Vergleichende Untersuchungen zum Fließkoeffizienten von verschiedenen Sanden und Mischungen verschiedener Sande

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1 Technik Vergleichende Untersuchungen zum Fließkoeffizienten von verschiedenen Sanden und Mischungen verschiedener Sande Diplomarbeit

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3 Diplomarbeit im Fachgebiet Straßenbautechnik Vergleichende Untersuchungen zum Fließkoeffizienten von verschiedenen Sanden und Mischungen verschiedener Sande Fachhochschule Fachbereich Bauwesen Fachrichtung Bauingenieurwesen Verfasst von: Cand.-ing. Die Vervielfältigung auch in Auszügen ist nur mit ausdrücklicher Erlaubnis der Verfasserin gestattet. Alle Rechte vorbehalten.

4 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines Einführung in die Aufgabenstellung Alte Normung (Deutschland) Neue Normung (Europa) Aufgabenstellung Versuchsablauf Beschreibung des Versuchsablaufes Herkunft und Art der Proben...8 Allgemein...8 Petrographisch...8 Geographisch Vorbereitung der Proben und Rohdichtebestimmung...15 Allgemein...15 Ergebnisse der Rohdichtebestimmung Darstellung der einzelnen Versuchsreihen Versuchsreihe A E CS Ausgangssande und Gemische Hauptuntersuchung 1: Ergebnisse an Natur- und Brechsanden 0/ Hauptuntersuchung 2: Ergebnisse an Mischungen 0/ Versuchsreihe B Auswirkung der Sieblinie auf den E CS Nebenuntersuchung 1: Sieblinien der einzelnen Sande und der...22 Gemische Nebenuntersuchung 2: Versuchsreihe Sand 8 mit Einzel- und...23 Ausfallkörnungen Versuchsreihe C Abhängigkeit des E CS von verschiedenen Faktoren...27 Allgemein Nebenuntersuchung 1: Was passiert wenn die Probe nicht ofentrocken ist? Nebenuntersuchung 2: Was passiert wenn Über- und Unterkorn nicht abgesiebt werden? Nebenuntersuchung 3: Was passiert wenn der falsche Prüftrichter benutzt wird? Nebenuntersuchung 4: Was passiert wenn die Probe verdichtet wird? Nebenuntersuchung 5: Abhängigkeit von der Masse Nebenuntersuchung 6: Abhängigkeit von der Rohdichte Nebenuntersuchung 7: Zusammenhang Schüttwinkel/E CS Nebenuntersuchung 8: sonstige Zusammenhänge Fortsetzung Seite 2- Seite 2 von 46

5 7 Zusammenfassung, Auswertung und Beurteilung der Ergebnisse Auswertung Versuchsreihe A...33 zu zu Auswertung Versuchsreihe B...37 zu zu Auswertung Versuchsreihe C...40 zu zu zu zu zu zu zu zu Zusammenfassung und Verbesserungsvorschläge Quellenangaben und Literaturverzeichnis...46 Im Folgenden: Anhang 1: Prüfprotokolle der Rohdichtebestimmung 1.A Prüfprotokolle Ausgangssande 1.B Prüfprotokolle Fraktionen Sand Nr. 8 Anmerkung: Die Rohdichten der Gemische sind Tabelle 5, Seite 15 zu entnehmen Anhang 2: Prüfprotokolle der Bestimmung des Fließkoeffizienten 2.A Prüfprotokolle Ausgangssande 2.B Prüfprotokolle der Gemische Anhang 3: Prüfprotokolle der Bestimmung des Sieblinienverlaufes 3.A Prüfprotokolle Ausgangssande 3.B Zusammenstellung interpolierte Sieblinien der Gemische Anhang 4: sonstige Prüfprotokolle 4.A Prüfprotokoll Fraktionen Sand Nr. 8 (Fließkoeffizienten) 4.B Prüfprotokolle Fehleruntersuchungen Sand 2 und Sand 7 4.C Prüfprotokoll zu 6.5 (Masse) 4.D Prüfprotokoll zu 6.7 (Schüttwinkel) Seite 3 von 46

6 1 Allgemeines Titel der Diplomarbeit: Vergleichende Untersuchungen zum Fließkoeffizienten an verschiedenen Sanden und Mischungen verschiedener Sande Bearbeiterin: cand.-ing. Institution: Fachhochschule Fachbereich Bauwesen Fachrichtung Bauingenieurwesen Rheinau Oberwerth Labor: FH - Amtliche Prüfstellen Prüfstelle für Straßenbaustoffe und Recycling 2 Einführung in die Aufgabenstellung 2.1 Alte Normung (Deutschland) In den ZTV-Asphalt-StB 2001 (nachfolgend ZTV-Asphalt) [1] wird als ein Kriterium bei der Zusammensetzung der Mineralstoffe im bituminösen Straßenoberbau das Brechsand-Natursand-Verhältnis (nachfolgend BS-NS-Verhältnis) aufgeführt. Tabelle 1 (Seite 4) zeigt eine Zusammenfassung und Auflistung dieser Verhältnisse. Diese Verhältnisse beruhen auf Erfahrungen vor allem in den Bereichen der Verarbeitbarkeit und der Haltbarkeit der Binder und Deckschichten. Untersucht wurden Sande hierfür unter dem Mikroskop, um die vorherrschende Kornform (rund oder gebrochen) zu bestimmen und eine Einordnung der Körnung in Natur oder Brechsand vornehmen zu können. Seite 4 von 46

7 Asphaltbinder Asphaltbeton Heißeinbau Splittmastixasphalt Gussasphalt Asphaltbeton Warmeinbau Brechsand - Natursand - Verhältnis 0/22S 1:0 0/16S 1:0 0/16 1:1 0/11 1:1 0/16S 1:1 0/11S 1:1 0/11 1:1 0/8 1:1 0/5 0/11S 1:0 0/8S 1:0 0/8 1:1 0/5 1:1 0/11S 1:2 0/11 0/8 0/5 0/11 Anteil Natursand 15 M.-% 0/8 Anteil Natursand 15 M.-% 0/5 Anteil Natursand 15 M.-% Tabelle 1: BS-NS-Verhältnisse nach ZTV-Asphalt [1] 2.2 Neue Normung (Europa) In der europäischen Normung, insbesondere der DIN EN [2] kommt dieses Verhältnis nicht vor. Um einen Sand, bzw. nach neuer Nomenklatur eine feine Gesteinskörnung, nach ihrer Eignung für den bituminösen Oberbau beurteilen zu können, wurde mit der DIN EN [3] ein Prüfverfahren zur Bestimmung des Fließkoeffizienten E CS eingeführt. Der Fließkoeffizient einer feinen Gesteinskörnung 0/2 bzw. 0/4 wird in Sekunden angegeben, die die Körnung benötigt, um einen definierten Zylinder mit Trichter zu durchlaufen. Der genaue Versuchsablauf ist unter 3.1 (Seite 5 ff.) beschrieben. Nachfolgend wird aus Gründen der Lesbarkeit hauptsächlich der Begriff Sand verwendet. Die ZTV-Asphalt [1] sind trotz Einführung der Europanormen noch gültig und bedürfen einer entsprechend angepassten Überarbeitung. Es gibt noch keine Anforderungen an den Fließkoeffizienten bezüglich der Eignung einer feinen Gesteinskörnung für bestimmte Verwendungszwecke (z.b. Asphaltbinder). Im Abschnitt 7 (Seite 32 ff.) werde ich versuchen für die Verwendungen im bituminösen Oberbau gemäß Tabelle 1 eine Empfehlung zu erstellen (Tabelle 11, Seite 34). Die TL-Gestein-StB 2004 [4] (nachfolgend TL-Gestein) sind dieser Neuerung bereits angepasst. Die TL-Gestein und die DIN EN [2] geben jedoch lediglich eine Einteilung der Ergebnisse in (Liefer-) Kategorien vor. Diese sind in Tabelle 2 (Seite 6) gegenübergestellt. Seite 5 von 46

8 2.3 Aufgabenstellung Diese Diplomarbeit soll darüber Aufschluss geben, inwieweit der E CS einen Rückschluss darauf zulässt, ob es sich um einen Natur- oder einen Brechsand nach alter Definition handelt und wie diese Erkenntnisse auf die Verwendung der Körnung übertragen werden können. Außerdem ist der Fließkoeffizient darauf zu untersuchen, ob und wie Abhängigkeiten zu bekannten Faktoren vorliegen und das Verfahren an sich wird auf seine Durchführbarkeit und eventuelle Fehlerquellen hin untersucht. Dazu wurden vom Zeitpunkt der Ausgabe der Diplomarbeit am bis zum alle hierzu benötigten Versuche durch die Diplomandin ausgeführt. Die große Zeitspanne lässt sich vor allem durch die aufwendige Vorbereitung der Proben erklären. Die Ausarbeitung der Ergebnisse erfolgte dann bis zur Abgabe am Versuchsablauf 3.1 Beschreibung des Versuchsablaufes Die Untersuchung des Fließkoeffizienten wird laut DIN EN [3] für feine und grobe Gesteinskörnungen gefordert. Inhalt dieser Diplomarbeit ist allerdings nur die Untersuchung feiner Gesteinskörnungen 0/2, da auch nur hierfür Anforderungen an das BS-NS-Verhältnis in den ZTV-Asphalt [1] gegeben sind. Zunächst wird von der Probekörnung der Anteil < 0,063 mm ausgewaschen (Nasssiebung) und die Restprobe getrocknet. Nach der Ofentrocknung wird das Überkorn, also der Rückstand auf dem 2 mm Sieb verworfen. Um die erforderliche Masse für den Versuch zu ermitteln, benötigt man die Rohdichte auf ofentrockener Basis ρ rd, ermittelt nach DIN EN , Abschnitt 9 [5]. Die neue Normung sieht für die Rohdichte eine Einheit Mg/m³ (sprich Megagramm/Kubikmeter) vor, wobei 1 Mg/m³ = 1 g/cm³ entspricht. Die Formel zur Bestimmung der Probemasse lautet nach DIN EN [3]: Die Konstante 2,7 leitet sich dabei aus der Rohdichte der Referenzkörnung (LRPC - Referenzkörnung, siehe DIN EN [3]) ab. ρ m rd ± 0,002 2,7 = [ kg ] Seite 6 von 46

9 Die so ermittelte Probemasse wird bei geschlossenem Fließmechanismus in den Zylinder des Prüfgerätes gefüllt. Das erforderliche Prüfgerät zeigt Bild 1. Empfohlen wird das Einfüllen in kreisenden Bewegungen, wobei jedoch die Gefahr groß ist einen Teil der Probe neben die Zylinderöffnung zu schütten. Daher habe ich mir einen handelsüblichen Trichter zur Hilfe genommen um die Probe besser einfüllen zu können. Zylinder Bild 1: Prüfvorrichtung der Fa. FREUNDL mit manuellem Fließmechanismus Durchlaufrichter (hier: 12 mm) Einfüllschüssel Fließmechanismus (hier: geschlossen) Auffangschüssel Einfülltrichter Um keine Verdichtung im Zylinder zu erzeugen, sollte die Fallhöhe nicht zu groß sein. Der Fließmechanismus wird manuell geöffnet und gleichzeitig eine Stoppuhr gestartet. Sobald nun die gesamte Probemasse durch den Trichter geflossen ist, wird die Zeit gestoppt und als E CSi auf 0,1 s notiert. Dies ist für jede Probe 5 mal zu wiederholen und der Mittelwert E CS auf 1 s genau anzugeben. Das Ergebnis ist dann für ein Prüfzeugnis noch in einer der in DIN EN 13043, Tabelle 10 [2], angegebenen Kategorien einzuordnen. Die TL-Gestein [4] weicht von dieser Kategorieneinteilung ab. Die Kategorien sind in Tabelle 2 gegenübergestellt. Kategorien nach DIN EN Kategorien nach TL-Gestein Fließkoeffizient [s] < 30 Kategorie E CS E CS 38 E CS 35 E CS 30 E CS angegeben Fließkoeffizient [s] Kategorie E CS < 30 E CS angegeben Keine Anforderung E CS NR Keine Anforderung E CS NR Tabelle 2: Kategorien nach DIN EN [2] und TL-Gestein [4] im Vergleich Seite 7 von 46

10 3.2 Herkunft und Art der Proben Allgemein Insgesamt standen mir 13 Proben der feinen Gesteinskörnung 0/2 zur Verfügung, wobei es sich dabei um 3 Natursande und 10 Brechsande handelt. Einen kurzen Überblick hierüber gibt Tabelle 3. Hierbei ist zu erwähnen, dass Sand 6 und Sand 7 sich nur durch die Art der Aufbereitung im Werk unterscheiden. Auf die Auswirkungen daraus auf den E CS werde ich später noch eingehen. Auf die Untersuchung der feinen Gesteinskörnung 0/4 habe ich bewusst verzichtet, da hierfür keine Anforderungen bezüglich BS-NS-Verhältnis oder E CS vorliegen. Sand Nr. Herkunft/Vorkommen Art des Gesteins 1 2 Urmitz Plaidt Natursand Natursand 3 Rheinbach-Flerzheim Natursand 4 Enspel-Stockum Basalt-Brechsand 5 Nistertal Basalt-Brechsand 6 Nentershausen Basalt-Brechsand (Kubikator) 7 Nentershausen Basalt-Brechsand (Kreiselbrecher) 8 Hühnerberg Basalt-Brechsand 9 Jettenbach Kuselith-Brechsand 10 Stockhausen Diabas-Brechsand 11 Mayen Basalt-Brechsand 12 Berge Grauwacke-Brechsand 13 Ahütte Kalkstein-Brechsand Tabelle 3: Überblick über die untersuchten Sande nach Herkunft und Art des Gesteins Petrographisch Gesteinskundlich betrachtet liegt eine große Bandbreite an Sanden unterschiedlicher Mineralstoffe vor. Zur Erläuterung der verschiedenen untersuchten Gesteinsarten soll eine kurze petrographische Beschreibung dienen. Die Gesteinsarten sind in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt. Die Beschreibung der Gesteine erfolgt in eigenen Worten und ist inhaltlich aus verschiedenen Quellen entnommen (siehe [6], [7] und [8]; Quellenangaben). Die Fotos der zugehörigen Sande sollen eine direkte Vorstellung über die Beschaffenheit des Materials ermöglichen. Auf den Bildern ist auf der rechten Seite der unbehandelte Sand zu sehen, auf der linken Seite ist die zur Untersuchung vorbereitete (gewaschene, gesiebte) Probe zu sehen. Eine Ausnahme bildet Sand Nr. 8, da dieser mir in einzelnen Körnungen zur Verfügung stand und diese von mir direkt zur weiteren Bearbeitung gewaschen wurden, um dann zu einem Sand mit später näher erläuterter Sieblinie zusammengemischt zu werden. Dieser gewaschene, gezielt zusammengesetzte Sand ist auf dem zugehörigen Foto abgebildet. Seite 8 von 46

11 Basalt ist ein kieselsäurearmes Ergussgestein, also vulkanischen Ursprungs. Das Gestein ist meist dunkelgrau. Basalt ist nicht spröde und sehr druckfest. Er findet auf Grund seiner Eigenschaften traditionell Verwendung in allen Bereichen des Straßenbaus. Die Rohdichten bei Basalten liegen im Mittel bei 2,95 Mg/m³. Bild 2: Sand 4 Bild 3: Sand 5 Seite 9 von 46