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

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Zielstellung
1.1 Einleitung
1.2 Zielsetzung

2 Literaturauswertung
2.1 Notwendigkeit der Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit
2.1.1 Allgemeines
2.1.2 Wasserdurchlässige Verkehrsflächen
2.1.3 Herkömmliche Verkehrsflächen
2.2 Anforderungen an Tragschichten ohne Bindemittel
2.2.1 Frostschutzschichten
2.2.2 Kies- und Schottertragschichten
2.2.3 Spezielle Forderungen an die Wasserdurchlässigkeit von Tragschichten ohne Bindemittel
2.3 Einflussgrößen auf die Wasserdurchlässigkeit
2.3.1 Grundlagen
2.3.2 Korngröße und Korngrößenverteilung
2.3.3 Verdichtung
2.3.4 Kornform und Oberfläche der Teilchen
2.3.5 Sättigungsgrad
2.3.6 Mineralart
2.3.7 Einbauwassergehalt
2.3.8 Strömendes Medium

3 Versuchsdurchführung
3.1 Vorbetrachtungen und Lösungsweg
3.2 Untersuchte Tragschichtgemische und Beschreibung des Versuchsfeldes
3.3 Laborversuche
3.4 Feldversuche

4 Versuchsauswertung
4.1 Laborversuche
4.1.1 Korngrößenverteilung
4.1.2 Proctorversuch
4.1.3 Rohdichtenbestimmung
4.1.4 CBR - Versuch
4.1.5 Stoffliche Zusammensetzung des RC - Materials
4.1.6 Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit vom Einbauwassergehalt
4.1.7 Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit von der Lagerungsdichte
4.2 Feldversuche
4.2.1 Verdichtung
4.2.2 Verdichtung
4.2.3 Verdichtung
4.2.4 Verdichtung
4.3 Vergleich von Labor- und Feldversuchen

5 Schlussfolgerungen

6 Zusammenfassung

Abbildungsverzeichnis

Quellenverzeichnis

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.

Besonders interessant sind die folgenden Fragen:

- Wie verhalten sich Wasserdurchlässigkeit und Tragfähigkeit bei unterschiedlichen Einbauwassergehalten?
- Ist der optimale Wassergehalt hinsichtlich der Verdichtbarkeit des Tragschichtmaterials gleich dem Optimum bei der Wasserdurchlässigkeit?
- Verändert sich der Zusammenhang zwischen Einbauwassergehalt und Wasserdurchlässigkeit bei unterschiedlichen Verdichtungsgraden oder verschiedenen Korngrößenverteilungen?
- Worin liegt die Ursache für die unterschiedliche Wasserdurchlässigkeit bei geänderten Einbauwassergehalten und sonst nahezu gleichen Probekörpern?
- Ist die Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes vom Einbau- wassergehalt langfristig wirksam?

Alle Untersuchungen sind als ein Beitrag zur Forschung zu betrachten, bei denen es darum gehen soll, die Tendenzen der Versuche auszuwerten. Es kann wegen der geringen Anzahl an Versuchen keine statistische Auswertung erfolgen. Ziele dieser Arbeit sind:

- herauszufinden, ob eine Abhängigkeit zwischen Einbauwassergehalt und Wasserdurchlässigkeit besteht und
- die Erkenntnisse, wie sich Hohlraumgehalt (Lagerungsdichte) und Wasser-

durchlässigkeit (unter Beachtung der Einflussgröße „Einbauwassergehalt“) verhalten, zu vertiefen.

2 Literaturauswertung

2.1 Notwendigkeit der Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit

2.1.1 Allgemeines

Befestigungen von Verkehrsflächen können bewusst wasserdurchlässig hergestellt werden oder eigentlich dichte Befestigungen können durch die verschiedensten Beschädigungen wasserdurchlässig werden. Im ersten Fall wird der gesamte Aufbau der Verkehrsfläche wasserdurchlässig hergestellt (falls eine Regenwasserversickerung angestrebt wird). Das beginnt bei der Deckschicht und endet mit der Versickerung im Erdplanum. Anfallendes Regenwasser durchdringt also alle vorhandenen Schichten und soll im anstehenden Boden versickern. Ein Grund für diese Bauweise ist in der ständig wachsenden Versiegelung von Siedlungsflächen in Deutschland zu suchen (11 % der Gesamtbodenfläche in Deutschland ist heute schon versiegelt[4] ). Ziel ist es, die Kosten für die notwendigen Infrastrukturmaßnahmen (Kanäle, Leitungen, Regenwassersammelbecken, etc.) zu verringern, den natürlichen Wasserkreislauf wieder herzustellen und anfallendes Regenwasser zumindest kurzzeitig zu speichern. Damit dieses Ziel erreicht werden kann, ist als Deckschicht zum Beispiel Porenbeton, Dränasphalt oder wasserdurchlässiges Pflaster zu verwenden.

Ist der anstehende Boden nicht wasserdurchlässig genug, so kann mit Hilfe einer der oben angeführten Befestigungen zumindest eine zeitweilige Speicherung des Wassers erreicht werden. Es muss dann aber über die Neigung des Planums in entsprechende Entwässerungseinrichtungen abgeleitet werden.

Durch Risse und aufgegangene Arbeitsnähte von Asphaltbefestigungen sowie durch die Fugen von Betondecken können selbst eigentlich dichte Decken eine gewisse Wasserdurchlässigkeit erreichen. Das anfallende Wasser ist aus den schon aufgeführten Gründen (siehe Kapitel 1.1) schnellstmöglich aus der Befestigung zu entfernen. Bei Betonfahrbahnen kann es zusätzlich zu den schon genannten Schädigungen zum sogenannten Pumpeffekt kommen[5]. Dringt bei dieser Bauweise Wasser durch die Fugen und Risse ein und wird nicht sofort abgeleitet, so kann es bei nicht vollflächig aufliegenden Betonplatten zu dieser Pumpwirkung kommen. Bei Belastung wird das Wasser durch die Kippbewegung der Platte aus dem Hohlraum zwischen Tragschichtoberfläche und Plattenunterseite mit sehr hoher Geschwindigkeit herausgedrückt. Dabei können Materialumlagerungen in der Tragschicht auftreten, welche schließlich die Auflagerung der Betonplatte erheblich verschlechtern.

Das durch die Kapillarität der Tragschichtgemische eventuell in den befestigten Aufbau gelangte Wasser muss ebenfalls so schnell wie möglich wieder abgeleitet werden, um Schäden zu vermeiden. Da diese Themen schon erläutert worden sind (siehe Kapitel 1.1), soll an dieser Stelle darauf verzichtet werden.

2.1.2 Wasserdurchlässige Verkehrsflächen

Die Gründe für den Bau wasserdurchlässiger Verkehrsflächen sind schon begründet worden. In diesem Kapitel sollen einige grundlegende Besonderheiten dieser Bauweise näher erläutert werden.

Die hydraulische Wirkung von Versickerungsanlagen und wasserdurchlässigen Oberbauten umfasst die Aufnahme von Oberflächenabflüssen, eventuell ihre kurzfristige Speicherung und die Versickerung im Untergrund[6]. An dieser Stelle soll noch einmal kurz auf die Vorteile einer direkten Versickerung gegenüber der Ableitung in ein oberirdisches Gewässer eingegangen werden (sofern dies möglich ist):

- Es gibt keine Überlastung der oberirdischen Gewässer (Überschwemmungen) und es besteht die Möglichkeit Baukosten für den Gewässerbau bzw. die Erweiterung von Kanälen, Regenrückhaltebecken usw. einzusparen. - Die Grundwasserneubildung wird gefördert. - Bei der Versickerung in den Untergrund wird das Wasser gereinigt. - Die Betriebskosten der Entwässerungseinrichtungen können geringer ausfallen. Um die Bedeutung der Versickerung des Niederschlagswassers zu unterstreichen, soll hier das Landeswassergesetzt von NRW zitiert werden. Darin wird in §51a vorgesehen: „Niederschlagswasser von Grundstücken, die nach dem 1.1.1996 erstmals bebaut, befestigt oder an die öffentliche Kanalisation angeschlossen werden, ist vor Ort zu versickern, zu verrieseln oder ortsnah in ein Gewässer einzuleiten, sofern dies ohne Beeinträchtigung des Wohls der Allgemeinheit möglich ist. Die dafür erforderlichen Anlagen müssen den jeweils in Betracht kommenden Regeln der Technik entsprechen.“[7]

Wasserdurchlässige Verkehrsflächen sind grundsätzlich nur für schwach belastete Verkehrsflächen anzuwenden. Der Grund dafür ist in der fehlenden biologisch aktiven belebten Bodenzone zu suchen[8]. Aus diesem Grund sind nur Verkehrsflächen wasserdurchlässig auszuführen, auf deren Flächen ausschließlich niedrig verschmutztes Niederschlagswasser anfällt (Bauklassen V und VI der RStO, Geh- und Radwege und entsprechende private Flächen).

Die nun folgenden Bemerkungen sind ebenfalls dem Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen entnommen [8]. Für die Anforderungen an Bauweisen mit wasserdurchlässiger Verkehrsflächenbefestigung wird ein Bemessungsregen gewählt. Die jährliche Überschreitungshäufigkeit ist n = 0,2/a und die Dauer T = 10 min. Legt man einen Durchschnittswert für den 15 min Regen von 120 l/(s*ha) zugrunde (n=1), so ergibt das nach dem Zeitbeiwertverfahren eine Bemessungsregenspende von 270 l/(s*ha). Der Durchlässigkeitsbeiwert im Labor wird bei vollständiger Wassersättigung der Probekörper ermittelt. Da bei der Durchsickerung der Böden von oben nach unten ein Teil des Porenraumes ungesättigt bleibt, ist die wirksame Durchlässigkeit erheblich geringer. WICHTER [9] meint sogar, dass bei gebrochenen Mineralstoffen nur 25 % des ermittelten Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes wirksam werden. Für natürliche Kiese und Sande soll dieser Wert bei 50 % liegen. Eine Begründung für diese Angaben erfolgte nicht. Im Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen gehen die Verfasser dagegen nur von einer Verringerung auf 50% aus. Dies soll auch der Anhaltswert für alle weiteren Untersuchungen im Rahmen dieser Diplomarbeit sein. Ein großes Problem aller wasserdurchlässigen Befestigungen ist es, dass im Laufe der Zeit die Durchlässigkeit infolge Verschmutzungen teilweise erheblich zurückgehen kann. Deshalb ist eine zusätzliche Anordnung von Entwässerungseinrichtungen zwingend erforderlich. Hierin ist auch ein Grund für den nicht immer wirtschaftlich sinnvollen Bau dieser wasserdurchlässigen Verkehrsflächen zu suchen. Nach Meinung des Verfassers gibt es aber noch ausreichend andere Vorteile dieser Bauweise um den Bau solcher Verkehrsflächen zu unterstützen. Zur Dimensionierung der Entwässerungseinrichtungen ist, unabhängig von der Bauweise, der Abflussbeiwert mit Y = 0,5 anzusetzen. Mit diesem reduzierten Abflussbeiwert sind die Entwässerungseinrichtungen gemäß RAS -Ew[10] zu dimensionieren.

Eine Grundvoraussetzung für wasserdurchlässige Verkehrsflächen ist die Versickerungsfähigkeit des anstehenden Bodens. Sie wird durch Bodenfeuchte, Bodenstruktur, nutzbaren Porenraum und Korngrößenverteilung beeinflusst. Die Verfasser des Arbeitsblattes A138[11] schätzen Böden aus Lockergestein mit einem Wasserdurchlässigkeitsbeiwert von 5*10-[3] bis 5*10-[6] m/s als geeignet ein. Eine weitere entscheidende Voraussetzung für alle im Folgenden aufgeführten Bauweisen ist die Filterstabilität. Darauf soll an dieser Stelle aber nicht näher eingegangen werden.

Nach Meinung von HANSES und WOLF [12] sind wasserdurchlässige Pflasterbeläge sinnvoll zur dezentralen Rückhaltung der Niederschläge. Die in dem Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen geforderten Wasserdurch-lässigkeiten des anstehenden Bodens sind nur sehr selten anzutreffen. Es wird dort aber auch die Möglichkeit eröffnet, einen gezielten Rückstau in Kauf zu nehmen, wenn der Untergrund/Unterbau eine Wasserdurchlässigkeit > 5,4*10-[6] m/s hat und die mineralischen Trag- und Frostschutzschichten 10 cm dicker ausgeführt werden. Das Prinzip beruht darauf, dass das Niederschlagswasser zunächst gespeichert wird und danach der Teil, der nicht versickert oder verdunstet ist, verzögert über die Entwässerungseinrichtungen in den Vorfluter eingeleitet wird. Ein Teil des Niederschlagswassers verbleibt also vorübergehend im Porenraum der mineralischen Trag- und Deckschichten. Die Menge ist wesentlich abhängig vom Sättigungsgrad des Mineralstoffgemisches vor dem Regen. HANSES und WOLF[12] konnten nachweisen, dass der gesamte nach dem Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen anzusetzende Bemessungsregen als Haftwasser von den beiden Tragschichten aufgenommen werden kann. Damit die ungebundenen Tragschichten ihre Funktion hinsichtlich Wasserdurchlässigkeit erfüllen können, empfehlen HANSES und WOLF[12] eine Körnungslinie an der unteren Sieblinienbegrenzung und des weiteren eine Einschränkung des Anteils der abschlämmbaren Bestandteile auf 5 Gew.-%. Nach Untersuchungen von WICHTER[13] sollte dieser Wert sogar bei 3 Gew.-% liegen. Bei bindigen, frostempfindlichen und/oder wasserempfindlichen Böden ist außerdem eine Querneigung von 4 % auf dem Erdplanum zu gewährleisten.

Wie für andere Verkehrsflächenbefestigungen auch, gelten für die wasserdurchlässigen Befestigungen die Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO). Im Folgenden soll auf einige Grundforderungen an die einzelnen Schichten eingegangen werden. Grundlage hierfür ist wieder das Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen.

- Anforderungen an den Untergrund/Unterbau

1. Die Forderungen der ZTVE-StB sind zu erfüllen.
2. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert ≥ als 5,4*10-[5] m/s sein.
3. Liegt der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert zwischen 5,4*10-[6] m/s und 5,4*10-[5] m/s, ist die Dicke der Tragschicht um 10 cm zu erhöhen.
4. Zur schnellen Abführung des Wassers muss der durchlässige Untergrund eine Mächtigkeit von mindestens 1 m haben.
5. Damit die anfallenden Schadstoffe noch ausreichend gefiltert werden, hat der Flurabstand des freien Grundwasserspiegels mindestens 2 m zu betragen.

- Anforderungen an wasserdurchlässige Tragschichten (ToB)

1. Die ZTVT-StB hat auch hier Gültigkeit.
2. Es dürfen alle gebräuchlichen Tragschichtarten verwendet werden, wobei die Kornzusammensetzung auf die Anforderungen an Wasserdurchlässigkeit und Tragfähigkeit abzustimmen ist. Die Sieblinien sollten an der unteren Grenze des zulässigen Sieblinienbereichs der ZTVT-StB verlaufen.
3. Die Tragfähigkeit eines Mineralstoffgemisches kann durch den CBR - Versuch gemäß TP BF-StB Teil B7 überprüft werden. Es muss ein CBR - Wert von 50 % bei vierstündiger Wasserlagerung erreicht werden (laut Entwurf des Merkblattes für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen Februar 1997).

- Anforderungen an wasserdurchlässige Asphalttragschichten

1. Sie sollten wie Dränasphaltdeckschichten gemäß dem Merkblatt für den Bau offenporiger Asphaltdeckschichten hergestellt werden.
2. Die maximale Korngröße ist 32 mm.
3. Siehe auch Unterpunkt „Anforderungen an wasserdurchlässigen Asphalt“

- Anforderungen an Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln

1. Die ZTVT-StB ist gültig.
2. Das Merkblatt für den Bau von Tragschichten aus Dränbeton ist anzuwenden.
3. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert ≥ als 5,4*10-[5] m/s sein.

- Wasserdurchlässige Pflaster- und Plattenbeläge

Pflasterbeläge sind auf vielen Straßenverkehrsflächen, besonders im Nebennetz, vorhanden. Sie zeichnen sich durch eine relativ lange Gebrauchsdauer und einen hohen Aufwand bei der Herstellung und dem Verlegen des Pflasters aus. Als Nachteile sind vor allem eine auf Dauer niedrige Griffigkeit, die Geräuschentwicklung beim Befahren, der geringe Fahrkomfort, die Radfahrer-und Fußgängerunfreundlichkeit sowie der schwierige Winterdienst zu nennen. Bei allen Pflasterbefestigungen ist davon auszugehen, dass sie wasserdurchlässig sind. Zum einen ist durch die vorhandenen Fugen in der Pflasterbefestigung eine absolute Dichtigkeit fast nie zu erreichen und zum anderen werden gezielt wasserdurchlässige Beläge hergestellt, um das Regenwasser an Ort und Stelle zu versickern oder zeitweise zu speichern und über das Planum seitlich in die Entwässerung abzuleiten. Bei üblichen Pflasterbelägen kann je nach Fugengröße, Fugenmaterial und Alter der Pflasterdecke bis zu 20 ... 30 % des Niederschlagswassers in die Tragschichten eindringen[14]. Dagegen kann bei wasserdurchlässigen Belägen dieser Wert noch erheblich höher sein. Nach Meinung von LANGE[15] sind Abflussbeiwerte zwischen Y = 0 und Y = 0,9 denkbar. Sehr häufig kommt es im Laufe der Nutzung durch Verschmutzung der Verkehrsfläche zu einer Abnahme der Wasserdurchlässigkeit. Bei sorgfältiger Ausführung der Bauarbeiten und gewissenhafter Auswahl der Baustoffe können Pflastersysteme auch nach jahrelanger schwerer Belastung noch hohe Versickerungsleistungen aufweisen[16]. Im Gegensatz dazu besagen Untersuchungen von WICHTER[17], dass nach 8 ... 10 Jahren auf einigen untersuchten Messfeldern keine wirksame Versickerung mehr möglich war. Sie waren praktisch undurchlässig.

Wie schon angedeutet, gibt es die verschiedensten Methoden der Wasserversickerung bei Pflasterbelägen. An dieser Stelle sollen einige wichtige Punkte angeführt werden. Dabei geht es hier nur um die Wirkungsweise der Versickerung und um Parameter, die auch Auswirkungen auf die Tragschichten haben können.

1. Die Entwässerung der Pflasterflächen kann über Sickeröffnungen, aufgeweitete Fugen und die zusätzlich erforderliche Oberflächenentwässerung erfolgen. Die Querneigung darf dabei auf 1% abgemindert werden, da die Entwässerung nicht mehr vollständig über Längs- und Querneigung der Verkehrsfläche realisiert wird. Dagegen ist eine obere Grenze des Gefälles sinnvoll (5 %), da der Oberflächenabfluß mit steigender Neigung zunimmt.

2. Eine andere Möglichkeit der Versickerung sind Pflasterbeläge aus haufwerksporigen Betonsteinen. Sie entwässern über die offenporige Struktur der Steine und die erforderliche Oberflächenentwässerung. Eine zusätzliche Besonderheit ist hier die Beschränkung des Anwendungsbereiches, da die Druckfestigkeit dieser Betonsteine gegenüber gefügedichten Betonsteinen erheblich geringer ist. Daher sollte diese Bauweise auch nur für Geh- und Radwege sowie entsprechende private Flächen angewendet werden.

3. Eine dritte mögliche Bauweise zur Regenwasserversickerung sind begrünte Pflaster- und Plattenbeläge. Wegen der hohen organischen und mineralischen Feinanteile in den Sickeröffnungen und des Wurzelfilzes sind diese Deckschichten für eine hohe und dauerhafte Versickerung nicht geeignet. Ein positiver Einfluss kann die temporäre Rückhaltung von Niederschlägen sein. Der Versickerungsanteil an Niederschlägen soll kleiner als 20 % sein. Wegen der erhöhten Rückhaltung darf aber für die Bemessung der Entwässerungseinrichtungen ein Abflussbeiwert von Y = 0,5 angesetzt werden. Diese Bauweise ist nur für die Bauklasse VI gemäß RStO geeignet und sollte auf Flächen für ruhenden Verkehr, Grundstückszufahrten, Notfahrbereiche, landwirtschaftliche Wege und Gartenwege beschränkt werden.

- Wasserdurchlässiger Asphalt

Grundsätzlich gelten für durchlässige Asphaltschichten die ZTV Asphalt - StB und die ZTVT - StB. Auch in diesem Abschnitt sind die Bemerkungen dem Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen entnommen. Ausnahmen sind die gesondert gekennzeichneten Quellen. Es wird wieder nur auf die Wirkungsweise der Versickerung und die Parameter, die auch Auswirkungen auf die Tragschichten haben können, eingegangen.

Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert dieser Asphaltschichten muss größer als 5,4*10-[5] m/s sein. Problematisch ist eine mehrschichtige Bauweise, weil der Schichtenverbund schlecht zu gewährleisten ist und die Wasserdurchlässigkeit stark abnehmen kann. Die Entwässerung dieser Verkehrsflächen erfolgt über die offenporige Struktur und die erforderliche Oberflächenentwässerung. Die Querneigung darf auch hier auf 1% abgemindert werden, da die Entwässerung nicht mehr vollständig über Längs- und Querneigung der Verkehrsfläche realisiert wird. Möglicherweise kann im Laufe der Nutzung Schmutz in die Schichten eingespült werden. Damit reduziert sich die Wasserdurchlässigkeit erheblich und das Regenwasser muss über eine ausreichenden Neigung (in Längs- und Querrichtung) in die entsprechenden Entwässerungseinrichtungen abgeleitet werden.

Wasserdurchlässige Asphaltbefestigungen unterscheiden sich grundsätzlich vom Dränasphalt[18], da andere Ziele damit erreicht werden sollen. Auf dieses Thema soll aber nicht weiter eingegangen werden.

- Wasserdurchlässiger Beton

Die ZTV Beton - StB und die ZTVT - StB sind zu beachten. Als problematisch ist vor allem die bisher nur unzureichend vorhandenen Erfahrung mit dieser Bauweise anzusehen. Es wird der Bau von Tragdeckschichten mit einer Dicke von mindestens 20 cm empfohlen. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert muss größer als 5,4*10-[5] m/s sein.

2.1.3 Herkömmliche Verkehrsflächen

In diesem Kapitel soll in kurzer Form begründet werden, warum auch bei herkömmlichen Verkehrsflächen, die meist als eigentlich dicht angesehen werden, die Wasserdurchlässigkeit ungebundener Tragschichten eine entscheidende Rolle für die Dauerhaftigkeit und Schadensfreiheit der Verkehrsflächen spielen kann. Die folgenden Absätze sollen zeigen, dass die Deckschichten nicht wasserundurchlässig sind. Bei dichten Deckschichten (als Annahme) wäre die Aufgabe der Frostschutzschicht, das von den Seiten und von unten (Kapillarität) eindringende Wasser abzuleiten. Dies sollte mit der auch in der RAS - Ew geforderten Wasserdurchlässigkeit von 1*10-[5] m/s ohne Probleme möglich sein. Kommt nun aber auch noch ein Teil des Niederschlagswassers von oben dazu, so addieren sich diese beiden Anteile. Dieses Wasser von oben muss zusätzlich noch durch die obere Tragschicht hindurch. Wie schwierig es ist, dort eine gute Wasserdurchlässigkeit zu erreichen und die Forderungen der ZTVT - StB 95 hinsichtlich Tragfähigkeit und Verdichtung zu erfüllen, zeigen die für diese Diplomarbeit durchgeführten Feldversuche (siehe Kapitel 3 und 4).

Die Unterteilung in Pflaster-, Beton- und Asphaltdeckschichten wird analog Kapitel 2.2.3 beibehalten.

- Herkömmliche Asphaltbauweise

Diese Bauweise ist selbstverständlich für alle Bauklassen der RStO zugelassen. Die Dicke der Schichtpakete beträgt bis zu 30 cm. Entscheidende Eigenschaften, die der Asphalt aufweisen muss, sind: Standfestigkeit, Risssicherheit und Einbaufähigkeit. Für Deckschichten kommen noch einige wichtige Forderungen hinzu. Dies sind Dichtigkeit (um die Tragfähigkeit der ungebundenen Schichten zu erhalten und einer geringeren Haftung des Bitumens vorzubeugen), Verkehrssicherheit (Griffigkeit und Lichtstreuvermögen) und eine Verringerung des Verkehrslärmes. Es ist grundsätzlich zwischen den Asphalttypen Walzasphalt und Gussasphalt zu unterscheiden[19].

Bei Walzasphalt liegt der Grenzbereich der Wasserdurchlässigkeit bei eine Hohlraumgehalt von 6 %. Werden die Hohlraumgehalten größer, dann nimmt die Wasserdurchlässigkeit stark zu (15 % ... 20 % Dränasphalt). Die Wasserdurchlässigkeit von Walzasphalt wird vom Bindemittelgehalt, Füller, Verdichtung und Nachverdichtung bestimmt. Wie schon im Kapitel 2.1.2 erklärt, ist es für die Wasserdurchlässigkeit des gesamten Asphaltpaketes aber erforderlich, dass die Poren der einzelnen Schichten miteinander funktionieren können. Das ist nahezu nicht zu erreichen.

Der Hohlraumgehalt bei Gussasphalt ist praktisch Null und eine solche Gussasphaltschicht ist wasserdicht. Es kann also gesagt werden, dass nur Gussasphalt (und Mastix) absolut wasserdicht ist.

Eine herkömmliche Asphaltbefestigung ist demnach „nur“ an Schadstellen wasserdurchlässig. Dass solche Stellen keine Einzelfälle sind, ist an jeder Straße sofort ersichtlich. Weitere potentielle durchlässige Stellen sind an jeder Naht und Aufgrabung. Nach RIGDEWAY[20] (dieser Wert ist aus der Seminararbeit von Steffen Bigos entnommen) kann für Fugen und Risse von einer Wasserzuflussrate von qf = 2,8*10-[6] m³/(s*m²) ausgegangen werden. Dieses anfallende Niederschlagswasser muss also auch durch die vorhandenen Tragschichten fließen und entweder im anstehenden Boden versickern oder in entsprechende Entwässerungseinrichtungen abgeleitet werden. Nimmt man auch hier an, dass nur ein Teil des im Labor ermittelten Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes wirksam wird (50 % - siehe Kapitel 2.2.3), so müssen die Tragschichten ohne Bindemittel eine Wasserdurchlässigkeit von mindestens 5,6*10-[6] m³/(s*m²) haben. Vergleicht man diesen Wert mit den oftmals im Feld erreichten Wasserdurchlässigkeitsbeiwerten ungebundener Tragschichten, so erscheint er recht groß.

- Herkömmliche Betonbauweise

Diese Bauweise ist ebenfalls für alle Bauklassen der RStO zugelassen. Sie sollte überall dort eingesetzt werden, wo hohe Punktlasten zu erwarten sind, bei Langzeitbelastungen und auf Autobahnen wegen der hohen Verkehrsbelastung. Zur Vermeidung von „wilden“ Rissen in der Betonfahrbahn sind Fugen unvermeidlich. Dabei ist zwischen Scheinfugen, Raumfugen und Pressfugen zu unterscheiden. Sie haben unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen und werden auch völlig verschieden ausgeführt[21].

Alle drei Fugenarten haben gemeinsam, dass sie mit einer bituminösen Vergussmasse oder Kunststoffprofilen geschlossen werden. Durch diese Fugen (trotz des Verschlusses) und eventuell eintretende Schäden der Betonfahrbahn können die eigentlich wasserdichte Betondecke an diesen Stellen durchlässig werden. Dieses Wasser muss bei der Bauweisen „Dicke Betondecke auf Tragschichten ohne Bindemitteln“ (und teilweise auch bei „Betondecken auf hydraulisch gebundenen Tragschichten“) durch alle Tragschichten abgeleitet werden können. Ein Zahlenwert für die notwendige Versickerungsleistung der Tragschichten ohne Bindemittel ist dem Bearbeiter nicht bekannt. Dieser wäre auch sehr stark von den Erhaltungsmaßnahmen der Verkehrsfläche abhängig. Wird die Betondecke auf Asphaltschichten aufgebaut, kann das eingedrungene Wasser über die Querneigung auf der Asphaltschicht (gilt teilweise auch für HGT) in die Entwässerungseinrichtungen abgeleitet werden.

Es ist bei Betonfahrbahnen grundsätzlich eine Unterscheidung zu treffen. Zum einen gibt es die seit den 50er Jahren bekannte Bauweise einer Betondecke auf einer gebundenen Tragschicht und zum anderen die einer dicken Betondecke auf ungebundenen Tragschichten. Letztere Konstruktion kann ähnlich wie eine Betondecke auf einer Asphalttragschicht als eine Platte auf einer elastischen Bettung angesehen werden[22]. Vorteilhaft wirken sich hier die begrenzten anteiligen plastischen Verformungen aus, soweit sie zur Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Platte und Unterlage dienen. Als weiterer Vorteil wird die Wasserdurchlässigkeit der ungebundenen Tragschichten angesehen. Die Konstruktionsweise der Betonplatte auf einer hydraulisch gebundenen Tragschicht hat einen entscheidenden Nachteil. Jede Grenzfläche zwischen gebundenen Schichten kann als Störfläche wirken. Es wird im Laufe der Nutzungszeit zu einer Lösung des Verbundes von den Fugenbereichen ausgehend kommen. Der Grund dafür ist in den unterschiedlichen Temperaturverläufen, den ungleichen Ausdehnungskoeffizienten und E-Moduln sowie Mängel in der Verarbeitung zu suchen. Bei fehlendem Verbund nimmt die Tragfähigkeit, verglichen mit der Berechnung (mit Verbund), ab. Dies geschieht, weil sich die unter den eingetragenen Belastungen ständig verformende Platte auf umso kleineren Flächen aufliegt, je starrer die Unterlage ist. Damit kommt es zu Hohllagerungen mit daraus folgenden Biegemomenten. Mangelnder Verbund führt also zu einer reduzierten Nutzungsdauer.

Auf Grund der angeführten Vorteile der Bauweise „Dicke Betondecke auf einer Tragschicht aus ungebundenen Mineralstoffgemischen“ und auch wirtschaftlicher Vorteile setzt sie sich immer weiter durch. Das in die Tragschicht ohne Bindemitteln eingedrungene Wasser muss zur Vermeidung von Schädigungen so schnell wie möglich abgeleitet werden. Damit ist die Wasserdurchlässigkeit der ungebunden Tragschichten in Verbindung mit einem wirksamen Gesamtentwässerungssystem der Konstruktion auch bei dieser herkömmlichen Bauweise von entscheidender Bedeutung. Funktioniert die Entwässerung nicht, kann es trotz der Verdübelung mit einem engen Dübelraster und demzufolge äußerst geringen vertikalen Fugenbewegungen zu Erosion und anschließender Stufenbildung kommen. Als weitere Folge sind durch die verschlechterten Auflagebedingungen Quer- und Längsrisse zu erwarten.

Im Folgenden soll in Kurzform auf die Anforderungen an die ungebundenen Tragschichten eingegangen werden[23]. Zusätzlich zu den Anforderungen aus der ZTVT - StB 95 gibt es noch zusätzliche Forderungen. Die drei wichtigsten sind:

1. Durchlässigkeit gegenüber unerwartetem Oberflächenwasser im Bau- und Nutzungszeitraum,
2. ausreichende Befahrbarkeit durch Betonfahrzeuge ohne Zerstörungen und Auswirkungen auf andere Grundeigenschaften der Tragschichten ohne Bindemittel sowie
3. eine hohe und insbesondere gleichmäßige Tragfähigkeit und gleichmäßige Auflagerungsfläche für die Betondecke.

Aus diesen Gründen ist das Größtkorn auf 32 mm zu begrenzen, da es sonst zu Entmischungen bei Transport und Einbau kommen kann. Der Anteil der abschlämmbaren Bestandteile ist im eingebauten und verdichteten Zustand auf 5 Gew.-% zu begrenzen. Vorteilhaft ist der Gehalt an abschlämmbaren Bestandteilen im Bereich zwischen 4 -4,5 Gew.-%, da bei zu geringen Feinkornanteilen Probleme bei der Befahrbarkeit und der Tragfähigkeit auftreten können. Der Sandanteil sollte bei 28 ± 5 Gew.-% liegen (und ein Brechsand-Natursand-Verhältnis von mindestens 1:1 haben) [24]. Zur Sicherstellung von Stabilität und Befahrbarkeit unter Feuchteeinfluss muss der CBR -Wert > 80 % sein. Die Schottertragschicht muss eine Mindestdicke von 30 cm haben. Diese erhöhten Anforderungen an ungebundene Schottertragschichten bedingen ein zusammenstellen des Mineralstoffgemisches aus mindestens 5 Einzelkörnungen. Eine Zwischenlagerung auf Halden ist nicht zu empfehlen. Ganz entscheidend für eine gute Wirkungsweise der Schottertragschicht ist eine ausreichende Verdichtung mittels einer Walze und die Nachverdichtung mit Vibrationsplatten (Trenkler-Platten).

- Pflasterbauweise

Im Kapitel 2.1.2 sind schon umfangreiche Erläuterungen zu diesem Thema gegeben worden. Deshalb sollen an dieser Stelle nur noch einmal die Grundüberlegungen und Anforderungen an die ungebundenen Tragschichten zusammengefasst werden. Bei dieser Bauweise kann nicht, so wie zum Beispiel bei Asphaltdeckschichten, von einer dichten Deckschicht ausgegangen werden. Deshalb haben die Anforderungen an den Untergrund/Unterbau sowie an die Tragschichten ohne Bindemittel aus Kapitel 2.1.2 (nur die entsprechenden Absätze) auch hier ihre Gültigkeit. Im Gegensatz zu den stark wasserdurchlässigen Pflasterbefestigungen, sind die herkömmlichen Verkehrsflächen mit Pflasterdecke auch für die Bauklassen III und IV zugelassen. Ergänzend kann auch hier gesagt werden, dass die Kornzusammensetzung der Kies- und Schottertragschichten möglichst an der unteren Grenzsieblinie gemäß ZTVT - StB 95 verlaufen soll. Damit ist nach Meinung von WELLNER [25] sowohl eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit als auch eine gute Lastverteilung und Standfestigkeit gewährleistet. Alle Forderungen der ZTVT - StB 95 sind zu erfüllen.

2.2 Anforderungen an Tragschichten ohne Bindemittel

In den folgenden Kapiteln soll auf einige grundlegende Anforderungen an Tragschichten ohne Bindemittel sowohl in Hinsicht auf die Wasserdurchlässigkeit, als auch auf Anforderungen gemäß ZTVT - StB 95 eingegangen werden.

2.2.1 Frostschutzschichten

Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) werden grundsätzlich in Frostschutzschichten und Kies- und Schottertragschichten (obere Tragschichten) unterschieden (siehe Kapitel 1.1). Aufgrund ihrer schon erläuterten verschiedenen Aufgabengebiete, sind auch die Anforderungen an das Mineralstoffgemisch und die eingebaute Tragschicht sehr unterschiedlich. Dies soll nun etwas genauer dargestellt werden.

Durch die Klimaverhältnisse in Deutschland und die fast überall vorhandenen frostempfindlichen Böden als Baugrund wird zur Abwehr der negativen Folgen des Frostes die Frostschutzschicht eingesetzt. Bei frostempfindlichen Böden, die durch einen hohen Feinkornanteil geprägt werden, ist vor allem mit Eislinsenbildung und einer schwankenden Tragfähigkeit der Böden (kritische Frühjahrstragfähigkeit) zu rechnen. Dagegen treten bei grobkörnigen Böden keine wesentlichen Wassergehalts-schwankungen und deshalb auch keine höheren Tragfähigkeitsschwankungen auf [26]. Eislinsen entstehen bei zu starkem kapillaren Wassernachschub, wie zu Beispiel in bindigen Bodenschichten, und führen durch ihre Volumenänderung bei Frostwirkung zu unterschiedlichen Frosthebungen. Dies kann im Oberbau zu Scherbrüchen führen. Die zweite Möglichkeit der Entstehung von Schäden ist die schon angesprochene Tragfähigkeitsschwankung, da die Tragfähigkeit von bindigen Böden sehr stark vom Wassergehalt abhängig ist. Die Tragfähigkeit kann deshalb bei starker Anreicherung des Untergrundes/Unterbaues mit Wasser auf ein kritisches Maß absinken. Die Aufgabe der Frostschutzschicht ist es, das überschüssige Wasser vorher über das in Quer- und Längsrichtung geneigte Planum des Unterbaus/Untergrundes so schnell wie möglich der Planumsentwässerung zuzuführen.

Im Folgenden soll auf die Eigenschaften und Anforderungen an Frostschutzschichten eingegangen werden. Ein paar grundlegende Anforderungen an das Material sind:

- Es muss ungebunden und nicht frostempfindlich sein.
- Die Tragfähigkeit darf nur geringfügig vom Wassergehalt abhängig sein.
- Die Dränwirkung reduziert die Kapillarität und überschüssiges Wasser wird abgeleitet.
- Die Oberfläche muss für den Einbau der oberen Tragschicht gewisse Eigenschaften aufweisen (Verdichtung, Tragfähigkeit, Ebenheit, profilgerechte Lage und Einbaudicke).
- Die Dicke der Schicht richtet sich nach der Frostempfindlichkeit des Untergrundes bzw. Unterbaus und den örtlichen Gegebenheiten (Lage der Gradiente, Grundwasserspiegelhöhe, Randbereiche.. ).

Als Grundlage für die folgenden Absätze dient die ZTVT - StB 95[27]. Danach sollen Frostschutzschichten aus frostunempfindlichem Material bestehen und auch im verdichteten Zustand ausreichend entwässern. Nur dadurch können sie ihre oben angeführten Aufgaben erfüllen. Es soll im Folgenden nur auf Baustoffe/Baustoffgemische und auf Anforderungen an die fertige Frostschutzschicht eingegangen werden. Für Frostschutzschichten dürfen Kiese und Kies-Sand-Gemische der Gruppen GE, GI und GW nach DIN 18196, Sande und Sand-Kies-Gemische der Gruppen SE, SI und SW nach DIN 18196 sowie Gemische aus Splitt und Brechsand der Lieferkörnungen 0/5 bis 0/32 sowie Gemische aus Schotter, Splitt und Brechsand der Lieferkörnungen 0/45 und 0/56 verwendet werden. Besonders wichtig ist der Anteil an Korn unter 0,063 mm. Er richtet sich neben der Frostempfindlichkeit nach der Witterungsempfindlichkeit der Baustoffe/Baustoffgemische beim Einbau sowie einer möglichen Feinkornanreicherung bei der nachfolgenden Verdichtung. Der Kornanteil unter 0,063 mm darf im eingebauten Zustand nicht mehr als 7 Gew.-% betragen. Genauere Angaben an die Baustoffbeschaffenheit sind der ZTVT - StB 95 zu entnehmen.

Weitere entscheidende Forderungen an die Frostschutzschicht sind Verdichtungsgrad und Verformungsmodul. An der Oberfläche und bis in eine Tiefe von 20 cm muss der Verdichtungsgrad bei den Bauklassen SV bis V 103 % betragen. Bei der Bauklasse VI, den Baustoffgemischen GE, SE, SW, SI und unterhalb einer Tiefe von 20 cm sind 100 % der ermittelten Proctordichte gefordert. Sollte der Plattendruckversuch als Ersatz für die „herkömmliche“ Ermittlung des Verdichtungsgrades dienen, so darf bei den Bauklassen SV bis V das Verhältnis von EV2 zu EV1 nicht größer als 2,2 sein, wenn ein Verdichtungsgrad von 103 % gefordert wird. Im anderen Fall muss dieser Verhältniswert ≤ 2,5 sein. Wenn der EV1 - Wert mindestens das 0,6fache des geforderten EV2 - Wertes erreicht, darf EV2 / EV1 größer sein. Ausgehend von dem auf dem Planum geforderten Verformungsmodul von 45 MN/m², muss auf der Frostschutzschicht bei Straßen der Bauklassen SV bis IV als EV2 - Wertes mindestens 120 MN/m² erzielt werden. In allen anderen Fällen muss dieser Wert mindestens 100 MN/m² betragen. Umfangreichere Informationen zu Verformungsmodul und Verdichtungsgrad sind der ZTVT-StB 95 zu entnehmen. Auf die noch fehlenden Anforderungen an Frostschutzschichten, wie Ebenheit, profilgerechte Lage und Einbaudicken, soll hier nicht eingegangen werden.

2.2.2 Kies- und Schottertragschichten

Für die oberen Tragschichten sind Korngemenge aus ungebrochenem oder gebrochenem Material zu verwenden [28] Die Tragwirkung beruht nahezu vollständig auf der inneren Reibung des Korngerüstes. Bei grobkörnigen Böden (wie auch bei Tragschichten) wird eine hohe innere Reibung erzielt, wenn Korngrößenverteilung, Kornform, Kornoberflächenbeschaffenheit und die Lagerungsdichte optimiert werden.

Die oberen Tragschichten können entweder als Kiestragschichten oder als Schottertragschichten ausgebildet werden. Wie die Bezeichnungen schon zeigen, darf sowohl ungebrochenes als auch gebrochenes Material verwendet werden. Auf Grund ihrer verschiedenen Eigenschaften, sind sie strikt zu unterscheiden. Das soll auch im Folgenden beibehalten werden. Kiestragschichten erzielen oft Tragfähigkeitswerte, die hinter den Anforderungen zurück bleiben. Der Grund dafür ist meist in den großen Resthohlräumen (nach der Verdichtung) zu suchen, die zu einer geringeren inneren Reibung und damit zu einer größeren Verlagerungsempfindlichkeit als bei Schottertragschichten führen[6]. Diese Resthohlräume entstehen nicht etwa wegen der runden Form der Körner, sondern wegen des meist geringen Ungleichförmigkeitsgrades dieses Tragschichtmaterials. Eine Lösungsmöglichkeit für dieses Problem stellt die Verfestigung der oberen Schicht mit Zement dar. Wegen ihrer runden Kornform und der glatten Kornoberfläche bleiben als Einflussgrößen auf die Tragfähigkeit nur noch die Lagerungsdichte und die Korngrößenverteilung. Deshalb ist diesen beiden Faktoren besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Tragschichten aus einem Schotter - Splitt -Sand - Gemisch werden als Schottertragschichten bezeichnet. Sie zeichnen sich durch einen geringen Hohlraumgehalt und eine große innere Reibung aus. Sie haben eine hohe Tragfähigkeit und eine geringe Verlagerungsempfindlichkeit. Schottertragschichten werden aus einzelnen Kornklassen im Steinbruch hergestellt und sollten ohne Zwischenlagerung sofort auf der Baustelle mit einem Fertiger eingebaut werden.

Die folgenden Details wurden genau wie bei den Frostschutzschichten der ZTVT - StB 95 [29] entnommen. Danach bestehen Kiestragschichten aus Kies - Sand - Gemischen der Lieferkörnungen 0/32, 0/45 oder 0/56, denen bei Bedarf gebrochene Mineralstoffe zugesetzt werden können. Sollten Tragschichten aus gebrochenem Material hergestellt werden, so sind Splitt - Sand - Gemische der Lieferkörnungen 0/32 oder Schotter -Splitt - Sand - Gemische der Lieferkörnung 0/45 und 0/56 zulässig. Für die Korngrößenverteilung sind genaue Grenzen festgelegt. Weitere Einzelheiten sind der ZTVT - StB 95 zu entnehmen. Wichtig ist, dass diese Anforderungen auch im eingebauten Zustand erfüllt werden müssen. Um Entmischungen zu vermeiden und die Verdichtung zu erleichtern, sind die Tragschichtmaterialien gleichmäßig gemischt und durchfeuchtet auf der Baustelle anzuliefern. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird der Einfluss des Einbauwassergehaltes auf Tragfähigkeit und Wasserdurchlässigkeit genauer untersucht. Aus diesem Grund wird an dieser Stelle auf die folgenden Kapitel verwiesen. Damit die Wirksamkeit der oberen Tragschicht überhaupt gewährleistet werden kann, sind, wie auch bei den Frostschutzschichten, in Abhängigkeit vom Größtkorn der einzelnen Mineralstoffgemische Mindestdicken der Tragschicht im verdichteten Zustand vorgeschrieben.

An die oberen Tragschichten werden hohe Anforderungen gestellt. Dazu gehört neben der schon erwähnten Korngrößenverteilung auch Verdichtungsgrad und Verformungsmodul. Der Verdichtungsgrad darf 103 % nicht unterschreiten. In Ausnahmefällen (siehe ZTVT - StB 95) sind 100 % zulässig. Wird auch hier der Plattendruckversuch zur Ermittlung des Verdichtungsgrades herangezogen, so darf das Verhältnis von EV2 zu EV1 nicht größer als 2,2 sein, wenn ein Verdichtungsgrad von 103 % gefordert wird. Im anderen Fall muss dieser Verhältniswert ≤ 2,5 sein. Wenn der EV1

- Wert mindestens das 0,6fache des geforderten EV2 - Wertes erreicht, darf EV2 / EV1 größer sein. Ausgehend von dem auf der Frostschutzschicht geforderten Verformungsmodul von 120 MN/m², muss auf der oberen Tragschicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

erzielt werden. Die entsprechenden Werte für den Fall, dass auf der Frostschutzschicht nur 100 MN/m² gefordert wird, sind der ZTVT - StB 95 zu entnehmen. Da die Tragschichten im Versuchsstand direkt auf das Planum (mit einem Verformungsmodul von 45 MN/m²) aufgebaut worden sind, werden andere Werte gefordert. Die eingebauten Schottertragschichten übernehmen somit gleichzeitig die Aufgaben der Frostschutzschicht. Bei Straßen der Bauklassen SV bis IV muss EV2 größer als 150 MN/m² und bei allen anderen Verkehrsflächen größer als 120 MN/m² sein (Rad- und Gehwege 80 MN/m²). Weitere Anforderungen sind profilgerechte Lage (Abweichung von der Sollhöhe ± 2 cm), Ebenheit (Unebenheit innerhalb einer 4 m langen Meßlatte nicht größer als 2 cm) und Einbaudicke bzw. Einbaugewicht.

Nach Meinung von WIEHLER[30] sind solche ungebundenen Tragschichten eine Ausnahme. Bituminös- oder zementgebundene Schichten sollen aus wirtschaftlichen und technischen Gründen in den meisten Fällen zweckmäßiger sein. Dies ist aber nach Auffassung des Bearbeiters in jedem Einzelfall genau zu prüfen.

2.2.3 Spezielle Forderungen an die Wasserdurchlässigkeit von Tragschichten ohne Bindemittel

Die erforderliche Wasserdurchlässigkeit von ungebundenen Tragschichten ist bisher oft über die Korngrößenverteilung der Mineralstoffgemische kontrolliert worden. Die Anforderungen der ZTVT - StB 95 sind den Kapiteln 2.2.1 und 2.2.2 zu entnehmen. Das Sächsische Staatsministerium für Wirtschaft und Arbeit [31] begrenzt den Anteil der abschlämmbaren Bestandteile im Anlieferungszustand auf 5 Gew.-%. Außerdem ist auf eine stetig verlaufende Sieblinie des Mineralstoffgemisches zu achten und Ausfallkörnungen sind zu vermeiden. Die Ergänzenden Technischen Vorschriften des Landes Baden-Württemberg [32] fordern sogar noch eine weitergehende Einschränkung. Danach soll der Sandanteil bei Schottertragschichten aus Kalkstein zu 70 % aus Natursand bestehen. Mit diesen Forderungen sollen beständig gute Tragfähigkeiten, eine optimale Verdichtbarkeit (und minimaler Hohlraumgehalt) sowie die beste Verteilung der dynamischen und statischen Beanspruchungen aus dem Verkehr [33] erreicht werden. Diese Forderungen und das Ziel einer ausreichenden Wasserdurchlässigkeit lassen sich nur sehr schwer vereinbaren. Ein hoher Verformungsmodul (wie in der ZTVT - StB 95 gefordert) und geringe nachträgliche Setzungen erfordern einen geringen Hohlraumgehalt. Dagegen nimmt die Wasserdurchlässigkeit mit geringer werdendem Hohlraumgehalt (infolge der Verdichtungsarbeit) ab. Damit wird sicherlich deutlich, dass bei der Zusammenstellung des Korngemisches und der durchgeführten Verdichtung ein Kompromiss nötig ist. Um ein für die jeweilige Aufgabe der Straße optimales Mineralstoffgemisch zusammenstellen zu können, ist also ein umfangreicher Abwägungsprozess nötig.

In einigen Veröffentlichungen gibt es Zahlenwerte für die anzustrebende Wasserdurchlässigkeit. KEPPLER[34] schrieb dazu, dass auch ungebundene Tragschichten mit ihrem sehr geringen Porenanteil eine gute Durchlässigkeit besitzen müssen. Dies soll gewährleistet sein, wenn der Durchlässigkeitsbeiwert k ≥ 10-[3] cm/s ist. Die Tabelle 1 der DIN 18130[35] enthält einige genauer definierte Durchlässigkeitsbereiche in Abhängigkeit vom Wasserdurchlässigkeitsbeiwert. Danach wird ein Boden als wasserdurchlässig bezeichnet, wenn k ≥ 10-[6] m/s ist. Als oberer Grenzwert wird 10-[4] m/s angegeben. Dies entspricht damit in etwa dem oben angeführten Wert von k ≥ 10-[3] cm/s. Frostschutzschichten[36] erfüllen ihre Entwässerungsfunktion, wenn der Durchlässigkeitsbeiwert etwas größer als k = 10-[5] m/s ist. Grobkörnige Böden nach DIN 18196 können demnach diese Forderung erfüllen.

Nach Meinung der Verfasser des Heftes 484 des österreichischen Bundesministeriums für wirtschaftliche Angelegenheiten [37] wird auch in der internationalen Literatur ein nicht zu unterschreitender Grenzwert von k = 10-[3] cm/s genannt. Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass zumeist ein k - Wert von k = 10-[5] m/s als Grenzwert für die Wasserdurchlässigkeit von ungebundenen Schichten angesehen wird.

2.3 Einflussgrößen auf die Wasserdurchlässigkeit

2.3.1 Grundlagen

Die Wasserdurchlässigkeit ungebundener Tragschichten wird von den verschiedensten Faktoren beeinflusst[38]. Ganz entscheidend sind dabei die Eigenschaften des Mineralgemisches, wie Sättigungsgrad, Lagerungsdichte, Kornform, Korngröße und Korngrößenverteilung, die Eigenschaften des fließenden Materials, wie Dichte und Viskosität, sowie die gegenseitige Beeinflussung der beiden Materialien. Scheinbar hat auch der Einbauwassergehalt einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss[39]. Eine etwas genauere Beschreibung der genannten Einflussgrößen auf die Wasserdurchlässigkeit folgt in den nächsten Absätzen. Dabei wird besonderen Wert auf diejenigen Kenngrößen gelegt, die auch durch die Wahl des Mineralstoffgemisches beeinflusst werden können.

Der an dieser Stelle folgende Absatz ist dem Heft 484 des österreichischen Bundesministeriums für wirtschaftliche Angelegenheiten entnommen[40]. Transportvorgänge von Wasser in Boden müssen unterschieden werden in Konvektion, Diffusion und Dispersion. Die Ursachen für Wasserbewegung im Boden können sehr vielfältig sein. Die wichtigsten sind:

1. Hydraulischer Gradient i
2. Schwerkraft
3. Kapillarität
4. Strömungswiderstand

Die durch diese Ursachen hervorgerufenen Strömungsvorgänge heißen Konvektion. Im weiteren wird auch nur diese Wasserbewegung betrachtet. Ein wasserdurchströmter Boden stellt im Allgemeinen ein mehrphasiges System dar, wobei jede Phase einzeln und die Wechselwirkungen untereinander einen Einfluss auf die Strömung des Wassers haben. Der Boden besteht aus mehreren Komponenten: den Bodenteilchen und einem sich aus der Lagerung der Bodenteilchen ergebenden Porensystem. Dieses wird im wesentlichen von der Lagerungsdichte und der Korngröße/Korngrößenverteilung beeinflusst. Wird das Porensystem als feste Phase des Mehrkomponentensystems betrachtet, so sind mit der gasförmigen und der flüssigen noch zwei weitere Phasen gegeben. Die Infiltration von Wasser in den Boden stellt eine Zwei - Phasen -Strömung dar, da das eindringende Wasser die Luft verdrängt.

Die Durchlässigkeit eines porösen Materials wird annähernd mit dem Durchlässigkeitskoeffizienten k nach Darcy beschrieben. k ist ein Maß für den Widerstand, den der Boden einer Strömung entgegensetzt. Die Gültigkeit des Darcy´schen Gesetzes ist aber auf einen bestimmten Fließgeschwindigkeitsbereich begrenzt (siehe Abbildung 1). Bei sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit ist das Gesetz durch den Übergang von laminarem zu strömendem Fließen eingeschränkt. Dabei wird die Art der Strömung im Allgemeinen durch die Reynoldszahl beschrieben[41].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als genaue obere Schranke der Gültigkeit dieser linearen Beziehung werden Werte zwischen Re = 1 ... 75 angegeben [42]. Zu beachten ist aber unbedingt, dass die Reynoldszahl vom Radius der Poren abhängig ist. Weil sehr verschiedene Porengrößen zu erwarten sind, vollzieht sich der Übergang von laminarer zu turbolenter Strömung nicht in allen Poren gleichzeitig, sondern zuerst in kleineren und später in größeren Fließkanälen. Da die kritische Geschwindigkeit für diesen Übergang nur bei sehr hohem hydraulischem Gefälle erreicht wird, kann angenommen werden, dass in ungebundenen Schichten fast immer eine laminare Strömung stattfindet [43]. Bei sehr großen Porendurchmessern (z.B. grobkörnige Böden und unzureichender Verdichtung) und einem hohen hydraulischen Gefälle besteht aber trotzdem die Möglichkeit turbolenter Strömung, was zur Folge hat, dass die Wasserdurchlässigkeit bei steigendem Gefälle nicht mehr linear ansteigt.

Die untere Gültigkeitsgrenze wird durch den relativen Einfluss der Adhäsionskräfte bestimmt, weil damit die strömende Flüssigkeit stärker abgebremst wird.

Die Durchlässigkeit eines Bodens ist stark abhängig vom Wassergehalt. Sie nimmt mit steigendem Sättigungsgrad zu und erreicht den maximalen Wert bei voller Sättigung des Bodens. Der Nullpunkt der Wasserdurch- lässigkeit ist nach den Unter-suchungen von CHILDS[44] beim Restwassergehalt erreicht. Ein besonderes Kennzeichen bei der Darstellung der Wasserdurch- lässigkeit ist die Hysteresis. Dies bedeutet, dass die Kurven bei Entwässerung und Auffüllung einen anderen Verlauf nehmen. Je grobkörniger ein Boden ist, desto weniger ausgeprägt ist diese Erscheinung[45].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Zusammenhang zwischen Filtergeschwindigkeit v und hydraulischem Gef ä lle i[35]

Bei Tragschichten ohne Bindemittel ist meist ein teilgesättigtes Porensystem vorhanden. Hier tritt durch Adhäsionskräfte und Oberflächenspannung eine Saugkraft auf, die das Wasser in die Kapillarporen hineinzieht. Diese Kraft ist um so stärker, je enger die Poren sind. Daraus folgt, dass auch die Saughöhe größer ist, wenn enge Poren vorliegen. Die Saugspannungshöhe hängt aber auch vom Sättigungsgrad ab. Sie wird kleiner bei steigendem Sättigungsgrad, da bereits aufgefüllte Poren keine Kraft mehr ausüben können. Dies bedeutet, dass bei maximaler Sättigung die Durchlässigkeit am größten ist und die Kapillarität gleich Null wird.

2.3.2 Korngröße und Korngrößenverteilung

Die ZTVT - StB 95 fordert, dass die großen Hohlräume der gröberen Körner durch immer kleinere Körner gefüllt werden. Der Hohlraumgehalt des Mineralgemisches soll im verdichteten Zustand so gering wie möglich sein. Dies kann neben einer sehr starken Verdichtung auch durch einen hohen Anteil an Feinkorn < 2 mm erreicht werden. Das Ergebnis ist in beiden Fällen eine geringe Wasserdurchlässigkeit. Dabei ist zu beachten, dass größere Körner einen erheblich geringeren Einfluss auf die Wasserdurchlässigkeit haben als kleinere Körner. Untersuchungen von BRENDEL [46] zeigen, dass nicht allein der Anteil der abschlämmbaren Bestandteile einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserdurchlässigkeit ungebundener Tragschichten hat, sondern auch andere Korngruppen. Den größten Einfluss soll der Sandanteil zwischen 0,2 mm und 0,6 mm sowie 0,6 mm und 1,18 mm haben (siehe Abbildung 2).

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