Erfahrungsbericht über die Erprobungsstrecke in Betonbauweise mit Waschbetonoberfläche auf der BAB A 5 unter Verwendung von gebrochenem Kies des Oberrheins (Alpine Moräne Edelsplitt)

Anfang 2006 wurde die Betonbauweise mit Waschbetonoberfläche als Referenzbauweise für lärmmindernde Betonfahrbahndecken auf Bundesfernstraßen in Deutschland eingeführt. Bei dieser Bauweise erfolgt die Texturierung der frischen Betonfahrbahnoberfläche durch das Entfernen des Oberflächenmörtels und Freilegung
der Gesteinskörnungen an der Oberfläche. Daher wurde eine spezielle Betonrezeptur mit erhöhtem Zementgehalt unter Verwendung gebrochener grober Gesteinskörnungen konzipiert. Um Langzeiterfahrungen mit der neuen Betonrezeptur und der Waschbetonoberfläche unter Verwendung von gebrochenem Kies des Oberrheins
(Alpine Moräne Edelsplitt) zu gewinnen, wurde im Sommer 2007 eine Erprobungsstrecke auf der BAB A 5 gebaut. Ende des Jahres 2015 wurde der Oberflächenzustand dieser Erprobungsstrecke im Rahmen einer Ortsbegehung (8,5 Jahre nach Verkehrsfreigabe) hinsichtlich einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) visuell begutachtet sowie anhand von Bohrkernen aus der Erprobungsstrecke analysiert. Bei der Bewertung
der Erprobungsstrecke mit Waschbetonoberfläche wurden auch die systematisch erfassten Daten der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) für diesen Abschnitt aus dem Jahr 2015 hinsichtlich der Ebenheit, Griffigkeit und der Substanzmerkmale Oberfläche berücksichtigt.

1 Einleitung
1.1 Ausgangslage
Für Autobahnen mit ihren besonders hohen Beanspruchungen stellen Betonfahrbahndecken aufgrund der hohen Tragfähigkeit und
des guten Verformungswiderstandes gegenüber Beanspruchungen aus Klima und Verkehr
eine vorteilhafte Bauweise dar. Eine dauerhafte Griffigkeit und niedrige Lärmemissionen werden dabei ebenso vorausgesetzt wie eine gute strukturelle Substanz über die komplette Nutzungsdauer. Die Griffigkeit und die Lärmminderung von Fahrbahndecken aus Beton wurden in den 90er-Jahren durch die in den frischen Oberflächenmörtel eingeprägte Struktur sichergestellt. Diese Textur wurde u. a. durch das Abziehen des frischen Betons in Längsrichtung mit einem Jutetuch oder Kunstrasen bzw. durch einen Stahlbesenstrich in Querrichtung erzeugt. Die Wirksamkeit der damals standardmäßig hergestellten Oberflächentextur hing dabei von der Ausführung, der Betonzusammensetzung und der Qualität der feinen Gesteinskörnungen ab. Der Stahlbesenquerstrich erzeugt eine sehr griffige Oberfläche, verbunden jedoch mit höheren Lärmemissionen. Die Textur mit Jutetuchlängsstrich wies gegenüber dem Querbesenstrich niedrigere Lärmemissionen auf,

war jedoch mit geringeren Griffigkeitsreserven verbunden. Anfang 2006 wurde mit den Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau ARS 5/2006 „Richtlinien für den Lärmschutz
an Straßen-RLS 90“ und ARS 14/2006 „Fahrbahndecken aus Beton mit Waschbetonoberfläche“ [1, 2] die Texturierung der frischen Betonoberfläche durch das Entfernen des Oberflächenmörtels (Waschbetonoberfläche) als Referenzbauweise für lärmmindernde Betonfahrbahndecken auf Bundesfernstraßen in Deutschland eingeführt.
Die Oberflächentextur Waschbeton ähnelt einem „Plateau mit Schluchten“ und ersetzte
die frühere Standardbauweise Jutetuch- Längstexturierung.

1.2 Problemstellung
Die Griffigkeit der Waschbetonoberfläche wird insbesondere von der Texturtiefe und der Polierresistenz der groben Gesteinskörnungen bestimmt, da diese beim Entfernen des Oberflächenmörtels freigelegt werden, sodass der endgültige Zustand der Betonoberfläche im Vergleich zu mörteltexturierten Oberflächen von Anfang an vorliegt. Hier hat sich eine Betonrezeptur mit einem Größtkorn von 8 mm, sowohl mit stetiger Sieblinie (0/2 + 2/5 + 5/8) als auch mit Ausfallkörnung (0/2 + 5/8), als vorteilhaft hinsichtlich der Griffigkeit und der Lärmminderung herausgestellt. Die groben Gesteinskörnungen müssen einen hohen Polierwiderstand (PSV ≥ 53) aufweisen
und sollen im Mörtel fest eingebunden bleiben. Aufgrund der geänderten Rezepturen im
Vergleich zu mörteltexturierten Oberflächen wurden auch Anpassungen bei der  Verarbeitungs- und Einbautechnologie im Betonstraßenbau notwendig. Das mittlerweile in die Regelwerke TL Beton-StB 07 und ZTV Beton-StB 07 [3, 4] eingeflossene ARS 14/2006 schrieb – aufgrund der bis dato noch mangelnden Erkenntnisse zum Einfluss der
Bruchflächigkeit der groben Gesteinskörnungen auf die langfristige Griffigkeitsentwicklung – zunächst nur Felsgesteinskörnungen der Bruchflächigkeitskategorie C100/0 vor.
Diese verschärfte Vorgabe des ARS 14/2006 hinsichtlich der Bruchflächigkeit führte zum
Ausschluss des gebrochenen Kieses aus dem Oberrhein für den Einsatz in Bundesautobahnen mit Waschbetonoberfläche. Zudem galt das ARS 12/2006 „Vermeidung von Schäden an Fahrbahndecken aus Beton infolge von Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)“ [5]. Gemäß diesem ARS war für den Einsatz von Kies-Edelsplitt des Oberrheins in Fahrbahndecken aus Beton eine gutachterliche Stellungnahme hinsichtlich der AKR für den vorgesehenen Beton erforderlich, die wiederum eine Prüfung mit einer Dauer von mindesten 6 Monaten erforderlich gemacht hätte. Auch aus diesem Grund wäre ein kurzfristiger Einsatz von Kiesedelsplitt des Oberrheins nicht möglich gewesen.

 

Bild 2: Vorlaufender Einbaufertiger für Unterbeton (links), nachlaufender Einbaufertiger für Oberbeton, Betonandienung durch Schaufelbagger

2 Erprobungsstrecke
Mit Zustimmung des Bundes und auf Veranlassung des Industrieverbandes Steine und Erden in Baden-Württemberg wurde im Sommer 2007 eine ca. 400 m lange Erprobungsstrecke in Betonbauweise mit Waschbetonoberfläche auf der Bundesautobahn
A 5 in Fahrtrichtung Süd bei Malsch unter Verwendung von feinen ungebrochenen Gesteinskörnungen und groben gebrochenen Gesteinskörnungen des Oberrheins (C90/1) hergestellt. Ziel war es, das Langzeitverhalten der regional verfügbaren Gesteinskörnungen des Oberrheins für die damals noch wenig erprobte Waschbetonbauweise auf den Prüfstand zu stellen.
Die errichtete Erprobungsstrecke beginnt bei der Rastanlage Silbergrund bei ca. Betriebskilometer 644,000 und endet ungefähr bei Betriebskilometer 644,400. Es handelte sich hier um die Erneuerung der Betondecke im 1. Fahrsteifen ohne Einbeziehung des Standstreifens. Die Erprobungsstrecke ist heute Teil der durch Via Solutions Südwest betriebenen Konzessionsstrecke.

 

Bild 3: Nacharbeit (Glätten) der längslaufenden Anschlüsse an den Fahrbahnbestand

3 Einbau

Die Erprobungsstrecke wurde im Juli 2007 zweischichtig eingebaut. Der Unterbeton wurde nach TL Beton-StB unter Verwendung örtlicher feiner Gesteinskörnung 0/2 mm und grobe ungebrochene Gesteinskörnungen (Kies) der Korngruppen 2/8, 8/16 und 16/32 mm hergestellt. Der Oberbeton wurde aus feinen Gesteinskörnungen (Natursand 0/2 mm) und groben gebrochenen Gesteinskörnungen 5/8 mm (Alpine Moräne Edelsplitt) zusammengesetzt. Als Zement wurde für beide Betone ein Straßendeckenzement CEM I der Festigkeitsklasse 42,5 N verwendet. Der Zementgehalt betrug im Unterbeton 340 kg/m³ und im Oberbeton 430 kg/m3. Der w/z-Wert des Oberbetons lag bei 0,40 und der Fließmittelgehalt bei 0,30 M.-% bezogen auf den Zementgehalt. Der vorgegebene Luftporengehalt im Frischbeton betrug 6,0 Vol.-% und der wirksame Alkaligehalt des Zements (Na2O-Äquivalent) lag bei 0,7 M.-%. Der Einbau des Oberbetons und des konventionellen Unterbetons erfolgte zweischichtig durch die Firma HEILIT+WOERNER Bau GmbH mit zwei hintereinander gestaffelten Gleitschalungsfertigern auf einer Unterlage aus Vliesstoff auf hydraulisch gebundener Tagschicht (HGT). Die Verlegung der Dübel erfolgte vor dem Betoneinbau.
Zur Sicherung ihrer plangemäßen Lage wurden Dübelkörbe verwendet. Die Anker wurden vor dem Einbau des Betons in die bestehenden Betonplatten des 2. FS und des SS eingebohrt und eingeklebt (Bilder 1 und 2).
Auf den fertig eingebauten, verdichteten und geglätteten Oberbeton (Bild 3) wurde ein dünner Film eines Oberflächenverzögerers inklusive Nachbehandlungsmittel (Waschbeton-Kombinationsmittel) gleichmäßig aufgesprüht. Das Aufsprühen des Oberflächenverzögerers verlangsamt die Erhärtung in der oberen Randzone des Betons und ermöglicht somit das spätere Abtragen des Oberflächenmörtels durch Ausbürsten auf eine definierte Texturtiefe (Bild 4). Es folgte eine Nachbehandlung der freigelegten Oberfläche mit einem üblichen Nachbehandlungsmittel, um ein frühzeitiges Austrocknen der Betonoberfläche zu vermeiden.

 

Bild 4: Herstellung der Waschbetonoberfläche durch maschinelles Ausbürsten

 

4 Visuelle Begutachtung der Erprobungsstrecke und Bohrkernanalyse

Die Erprobungsstrecke hält seit über 10 Jahren den Einwirkungen aus natürlicher Bewitterung, Umwelteinflüssen, Tausalzbelastungen und Verkehr erfolgreich stand. Um den genauen Zustand zu erforschen, wurde im November 2015 mit Via Solutions Südwest eine Ortsbegehung (8 1/2 Jahre nach Verkehrsfreigabe) vereinbart. Mit der visuellen Begutachtung des Oberflächenzustandes dieser Strecke hinsichtlich einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) sowie der Bohrkernentnahme und -analyse wurde die Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (MPA) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beauftragt [6]. Im Vorfeld wurden die digitalen Daten der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) aus dem Jahr 2015 des betroffenen Streckenabschnitts als Vorbereitung für die Ortsbegehung gesichtet. Die erfassten und ausgewerteten Zustandsmerkmale der Fahrbahnoberfläche hinsichtlich der Ebenheit, Griffigkeit und der Substanzmerkmale Oberfläche (Längs- und Querrisse, Eckabbrüche, Kantenschäden, Nester, Abplatzungen und schadhafte Fugenfüllungen) geben eine Aussage über den Zustand der betrachteten Strecke und stellen eine Momentaufnahme des Straßenzustandes dar. Die bewertungsrelevanten Zustandsgrößen werden über Normierungsfunktionen in Zustandswerte überführt. Alle Zustandsgrößen, die zugehörigen Zustandswerte und die Zustandsklassen wurden in 10-m-Auswerteabschnitte (2 Platten) untergliedert und in einem gemeinsamen Datensatz in einer Excel-Tabelle abgelegt.
Insgesamt werden derzeit 8 Zustandsklassen (ZK) unterschieden durch Untergliederung der Notenskala von 1 bis 5 in halben Notenwerten. Für die farbliche Kennung haben sich Unterteilungen in 4 Zustandsklassenbereiche als Standard herausgebildet. Es sind dies die Bereiche:
I = besser als 1,5-Wert (< 1,5) => blau
II = zwischen 1,5- und Warnwert (1,5 bis 3,5) => grün
III = kritischer Bereich zwischen Warn- und Schwellenwert (3,5 bis 4,5) => gelb
IV = Überschreitung des Schwellenwertes (> 4,5) => rot.

In der betrachteten ZEB-Datentabelle lagen für alle Zustandsmerkmale die Zustandswerte und die Zustandsklassen mit Angaben der Betriebskilometrierung und Netzknoten vor, sodass eine Ortung anhand der Betriebskilometrierung möglich war. Die  Streckenabschnitte zwischen Betriebskilometer 644,013 und 644,355 wurden aufgrund der erfassten Zustandsgrößen der ZK 1 zugeordnet. Diese Zustandsklasse entspricht dem Neubauzustand (blauer Bereich). Der Streckenabschnitt (644,355-644,365) wurde maßgeblich aufgrund der erfassten Zustandsgröße Griffigkeit bei der Bewertung der ZK 2 (grüner Bereich) zugeordnet. Die Streckenabschnitte 644,365–644,405 wurden aufgrund der erfassten Zustandsgrößen der ZK 1 (blauer Bereich) zugeordnet. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die untersuchten Abschnitte unter Verwendung des gebrochenen Kieses aus dem Oberrhein überwiegend der ZK 1, also einem sehr guten Zustand – nach über 8 Jahren Liegedauer – entsprechen. Diese Abschnitte erfüllen sogar noch die Anforderungen bei der Abnahme (kurz nach Herstellung) der Straßenbaumaßnahme. Lediglich ein Auswerteabschnitt von 10 m Länge ist der Zustandsklasse ZK 2 zuzuordnen und entspricht damit immer noch einem guten Zustand. Nach einer ordnungsgemäßen Verkehrssicherung wurde am 17.11.2015 der 1. Fahrstreifen des Streckenabschnitts von Betriebskilometer 644,000 bis ca. 644,400 durch Vertreter des KIT begangen und augenscheinlich begutachtet. Die visuelle Zustandserfassung bestätigte die qualitative Bewertung des Straßenzustandes aus den ZEB-Daten mit „sehr guter Zustand“.
Im Rahmen dieser Begehung wurde auch eine repräsentative Anzahl an Bohrkernen entnommen. Aufgrund der unauffälligen Oberflächenbeschaffenheit der Erprobungsstrecke wurde für die Bohrkernprobenahme ein gleichmäßiges, geometrisches Raster (systematic sampling) von ungefähr 50 m Abstand in Fahrtrichtung festgelegt. Die Bohrkerne wurden hierbei jeweils aus der Plattenmitte entnommen. Aus der ersten Platte 939, welche sich bei Betriebskilometer 644,000 befindet, wurde der erste Bohrkern BK 1 entnommen und aus Platte 1.025 der letzte Bohrkern. Für die weiteren Untersuchungen wurde willkürlich (random sampling) Bohrkern BK 1 gewählt sowie Bohrkern BK 4 aufgrund eines oberflächlich verlaufenden Risses (hot spot sampling). Die ausgewählten Bohrkerne wurden halbiert und je eine Bohrkernhälfte untersucht. Aus den zu untersuchenden Bohrkernhälften wurden jeweils sechs Dünnschliffe (Ober- und Unterbeton) präpariert (Bild 5) und mittels Durchlichtmikroskopie analysiert. Die petrografische Beschreibung wurde in einem ausführlichen Bericht [7] zusammengefasst. In allen Dünnschliffen waren Verdichtungs- und Luftporen in der Betonmatrix sichtbar. In keinem der 12 Dünnschliffe konnte Alkali-Kieselsäure-Gel in den Poren identifiziert werden.
Bei den vier Dünnschliffen, welche Bildausschnitte direkt von der Fahrbahnoberfläche enthalten, sind oberflächennah vereinzelte feine Risse bis in eine Tiefe von etwa 20 mm festzustellen. Sie weisen Rissbreiten kleiner 50 μm auf. Sie durchlaufen größere Gesteinskörner und die Betonmatrix, wobei sie bevorzugt an Korngrenzen entlanglaufen. Es liegen keine Anzeichen vor, dass die Entstehung dieser Risse mit einer Alkali- Kieselsäure-Reaktion in Verbindung steht.
Wahrscheinlich handelt es sich hierbei um Schwindrisse. In allen Tiefen weisen zudem zahlreiche Gesteinskörner Risse auf. Diese reichen jedoch nicht in die Zementsteinmatrix des Betons hinein. Mit großer Wahrscheinlichkeit liegen die Ursachen für diese Art der Rissbildung in der Genese der Gesteine oder ggf. bei der Aufbereitung (Brechprozess).
Es ist davon auszugehen, dass sie schon vor dem Einsatz des Materials als Gesteinskörnung im Beton bestanden. Die für die Erprobungsstrecke verwendete grobe Gesteinskörnung (gebrochene Gesteinskörnung des Oberrheins) ist zunächst als potenziell alkaliempfindlich einzustufen (siehe auch ARS 12/2006). Die Dünnschliffanalyse der Poren und Risse ergab jedoch nach einer Liegedauer von 8 ½ Jahren keine Hinweise auf AKR-Merkmale. Es konnte bis dato keine auf AKR zurückzuführende Schädigung des Betongefüges festgestellt werden.
Es zeigte sich nach derzeitigem Stand der Erprobungsstrecke, dass Kiesedelsplitte des
Oberrheins, welche nach Alkali-Richtlinie bzw. ARS 12/2006 als potenziell alkaliempfindlich gelten, nicht grundsätzlich für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton ausgeschlossen werden müssen. Vielmehr können diese erfolgreich eingesetzt werden, wenn positive Praxiserfahrungen mit den Gesteinskörnungen der Lagerstätte vorliegen und gewisse Randbedingungen eingehalten werden. Wesentlich hierfür ist sicherlich auch die Verwendung von Zementen mit einem niedrigen wirksamen Alkaligehalt. Die Anforderung an die Bruchflächigkeit C100/0 laut ARS 14/2006 wurde zwischenzeitlich zurückgenommen, basierend auf Untersuchungsergebnissen des Forschungsvorhabens „Einfluss der Eigenschaften grober Gesteinskörnung auf die Oberflächendauerhaftigkeit von Waschbetonoberflächen“ [8].
Es konnte dabei festgestellt werden, dass auch mit Gesteinskörnungen der Kategorien C90/1 oder C90/3 strukturell dauerhafte Waschbetonoberflächen hergestellt werden können. Die ermittelten ZEB-Daten brachten u. a. für die Erprobungsstrecke A 5 den Nachweis, dass dank der guten Polierresistenz der gebrochenen Kieskörnungen des Oberrheins nachhaltig griffige und dauerhafte Waschbetonoberflächen (Bild 6) hergestellt werden können.

 

Bild 5: Lage der Dünnschliffe im Ober- und Unterbeton des Bohrkerns aus der
Erprobungsstrecke


Bild 6: Oberfläche und Texturbild nach über 8 Jahren Nutzungsdauer
unter starkem Verkehr (repräsentatives Bohrkernmuster)

 

5 Fazit

Die Klärung von Fragestellungen hinsichtlich Dauerhaftigkeit, Griffigkeit und Verwendbarkeit von potenziell AKR-empfindlichen Gesteinskörnungen durch Herstellung eines Praxisbezugs mittels Beobachtungen in situ und darauf aufbauender Feststellungen ist – wie dieser Fall verdeutlicht – von maßgeblicher Bedeutung. Daher sei für die Ermöglichung dieses Praxisbezugs an dieser Stelle der ausführenden Firma, STRABAG Großprojekte GmbH, ehemals HEILIT+ WOERNER Bau GmbH, der Via Solutions Südwest GmbH & Co. KG, heutiger Betreiber der Strecke, den wissenschaftlichen Begleitern VDZ und KIT sowie der begleitenden Baustoff- und Bodenprüfstelle vom Regierungspräsidium Karlsruhe in Durlach und dem örtlichen Projektbetreuer, der Oberrhein-Handels-Union GmbH & Co. KG, ein herzlicher Dank ausgesprochen.

Literaturverzeichnis
[1] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Sachgebiet 12.1: Umweltschutz; Lärmschutz: Allgemeines Rundschreiben Straßenbau ARS Nr. 5/2006
[2] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Sachgebiet 4.4 Straßenbefestigungen und 6.1 Straßenbaustoffe: Allgemeines Rundschreiben Straßenbau ARS Nr. 14/2006
[3] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen:
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton, Ausgabe 2007 (ZTV Beton-StB 07), FGSV Verlag, Köln 2007
[4] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen:
Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton, Ausgabe 2007 (TL Beton- StB 07), FGSV Verlag, Köln 2007
[5] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Sachgebiet 6.1 und 6.2 Straßenbaustoffe: Allgemeines Rundschreiben Straßenbau
ARS Nr. 12/2006
[6] S c h l a g e r, P. ; H i r s c h , A . ; M ü l l e r , H a r a l d S . (2017): Bewertung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion von Betonen mit Gesteinskörnungen aus Baden-Württemberg und angrenzenden Gebieten; Arbeitspaket 2 „Beurteilung von Bestandsstrecken in Betonbauweise mit Gesteinskörnungen des Oberrheins“; Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Materialprüfungsund Forschungsanstalt (MPA), Karlsruhe (unveröffentlicht)
[7] S c h l a g e r, P. ; H i r s c h , A . (2016): Mikroskopische Untersuchungen an Dünnschliffen aus Bohrkernen des Fahrbahndeckenbetons der Erprobungsstrecke „Waschbeton“ auf der Bundesautobahn A 5 im Bereich Malsch; Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (MPA), Karlsruhe (unveröffentlicht)
[8] G e h l e n , C . ; S p e n g l e r, A . ; S k a r a – b i s , J . (2012): Einfluss der Eigenschaften grober Gesteinskörnung auf die Oberflächendauerhaftigkeit von Waschbetonoberflächen, Straße und Autobahn,

Quelle: Heft 9/2012, Kirschbaum Verlag, Bonn