Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 Tragfähigkeit von RC-Baustoffen unter höchster Beanspruchung Beispiel A 8 Dipl.-Ing. Thomas Chakar
FE-Projekte Vergleichende Beurteilung des Zeit-Setzungs-Verhaltens unterschiedlich zusammengesetzter Tragschichten ohne Bindemittel mit verschieden großen Asphaltanteilen in einer Versuchsstrecke (kurz: Vertoba) Erarbeitung eines Bewertungshintergrundes für Tragfähigkeitsmessungen auf Basis von Zustandsindikatoren nach Jendia (kurz: Jendia) Untersuchungszeitraum (Versuchsstrecke): 1/98 Einbau ToB/ATS/ABS 8/99 11/ Einbau VerkehrsADS freigabe 3/2 3/3 Vertoba Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 1/5 Jendia 2
Lage der Untersuchungsstrecke (RStO 1, Zeile 1, Bauklasse SV) Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 3
Auswahl und Herkunft der Baustoffe Kurzbezeichnung RC-Anteile Variante oder Art des Gemisches KTS 6/4 STS 1/ 5/5 7/3 Verwendete Baustoffgemische in der ToB Kies-Sand-Gemisch (Oberrhein-Moräne) RC Gemisch, 6 M.-% Betonaufbruch und 4 M.-% Aphaltgranulat Schotter-Splitt-Sand-Gemisch (Muschelkalk) RC Gemisch, 1 M.-% Betonaufbruch RC Gemisch, 5 M.-% Betonaufbruch und 5 M.-% Aphaltgranulat RC Gemisch, 7 M.-% Betonaufbruch und 3 M.-% Aphaltgranulat Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 4
Laboruntersuchungen Eigenschaften der Baustoffgemische: Korn(Stück-)größenverteilung Stoffliche Kennzeichnung Frostbeständigkeit Wiederstandsfähigkeit gegen Schlag Reinheit Proctordichte und optimaler Wassergehalt Wasserdurchlässigkeit Zeit-Setzungs-Verhalten Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 5
Dynamischer Druckschwellversuch Standardversuchsbedingungen für ungebundene Gemische Oberspannung бo =,35 N/mm² Unterspannung бu =,11 N/mm² Belastung: sinusförmiger Druckschwellimpuls,,2 s Impulsdauer; 1,5 s Lastpause Verdichtungsgrad: Dpr = 13% 12, Dehnung [Promille] 1, 8, Prüftemperatur: T = 2 C Prüfdauer: N = 1. Probekörper: 3 Prüfzylinder d = 15 mm Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 6, 4, 2,, 1 2 3 4 5 6 Lastimpulsanzahl [n] 7 8 9 1 6
Setzungen 3 Versuchsergebnisse (arithmetisches Mittel) Vergleichswerte Vorgängerprojekt 25 Setzungen [ ] 2 15 1 vorgeschlagener Grenzwert 5 STS KTS 1/ 7/3 6/4 5/5 3/7 /1 Mischungsverhältnis - Beton/Asphalt [in %] Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 7
Untersuchungen in situ Planum Statischer und dynamischer Plattendruckversuch Ungebundene Tragschicht Verdichtungsgrad (Ballonverfahren) Statischer und dynamischer Plattendruckversuch Tragfähigkeit mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) Wasserdurchlässigkeit durch Versickerungsversuche Asphalttragschicht /-binder und -deckschicht Tragfähigkeit mit dem FWD Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 8
Infiltrationsversuche 1,E-5 9,E-6 8,E-6 Abfluß q [m³/s] 7,E-6 6,E-6 5,E-6 4,E-6 3,E-6 2,E-6 1,E-6,E+ (KTS) a (6/4) (STS) (1/) (5/5) (7/3) a = 1,35E-5 (oberflächennaher Abfluß) Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 9
Statischer Plattendruckversuch Plattendruckversuch Tragschicht 35 3 25 Ev2 2 15 1 5 KTS 4/6 STS /1 5/5 3/7 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 Meßfeld/Meßstelle Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 1
Falling Weight Deflectometer Tragfähigkeitsmesssystem Kraftimpuls 5 kn 9 Geophone Belastungsplatte Ø 3 mm Ergebnis Fallgewicht Gummipuffer Lastplatte Geophone relativer Vergleich der Tragfähigkeit absoluter Vergleich der Tragfähigkeit Basisdaten für modelltheoretische Betrachtungen Einsatzmerkmale Einsenkungsmulde Fahrbahnbefestigung gute Differenzierbarkeit der Ergebnisse gute Wiederhol- und Vergleichbarkeit schneller und unkomplizierter Einsatz Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 11
Tragfähigkeitskenngrößen nach Jendia - KTS Deflexion D [µ m] 25-6/4 - STS - 1/ - 5/5-7/3 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 Abstand Messpunkt von Messstreckenanfang [m] Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 12
Monitoring schlechter <-------- D --------> besser Rang Messtermin Oktober 98 (ATS) November 98 (ABS) Junic 99 (ABS) August99 November März 1 Juli 1 Dezember 1 März 2 März 3 Juni 4 Oktober 4 Juni 5 August 5 September 5 Oktober 5 6 5 4 3 2 1 161,9 79,7 115,1 115,5 48,6 54,5 77,8 53,9 53,7 52,1 74,8 65,4 86,7 73,4 64,2 6,3 146,5 67,2 1,3 114,6 42,1 4,2 65,1 41, 44,8 4,6 64, 54, 8, 61, 5,8 46,1 129,6 63,5 91,2 11,2 4,1 39, 6,8 39,6 39, 39, 57,2 52, 67,6 5,6 45,3 42, 129,4 55,6 8,8 99, 32, 3,4 46,5 3,1 32,6 29,6 45,2 38, 54,4 41,5 34,5 32,5 98,9 52,8 75,7 91,2 31,4 28,6 44,9 28,8 3,2 28,6 41,9 35, 49,4 37,9 31,2 32,5 67,5 45,7 59,6 58,9 22,1 2,6 35, 22,2 21,8 21,1 36,6 3,6 45,4 31,5 26,7 23,9 Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 Konsolidierungsphase Beharrungsphase Legende: Variante KTS 6/4 STS 1/ 5/5 7/3 13
Tragfähigkeitskenngrößen Aufbau nach RStO 1, Tafel 1, Zeile 1, Bauklasse IV: Asphaltdeckschicht Asphalttragschicht RStO 1, Tafel 1, Zeile 1,natürl. II: Aufbau nach ToB: Bauklasse Gesteinskörnungen Untergrund/-bau: nicht felsig Gesteinskörnungen Frosteinwirkungszone: RStO 1, Tafel 1, Zeile 1,natürl. SV: Aufbau nach ToB: Bauklasse Jahreszeit: Untergrund/-bau:Lage der Gradiente: nicht felsig Zeitpunkt der Messung: Phase: Frosteinwirkungszone: Jahreszeit: Alter: Lage der Gradiente: - 6/4 Asphalttragschicht Beharrungsphase - STS Beharrungsphase Phase: Zeitpunkt der Messung: Alter: Jahreszeit: Phase: Beharrungsphase Frostschutzschicht - 1/ Kenngrößen (Jendia) Deflexionsmuldenintervall Kenngrößen (Jendia) x ± s (für Messlinie "R") Messlinie Deflexionsmuldenintervall x±s Kenngrößen (Jendia) R M (für Messlinie "R") Messlinie Geofonabstand zum Lastzentrum [cm] Deflexionsmuldenintervall x±s R M 233 ± 42 239 ± 24 "R") 21 33 51 127 15 18 21 9 (für Messlinie D Messlinie 24 Geofonabstand zum Lastzentrum [cm] (n: 683) (n: 31) 16 35 47 bereich Temperaturbereich Temperaturbereich 5 1 21 33 51 1 9 125 127 78 15 18 16 13 127 23 18 17 152 25 Geofonabstand zum Lastzentrum [cm] 39 191 21 33 1: 55-51 1763 C 4 2 8 1 92 1 15 15 2 2 25 2: 17-25 C 19 21 4 6 66 8 R 49 D 14 73 ± 19 (n: 671) D 25 29 35 39 28 18 4 UI arith. Mittelwerte x ± Standardabweichung 13 ± 4s UI (n: 671) arith. Mittelwerte x ± Standardabweichung s Tz arithmetische Mittelwerte x arith. Mittelwerte x ± Standardabweichung 21 33 51 s 21 33 51 9 127 24 15 1 4 51 117 15 72 3679 ±M 16 (n: 835) 85 ± 2 (n: 148) 73 ± 2 UI (n: 187) 15 ± 3 (n: 835) 46 ± 9 (n: 683) 15 ± 4 (n: 148) 47 ± 6 (n: 31) 13 ± Tz 4 (n: 187) 4,6 ± 1,1 (n: 835) 2,1 ±,5 (n: 683) 3,9 ± 1,1 (n: 148) 1,7 ±,3 (n: 31) 21 5,4 ± 2, D 16 (n: 187) 34 95 ± 22 (n: 332) 269 ± 5 (n: 221) 14 ± 26 (n: 8) 271 ± 4 (n: 39) 8 ± 2 UI (n: 79) 16 ± 4 (n: 332) 51 ± 11 (n: 221) 17 ± 4 (n: 8) 51 ± 8 (n: 39) 13 ± 4 Tz (n: 79) 3,3 ±,7 (n: 332) 1,6 ±,3 (n: 221) 2,7 ±,7 (n: 8) 1,6 ±,2 (n: 39) 16 (n: 79) 35 19 ± 22 (n: 41) 314 ± 7 (n: 19) 18 ± 23 (n: 39) arithmetische Mittelwerte x 5 arithmetische Mittelwerte x 19 131 165 28 22 75 12 9 8 17 22 125 21 8 6 D 26 31 37 319 43 18 127 15 18 4,7 ± 1,3 Tz 21 32 18 45 (n: 671)22 9 15 627 14 46 D 85 ± 2 (n: 396) UI 55 4 5 2 15 UI 15 ± 4 (n: 396) Tz 25 2 1 1 127 15 42 2259 11 61 248 275 21 84 1 82 2 2 25 Deflexion [µm] 3 42 21 33 551 73 58 92 219 127 15 66 11 14 2: 17-25 C 22 82 248 35 1 95 3 43 281 5 89 15 Deflexion [µm] Deflexion [µm] 5-2566 C 2: 17 1 96 18 73 65 47 9 2 81 53 5 74 25 5 2 1 29 36 21 33 51 Deflexion [µm] 1: 5-17 C 3 6 1 Deflexion [µm] 1: 5-1753 C 5 42 Deflexion [µm] Deflexion [µm] 15 4 8-7/3-5/5 Temperatur Alter: 6 12 2 Deflexion [µm] - KTS 25 7 14 Untergrund/-bau:Lage der Gradiente: nicht felsig Frosteinwirkungszone: Zeitpunkt der Messung: natürl. Gesteinskörnungen 57 1 43 3 3 21 33 51 9 24 181 65 5 44 28 15 21 33 51 87 92 244127 74 1 3: 25-35 C 13 22 92 137 13 46 3 37 289 3: 25 C 53 43 5-35 132 73 56 331 15 77 4 384 91 1 13 2 5 131 15 25 127 Tz 44 18 9 127 16 139 3 15 75 12 1 83 19 23 132 4 421 3,3 ± D,6 153,4 ±,7 18 22 31 21 (n: 396) 8 64 15 47 D 5 5 (n= ) 6 6 Abstand Messpunkt zum Messstreckenanfang [m] 3: 25-35 C Deflexion [µm] Deflexion D [µm] Tragfähigkeitszahl Tz Untergrundindikator UI[ ] [µm] ToB: Asphaltdeckschicht Frostschutzschicht Asphaltbinderschicht Asphalttragschicht Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Frostschutzschicht 18 21 7 5 3 26 228 D 12 ± 29 (n: 23) UI UI 16 ± 6 (n: 23) Tz 2 25 Tz 2,6 ±,6 (n: 23) Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 16 ± 25 UI (n: 149) 18 ± 5 (n: 41) 16 ± 5 Tz (n: 149) 2,6 ±,8 (n: 41) - 57 ± 14 (n: 19) 18 ± 5 (n: 39) (n= ) 1,3 ±,3 (n: 19) 2,4 ±,7 (n: 39) (n= ) - 2,3 ±,6 (n: 149) 14
Modell und Bemessungskriterien Bemessungskriterien Mehrschichtentheorie Schicht Schichtdicke E- Modul Asphaltschicht h1 E1 Ungeb. Tragschicht (ToB) h2 E2 Untergrund/ Unterbau unendlich E3 z.b. kritische Spannung/Dehnung an der Unterseite der Asphaltschicht Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 15
Schichtsteifigkeit E1 E2 [MPa] E3 Schichtsteifigkeiten - KTS - 6/4 - STS - 1/ - 7/3-5/5 16 16 14 14 12 12 1 1 8 8 6 6 4 4 2 2 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 Abstand Messpunkt zum Messstreckenanfang [m] Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 16
Prinzip der Restnutzungsdauerbestimmung Georadar FWDMessung Streckeninformationen Labor/Literatur Aufbau Schicht-E-Moduln Spannungen und Dehnungen Zul. Lastwechsel N DTV(SV) Bemessungskriterium Restnutzungsdauer nein Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 Ausreichend? Ja: Ende 17
Beanspruchungsgrößen (Berechnungsannahmen: Querdehnzahlen:,35; Schichtenverbund: 1%, Ermüdungsgesetz nach SPDM, Schichtdicken h1: 34 cm; h2: 36 cm) Zusätzliche Berücksichtigung von: - Alterung von Bitumen - Frost-Tau-Wechselbeanspruchung - Einbaubedingte Schwächungen durch Entmischungsprozesse oder Fugen Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 18
Fazit Charakterisierung des Verhaltens definierter Baustoffgemische möglich durch erweiterte Laboruntersuchungen Messungen in situ (Monitoring): quantitative Abschätzung der Beanspruchungsgrößen zur Beurteilung der Wechselwirkung zwischen den Schichten Bestätigung bisheriger Erkenntnisse: Hohe Tragfähigkeiten Bisher keine Tragfähigkeitsreduzierung innerhalb der Beharrungsphase feststellbar Asphaltanteile bis 5 M.-% stellen kein grundsätzliches Problem dar aber: Geringere Wasserdurchlässigkeit Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 2.11.27 19
Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Thomas Chakar