mit einer kombinierten Spundwand abgefangen. Bereits nach einer Bauzeit von nur 2 Jahren wurden 90 % des benötigten Füllmaterials in die Fläche eingespült und die Kajenwand hergestellt. Anforderungen an die Lagerungsdichten der Flächenaufhöhung konnten allein durch den Einspülprozess für die bereits übergebene erste Teilfläche erreicht werden. Die Bundesländer Niedersachsen und Bremen beauftragten im Jahr 2008 die Arbeitsgemeinschaft der Firmen Johann Bunte GmbH (techn. Geschäftsführung), Josef Möbius Bau-AG (kfm. Geschäftsführung), Heinrich Hecker GmbH sowie Ludwig Voss GmbH mit dem Bau des JadeWeserPorts. Die Bauleistung umfasst ein Volumen von 480 Mio. und stellt zusammen mit der Straßen- und Schienenanbindung eines der größten Infrastrukturmaßnahmen der letzten 50 Jahre in Norddeutschland dar. Der JadeWeserPort wird der erste deutsche Tiefseewasserhafen sein, an dem an 4 Liegeplätzen gleichzeitig künftige Containerschiffsgenerationen von mehr als TEU (Standardcontainer) bei einem Tiefgang von 16,5 m tideunabhängig abgefertigt werden können. Im Herbst 2011 soll bereits der erste Kilometer der insgesamt 1,725 km langen Kaje für den Betrieb freigegeben werden. Terminrahmen Die Dauer von der Planung bis zum Bau und dem Abschluss der Baumaßnahme unterlag einem starken Zeitdruck. Mit der Planung des JadeWeserPorts wurde im Herbst 2001 begonnen. Der Submissionstermin erfolgte daraufhin bereits am Die 2 Monate später vorgesehene Vergabe fand auf Grund eines eingeleiteten Vergabeverfahrens endgültig am , also 1 1 /3 Jahre später, statt. Mit den Bauarbeiten zum JadeWeserPort konnte nach der uneingeschränkten Ausführungsfreigabe im Frühjahr 2008 begonnen werden. Trotz der terminlichen Verschiebung des Baubeginns blieben die Fertigstellungstermine erhalten. Durch die zusätzliche Be auftragung einer Beschleunigungsmaßnahme konnte der Bauablauf entsprechend der im Folgenden aufgeführten Fertigstellungstermine eingehalten werden: südliche Terminalfläche (1.000 m 2 ) , restliche Terminalfläche , Übergabe 500 m Kaje , Übergabe restliche Kaje , Fertigstellung Nassbaggerung , Fertigstellung Restarbeiten Projektdaten Der JadeWeserPort stellt mit seiner Lage direkt am Jadebusen einen geeigneten Stand ort für den Bau eines Tiefseewasser - hafens dar. Die Herstellung der zukünftigen Hafenfläche erfolgt durch eine Sandaufspülung im Schutz von Nord- und Süddamm ca. 2 km weit in die Jade hinein und schließt mit der Kaje in unmittelbarer Nähe zum Fahrwasser ab. Die zukünftige Hafenfläche unterteilt sich in den 120 ha großen Terminalbereich und in eine hafennahen Logistikzone, die eine Größe von 170 ha aufweist. Umfasst wird die Fläche von dem ca. 1,95 km langen Nordund dem 1,1 km langen Süddamm sowie von Abb. 1: Gesamtübersicht des Projekts der 1,725 km langen Kaje. Im Süden der Fläche erfolgt eine direkte Autobahnanbindung, während über den nördlichen Bereich der Schienentransport geregelt wird. Der Norddamm wird auf Grund seiner exponierten Lage im Wellenbereich der Nordsee bis zu einer Höhe von + 8,5 mnn hergestellt und gemäß der Deichbaurichtlinien mit entsprechenden Deckwerkssteinen gesichert. Durch seine geschützte Lage im Wellenschatten des Hafens reicht für den Süddamm eine Höhe von + 7,5 mnn aus. Eine Sicherung des Dammes erfolgt auch hier mit Deckwerkssteinen. Die Hafenfläche wird im Osten zum Jadefahrwasser von der Kaje eingegrenzt. Die Sollhöhe des Kajenbereichs beträgt + 7,5 mnn. Die Sohltiefe des Zufahrtsbereichs wird auf 20,1 mnn ausgebaggert. Ein exemplarischer Regelquerschnitt der Kaje ist in der Abbildung 2 dargestellt. Zum Abfangen des Geländesprungs von 27,6 m kommt eine kombinierte Spundwand zum Einsatz, deren Tragbohlen eine Länge von bis zu 43,0 m aufweisen. Die zwischen den Tragbohlen angeordneten Füllbohlen wurden mit Vortrag auf der Erd- und Grundbautagung 2010 der Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen (FGSV), 9./ in Köln 2 + Erdbau BauPortal 5/2011

5 Hafenfläche (inkl. Dämme) Sand zur Flächenaufhöhung 48 Mio. m 3 Dammschüttmaterial (0 200 mm) t Wasserbausteine t Kleiabdeckung m 3 Kaje Tragbohlen Füllbohlen Ankerpfähle Dalben- und Fenderrohre Betonstahl t t t t t Beton m 3 Tabelle 1: Mengen- und Massenzusammenstellung der verwendeten Baustoffe Abb. 2: Kajenquerschnitt (Station K bis K 0+150) einer Länge von bis zu 30,5 m in den Lauenburger Ton abgesetzt. Sandgewinnung und Aufspülarbeiten Der Bedarf zur Aufhöhung der Hafenfläche beträgt ca. 48 Mio. m 3 Füllmaterial und wird überwiegend aus den folgenden Entnahmestellen in der Jade und dem Wangerooger Fahrwasser gewonnen: Sandentnahme Nord 11,7 Mio. m 3, Sandentnahme Süd 23,2 Mio. m 3, Entnahme Fahrrinne 7,5 Mio. m 3, Entnahme Zufahrtsbereich 5,2 Mio. m 3, Entnahme Wangerooger Fahrwasser 0,4 Mio. m 3. Die endgültig benötigte Menge kann nur nach dem Abschluss der Nassbaggerarbeiten bestimmt werden, da erst dann die eingetretenen Setzungen (Primär- und Sekundärsetzungen) auf Grund der entsprechenden Messungen bekannt sind. Diese erfolgen mit Hilfe von Setzungsplatten, die vor Baubeginn lagegenau auf der Gewässersohle in einem Raster von 100 m verlegt wurden und deren Lage während und nach der Flächenaufhöhung durch Drucksondierungen detektiert wird. Die Sandgewinnung erfolgt mit 6 Nassbaggergeräten, von denen die Fa. Josef Möbius Bau-AG 5 und die Fa. Johann Bunte GmbH 1 Gerät bereitstellt. Den größten Anteil der Nassbaggergeräte bilden die Schneidkopfsaugbagger (Pirat 10, M 30 und M 28). Hier wird der Boden mit einem Schneidkopf, der sich am Ende eines Saugrohrs befindet, ge - löst. Die Lage des Schneidkopfs wird über Geber gemessen und an Hand von GPS-Empfängern genau bestimmt sowie protokolliert. Das Saugrohr wird vom Bug der schwimmenden Einheit mit Winden auf eine vor - gegebene Tiefe abgelassen. Durch einen am Heck abgesenkten Pfahl und über 2 steuerbare Ankerwinden am Bug des Baggers können halbrunde Schnitte geführt werden. Ein zweiter Pfahl am Heck, der sich auf einer beweglichen Schiene befindet, dient allein der Vorwärtsbewegung dieser Einheit. Mit Pumpen wird der gelöste Boden zusammen mit Wasser in einem Gemisch von ca. 1:4 angesaugt und über Spülrohrleitungen zur Hafenfläche transportiert. Des Weiteren kommt auf der Baustelle auch ein reiner Saugbagger (M 8) zum Einsatz. Die Verfahrensweise der Sandgewinnung ähnelt dem der Schneidkopfsaugbagger. Bei locker bis mitteldicht gelagertem Sand, der unter Wasser zum Fließen neigt, kann hier der Boden direkt ohne Lösevorgang angesaugt Abb. 3: Lageplan der Sandentnahmestellen in der Jade werden. Das Material wird anschließend über Spülrohrleitungen oder mit Transportschiffen, die eine eigenständige Entladung und daher auch als selbstfahrende Klappschuten bezeichnet werden, transportiert. Die zuvor beschriebenen Schneidkopfsaugbagger sind bei geeigneten Böden durch Umbaumaßnahmen auch als Saugkopfbagger einsetzbar. Weiterer Sand wird durch 2 selbstfahrende Laderaumsaugbaggerschiffe (Keto und Josef Möbius), die auch als Hopper oder Hopperbagger bezeichnet werden, gewonnen und transportiert. Bei diesen Geräten wird an der Schiffsseite die Saugleiter mit den am Ende befindlichen Schleppköpfen zum Lösen von Boden auf die Gewässersohle abgelassen. Die Bestimmung der Schlepptiefe erfolgt hier mit Hilfe von Gebern, die mit einer GPS- Anlage verbunden sind. Eine kontinuierliche Protokollierung dieser Daten ist gewährleis tet. Bei geringer Fahrt wird das über die BauPortal 5/ Erdbau 3

6 Abb. 4: Schneidkopfsaugbagger Abb. 5: Laderaumsaugbaggerschiff (Hopper) Abb. 6: Stelzenbagger auf dem Grund gezogenen Schleppköpfe ge - löste Baggergut über Kreiselpumpen in den zwischen und m 3 fassenden Lade raum befördert. Überschüssiges Spülwasser wird hier unmittelbar durch Überläufe abgelassen. Die Entleerung der Hopper erfolgt auf der Baustelle überwiegend an stationär angeordneten Spül rohrleitungen, die an das Schiff angekoppelt werden und den Sand in das Spülfeld transportieren. Der Einsatz der Nassbaggergeräte richtet sich nach der Entfernung zum Spülfeld und nach der Bodenbeschaffenheit. Leicht lösbare Sedimente, wie z.b. Sand, werden ausschließlich mit dem Saug- oder den beiden Hopperbaggern gefördert, während die Schneidkopfsaugbagger auch in der Lage sind, schlecht lösbare Böden wie Beckenschluff zu gewinnen. Der Lauenburger Ton (ca. 4 Mio. m 3 ), der teilweise im Zufahrtsund Fahrrinnenbereich vorliegt, wird mit einem Stelzenbagger (M 40) gelöst. Dieses Gerät besitzt eine Baggerschaufel von bis zu 14,5 m 3 Fassungsvermögen und ist in der Lage, den Boden bis zu einer Tiefe von 28 m zu lösen. Der gebaggerte Lauenburger Ton wird mit selbstfahrenden Schuten zur Verklappstelle gebracht. Die Spülleistung der Nassbaggergeräte ist in der Abbildung 7 dargestellt. Entsprechend der Jahreszeit und dem anfallenden Boden sowie der durchgeführten Gerätewartungen fallen die Leistungen unterschiedlich aus. So konnte im Sommer 2009 für einen längeren Zeitraum über 1 Mio. m 3 Füllboden pro Woche in die Hafenfläche eingespült werden. Im Winter 2009/2010 wurde die Spülleistung auf Grund von Eisgang und Dauerfrost drastisch behindert. Die in einem Zeitraum von 2 Jahren geförderte Leistung be - trägt bereits jetzt ~ 90 % des Gesamtbedarfs. Anforderungen Die Hafenfläche wird aus Boden aufgespült, der überwiegend aus Sand mit unterschiedlichen Schluff- und Tonbeimengungen in den Entnahmestellen ansteht. Im Zufahrts- und Fahrrinnenbereich kommen zudem Beckenschluffe und Lauenburger Ton vor. Der in den Hafenbereich eingebrachte Sand unterliegt hinsichtlich des Schluffgehaltes unterschiedlichen Anforderungen. So darf in einem 60 m breiten Streifen hinter der Kaje lediglich Sand mit einem geringen Schluffgehalt von weniger als 5 % eingebaut werden (Abb. 8). Dieser Umstand ist der Kajendimensionierung geschuldet. Für den übrigen Bereich des Container Terminals ist ein Spülsand mit weniger als 10 % Feinstkornanteil vorgesehen. Böden mit einem höheren Gehalt an Schluff und Ton können hingegen in den Bereich der Logistikzone verbracht werden. Gänzlich ungeeigneter Boden, wie z.b. Lauenburger Ton, wird entweder als Deich abdeckmaterial eingesetzt oder in Unterwasser-Deponien verbracht. Die geforderte Sandqualität setzt eine zeitnahe Erfassung der Bodenbestandteile voraus. Daher werden mehrmals täglich von den Nassbaggergeräten und im Spülfeld Proben genommen, um anschließend deren Korn verteilung im eigens auf der Baustelle Tabelle 2: Vergleich von Lagerungsdichte D und Schlagzahl N 10 (DPH-15) bis 4,0 unter GOK eingerichteten Labor zu bestimmen. Die Er - geb nisse dieser Eigenüberwachung erlauben eine gezielte Steuerung des Spülstroms. Der in die Fläche eingespülte Sand wird von Raupen gleichmäßig und kontinuierlich verteilt, so dass eine zusätzliche Nachverdichtung des Materials von der ARGE lediglich optional vorgesehen ist. Hinsichtlich der Lagerungsdichten im Terminalbereich gilt die in der Abbildung 9 zusammengefassten Anforderungen einzuhalten. Die Grundlage der Überprüfung stellt die Tabelle 7 der ZTV E-StB 94 dar. Die ARGE sah vor, den Nachweis der Lagerungsdichte mit Rammsondierungen (DPH- 15) durchzuführen. Da mit dieser Methode jedoch weder die oberflächennahe noch die Verdichtung in größeren Tiefen (> 6,5 m) erfasst wird, wurde das Messprogramm er - gänzt. Die Lagerungsdichte der Oberfläche wurde an allen Punkten mit Hilfe einer Troxlersonde nachgewiesen, während die Ermittlung der Dichte in größeren Tiefen in Abstimmung mit dem Bauherren stichpunktartig mittels Drucksondierungen erfolgte. Alle Nachweisverfahren wurden in verschiedenen Prüffeldern an mehreren Punkten und in unterschiedlichen Tiefen mit Hilfe von Ergebnissen der Lagerungsdichte gemäß DIN (Ausstechzylinderverfahren) kalibriert. Die Kalibrierungsergebnisse sind in der Tabelle 2 für die oberen 4 m der Flächenaufhöhung zusammengestellt. Die in der Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die mittels Ausstechzylinder Anforderung D 0,7 Lagerungsdichte D Schlagzahl N 10 arithmetisches Mittel 0,97 10 Standardabweichung 0, %-Mindestquantil 0, %-Höchstquantil 1,18 13 Anforderung D > 0,5 Lagerungsdichte D Schlagzahl N 10 arithmetisches Mittel 0,91 11 Standardabweichung 0, %-Mindestquantil 0, %-Höchstquantil 1, Erdbau BauPortal 5/2011

7 Abb. 8: Korngrößenbereich der eingespülten Sande im Terminalbereich ermittelten Lagerungsdichten deutlich über den geforderten Werten liegen. Teilweise wurden Lagerungsdichten von D > 1,0 er - reicht, ohne dass zuvor eine zusätzliche Verdichtung des eingespülten Sandes erfolgte. Für den Nachweis der hohen Lagerungsdichte D 0,7 wurden mit der Rammsonde weniger als 8 Schläge benötigt. Bereits 3 Schläge reichten für den aufgespülten Sand aus, um eine Lagerungsdichte von D > 0,5 nachzuweisen. Die erste Teilfläche wurde bereits Ende 2009 an den Bauherren übergeben. Der Nachweis der Lagerungsdichte wurde hier mit den zuvor beschriebenen Verfahren durchgeführt. Sehr geringe Schlagzahlen (N 10 < 5) bei hohen Lagerungsdichten stellten die Nachweisführung mit der schweren Rammsonde für den am JadeWeserPort eingespülten Sand jedoch in Frage, so dass ergänzende Drucksondierungen vorgenommen wurden. Die Abbildung 10 zeigt, dass mit der Rammsonde im Bereich der zu erbringenden Lagerungsdichte von D 7 lediglich geringe Schlagzahlen anfielen, obwohl die Dichte an einem Ausstechzylinder bei 5,5 m NN be - reits eine Lagerungsdichte von D = 0,97 aufwies. An gleicher Stelle wurde mit der Drucksonde ein Spitzendruck von ca. 10 MN/m 2 erzielt. Auf Vorschlag des Baugrundgutach- Abb. 7: Spülleistung der Nassbaggergeräte (Aufzeichnung der Dichtemessanlage DMA) Abb. 10: Gegenüberstellung von Ramm- und Drucksondierung Abb. 9: Anforderung an die Lagerungsdichte des in die Terminalfläche eingespülten Sandes BauPortal 5/ Erdbau 5

8 ters einigte man sich darauf, künftig alle weiteren Nachweise mittels Drucksondierungen durchzuführen. Die Lagerungsdichte wird hier durch eine spannungsabhängige Auswertung des Spitzendrucks nach Lune (et al. 1997) nachgewiesen. Zum jetzigen Zeitpunkt wurden bereits weitere Flächen überprüft, bei denen mit der gewählten Auswertung des Spitzendrucks die geforderte Lagerungsdichte erreicht wird. Zusammenfassung Bereits 2 Jahre nach Baubeginn des Jade- WeserPorts wurden ca. 43,4 Mio. m 3 Boden in die Hafenfläche eingespült. Dies entspricht ca. 90 % der zu erbringenden Leistung. Die Träger und Spundwände (ca t Stahl) der Kaje wurden bereits komplett gerammt, so dass nur noch die Gründungs- und Betonarbeiten der Kajenkonstruktion ausgeführt werden. Der Süddamm ist auf der gesamten Länge hergestellt, und am Norddamm fehlt lediglich der Polderschluss. Im April 2010 werden auch diese Arbeiten abgeschlossen sein, so dass dann die Hafenfläche endgültig von der Nordsee abgetrennt ist. An Hand der Luftbildaufnahmen ist der Baufortschritt in einem Zeitraum von weniger als 2 Jahren dokumentiert. Abb. 11: Baustelle JadeWeserPort 5/2008 Literaturverzeichnis Lune, T.; Robertson, P. K.; Powell and J. J. M. (1997): Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. Spon Press, Taylor & Francis Group, London and New York, 1997, Reprinted 2001 Autor: Dr.-Ing. Volker Herwig, Josef Möbius Bau-AG Abb. 12: Baustelle JadeWeserPort 2/2011 Mit Fachinformationen 3-fach gut versorgt! Das Original: BauPortal (bisher TIEFBAU) informiert Sie monatlich auf über 60 Seiten zu Themen, wie Baubetrieb und Bauorganisation, Baumaschinentechnik, Bauverfahrenstechnik, Sicherheitstechnik und Arbeits- und Gesundheitsschutz. Im Internet: Unter stehen Ihnen über Fachartikel von 1996 bis 2009 sortiert nach über 100 Stichworten zum kostenlosen PDF-Download zur Verfügung. NEU! International: Unter steht Ihnen eine Auswahl von Fachartikeln aus dem BauPortal (bisher TIEFBAU) in Englisch zum PDF-Download zur Verfügung Erdbau BauPortal 5/2011

9 Qualitätsverbesserungen beim Asphaltstraßenbau vom Mischwerk zum Fertiger (Teil 1) Dipl.-Ing. Alfons Horn, Limburg Dipl.-Ing. (FH) Hanno Hameister, Dipl.-Ing. (FH) Daniel Pitzler und Dipl.-Ing. (FH) Manuel Cremer, Köln Eine intakte Verkehrsinfrastruktur ist für ein hochtechnisiertes Land von enormer Bedeutung. Durch einen stetig steigenden Personen- und Warenverkehr, können Weiterentwicklungen im Bau und Erhalt von Verkehrswegen das wirtschaftliche Wachstum maßgeblich beeinflussen. In Zeiten von Just-in-time-Lieferungen ist der Einfluss von Verkehrsengpässen wie Baustellen und den damit verbundenen Staus besonders groß. Nicht nur aus volkswirtschaftlicher Sicht sollte daher die Lebensdauer von Straßenbelägen erhöht werden. Durch die Privatisierung von Straßenabschnitten haben zunehmend auch Bauunternehmen ein großes Interesse an einer langfristigen Funktionserhaltung von Straßenbelägen, da dann das Konsortium für die Straßenerhaltung über einen längeren Zeitraum zuständig ist. Dieser Anforderung kann der Straßenbau auf Dauer nur gerecht werden, wenn die Bauweise, die Mischgutzusammensetzung, die Maschinentechnik und die Organisationsstruktur konsequent weiterentwickelt werden und auf der Baustelle prozesssicher zur Anwendung kommen. Abb. 1: Mischguttransport im Asphaltstraßenbau [1] Prozessfehler, welche die Funktionen der Straße beeinflussen, gilt es zu erkennen und zu vermeiden. Der Maschinenbediener muss beim Einbauprozess jederzeit eine Vielzahl an Einflüssen beachten und die Maschine daraufhin abstimmen. In der gesamten Prozesskette muss der Maschinenbediener bei der Entscheidungsfindung durch wichtige Prozessinformationen unterstützt und der Arbeitsprozess durch gezielte Automatisierung prozesssicher gestaltet werden. Notwendig wird dies v.a. durch die Forderung einer größeren Einbauleistung in verkürzter Zeit, um Verkehrsbehinderungen durch Baustellen so gering wie möglich zu halten. Um die größtmögliche Einbauqualität von Belagschichten aus Asphalt zu erreichen, ist es wichtig, den kompletten Einbauprozess vom Mischwerk bis zur Walze zu untersuchen, Fehler zu identifizieren und durch gesicherte wissenschaftliche Ansätze abzustellen. An diesem Punkt setzt das Forschungsprojekt Prozesssicherer Automatisierter Straßenbau (PAST) an, indem die Funktionseigenschaften der Verkehrswege wie lärm - arm, verkehrssicher und v.a. die Gebrauchsdauer dieser Bauwerke mit neuen Ansätzen der Automatisierungs-, Informationsund Maschinentechnik für den Bauprozess wesentlich verbessert werden sollen. Die Liegezeit von Verkehrswegen in der Asphaltbauweise soll durch eine wirtschaftliche und ganzheitliche Prozessbetrachtung auf Jahre erhöht werden. Die Besonderheit des Forschungskonsortiums besteht in der prozessübergreifenden Zusammenstellung, wobei nicht nur 5 Firmen die Prozesskette des Asphaltstraßenbaus vom Mischwerk bis zur Verdichtung durch die Walze abdecken, Nr. Benennung 1 Mischgutabgabeeinheit für Mischanlagen zur Vermeidung der Entmischungen während des Ladevorgangs des Mischgutfahrzeuges 2 Neuartige Lkw-Lademulden für Mischgut mit Thermospeichereffekt, integrierter Temperaturmess- und Kommunikationseinheit und mit einer entmischungsreduzierten Übergabeeinheit 3 Mess- und Kommunikationseinrichtung für die Prozesskette der Baustofflogistik (Mischanlage Lkw Fertiger) 4 Mess- und Kommunikationseinrichtung für den Straßenfertiger zur Mischgutaufnahme 5 Automatische elektro-hydraulische Andockeinrichtung mit integriertem Stoßabsorber zur Mischgutaufnahme 6 Neuartiger thermoisolierter Mischgutaufnahmebunker zur Reduzierung der Entmischung und Abkühlung des Mischgutes Tabelle 1: Zu entwickelnde Demonstratoren es tragen auch 3 Forschungseinrichtungen zum Gelingen des Projektes bei. Jeder Projektpartner blickt dabei auf jahrelange Erfahrungen in seinem Gebiet zurück. Insgesamt werden während des Forschungsvorhabens 15 Demonstratoren entwickelt (Tabelle 1), die maßgeblich zur Prozesssicherheit im Asphaltstraßenbau beitragen werden. 7 Neuartige modellgestützte intelligente Prozessregeleinrichtung der gesamten Mischgutlogistik eines Straßenfertigers 8 Thermoisolierte Mischgutförder- und Verteilereinrichtung für Straßenfertiger 9 Mess- und Kommunikationseinrichtung zur Tendenzbestimmung der Verdichtung am Straßenfertiger während der Arbeit 10 Mess- und Kommunikationseinrichtung zur Schichtdickenbestimmung am Straßenfertiger während der Arbeit 11 Neuartige Nivelliereinrichtung mit integrierter Schichtdickeneinstellung und -regelung für Straßenbaumaschinen 12 Anfahrautomatik zur Vermeidung von Anfahrunebenheiten 13 Temperaturmesssystem für die komplette Mischgutlogistik im Straßenfertiger 14 Ablegeautomat zur Ablage und Positionierung von metallischen Gegenpolen und geeignet als Trägermaterial für zukünftige intelligente Sensoren 15 Mess- und Kommunikationseinrichtung zur Belagsdicke und Mischguttemperatur an Walzen BauPortal 5/

10 Untersuchungen und Verbesserungen am Einbauprozess Lkw-Beladung am Mischwerk Setzt man eine normgerechte Asphaltproduktion voraus, beginnt die Prozesskette mit der Beladung des Lkw durch eine stationäre oder mobile Mischanlage. Außer der Produktionsqualität des Mischguts spiegelt sich auch die Art der Beladung später in der Qualität der Straße wider. Entmischungsfreies Beladen setzt voraus, dass über den gesamten Lkw-Querschnitt Asphalt mit konstanter Mischgutzusammensetzung eingefüllt wird. Ansatzweise wird dies durch das Schütten von mehreren Haufwerken erreicht. Durch dieses Vorgehen reduziert sich der Abstand vom Austrittkegel zur Lkw-Wand bzw. zum benachbarten Materialhaufen. Weiterhin wird der Vorgang durch die Reduzierung der Fallhöhe sowie durch eine gleichmäßig dosierte Verteilung auf der Ladefläche begünstigt. Das dynamische Trennen von Kornfraktionen einer Mischung wird als Entmischung bezeichnet und tritt auch beim Verladen von Asphalt auf die Lkw- Mulde auf (Abb. 2). Bei einer Schüttkegelbildung neigen die großen Partikel dazu, an den Schüttflanken nach unten zu rollen und tragen somit zur Inhomogenität des Mischgutes bei. Mit einer schwenkbaren Schurre an der unteren Öffnung des Verladesilos (Abb. 3) am Mischwerk soll das Mischgut mit geringerer Schüttkegelbildung verladen werden. Diese Schurre schwenkt abhängig vom Füllungsgrad der Halbschalen- oder Kastenmulde um die Fahrzeuglängsachse und kann besonders in den Außenbereichen die Entmischungszonen verringern. Transportfahrt zur Baustelle Die Transportfahrt mit dem Lkw stellt im Straßenbau einen Qualitätseinflussfaktor dar. Besonders die Mischguttemperatur und die Materialentmischung zwischen der Abfahrt an der Mischanlage und der Ankunft an der Baustelle, können sich abhängig von Transportdauer und Witterungseinflüssen nachteilig auf die Mischgutqualität auswirken. Infolgedessen wurden vom Forschungskonsortium umfangreiche Thermographieund Mischgutuntersuchungen vor und nach der Transportfahrt durchgeführt. Hier zeigte sich, dass besonders während der Transportfahrt eine Materialabdeckung von großer Wichtigkeit ist. Tests haben gezeigt, dass ein für nur 3 Minuten nicht abgedeckter Lkw einen Oberflächentemperaturverlust von 10 C verursacht. Die Abkühlung im Wandbereich und an der Oberfläche lässt sich durch eine Isolationsschicht von z.b. 10 cm Mineralwolle deutlich herabsetzen. Zusätzlich ist die Mulde mit polierten Blechen verkleidet. Diese Verkleidung ist notwendig, um die Isolationsschicht vor der Witterung zu schützen und Wärmestrahlung zu verringern. Das zusätzliche Gewicht von rd. 800 kg rechnet sich v.a. durch eine gleichbleibende Mischgutqualität, auch bei schwierigen Witterungsbedingungen. Zielführend für eine direkte Kontrolle der Mischguttemperatur ist die Anbringung von bis zu 3 Temperatursensoren an der Lkw- Mulde, um noch vor dem Abladen den Zustand des Mischgutes zu kontrollieren. Um einer Materialentmischung bei der Transportfahrt vorzubeugen wird derzeit untersucht, das Schwingungsverhalten der Mulde durch eine elastische Abstützung im Bereich der vorderen Muldenauflage zu verbessern (Abb. 4). Das Prinzip dieses Schwingungstilgers lässt sich grundsätzlich als Abb. 2: Entmischung durch Perkolation im vertikal geschüttelten Behälter [4] (links) Entmischung auf der Böschung durch den Siebeffekt [4] (rechts) Abb 3: Schwenkbare Mischgutabgabeschurre CAD Modell (links), beim Verladen von Asphalt (rechts) Schwingungsreduzierung durch Energieumlagerung mit Hilfe gefederter Zusatzmassen beschreiben. Die Mulde schwingt dabei nicht in Resonanz, da das 2-Massen-System andere Eigenfrequenzen als die jeweiligen Teilsysteme hat. Weil nur ein Tilgungspunkt möglich ist, wird der Tilger in der Praxis mit Dämpfung ausgeführt. Man erhält dadurch an Stelle der Tilgung bei einer Frequenz eine Schwingungsreduzierung innerhalb eines Frequenzbandes. Es ist derzeit noch offen, ob der Hubzylinder in Kombination mit einem hydraulisch/pneumatischen System oder separate Federelemente verwendet werden müssen. Mischgutübergabe Bei der Übergabe des Mischgutes vom Lkw zum Fertiger kommt es immer wieder zu Problemen. Diese liegen zum Einen in der Geometrie der Mulde und des Fertigers und zum Anderen in einer fehlerhaften Übergabetechnik begründet. Es gibt auf dem deutschen, aber v.a. auf dem internationalen Markt, eine Vielfalt an Lkw- Hinterkippern mit verschiedensten geometrischen Abmessungen. Um auf diese Spannbreite reagieren zu können, lässt sich die Kontaktstelle zwischen Lkw und Fertiger in einem gewissen Maße verstellen. Diese Ein- Abb. 4: Thermographieaufnahme (links), Schwingungstilger zwischen Mulde und Chassis (rechts) Abb. 5: Übergabefehler durch falsche Einstellung des Abdruckbalkens [1] 8 BauPortal 5/2011

11 stellmöglichkeit bieten die meisten Fertigerhersteller an, allerdings sind sie nur manuell zu bedienen. Das führt auf Grund des hohen Gewichtes des Balkens dazu, dass er in der Praxis nicht exakt auf den jeweiligen Lkw angepasst wird. Im Extremfall kann das zum Abkippen des Mischgutes vor den Fertiger oder zu einer nahen Positionierung am Fertiger und damit zu einer eingeschränkten Mischgutübergabe führen. Zur Prozessverbesserung wurde ein System entwickelt, welches sich hydraulisch auf den notwendigen Abstand einstellen lässt. Da der Balken automatisch verstellt wird, entlastet eine fahrzeugspezifische Justierung die Bedienmannschaft, allerdings sind dafür die geometrischen Informationen des jeweiligen Lkws notwendig. Aktuell findet der Informationsfluss auf der Baustelle ohne unterstützende Technik statt. Mit digitaler Übertragungstechnik lassen sich verschiedene Fehlerquellen vermeiden und die Mitarbeiter entlasten. So kann z.b. mit der Erkennung des Lkw und zusätzlich hinterlegten Parametern wie beschrieben der Abdruckbalken selbstständig auf die benötigte Länge eingestellt werden. Die Übertragung der Daten ist auf verschiedene Art und Weise möglich, beispielhaft seien Bluetooth oder WLAN genannt. Ergänzt werden muss diese Übertragung durch eine Fahrzeugerkennung, da sich mehrere Lkw in unmittelbarer Nähe des Fertigers befinden können und das System ansonsten gestört werden würde. Ist ein solches Datenübertragungssystem erst einmal eingerichtet, lassen sich weitere prozessrelevante Informationen damit übertragen. So sind die mischgutspezifischen Daten wie Zusammensetzung, Gewicht, Temperatur ab Mischwerk sowie die aktuelle Temperatur für den Einbau und zur Qualitätskontrolle wichtige Größen. Die aufbereiteten Daten werden dann jeweils allen prozessbeteiligten Maschinen und Personen zur Verfügung gestellt. Der Straßenfertiger als zentraler Aspekt in der Herstellung von Straßen stellt dabei die Schnittstelle der Daten vom Mischwerk bis zum letzten Walzübergang. Ein weiteres Problem, welches bei der Beschickung eines Fertigers auftreten kann, ist ein Kraftstoß zwischen Lkw und Fertiger. Durch diesen Impuls wird das Kräftegleichgewicht der Bohle verändert, so dass Einbaufehler auftreten können, welche auf Grund ihrer Intensität nicht mehr durch Walzen reversierbar sind. Dieser Effekt wurde auf Grund seiner Bedeutung gesondert untersucht. Dazu wurde mittels eines Scherkraftbolzens in der Lagerung des Abdruckbalkens eine Kraftmessung installiert, um den Effekt des Lkw-Kraftstoßes quantifizieren zu können. Hierbei ließen sich trotz moderatem Andocken des Lkws erhebliche Krafteinwirkungen auf den Fertiger erkennen. So ist der erste Impuls mit etwa 40 kn auf diesen Vorgang zurückzuführen. Der zweite Impuls hingegen ist der Beschleunigung des Lkws mittels des Fertigers geschuldet. Dieser Impuls ist nicht zu verhindern und hat mit über 80 kn einen Einfluss auf das Kräftegleichgewicht der Einbaubohle. Um die Problematik zu beseitigen, ist ein Feder-Dämpfersystem notwendig, um den Beschleunigungs prozess des Lkws zu verlängern und Abb. 6: Kommunikationsstruktur im Fertigungsprozess von Asphaltbelägen [2] damit den Impuls zu reduzieren. In der Abbildung 8 ist die verstellbare umgesetzte hydraulische Dämpfereinheit dargestellt. Neben der beschriebenen Problematik neigt das Mischgut bei der Übergabe dazu, sich zu entmischen. Das liegt an der Geometrie und Kinematik des Fertigerbunkers, da dieser sich nicht an die Muldenbreite anpassen lässt. Daher entstehen an den Flanken der Mischgutablage Schüttkegel, welche zu den verschiedenen im vorigen Abschnitt beschriebenen Entmischungsphänomenen führen. Verstärkt wird der Entmischungseffekt durch die Kinematik des Bunkers, da beim Zusammenklappen der Bunkerwände das Mischgut je nach Partikelform und Größe unterschiedlich schnell auf dem Kratzkettenförderer ge - langt. Zusätzlich kommt es in der Praxis häufig vor, dass die Mulde nicht nach jedem Lkw zusammengeklappt wird, sondern bereits der nächste Lkw seine Ladung abgibt bevor sämtliches Material aus dem Bunker gefördert wurde. Das führt dazu, dass abgekühltes Material in den Randbereichen des Bunkers verbleibt und erst zu einem späteren Zeitpunkt zur Bohle gefördert wird, was zu späteren Problemen bei der Verdichtung führt. Um diese Effekte zu vermeiden, wurde eine Mulde entwickelt, welche diesen Problema- Abb. 7: Kraftmessung am Abdruckbalken [3] Abb. 8: Verstellbarer hydraulischer Abdruckbalken Anordnung über 2 doppelwirkende Hydraulikzylinder (100 mm Verfahrweg, ± 3 Pendelwinkel) BauPortal 5/

12 tiken entgegenwirken soll. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Mulde nicht mehr rotatorisch, sondern translatorisch bewegt wird. Die veränderte Kinematik hat den Vorteil, dass sich die Bunkerwand optimal an die Lkw-Mulde anpassen lässt, wobei der Abstand zwischen Bunkerwand und der Lkw-Mulde dabei über eine berührungslose Abstandsmessung geregelt wird, so dass die gewünschten Funktionen erreicht werden. Dadurch kann die Bildung eines Schüttkegels an den Flanken vermieden werden. Zusätzlich lässt sich durch die translatorische Bewegung das Mischgut kontrolliert vom Boden des Bunkers räumen und es verbleibt kein Mischgut in den Randbereichen des Bunkers. Die entwickelte Geometrie und Kinematik wurde auf ihre Tauglichkeit mittels der Diskreten-Elemente-Methode untersucht. Die Diskrete-Elemente-Methode ist eine Partikelsimulation, die es ermöglicht, nahezu alle gebundenen und ungebundenen Schüttgüter in ihren Funktionseigenschaften abzubilden. In einer DEM-Simulation wird für jeden Zeitschritt das Kräftegleichgewicht eines jeden Partikels aufgestellt und über das Verformungsgesetz eine Relativbewegung zum nächsten Zeitschritt berechnet. Diese Analyse ergab eine deutliche Verbesserung der neuen Bunkerwände in Hinsicht auf die Entmischungstendenzen des Mischgutes daher wird die Konstruktion aktuell für einen Versuchsfertiger gebaut. Da die Entmischung nicht erst bei der Übergabe in den Fertiger, sondern auch in den vorherigen Prozessschritten entsteht, kann es vorkommen, dass bereits entmischtes Material an Abb. 9: Straßenfertiger mit translatorischer Bunkerkinematik die Baustelle geliefert wird. Je nach Ausmaß der Entmischung ist dieses Material für die Weiterverarbeitung nicht geeignet. Für eine Weiterverarbeitung ist es notwendig, das Material wieder zu homogenisieren. Die geeignete Stelle dafür ist unmittelbar am Fertiger, damit gewährleistet werden kann, dass es im anschließenden Transport nicht erneut zu einer Entmischung kommt. Um einen solchen Homogenisierer zu entwickeln wurden Vorversuche unternommen, um ein ökonomisches Remixen am Fertiger zu erreichen. Bei den Voruntersuchungen wurde das Misch verhalten bei Nutzung einer Mischschnecke untersucht. Dafür wurde der Demonstrator derart gestaltet, dass verschiedene Parameter verändert werden können, um ein effizientes Mischen zu ermöglichen. Die Untersuchungen ergaben, dass die Misch ergebnisse stark von den verwendeten Maschineneinstellungen abhängen und da - mit ein ordnungsgemäßes Homogenisieren nur unter exakter Abstimmung der Maschinen- und Materialparameter möglich ist. Mischgutlängstransport im Fertiger Über 2 i.d.r. unabhängig voneinander regelbare Kratzkettenförderer wird das Mischgut zur Schnecke transportiert, wobei mehrere am Kettenstrang befestigte Mitnehmer die Teilmengen zur Verteilerschnecke transportieren. Das Fördergut wird von einer Materialschicht getragen, die durch die Querstreben der Transportkette geschoben werden. Die Transportrinne wird von einer Blechkonstruktion und durch das Schüttgut selbst gebildet. Der sich einstellende Massenstrom ist von der Kettengeschwindigkeit, den geometrischen Randbedingungen, dem Füllungsgrad des Bunkers und von den Mischguteigenschaften abhängig. Letztere werden beeinflusst durch: Innere Reibung des Materials Wichtige Einflussfaktoren sind Partikelgeometrie, Reibungswinkel, Schüttdichte, und Viskosität. Je kleiner die innere Reibung des Mischgutes ist, desto schlechter wird es von der tragenden Schicht mitgenommen. Äußere Reibung Abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Bleche und des Fördermaterials verändert sich die äußere Reibung. Die Geschwindigkeiten des Mischgutes sind über den Querschnitt unterschiedlich. In den Randzonen ist die Geschwindigkeit am Kleins ten, im Kern in der Nähe der Querstreben am Größten. Die Höhe des Mischgutstroms wird von Paddeln, die auf dem Mischgut aufliegen, oder über Ultraschallsensoren erfasst und zur Regelung der Schütthöhe im Schneckenraum verwendet. Die Kettengeschwindigkeit stellt dabei die Stellgröße dar. Auch zur Optimierung des Mischgutlängs - transports im Fertiger wurde ein Simulationsmodell des Kratzkettenförderers, sowie des einzubauenden Mischgutes, durch den Einsatz der Diskreten-Elemente-Methode erstellt. Mit diesem Modell wird die Interaktion zwischen der Maschine und dem Asphalt abgebildet, um damit Systemparameter zu erfassen und zukünftig fördertechnische Parameter, wie z.b. Stegabstand, Steggeometrie oder Fördergeschwindigkeit hinsichtlich Effizienz und Einbauqualität zu optimieren. Durch die Geschwindigkeitsverteilung (Abb. 11) des simulierten Einbaumischgutes während dem Längstransport zum Schneckenraum kann die Bewegung des Asphalts analysiert werden und durch Parametervariation eine verbesserte Materialförderung gewährleistet werden. Abb. 10: Voruntersuchung zur Homogenisierung des Mischgutes (links), Mischergebnisse (rechts) Abb. 11: Simulation der Partikelgeschwindigkeit im Kratzkettenförderer mittels der Diskreten-Elemente-Methode 10 BauPortal 5/2011

13 Mischgutquerverteilung vor der Einbaubohle Die Materialquerverteilung wird bei allen auf dem Markt befindlichen Straßenfertigern mit waagerecht angeordneten Förderschnecken realisiert. Ihre Aufgabe ist es, das Material gleichmäßig vor der Bohle zu verteilen und die Materialvorlage konstant zu halten. Vor Allem an den Randzonen kommt es hierbei zu einer Schüttkegelbildung, die eine Materialentmischung zur Folge hat. Innerhalb des Schneckenraums befinden sich tote Zonen, in denen kein bzw. ein stark inhomogener Transport stattfindet und das Material abkühlt. Um das Materialverhalten vor der Bohle zu analysieren, wurde ein Simulationsmodell des Schneckenraums erstellt, welches in den geometrischen Abmaßen einem marktüblichen Fertiger entspricht. Die Mischguteigenschaften wie Reibung, Elastizität oder Adhäsion wurden an Hand von gemessenen Prozessgrößen wie Bohlenzugkraft und Schneckenleistung verifiziert. Die Untersuchungsschwerpunkte sind hier die qualitätsbeeinflussenden Schwachstellen wie Entmischung und Unebenheit beim Einbau. Zur Verdeutlichung des Materialflussverhaltens wurden in der Abbildung 12 die Partikel als Vektoren dargestellt. Die Partikelgeschwindigkeit ist dabei farblich gekennzeichnet. Erkennbar sind der unterbrochene Materialfluss bzw. die Materialanstauungen unter den Lagerstellen. In diesen Bereichen besteht auf Grund der geringen Geschwindigkeit die Gefahr von lokaler Temperaturabkühlung. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Partikelsimulation ist die Erprobung einer der 15 Demonstratoren. Zur Reduzierung von Entmischung zwischen Partikeln unterschiedlicher Größe wird die Förderschnecke mit einer Halbschale ummantelt. Die Halbschale soll einen homogeneren Materialfluss bewirken und die Zonen, in denen sich das Material längere Zeit nicht bewegt, reduzieren. Abb. 12: Darstellung der Geschwindigkeitsvektoren in Vorder- und Seitenansicht des Schneckenkastens In der Simulation lässt sich die Entmischung durch eine Häufigkeitsverteilung der einzelnen Partikelgrößen darstellen. Als Referenz wurde zunächst die Massenverteilung der gesamten, im Schneckenraum befindlichen Partikeln erzeugt und mit denen aus Erfahrung bekannten kritischen Entmischungsbereichen verglichen. Zur Veranschaulichung der Entmischung werden 2 virtuelle Proben mit und ohne Halbschale im äußersten Bereich des Schneckenraumes ausgewertet und gegenübergestellt. Hier zeigen sich eine deutlich geringere Entmischung sowie ein kontinuierlicherer Materialtransport mit der neuartigen Halbschale. Ausblick Die Mischgutlogistik beim Asphaltstraßenbau beeinflusst die Mischgutqualität in einem großen Maße und hat somit direkten Einfluss auf die Straßenqualität. Neben einer kontinuierlichen Versorgung mit homogenem Mischgut sind die informations- und maschinentechnischen Parameter von besonderer Bedeutung. Es geht hierbei v.a. um die Aufrechterhaltung der Mischguteigenschaften vom Mischwerk bis vor die Einbaubohle und um die Überwachung und Bereitstellung dieser Parameter. Erste Untersuchungen haben den wesentlichen Nutzen der entwickelten Demonstratoren bei der Mischgutübergabe und am Lkw bereits bestätigt. Nun gilt es diese Ergebnisse auch bei widrigen Witterungsverhältnissen reproduzierbar darzulegen. Wiederkehrend auftretende Prozessfehler sowie Lösungsansätze beim Asphaltstraßenbau, besonders bei Einbau und Verdichtung, werden im Teil 2 dieses Artikels in BauPortal 8/2011 ausführlich beschrieben. Quellenverzeichnis [1] Ulrich, A.: Prozesssicherer automatisierter Straßenbau, Vortrag auf den Aachener Straßenbau- und Verkehrstagen, 2010 [2] Horn, A.: Qualitätsverbesserung beim Einbau von Asphaltdecken, 40. VDBUM-Seminar, Braunlage 2011 [3] Pitzler, D.; Cremer, M.: Prozesssicherer automatisierter Straßenbau Versuche und Funktionen. Fachtagung Baumaschinentechnik, Dresden 2009 [4] Schulze, D.: Pulver und Schüttgüter Fließeigenschaften und Handhabung, VDI Springer Verlag, Berlin 2009 Autoren: Dipl.-Ing. Alfons Horn, Moba Mobile Automation AG Dipl.-Ing. (FH) Hanno Hameister, Dipl.-Ing. (FH) Daniel Pitzler und Dipl.-Ing. (FH) Manuel Cremer, Fachhochschule Köln, Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme, Kölner Labor für Baumaschinen (Prof. Dr. Alfred Ulrich) Abb. 13: Virtuelle und experimentelle Funktionsüberprüfung der optimierten Förderschnecke BauPortal 5/

14 Vorbereitende Arbeiten bei der Straßenerhaltung Fräsen und Reinigen der Unterlage Dipl.-Ing. (FH) Heribert Müssenich, Koblenz Vorbereitende Arbeiten im Erhaltungsbereich sind weitestgehend ausgerichtet auf die Herrichtung der Unterlage in Abhängigkeit der zu behebenden Substanzschäden des gewählten Bauverfahrens und der Erfüllung der bauvertraglichen Anforderungen. So gehört das Fräsen der Unterlage neben anderen Leistungen zu den ersten Maßnahmen. Auch hier entscheidet das nachfolgend gewählte Bauverfahren, ob die Oberfläche durch eine Feinfräse bearbeitet wird und eine dünnschichtige Erneuerungsmaßnahme gewählt wurde oder die Erneuerung der Deckschicht erfolgen soll und die Unterlage mit einer Standardfräse bearbeitet werden kann. Werden Anforderungen an die Ebenheit der neuen Schicht gestellt, so unterliegt auch die Fräsfläche festgelegten Anforderungen. Optimaler Schichtenverbund und mit Einführung der ZTV Asphalt-StB 07 diesbezüglich definierten Anforderungen verlangen eine Reinigung der Unterlage, die je nach Verschmutzungsgrad oder verbleibender Reststaubbelastung eine Hochdruckwasserreinigung erforderlich macht. Der Einfluss einer derartigen Reinigung auf die aufzubringende Schicht ist abzuschätzen und kann je nach Witterung und Zeitpunkt der Arbeiten eine Trocknung der Unterlage erfordern, bevor diese vollflächig und in Abhängigkeit der Bauklasse zur Verklebung der aufliegenden Schicht mit bitumenhaltigen Mitteln angespritzt wird. Größere Abweichungen von der Ebenheit, der Sollhöhe oder der Querneigung machen eine Vorprofilierung erforderlich, die bei ausreichender Dicke der Unterlage durch Fräsen erfolgen kann, wie auch den Einbau geeigneter Asphaltmischgutsorten notwendig machen. Hier sollte im Hinblick auf die Qualität der Leistung dem maschinellen Vorprofilieren der Vorzug gegeben werden. Die vorbereitenden Arbeiten im Neubau stehen zumeist in direktem Zusammenhang mit den reinen Asphaltarbeiten. Dies bedeutet konkret das Anspritzen für einen optimalen Schichtenverbund, die Planung von Asphalteinbau und Maschineneinsatz, erforderliche Walzenzüge, die Vorbestellung des Mischguts sowie die gesamte Logistik. Vorbereitende Arbeiten im Erhaltungsbereich umfassen hingegen umfangreichere und speziellere Aufgaben. Der Schwerpunkt dieses Arbeitsbereichs liegt in der Herrichtung der Unterlage in Abhängigkeit mit dem Bauverfahren. Vor Allem die Erreichung der höchstmöglichen Ebenheit und ausreichenden Gleichmäßigkeit der Unterlage in Abhängigkeit mit der nachfolgend einzubauenden Belagsart, ob dünnschichtiger Aufbau oder Ersatz der Asphaltdeckschicht, steht hier im Vordergrund. Darüber hinaus gehören die vorbereitenden Arbeiten an der Unterlage selbst, wie die Nahtsanierung oder Ausbau und Erneuerung nicht tragfähiger Schichten und Lagen zu den zentralen Aufgaben, um die Erhaltungsoder Erneuerungsmaßnahmen dauerhaft, wirtschaftlich und für den Verkehrsteilnehmer komfortabel aufbringen zu können. Der vorhandene Aufbau und Zustand ist auf die geplanten Maßnahmen hin zu überprüfen und die Vorarbeiten entsprechend abzustimmen. Da im klassifizierten Straßenbau die ausgebauten Straßen in Abhängigkeit der Bauklassen in standardisiertem Aufbau hergestellt wurden, zeigen sich auf diesen Straßen zunehmend erkennbare Schäden mit verkehrsgefährdender sowie weitreichend zerstörender Wirkung im gebundenen Aufbau: Risse, raue Stellen, unzureichende Griffigkeit, Spurrillen, Verschiebungen, Verdrückungen und fehlenden Schichtenverbund. Je nach Schadensart und -umfang und in Abhängigkeit vom vorhandenen Asphaltdeckschichtmaterial ist die Wahl der Erhaltungsmaßnahme zu treffen, die Maßnahme zu planen und die dazu gehörenden Arbeitsschritte, wie die vorbereitenden Arbeiten aufeinander abzustimmen und zügig durchzuführen. Im Folgenden werden die wichtigsten vorbereitenden Maßnahmen bei der Straßenerhaltung vorgestellt. Abb. 1: Schematisch dargestellter Schnittlinienabstand einer Standardfräse Fräsen der Unterlage Eine wesentliche Bedeutung für den Erfolg und die Dauerhaftigkeit der Maßnahme kommt den vorbereitenden Arbeiten zu, zu denen neben Anderem das Fräsen der zu behandelnden oder zu erneuernden Schicht gehört. Die Abtragsebene richtet sich dabei nach der Zielsetzung der baulichen Erhaltung und kann zur Erreichung einer besseren Ebenheit in Längs- und Querrichtung sowohl oberflächennah und partiell als auch in einer bestimmten Neigung zur Fahrbahnoberfläche zur Verbesserung der Fahrdynamik erfolgen. Unterschieden wird hierfür zwischen den Fräsentypen Standardfräsen und Feinfräsen (Abb. 1 und 2). Die Anwendung richtet sich nach der Art der nachfolgenden Maßnahme. Als Standard - fräsen gelten solche mit einem Schnittlinienabstand von ca. 15 mm. Arbeitsbreiten sind zwischen 0,30 cm und 2,20 m möglich. Abb. 2: Schematisch dargestellter Schnittlinienabstand einer Feinfräse Vortrag auf dem Kolloquium Bauliche Erhaltung von Asphaltbefestigungen 2010 der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV), in Darmstadt Bitumen BauPortal 5/2011

15 Abb. 3: Fräse mit Absaugvorrichtung zur Expositionsminderung Abb. 4: Fräse mit Nivelliereinrichtung Abb. 5: Fräse mit 7-fach Nivelliereinrichtung für besondere Anforderungen an die Ebenheit Bei allen dünnschichtigen Erhaltungsmaßnahmen kommen Feinfräsen zum Einsatz, deren Schnittlinienabstand weniger als 8 mm und bis zu 3 mm betragen kann. Die Ausstattung ist sowohl mit einer Klein- als auch einer Großfräse möglich. Sollen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung gefräst werden, so ist im Hinblick auf eine höchstmögliche Wiederverwertung des Asphaltgranulats zu prüfen, ob das Fräsen schichtweise erfolgen kann. Entsprechende Angaben sind neben der Frästiefe und der Breite der zu bearbeitenden Schicht in der Leistungsbeschreibung anzugeben. Die asphalttechnologischen Eigenschaften des zu fräsenden Asphalts sind entscheidend für die Höhe der Wertschöpfung, so sind Angabe in der Leistungsbeschreibung über Asphalt art sowie Ring und Kugelwerte vorteilhaft bei der Kalkulation und Disposition des späteren Granulats. Sollte die Prüfung der Unterlage ergeben, dass pech-/teertypische Be standteile enthalten sind, sind diese Schichten getrennt auszubauen und zu entsorgen. Hinsichtlich des einzuhaltenden Arbeitsschutzes sei auf die Technischen Regeln für Gefahrstoffe verwiesen. Die TRGS 517 beinhaltet Arbeitsschutzmaßnahmen, deren Anwendung Voraussetzung für den Umgang mit natürlichen asbesthaltigen mineralischen Zuschlagstoffen im Asphaltmischgut ist. Der Auftraggeber der Fräsleistung ist zur Prüfung der Asphaltmischung auf asbesthaltige Gesteine sowie die Meldung verpflichtet. Ein in früheren Jahren entwickeltes, mit Asbestfasern versehenes, bitumenhaltiges Bindemittel ist jedoch aus arbeitsschutzrechtlichem Gesichtpunkt bei Fräsarbeiten von untergeordneter Bedeutung, da die Fasern im Mörtel gebunden sind und eine Anreicherung in der Umluft nicht erfolgt. Während die Maschinenindustrie derzeit schon geprüfte und zugelassene technische Maßnahmen zur Expositionsminderung für A-Staub, E-Staub, Quarzstaub und Asbestfasern entwickelt hat, kann sie nach dem derzeitigen Stand für bei Fräsarbeiten freiwerdende Asbestfasern nur empfohlen werden (Abb. 3). Da noch bis in die 1990er Jahre Oberflächenbehandlungen und dünnschichtige Beläge vereinzelt mit pechhaltigen Emulsionen versehen wurden, ist bei einem spezifischenverdacht eine Untersuchung empfehlenswert. Nivellier- und Abtasteinrichtungen an den Fräsen (Abb. 4) ermöglichen ein genaues profilieren der Frästiefe, erhöhen somit die Ebenheit der Unterlage und bilden die Voraussetzungen für Anforderungen an die Ebenheit der fertigen Schicht (Abb. 5). Abb. 7: Nacharbeiten für ausreichenden Schichtenverbund Abb. 6: Gefräste Verkehrsfläche mit erkennbaren offenen Längsfugen Verbleibende nicht haftende Schichten auf der Unterlage müssen vor dem Aufbringen der neuen Schicht beseitigt werden, um einen einwandfreien Schichtenverbund zu gewährleisten. Dies kann unter Umständen einen zusätzlichen Fräsgang bedeuten. Ebenso sind erkennbare Fugen und Risse zu behandeln, damit ein Durchschlagen der Risse erschwert bzw. verhindert wird. Dies kann je nach Rissursache und betroffenem Bereich ein Verschließen der Risse, den Einbau einer bitumenhaltigen Zwischenschicht oder ein Überdecken mit einem Gewebestreifen notwendig machen. Auf die Hinweise für das Schließen und die Sanierung von Rissen sowie schadhaften Nähten und Anschlüssen in Verkehrsflächen aus Asphalt (H SR) sei an dieser Stelle hingewiesen. Im innerstädtischen Bereich vorhandene und in der Verkehrsfläche sitzende Schieber, Hydranten und Straßenabläufe machen einen gesonderten Arbeitsgang mit Kleinfräsen erforderlich. Hierauf ist bei der Erstellung der Leistungspositionen besonders einzugehen. Anmerkung der Redaktion Bei Großfräsen bieten einzelne Hersteller technische Schutzausrüstungen zur Expositionsminimierung asbesthaltiger Stäube an. Andere Hersteller arbeiten an technischen Lösungsmöglichkeiten. Kleinfräsen erfüllen die Anforderungen z.z. nicht. Bei Fehlen der technischen Schutzmaßnahmen ist Persönliche Schutzausrüstung (PSA) zu benutzen. Weitere Hinweise: TRGS 517 Tätigkeiten mit potenziell asbesthaltigen mineralischen Rohstoffen und daraus hergestellten Zubereitungen und Erzeugnissen BGI BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach der Gefahrstoffverordnung BauPortal 5/ Bitumen 13

16 Im Hinblick auf die spätere Wiederverwertung des Asphaltgranulats ist das Entfernen dickschichtiger Fahrbahnmarkierungen in einem gesonderten Arbeitsgang vorzusehen. Nach dem Fräsen von Asphaltschichten darf die Abweichung von der geforderten Querneigung nicht mehr als 0,4 % betragen. Abhängig von der Art der Instandsetzungsmaßnahme und der geforderten Ebenheit der fertigen Schicht werden auch an die Ebenheit der gefrästen Unterlage entsprechende Anforderungen an die Längs- und Querebenheit gestellt. Je nach Anforderung an die fertige Asphaltschicht, beträgt sie an die neue Schicht bei nicht höhengebundenen Verkehrsflächenbefestigungen zwischen 3 und 6 mm innerhalb einer 4 m langen Messstrecke (Tabelle 1). Bei Streckenabschnitten mit eingeschränkten baulichen Zwangspunkten, wie z.b. Straßeneinmündungen, Straßen- und Eisenbahnschienen, Brückenübergangskonstruktionen und an Einbauten wie Schieberkappen, Schacht deckel, Rand- und Bordsteinen darf die Unebenheit in Längs- und Querrichtung innerhalb einer 4 m langen Messstrecke nicht mehr als 10 mm betragen (Tabelle 2). Werden Anforderungen an die Ebenheit der fertigen Schicht bei dünnen Asphaltdeckschichten in Heiß- und Kaltbauweise gefordert, so empfiehlt sich i.d.r. die Unterlage mit einer Feinfräse mit Nivellierausstattung zu bearbeiten. Reinigen der Unterlage Eine weitere vorbereitende Maßnahme für alle Erhaltungsmaßnahmen ist das Reinigen der Unterlage von Schmutz und losen Bestandteilen durch einen Kehrsaugwagen (Abb. 8). Je nach Größe und Art der Verschmutzung ist eine Reinigung mit Hochdruckwasser erforderlich, hierbei ist jedoch zu prüfen, ob eingedrungene Feuchtigkeit in der Unterlage keine Schädigung an der aufzubringenden Schicht verursachen und ein ausreichender Schichtverbund hergestellt Tabelle 1: Anforderungen an die Ebenheit der gefrästen Unterlage Tabelle 2: Grenzwerte für die Unebenheiten von dünnen Asphaltdeckschichten in Kalt- und Heißbauweise Schicht werden kann. Sollte keine ausreichende Zeit zur Trocknung zur Verfügung stehen oder die Witterung ein Trocknen der Unterlage nicht mehr ermöglichen, ist die Unterlage je nach ihrer Beschaffenheit maschinell zu trocken (Abb. 9). Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass keine thermische Überbeanspruchung des Bindemittels der Unterlage erfolgt. Schichtenverbund, Nähte, Anschlüsse und Fugen, Randausbildung Die Nutzungsdauer einer Asphaltbefestigung ist u.a. abhängig von einer guten Verklebung der einzelnen Schichten und Lagen. Die Anforderungen an den Schichtenverbund setzen Kenntnis über Art und Beschaffenheit der Unterlage voraus. Da in den unteren Bauklassen ein Einbau einer Asphaltbinderschicht nicht grundsätzlich vorausgesetzt werden kann, ist sofern keine Kenntnisse über den Aufbau vorliegen, eine Aufschlussbohrung anzuordnen, in der neben der Aufbaustärke auch die Mischgutart und Dicke der vorhandenen Schichten anzusprechen sind. Eine optische Beurteilung der bestehenden Unterlage ist erforderlich, bei der besonders Unebenheiten in mm innerhalb einer 4 m langen Messstrecke geforderte Ebenheit der neuen Asphaltschicht erforderliche Ebenheit der gefrästen Unterlage Unebenheiten in mm innerhalb einer 4 m langen Messstrecke Unterlage 10 6 bis 10 6 fertige Schicht keine Anforderung 6 4 auf folgende Merkmale zu achten ist: Nesterbildung, Mörtelanreicherungen, Ausmagerungen, Flickstellen, offene Fugen und Risse, die die Gleichmäßigkeit der Oberfläche be - einträchtigen (Abb. 10). Die aus den ZTV Asphalt-StB 07 bekannten Leistungen sind je nach vorgesehener Bauweise sowohl bei Erhaltungsmaßnahmen als auch bei der Vorprofilierung nach den der ZTV BEAStB 09 anzuwenden. Für den Schichtenverbund auf gefräster und frischer Unterlage werden in den ZTV Asphalt-StB 07 konkrete Richtwerte zur Auswahl und Dosierung des Anspritzmittels in Anhängigkeit zur Asphaltmischgutart und Bauklasse gegeben. Sofern die Unterlage nicht geeignet ist, sind besondere Maßnahmen vorzusehen, z.b. das Ausbessern oder Vorprofilieren mit Asphaltmischgut. Es empfiehlt sich aus Gründen Abb. 10: Erkennbare Nester und loses Material, ungleichmäßige Oberfläche Abb. 8: Wasserwagen mit Hochdruckspritzeinrichtung Abb. 9: Flächenheizgerät zur Trocknung und Erwärmung der Unterlage Bitumen BauPortal 5/2011

17 Abb. 11: Behandelte Längsnaht bei bahnenweisem Einbau eines DSH-V Abb. 12: An feuchter und verschmutzter Flanke aufgetragenes Bindemittel Abb. 13: Anschmelzen eines Fugenbandes (A.d.R.: Schweinslederhandschuhe mit Stoffbesatz können brennen die PSA-Lösung sind Schweißerschutzhandschuhe ganz aus Leder, besser wäre ein längerer Stecken zur Führung des Bitumenstreifens.) Tabelle 3: Art und Dosierung der Polymermodifizierten Bitumenemulsion in Abhängigkeit der Unterlage in den Bauklassen SV, I bis II Art und Beschaffenheit der Unterlage der Gleichmäßigkeit und der Einhaltung der empfohlenen Menge das Anspritzen mit einer Spritzrampe durchzuführen. Das An - spritzen von Hand sollte aus den vorgenannten Gründen auf kleinere Flächen und Zwickel begrenzt bleiben. Unmittelbar an - grenzende Flächen und Bauteile, Pflaster, Bordsteine, Abläufe usw. sind abzudecken oder durch ein Schild zu schützen. Bei der Ausführung sollte ausreichend Zeit zum Verdunsten des im Anspritzmittel enthaltenen Wassers aus der Bitumenemulsion einkalkuliert werden. Die Baustellendisposition ist so zu koordinieren, dass die Wirkung der Anspritzmittel nicht durch Verschmutzung, Feuchtigkeit oder Befahren beeinträchtigt wird. Das Be fahren der ausreichend getrockneten Fläche muss auf das unbedingt notwendige Maß für den Asphaltmischguteinbau begrenzt bleiben. Aufzubringende Schicht Asphalt- Asphalt- Asphalttragschicht binderschicht deckschicht aus Splittmastixasphalt oder Asphaltbeton Ansprühmenge C 60 BP1-S in g/m 2 Asphalttragschicht f 150 bis bis 350 X gf 250 bis bis 350 X o/a 300 bis bis 500 X Asphaltbinderschicht f X 150 bis 250 gf 250 bis bis 350 o/a 300 bis bis 350 f = frisch gf = gefräst o/a = sehr offenporig oder ausgemagert bzw. Kornausbrüche X sind objektbezogen zu betrachten sollten nicht vorkommen Tabelle 4: Art und Dosierung der lösemittelhaltigen Bitumenemulsion in Anhängigkeit der Unterlage in den Bauklassen IV bis VI Nähte Die Nahtflanke ist bei allen Schichten der Asphaltbefestigung mit Straßenbaubitumen, polymermodifiziertem Bindemittel oder bitu menhaltigem Bindemittel zu beschichten. Dabei ist auf eine saubere und trockene Flanke und Unterlage zu achten, da gerade der beim Schneiden anfallende Schneidschlamm ein Verkleben der Flanke und den Verbund im Nahtbereich verhindert (Abb. 11). Die aufzubringende Menge ist in Abhängigkeit der Einbaudicke ca. 50 g/cm/m. Spezielle Nahtklebebänder aus Polymermodifiziertem Straßenbaubitumen haben sich neben dem Anspritzverfahren bewährt, das je nach Typ in Verbindung mit einem Nahtkleber an die Flanke angeschmolzen werden kann oder als selbstklebendes Band erhältlich ist (Abb. 12). Die Fugenbänder müssen den ZTV Fug-StB entsprechen. Die Überbauung von Verkehrsflächen aus Beton mit Asphaltmischgut macht zur Sicherung einer horizontalen Verschiebbarkeit das Aufbringen einer bitumenhaltigen Zwischenschicht erforderlich und verhindert ein Durchschlagen der Fugen aus der Betondecke (Abb. 13). In Abhängigkeit der Beschaffenheit der Unterlage sind 2 3 kg/m 2 Polymermodifiziertes Bitumen 40/ A auf die trockene und gereinigte Unterlage aufzutragen und zur Befahrbarkeit für den nachfolgenden Asphaltmischguteinbau mit 5 10 kg/m 2 einer vorbituminierten Lieferkörnung 8/11 der Kategorie SZ 18 abzustreuen und gegebenenfalls mit einer Walze anzudrücken. Nicht gebundene Gesteinskörnungen sind zu entfernen. Art und Beschaffenheit der Unterlage Asphalttragschicht Aufzubringende Schicht Asphaltdeckschicht aus Splittmastixasphalt oder Asphaltbeton Ansprühmenge C 40 BP1-S in g/m 2 Abb. 14: Ankleben eines selbstklebenden Fugenbandes Asphalttragschicht f 200 bis bis 300 gf 300 bis bis 300 o/a 350 bis bis 400 f = frisch gf = gefräst o/a = sehr offenporig oder ausgemagert bzw. Kornausbrüche BauPortal 5/ Bitumen 15

18 Aktuelle Informationen zum Straßenbau auf Seite 57 bis 61 Abb. 15: Auftragen des heißen Bindemittels auf die Unterlage Abb. 16: Auf Bindemittelfläche hälftig abgestreute Verkehrsfläche Die Produkteigenschaften, wie z.b. hohe Viskosität des Polymermodifizierten Bitumens, verlangen eine hohe Lager- und Verarbeitungstemperatur zwischen 150 und 180 C. Daher werden heizbare Transport- und Verarbeitungsgeräte empfohlen. Um die ge - wünschte Wirkung zu erreichen, ist ein gleich mäßiges Anspritzen und Verteilen des Bitumens erforderlich. Ein Anspritzen der abgestreuten Lage zum Schichtenverbund ist nicht erforderlich. Der Baustellenablauf ist so zu disponieren, dass ein Befahren der abgestreuten Schicht nur für den Einbau erforderlich wird und ein Wenden oder Kreuzen der Lieferfahrzeuge außerhalb der Einbaufläche erfolgt. Maßnahmen zur Vorprofilierung Sofern die Unterlage größere Abweichungen von der Ebenheit, der Sollhöhe oder der Querneigung hat, ist zur Profilverbesserung und zur Erreichung der Ebenheitsanforderungen der geplanten Instandsetzungsmaßnahme, wie OB, DSK, DSH oder Ersatz der Asphaltdeckschicht, ein Fräsen der Unterlage oder Einbau von Asphaltmischgut vorzusehen. Dem Fräsen ist im Hinblick auf die Qualität der Gesamtmaßnahmen den Vorzug zu geben. Es setzt jedoch eine ausreichende Dicke der Unterlage voraus. Ist dies nicht gegeben, ist der Einbau geeigneten Asphaltmischgutes erforderlich. Die Wahl der Asphaltmischgutsorte sollte neben den erforderlichen Einbaudicken in Abhängigkeit von der Bauklasse, der Einbaubedingungen und der Verdichtungsmöglichkeit ausgewählt werden. In den ZTV BEA-StB ist speziell für diese Arbeiten eine erweiterte Auswahl an Asphaltmischgutsorten enthalten, deren Lieferbedingungen in der TL Asphalt-StB aufgenommen sind. Bei größeren Abweichungen kann ein mehrlagiger oder mehrschichtiger Einbau erforderlich werden. Der Einbau sollte bevorzugt mit einem Fertiger und die Verdichtung mit Walzen erfolgen. Handeinbau und eine Verdichtung mit Rüttelplatten sind im Hinblick auf die erreichbare Verdichtung auf das unbedingt notwendige Maß zu beschränken. Ist die Verdichtung mit einer Rüttelplatte unumgänglich, ist darauf zu achten, dass so wenig Wasser wie notwendig als Trennmittel ein - gesetzt wird, damit das Asphaltmischgut nicht unnötig stark abkühlt. Die zulässigen Mindest- und Höchsttemperaturen der ZTV Asphalt-StB sind zu beachten. Zur Erreichung einer höheren Einbauqualität im Übergangsbereich zur vorhandenen Befestigung muss z.b. beim Aufschultern der Fahrbahnränder, ein keilförmiges Fräsen angeordnet werden. Auch hier sind bei einem mehrschichtigen Einbau die einzelnen Schichten anzuspritzen. Beim Handeinbau ergeben sich schlechtere Einbaubedingungen, wie geringere Einbauleistung, fehlende Vorverdichtung und größere Temperaturverluste bis zum Einsatz der Walzen. Sollte Handeinbau unumgänglich sein, ist aus Gründen der Einbauwilligkeit der kleineren zulässigen Gesteinsfraktion der Vorzug zu geben. Deshalb sind Handeinbauflächen auf das absolute Minimum zu reduzieren. Eine Beachtung der zuvor genannten Punkte sind die Voraussetzungen für eine lange Nutzungsdauer der Verkehrsflächenbefestigung und der erste Schritt qualitätsgerechter Erhaltungsmaßnahmen. Tabelle 6: Niedrigste und höchste Temperatur des Asphaltmischgutes Art und Sorte des Asphaltbeton für Splittmastix- Guss- Offenporiger Asphaltbeton Bindemittels im Asphaltdeckschichten, asphalt asphalt Asphalt für DSH-V Asphaltmischgut Asphaltbinder, Asphalttragschichtmischgut, Asphalttragdeckschichtmischgut Temperatur in C Temperatur in C Temperatur in C Temperatur in C Temperatur in C 20/ bis / bis bis / bis bis / bis bis / A *) 140 bis /40-65 A, C 160 bis bis /55-55 A, C 150 bis bis bis /80-50 A, C 140 bis bis bis 180 Die untersten Grenzwerte gelten für das Asphaltmischgut bei Anlieferung auf der Baustelle; die obersten Grenzwerte gelten für das Asphaltmischgut bei der Herstellung und beim Verlassen des Asphaltmischers bzw. des Silos *) Zusätzlich sind die Angaben des Herstellers zu beachten Bitumen BauPortal 5/2011

19 Asphaltmischgutart Asphaltmischgutsorte Einbaudicken mindestens höchstens [cm] [cm] Asphaltbeton AC 8 D S, AC 8 D N 2,0 4,5 für Asphaltdeckschichten AC 11 D S, AC 11 D N 3,0 6,0 Splittmastixasphalt SMA 8 N 2,0 5,5 SMA 8 S 2,0 6,0 SMA 11 S 3,0 7,0 Gussasphalt MA 8 S, MA 8 N 2,0 4,0 MA 11 S, MA 11 N 2,5 5,0 Asphalttragschichtmischgut AC 16 T S, AC 16 T N 4,5 10,0 AC 22 T S, AC 22 T N 5,0 14,0 AC 32 T S, AC 32 T N 6,0 18,0 Asphalttragdeckschichtmischgut AC 16 T D 4,0 10,0 Asphaltbinder AC 16 B N 4,0 7,0 AC 16 B S 4,0 9,0 AC 22 B S 5,0 12,0 Tabelle 5: Mindest- und Höchsteinbaudicken in Abhängigkeit von geeigneten Asphaltmischgutarten und Asphaltmischgutsorten zur Profilverbesserung Literaturverzeichnis Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt (ZTV Asphalt-StB 07), Ausgabe 2007, Köln, FGSV 799 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächenbefestigungen Asphaltbauweisen (ZTV BEA-StB 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 798 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugenfüllungen in Verkehrsflächen (ZTV Fug-StB), Köln, FGSV 897/1 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Hinweise für das Schließen und die Sanierung von Rissen sowie schadhaften Nähten und Anschlüssen in Verkehrsflächen aus Asphalt (H RS), Ausgabe 2003, Köln, FGSV 777 Deutscher Asphaltverband: Ausschreiben von Asphaltarbeiten, Broschüre DAV, Bonn Deutscher Asphaltverband: DAV-Leitfaden Schichtenverbund, Nähte, Anschlüsse, Randausbildung, DAV, Bonn Schäfer, V.: Schichtenverbund, Nähte, An - schlüsse und Randausbildungen von Verkehrsflächen aus Asphalt, Vortrag beim DAV- Asphaltseminar in Willingen 1998 Autor: Dipl.-Ing. (FH) Heribert Müssenich, Landesbetrieb Mobilität Rheinland Pfalz Max. Einbaubreite 7 m Einbaukapazität bis 600 t/h Max. Einbaudicke 30 cm Transportbreite 2,55 m Einfaches Bedienkonzept ErgoPlus VÖGELE SUPER : HOHE MOBILITÄT UND WENDIGKEIT! ROAD AND MINERAL TECHNOLOGIES JOSEPH VÖGELE AG Joseph-Vögele-Straße Ludwigshafen, Germany Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0)

20 Neuer Ansatz zur dynamischen Modellierung von Betondecken unter realen Bedingungen Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Wirth, M. Sc. Benedikt Bracher, M. Eng. Dipl.-Ing. (FH) Serif Caliskan, Neubiberg Dr.-Ing. Robert Kroyer, Unterschleißheim Fahrbahn-Betonplatten auf Autobahnen werden vom Verkehr zu erzwungenen Schwingungen angeregt. Liegen diese nahe an den Eigenschwingungen der Platten, so ist die Schädigungswirkung des Verkehrs größer und damit die Lebensdauer der Fahrbahn geringer. Durch Veränderung der Plattengeometrie kann das Eigenschwingungsverhalten beeinflusst werden. Dieser Zusammenhang wird untersucht an Hand eines dynamischen Modells, das mit Messdaten von einer realen Autobahn geeicht wird. Ausgangssituation Für Bau und Bemessung von Betonfahrbahnen in Deutschland sind v.a. 2 Regelwerke einschlägig: die ZTV Beton [1] und die RStO [2]. Die ZTV Beton bestimmen, dass eine hydraulisch gebundene Tragschicht, sofern sie als unmittelbare Unterlage der Betondecke dient, entsprechend dem Fugenbild der Decke zu kerben ist; das Kerben entfällt allerdings, wenn eine Vliesstoff-Zwischenschicht vorgesehen ist. Gemäß RStO ist bei allen Aufbauten mit einer Betondecke über einer Tragschicht mit hydraulischen Bindemitteln (HGT, hydraulisch verfestigte Tragschicht o. dgl.) ein Vliesstoff als Zwischenschicht anzuordnen. Die ZTV Beton sehen für die Standardbauweise der Betonfahrbahnen keine Betonstahleinlagen vor, nur Platten in Endfeldern oder mit Extremformaten sind zu bewehren. Der Aufbau im engeren Sinne, also die vertikale Ausgestaltung der Straßenbefestigung (Zahl, Art und Dicke der einzelnen Oberbauschichten) erfolgt in Deutschland gemäß RStO. Dabei sind 2 Bemessungskriterien unabhängig voneinander zu erfüllen: schadlose Abtragung der Nutzlast aus Verkehr und Frostsicherheit. Für den ersten Fall wird der für die Straße prognostizierte Schwerverkehr, aggregiert über die gesamte theoretische Lebensdauer der Befestigung, in 10-t-Achsübergänge umgerechnet und an Hand diesen Wertes, der sog. bemessungsrelevanten Beanspruchung, der Straße eine Bauklasse zugewiesen. Mit der Bauklasse als Eingangsgröße kann aus den RStO-Tafeln mit ihren gleichwertigen Aufbauvarianten für jede Bauweise ein bestimmter Oberbau ausgewählt werden, wobei die separat zu ermittelnde Mindestdicke des frostsicheren Oberbaus eingehalten werden muss. Sie richtet sich nach der Frostempfindlichkeit des Untergrundes bzw. Unterbaus, der Frosteinwirkungszone und den sonstigen örtlichen Verhältnissen. Für die Betonbauweise sind die Tafeln 2 und 4 der RStO maßgebend. Zur gezielten Rissbildung beim Schwinden wird die durchgehend hergestellte Betonfahrbahn nach einem mechanisch begründeten Fugenplan gekerbt. Die diesem zu Grunde liegenden Maximalabmessungen der Betonplatten stellen sicher, dass die Eigenspannungen in Folge Schwindens und ggf. Temperaturkontraktion im zulässigen Bereich bleiben. Gemäß ZTV Beton sind die Längsfugen mit Ankern, die Querfugen mit Dübeln zu versehen. Zusammengefasst gilt also: Die aus unbewehrtem Beton bestehenden Autobahn- Fahrbahnen sind durch Quer- und Längsfugen in diskrete Plattenelemente mit Standardmaßen (z.b. 5 x 3,75 x 0,27 m) unterteilt, wobei die Plattenabmessungen auf mehr oder weniger wissenschaftlichen Erfahrungswerten beruhen. Kriterium für die Plattenlänge ist das Vermeiden von wilden Schwindrissen während des Abbindens des Betons. Kriterium für die Plattenbreite ist die Fahrstreifenbreite des jeweiligen Autobahnregelquerschnitts (Koinzidenz von Längsfugen und Fahrstreifenmarkierung), Kriterium für die Plattendicke, die bemessungsrelevante Beanspruchung bzw. die Bauklasse. Den gängigen Dimensionierungsverfahren liegen weitgehend statische oder nur quasidynamische Modellvorstellungen zu Grunde. Untersuchungsziel Der die Fahrbahn überrollende Verkehr, insbesondere der schwere Lkw-Verkehr, regt die Betonplatten zu erzwungenen, regellosen Schwingungen in einem ausgedehnten Frequenzbereich an. Die dadurch in die Platten eingetragene Energie führt zu diversen Schädigungen der Fahrbahnbefestigung wie Zerstörung bzw. Herauslösen der Fugenfüllung, Plattenrand- und -eckabbrüchen, Materialtransport in der Unterlage ( Pumpen ) mit den Folgen Hohllage, Lockerung von Dübeln und Stufenbildung an den Querfugen, unter Umständen auch zu erhöhter Schallabstrahlung. Die Anregung und damit die Schädigungswirkung ist umso größer, je mehr sich die statistische Verteilung der Anregungsfrequenzen den Eigenfrequenzen der Betonplatte nähert. Die Eigenfrequenzen (s. Kap. Mechanischer Hintergrund ) einer Betonplatte in einer Fahrbahnbefestigung sind einerseits abhängig von der Plattengeometrie und deren elasto-mechanischen Eigenschaften (Form, Abmessungen, Steifigkeit, Masse), andererseits von den Randbedingungen in der Auflagerfläche (elastische Bettung, dynamisches Verhalten der Unterlage bzw. des Untergrunds oder Unterbaus, Dämpfungseigenschaften der Unterlage, Verbund zwischen Fahrbahnplatte und Unterlage) und den Fugenflanken (elastische Kopplung, Dämpfungseigenschaften). Primäres Untersuchungsziel ist es deswegen, das dynamische Antwortverhalten von Fahrbahnplatten als stationäre, ergodische Funktion der Verkehrsbelastung im Frequenzbereich, möglicherweise als charakteristische Größe des Eigenschwingungsverhaltens und insbesondere der Eigenfrequenzen der Betonplatten für typisierte Fahrbahntragschichten, zu ermitteln. Desweiteren soll das Schwingungsverhalten, insbesondere das modale Verformungsverhalten der schwingenden Platte in Interaktion mit der auftretenden Belastung erfasst, quantifiziert und bewertet werden. Letztlich soll untersucht werden, ob durch eine Veränderung der Plattengeometrie die Platte so verstimmt werden kann, dass die Zerstörungswirkung unter den üblichen Anregungsfrequenzen des Schwerverkehrs, evtl. auch die Schallabstrahlung, minimiert wird. Mechanischer Hintergrund Jedes schwingungsfähige System, insbesondere ein elastischer Festkörper, im vorliegenden Fall eine einzelne Betonplatte der Fahrbahnbefestigung, vollführt, wenn es nach einer einmaligen Anregung sich selbst überlassen wird, mehr oder weniger schnell abklingende Eigenschwingungen. Dabei schwingen die materiellen Bestandteile des Systems mit einer charakteristischen Frequenz, einer sog. Eigenfrequenz, die von den Systemeigenschaften wie Masse, Steifigkeit und Lagerungsbedingungen abhängig ist Beton BauPortal 5/2011

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