Experimentelle Untersuchungen zum Zusammenhang der Einbaudichte und der Wasserdurchlässigkeit von Tragschichten ohne Bindemittel

Technische Universität Dresden
Fakultät Bauingenieurwesen
Stadtbauwesen und Verkehrswegebau

Diplomarbeit

Experimentelle Untersuchungen zum Zusammenhang der
Einbaudichte und der Wasserduchlässigkeit von
Tragschichten ohne Bindemittel

von

Heider, Torsten

Ausgehändigt: 30.06.2000

Eingereicht: 29.09.2000

Thesen zur Diplomarbeit mit dem Thema:
„Experimentelle Untersuchungen zum Zusammenhang der Einbaudichte und der Wasserdurchlässigkeit von Tragschichten ohne Bindemittel“

vorgelegt von: Heider, Torsten

1. Der Einbauwassergehalt muss als wichtige Einflussgröße auf die Wasserdurchlässigkeit beachtet werden. Mit geeigneten Laborversuchen lässt sich dieser Zusammenhang untersuchen und darstellen.
2. Die Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit vom Einbauwassergehalt ändert sich bei der Veränderung der Sieblinie, des Verdichtungsgrades und der Kornform.
3. Die Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit von der Lagerungsdichte lässt sich ungefähr durch eine mathematische Funktion beschreiben.
4. Die Veränderung der Sieblinie durch Kornzertrümmerung bei Tragschichtmaterial aus Recyclingbeton wirkt sich auf die Wasserdurchlässigkeit der Probekörper im Labor aus, wobei natürlich ziemlich hohe Dichten erzielt werden.
5. Das Problem der Randumläufigkeiten bei Prüfungen nach DIN 18035 kann mit Hilfe einer Randabdichtung aus Bentonit gelöst werden.
6. Die Bestimmung der Lagerungsdichte der Probekörper bei den Versuchen nach DIN 18035 wird einen kleinen Messfehler enthalten, da das Volumen des Tixotons (Bentonit) durch seine starke Quellfähigkeit nicht genau bestimmt werden kann.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Zielstellung ... 1
    1.1 Einleitung ... 1
    1.2 Zielsetzung ... 3

2 Literaturauswertung ... 5
    2.1 Notwendigkeit der Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit ... 5
        2.1.1 Allgemeines ... 5
        2.1.2 Wasserdurchlässige Verkehrsflächen ... 6
        2.1.3 Herkömmliche Verkehrsflächen ... 14
    2.2 Anforderungen an Tragschichten ohne Bindemittel ... 20
        2.2.1 Frostschutzschichten ... 20
        2.2.2 Kies- und Schottertragschichten ... 22
        2.2.3 Spezielle Forderungen an die Wasserdurchlässigkeit von Tragschichten 
        ohne Bindemittel ... 25
    2.3 Einflussgrößen auf die Wasserdurchlässigkeit ... 27
        2.3.1 Grundlagen ... 27
        2.3.2 Korngröße und Korngrößenverteilung ... 30
        2.3.3 Verdichtung ... 35
        2.3.4 Kornform und Oberfläche der Teilchen ... 36
        2.3.5 Sättigungsgrad ... 37
        2.3.6 Mineralart ... 38
        2.3.7 Einbauwassergehalt ... 38
        2.3.8 Strömendes Medium ... 39

3 Versuchsdurchführung ... 40
    3.1 Vorbetrachtungen und Lösungsweg ... 40
    3.2 Untersuchte Tragschichtgemische und Beschreibung des Versuchsfeldes ... 43
    3.3 Laborversuche ... 47
    3.4 Feldversuche ... 59

4 Versuchsauswertung ... 67
    4.1 Laborversuche ... 67
        4.1.1 Korngrößenverteilung ... 67
        4.1.2 Proctorversuch ... 69
        4.1.3 Rohdichtenbestimmung ... 72
        4.1.4 CBR – Versuch ... 72
        4.1.5 Stoffliche Zusammensetzung des RC – Materials ... 74
        4.1.6 Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit vom Einbauwassergehalt ... 74
        4.1.7 Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit von der Lagerungsdichte ... 80
    4.2 Feldversuche ... 88
        4.2.1 Verdichtung 1 ... 88
        4.2.2 Verdichtung 2 ... 91
        4.2.3 Verdichtung 3 ... 95
        4.2.4 Verdichtung 4 ... 98
    4.3 Vergleich von Labor- und Feldversuchen ... 106

5 Schlussfolgerungen ... 109

6 Zusammenfassung ... 112

Abbildungsverzeichnis ... 114

Quellenverzeichnis ... 116

Anlagen
Anlagen 1 Versuchsbeschreibungen der Laborversuche
Anlage 1-1 Bestimmung der Sieblinien
Anlage 1-2 Proctorversuch DIN 18127
Anlage 1-3 Bestimmung der Rohdichte DIN 52102
Anlage 1-4 Ermittlung der Wasserdurchlässigkeit DIN 18035
Anlage 1-5 CBR – Versuch nach TP BF-StB Teil B 7.1
Anlage 2 Versuchsbeschreibung der Feldversuche
Anlage 2-1 Beregnungsversuch
Anlage 2-2 Ermittlung der Wasserdurchlässigkeit mit dem Doppelzylinder – 
    Infiltrometer DIN 19682
Anlage 2-3 Dichtebestimmung DIN 18125
Anlage 2-4 Plattendruckversuch DIN 18134
Anlage 3 Versuchsergebnisse Laborversuche
Anlage 3-1 Korngrößenverteilung
Anlage 3-2 Proctordichte und optimaler Wassergehalt
Anlage 3-3 Rohdichte
Anlage 3-4 Wasserdurchlässigkeit
Anlage 3-5 CBR – Versuch
Anlage 4 Versuchsergebnisse Feldversuche
Anlage 4-1 Beregnungsversuch
Anlage 4-2 Wasserdurchlässigkeit mit dem Doppelzylinder – Infiltrometer
Anlage 4-3 Dichtebestimmung
Anlage 4-4 Plattendruckversuch
Anlage 5 Untersuchungsergebnisse Planum
Anlage 6 Lagepläne der Messstellen im Versuchsstand
Anlage 7 Fotodokumentation
Anlage 8 Prüfzeugnis ToB C
Anlage 9 Stoffliche Zusammensetzung des Recyclingmaterials
Anlage 10 Bentonit

1 Einleitung und Zielstellung
1.1 Einleitung
Alle Verkehrsflächen sind so zu befestigen, dass sämtliche Beanspruchungen aus Witterung, Verkehr, mechanischen Lasten (z.B. Winterdienst) und chemischen Stoffen (z.B. Tausalze) möglichst schadlos aufgenommen werden können und die Gebrauchsfähigkeit der Fläche erhalten bleibt. Der Oberbau ist neben den Erdbauwerken der wesentlichste Teil des Straßenkörpers. Er soll die eingetragenen Belastungen schadlos aufnehmen und an den Untergrund bzw. Unterbau weiterleiten. Die vorliegende Diplomarbeit soll nur ein Teil des Oberbaus, die ungebundenen Tragschichten, hinsichtlich ihrer Wasserdurchlässigkeit in Abhängigkeit von Einbaudichte und Einbauwassergehalt genauer untersuchen.

Tragschichten ohne Bindemittel werden in Frostschutzschichten sowie Kies- und Schottertragschichten unterschieden. Dadurch sollen die Eigenschaften des vorhandenen Unterbaus, der Straßenbeanspruchung und der vorhandenen Baustoffe wirtschaftlich berücksichtigt werden [1].

Die Aufgabe der Frostschutzschicht ist es, vor Frostschäden zu schützen (Frosthebungen ausgleichen), die Frosteindringung in die Gründung zu verringern bzw. sogar zu verhindern, zur Entwässerung beizutragen (Planumsentwässerung) und die schon stark abgeminderten Spannungen weiter abzubauen [2]. Damit diese Forderungen erfüllt werden können, muss unter anderem auch eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit der Schichten über die Lebensdauer der Straße sichergestellt werden. Die Dränwirkung des Tragschichtmaterials reduziert die Kapillarität und eingedrungenes Wasser wird abgeleitet. Dadurch können Schäden an der Straßenkonstruktion durch Frost (z.B.: Eislinsenbildung) und mangelnde Tragfähigkeit (z.B.: kritische Frühjahrstragfähigkeit) vermindert oder sogar verhindert werden.

Die Kies- und Schottertragschichten dienen der Lastverteilung, also dem Schutz des Planums vor schädlichen Spannungen und Verformungen, sowie der Entwässerung. Sie wird der Verkehrsbelastung angepasst. Bei steigender Belastung kann die Schichtdicke erhöht, eine höhere Mineralstoffqualität gewählt oder der Einbau verbessert werden. Damit die Forderungen an Kies- und Schottertragschichten erfüllt werden können, muss eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit gewährleistet werden.

Neben diesen Aufgaben bei herkömmlichen Straßenbefestigungen muss ein weiterer Aspekt beachtet werden. Dieser beinhaltet den ständig wachsende Einsatz wasserdurchlässiger Straßenbefestigungen. Ziel ist es hierbei, das anfallende Regenwasser sofort versickern zu lassen bzw. kurzzeitig zu speichern. Das bedeutet für die Tragschichten, dass relativ große Wassermengen in kurzer Zeit hindurchfließen müssen. Die Wasserdurchlässigkeit dieser Schichten muss dementsprechend groß und langfristig wirksam sein.

Die Bereitstellung eines Tragschichtgemisches, welches im eingebauten Zustand sowohl die geforderte Verdichtung und Tragfähigkeit als auch eine gute Wasserdurchlässigkeit aufweist, ist sehr schwierig, da sich ein hoher Verdichtungsgrad sowie gute Tragfähigkeit und eine sehr gute Wasserdurchlässigkeit als Forderungen an Tragschichten ohne Bindemittel oft wiedersprechen. Ziel ist es deshalb, einen Kompromiss zu finden, welcher je nach Funktion, Bedeutung und Bauweise der Straße die eine oder andere wichtige Eigenschaft etwas stärker betont.

1.2 Zielsetzung
Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen beschäftigten sich mit Einflussgrößen auf die Wasserdurchlässigkeit ungebundener Tragschichten. Einige Einflussfaktoren sind weitestgehend bekannt und erforscht. Mit dieser Arbeit soll eine mögliche Beeinflussung der Wasserdurchlässigkeit von Tragschichten ohne Bindemitteln durch den Einbauwassergehalt untersucht werden. Erste Versuche von WOLF [3] haben gezeigt, dass eine Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit vom Einbauwassergehalt vorhanden ist. Durch Laborversuche von drei vorhandenen Tragschichtgemische (Granodiorit 0/32 aus Pließkowitz, Diabas 0/32 aus Friedrichswalde und RC-Beton 0/45 von Remex Dresden) soll dies näher untersucht und verdeutlicht werden. Die Lagerungsdichte der Mineralstoffgemische ist eine weitere entscheidende Einflussgröße auf die Wasserdurchlässigkeit von Tragschichten ohne Bindemitteln. Mit dieser Diplomarbeit sollen die Erkenntnisse zu diesem Thema weiter vertieft werden. Die Wasserdurchlässigkeit wird in Abhängigkeit vom Hohlraumgehalt der im Labor hergestellten Probekörper untersucht werden. Die Ergebnisse der Laborversuche sollen mit Feldversuchen verglichen werden. Zu Vergleichszwecken sollen je Tragschicht drei Verdichtungszustände untersucht werden. Die dabei bestimmten Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte werden unter Beachtung von Einbauwassergehalt und Hohlraumgehalt mit den Laborergebnissen verglichen. Durch eine sorgfältige Probenteilung bzw. Probenentnahme kann davon ausgegangen werden, dass alle Probekörper und Messstellen im Versuchsstand eine annähernd gleiche Korngrößenverteilung haben. Damit ist der Einfluss der Korngrößenverteilung vernachlässigbar, da Entmischungen bei sorgfältiger Arbeit vermieden werden können.

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