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Grundlagenbetrachtung zum Thema
Bodenverdichtung
Verdichtungsbereiche, Verdichtungsleistung,
Verdichtungstechnik
Mit freundlicher Genehmigung von Weber-mt
B a u - & I n d u s t r i e t e c h n i k
I n h a b e r i n : S i m o n e S e i l z
R a u s c h w a l d e r S t r a ß e 4 8 a
0 2 8 2 6 G ö r l i t z
T e l e f o n : 0 3 5 8 1 – 3 1 8 8 4 0
T e l e f a x : 0 3 5 8 1 – 3 1 8 8 4 1
E m a i l : p o s t @ b a u - i n d u s t r i e t e c h n i k . d e
I n t e r n e t : w w w . b a u - i n d u s t r i e t e c h n i k . d e
B e a r b e i t e r : D i p l . - I n g . ( F H ) S t e p h a n D ü s t e r h a u p t
A u s g a b e d a t u m : 3 . M a i 2 0 0 6
Bau- & Industrietechnik - 3 - 3. Mai 2006
Vorwort
Bodenverdichtung ist nicht gleich Bodenverdichtung... Für jede Verdichtungsaufgabe
steht entsprechend dafür ausgelegte Technik (Vibrationsstampfer, Vibrationsplatte,
Vibrationswalze) zur Verfügung.
Ein für das zu verdichtende Material optimal gewähltes Werkzeug allein löst das
Verdichtungsproblem nicht. Genauso wichtig ist dessen sach- und fachgerechter
Gebrauch.
Darüber hinaus trägt die fachgerechte Vorbereitung neben der Wahl einer geeigneten
Maschine entscheidend zu einem optimalen Arbeitsergebnis bei. Häufig werden
gerade bei diesen grundlegenden Arbeiten Fehler begangen, die zu einer verminderten
Verkehrssicherheit des Verdichtungsgutes führen.
Auf den folgenden Seiten wird der Leser in die Problematik der Verdichtung eingeführt.
Mit Hilfe zahlreicher Grafiken werden dem Leser kompakt die Verdichtungsarten, die
Verdichtungsbereiche, die Verdichtungswilligkeit des Materials, die
Verdichtungsleistung sowie abschließend die Verdichtungstechnik erläutert.
Bau- & Industrietechnik - 4 - 03.05.06
Inhaltsverzeichnis
1. Verdichtungsarten .................................. ...................................................... 6
1.1. Statische Verdichtung ..................................................................................... 6
1.2. Dynamische Verdichtung ................................................................................ 6
2. Verdichtungsbereiche ............................... ................................................... 8
2.1. Bodenverdichtung ........................................................................................... 8
2.1.1. Nichtbindige Böden ......................................................................................... 8
2.1.2. Bindige Böden................................................................................................. 9
2.1.3. Gemischtkörnige Böden.................................................................................. 9
2.2. Asphaltverdichtung.......................................................................................... 9
2.3. Einrütteln von Pflaster und Gehwegplatten ................................................... 11
2.3.1. Aufbau und Verdichtungsprinzip.................................................................... 11
2.3.2. Hinweise ....................................................................................................... 12
3. Verdichtungswilligkeit des Materials............... .......................................... 14
4. Verdichtungsleistung ............................... .................................................. 16
4.1. Maschinengewicht......................................................................................... 16
4.2. Schwingende Masse ..................................................................................... 16
4.3. Frequenz und Amplitude ............................................................................... 16
4.4. Arbeitsgeschwindigkeit.................................................................................. 17
5. Vorstellung der Verdichtungstechnik................ ........................................ 18
5.1. Der Vibrationsstampfer ................................................................................. 18
5.2. Die Vibrationsplatte ....................................................................................... 19
5.3. Die Vibrationswalze....................................................................................... 20
Bau- & Industrietechnik - 5 - 03.05.06
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1 Statische Bodenverdichtung ....................................................................... 6
Abb. 2 Dynamische Bodenverdichtung .................................................................. 7
Abb. 3 Bodenverdichtung....................................................................................... 8
Abb. 4 Nichtbindiger Boden ................................................................................... 8
Abb. 5 Bindiger Boden........................................................................................... 9
Abb. 6 Gemischtkörniger Boden ............................................................................ 9
Abb. 7 Fachgerechter Aufbau einer Asphaltdecke ............................................... 10
Abb. 8 Asphaltverdichtung mit einer Duplexwalze................................................ 10
Abb. 9 Asphalt unverdichtet ................................................................................. 11
Abb. 10 Asphalt verdichtet ..................................................................................... 11
Abb. 11 Aufbau einer Verbundstein-Pflasterdecke................................................. 11
Abb. 12 Einrütteln von Pflaster............................................................................... 12
Abb. 13 Einsatz der anmontierten Vulkollanplatte.................................................. 12
Abb. 14 Fehlerhafter Pflasterunterbau ................................................................... 13
Abb. 15 Übersicht der Konform ausgewählter Mineralstoffe................................... 14
Abb. 16 Vibrationswalze ........................................................................................ 16
Abb. 17 Vibrationsplatte......................................................................................... 16
Abb. 18 Langsamer Vorschub................................................................................ 17
Abb. 19 Schneller Vorschub .................................................................................. 17
Abb. 20 Vibrationsstampfer.................................................................................... 18
Abb. 21 Vibrationsplatte......................................................................................... 19
Abb. 22 Arbeitsweise des Zwei-Wellen-Erregers ................................................... 20
Abb. 23 Duplexwalze ............................................................................................. 20
Abb. 24 Grabenwalze ............................................................................................ 21
Bau- & Industrietechnik - 6 - 03.05.06
1. Verdichtungsarten
1.1. Statische Verdichtung
Bei der statischen Verdichtung handelt es sich um Verdichtung ausschließlich durch
Auflast.
Das Prinzip
Ein Fahrzeug, z. B. Walze (ohne Vibration) übt durch sein Eigengewicht im oberen
Bereich Druck aus und glättet die Oberfläche gleichzeitig. Diese Art der Verdichtung ist
ausschließlich bei der Oberflächenverdichtung von Asphaltdecken u. ä. Aufgaben von
Bedeutung.
Abb. 1 Statische Bodenverdichtung
1.2. Dynamische Verdichtung
Bei der dynamischen Verdichtung handelt es sich um Verdichtung durch Auflast und
Vibration.
Das Prinzip
Durch Stampfen oder Vibrieren wird das Verdichtungsmaterial oder das
Asphaltmischgut den Schwingungen derart ausgesetzt, dass durch Kornumlagerung
und Auflast die Hohlräume auf ein Minimum reduziert und ein dichter/homogener
Untergrund bzw. dichte/homogene Asphaltdecke entsteht. Auf diese Weise lässt sich
auch Beton mit der Konsistenz K-1 wirkungsvoll verdichten und eine ebene, relativ
glatte Fläche herstellen.
Bau- & Industrietechnik - 7 - 03.05.06
Abb. 2 Dynamische Bodenverdichtung
Bau- & Industrietechnik - 8 - 03.05.06
2. Verdichtungsbereiche
2.1. Bodenverdichtung
Die Bodenverdichtung verfolgt das Ziel, den Porenraum des Bodens, der vor allem aus
Luft und Wasser besteht, zu verringern.
Abb. 3 Bodenverdichtung
Das Ergebnis der Verdichtung ist:
� eine höhere Lagerungsdichte
� eine größere Tragfähigkeit
� eine verminderte Wasserdurchlässigkeit
2.1.1. Nichtbindige Böden
Nichtbindige Böden zeichnen sich durch grobe Körnungen (Steine, Kiese, grobkörnige Sande) aus. Zwischen den einzelnen Körnern gibt es große Hohlräume. Deshalb sind die Böden extrem wasserdurchlässig und weichen im Wasser selbst nicht auf.
Abb. 4 Nichtbindiger Boden
Bau- & Industrietechnik - 9 - 03.05.06
2.1.2. Bindige Böden
Bindige Böden zeichnen sich durch feine Körnungen (Schluffe und Tone) aus. Zwischen den mehlartigen Körnern gibt es feine Hohlräume mit einem Gefüge untereinander, vergleichbar mit dem Gefüge einer Bienenwabe.
Abb. 5 Bindiger Boden
2.1.3. Gemischtkörnige Böden
Gemischtkörnige Böden sind Böden, deren Zusammensetzung aus Anteilen nichtbindiger und bindiger Körnungen unterschiedlicher Größen besteht. Diese trifft man in der Praxis am häufigsten an. Wie und vor allem wie gut sich diese Mischböden verdichten lassen, hängt von der prozentualen Verteilung an Feinkorn-/Grobkornanteilen ab.
Abb. 6 Gemischtkörniger Boden 2.2. Asphaltverdichtung
Durch die Asphaltverdichtung wird die Lagerungsdichte erhöht. Gleichzeitig wird eine
ebene Oberfläche erreicht.
Grundsätzlich setzt die Asphaltierung, und die darin eingeschlossene Verdichtung,
einen fachgerechten Aufbau des Asphaltes voraus.
Bau- & Industrietechnik - 10 - 03.05.06
Abb. 7 Fachgerechter Aufbau einer Asphaltdecke
Abb. 8 Asphaltverdichtung mit einer Duplexwalze
Durch die Verdichtung der Asphaltschichten erreicht man :
� eine höhere Festigkeit der einzelnen Asphaltlagen
� eine Verminderung der Durchlässigkeit und der Wasseraufnahme
Bau- & Industrietechnik - 11 - 03.05.06
Die folgenden zwei Abbildungen veranschaulichen den Sachverhalt der
Asphaltverdichtung:
Abb. 9 Asphalt unverdichtet Abb. 10 Asphalt verdichtet
2.3. Einrütteln von Pflaster und Gehwegplatten
2.3.1. Aufbau und Verdichtungsprinzip
Das Einrütteln von Betonsteinpflaster, Natursteinpflaster und Gehwegplatten verfolgt
das Ziel, eine ebene, verkehrssichere (begehbare) und optisch saubere Oberfläche
herzustellen. Die Steine/Platten werden hierbei fest in das Sandbett gerüttelt, dabei
rüttelt sich der Sand teilweise in die Fugen und sorgt so für einen optimalen Verbund.
Der fachgerechte Aufbau einer Verbundstein-Pflasterdecke sieht im Schnitt wie folgt
aus:
Abb. 11 Aufbau einer Verbundstein-Pflasterdecke
Bau- & Industrietechnik - 12 - 03.05.06
Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht die Notwendigkeit und die Effekte des
Einrüttelns:
Abb. 12 Einrütteln von Pflaster
2.3.2. Hinweise
Beim Einrütteln von Pflaster wird der Einsatz einer sogenannten Vulkollanplatte
empfohlen. Sie schont die Steinoberfläche – Ecken und Kanten der frischen
Betonsteine/Platten platzen nicht mehr so leicht ab. Der Lärmpegel wird erheblich
reduziert, das Gerät wird geschont.
Abb. 13 Einsatz der anmontierten Vulkollanplatte
Zum Verdichten des Unterbaus und der Tragschicht müssen die Vulkollanplatten
entfernt werden. Bei montierter Vulkollanplatte wird die Vorlaufgeschwindigkeit
reduziert.
Der häufigste Fehler beim Erstellen des Pflasterunterbaus ist der Ausgleich einer
unebenen Tragschicht durch die Bettung. Die unterschiedlich dicke Bettung gibt unter
Bau- & Industrietechnik - 13 - 03.05.06
Verkehrsbelastung und witterungsbedingt (Wasser-, Frostnester) nach – die Folge ist
eine deformierte Verkehrsfläche.
Abb. 14 Fehlerhafter Pflasterunterbau
Bau- & Industrietechnik - 14 - 03.05.06
3. Verdichtungswilligkeit des Materials
Die Verdichtungswilligkeit des Materials ist von vier Faktoren abhängig, die
nachfolgend erläutert werden.
Bodenart
Gemischtkörnige Böden und nichtbindige Böden sind in der Regel gut zu verdichten,
bindige Böden sind nur schwer verdichtbar. Eine Verdichtung kann nur durch Stampfen
bzw. Kneten unter Vibrationseinwirkung erfolgen.
Kornform und Kornrauhigkeit
Am besten lassen sich Mischböden mit glatten und runden Kornformen verdichten.
Böden mit kantigen Kornformen sind dagegen wesentlich schwerer verdichtbar, sie
sind jedoch belastbarer. Schotter und Splitt haben eckige, kantige Kornformen und
somit eine vergleichsweise große Kornrauhigkeit. Sand und Kies dagegen haben
glatte, runde Kornformen und somit eine geringere Kornrauhigkeit.
Folgende Mineralstoffe sind zu unterscheiden:
Abb. 15 Übersicht der Konform ausgewählter Mineralstoffe
Bau- & Industrietechnik - 15 - 03.05.06
Verteilung der Korngrößen
Nichtbindige Böden mit gleicher Korngröße sind nicht verdichtbar. Ein Beispiel dafür ist
Dünensand, der sich durch enggestufte Korngrößen auszeichnet. Weitgestufte
Korngrößen (Mischböden) lassen sich optimal verdichten. Unter Vibrationseinwirkung
wandern die kleineren Körner in die Hohlräume zwischen den größeren Körnern.
Wassergehalt des Verdichtungsmaterials
Der natürliche Wassergehalt eines Bodens ist das Verhältnis des im Boden
vorhandenen Wassergewichts zur Masse des trockenen Bodens.
Ist der Wassergehalt optimal, legt sich das Wasser wie ein Film über die Einzelkörper
und wirkt wie ein Schmiermittel, das die Reibungskräfte vermindert und die
Verdichtung erleichtert. Ist der Wassergehalt zu hoch, füllt sich der im Boden
vorhandene Porenraum mit Wasser und erschwert die Verdichtung. Die Zustandsform
eines Bodens hängt u. a. vom Wassergehalt ab.
Bau- & Industrietechnik - 16 - 03.05.06
4. Verdichtungsleistung
Die Verdichtungsleistung einer Maschine hängt von vier Faktoren ab, die nachfolgend
erläutert werden.
4.1. Maschinengewicht
Ein hohes Maschinengewicht bedeutet in der Regel eine große Wirktiefe der
Verdichtungsmaschine bei identischer Kontaktfläche zwischen Maschine und Boden.
Folglich können große Schichtdicken und auch verdichtungsunwillige Materialien
wirkungsvoll verdichtet werden.
Entscheidend für optimale Verdichtungsaufgaben ist das Arbeiten mit einem
hinreichend großen Druck. Obwohl sich zwei Maschinen in ihrem Maschinengewicht
unterscheiden, können sie bei entsprechender Variation der Kontaktfläche zwischen
Maschine und Boden eine ähnliche Tiefenwirkung erzielen.
4.2. Schwingende Masse
Je größer die schwingende Masse ist, um so größer ist die Wirktiefe der
Verdichtungsmaschine. Aus der Masse der Maschine sowie der schwingenden Masse,
deren Drehzahl und Exzentrizität resultiert die Amplitude, mit deren Hilfe unter
anderem der Maschinenhub abgeleitet wird.
Abb. 16 Vibrationswalze Abb. 17 Vibrationsplatte
4.3. Frequenz und Amplitude
Die Amplitude gibt an, wie hoch die Maschine durch die Exzenterwelle angehoben
wird.
Eine große Amplitude entsteht durch eine hohe Fliehkraft bei einer niedrigen Frequenz.
Große Schichtdicken und verdichtungsunwilliges Material werden auf diese Weise
wirkungsvoll verdichtet.
Bau- & Industrietechnik - 17 - 03.05.06
Die Frequenz gibt an, wie oft die Verdichtungsmaschine mit dem zu verdichtenden
Material in Kontakt tritt.
Eine kleine Amplitude in Kombination mit einer hohen Frequenz (über 50 Hz) lässt
darauf schließen, dass die Maschine für die Verdichtung von Sand, Kies, Schotter,
Betonsteinen und Asphalt ausgelegt ist. Diese Maschinen haben meist nur geringe
Tiefenwirkung und sind für die Verdichtung schwerer, bindiger Böden ungeeignet.
4.4. Arbeitsgeschwindigkeit
Abb. 18 Langsamer Vorschub Abb. 19 Schneller Vorschub
Grundsätzlich gilt:
� Je geringer der Vorschub einer Maschine bei identischer Amplitude ist, desto
größer ist der in den Verdichtungsprozess eingebrachte Energiebetrag.
Bau- & Industrietechnik - 18 - 03.05.06
5. Vorstellung der Verdichtungstechnik
Im Bodenverdichtungsprogramm von Weber-mt sind drei Maschinenausführungen, die
speziell für die entsprechenden Verdichtungsaufgaben optimiert sind, zu
unterscheiden.
Bei sämtlichen von Weber-mt angebotenen Bodenverdichtungsmaschinen kommt das
Prinzip der dynamischen Verdichtung zum Tragen. Ein bzw. zwei rotierende
Erregerwellen, die sich durch exzentrisch gelagerte Massen, sogenannte Unwuchten,
auszeichnen, erzeugen Fliehkräfte.
Diese wirken periodisch gegen bzw. in die Richtung der Maschinengewichtskraft und
werden zusätzlich bei Vibrationsplatten zum Vortrieb genutzt
5.1. Der Vibrationsstampfer
Die Verdichtungswirkung der Vibrationsstampfer erfolgt durch die Beaufschlagung des
Verdichtungsmaterials mit schnell aufeinander folgenden Schlägen.
Abb. 20 Vibrationsstampfer
Die Schlagfolge von 400 – 700 min-1 ist so groß, dass die Körnungen in ständiger
Bewegung gehalten werden. Die Reibung mindert sich und aufgrund der vom
Stampffuß ausgeübten Flächenpressung lagert sich das Material dichter ein.
Bau- & Industrietechnik - 19 - 03.05.06
5.2. Die Vibrationsplatte
Die Vibrationsplatte leitet die durch die Erregerwelle(n) erzeugten Schwingungen im
Gegensatz zum Vibrationsstampfer über eine vergleichsweise große Fläche in das
Verdichtungsgut ein.
Grundsätzlich wird zwischen vorlaufenden Vibrationsplatten (Ein-Wellen-Erreger)
sowie Vibrationsplatten mit wählbarem Vor- und Rücklauf (Zwei-Wellen-Erreger)
unterschieden.
Abb. 21 Vibrationsplatte
Bau- & Industrietechnik - 20 - 03.05.06
Die Funktion einer vor- und rücklaufenden „Rüttelplatte“ resultiert aus dem
Zusammenspiel zweier Erregerwellen. Je nach momentaner Position ihrer
exzentrischen Massen zueinander ergibt sich ein charakteristisches Bewegungsbild
der Vibrationsplatte.
Vor- und rücklaufende Vibrationsplatten (Zwei-Wellen-Erreger)
Vorlauf Rücklauf
beide Unwuchtmassen heben sich auf
die Unwuchtmassen heben die Maschine an
die Unwuchtmassen heben sich auf
die Unwuchtmassen drücken sich in den Boden
Abb. 22 Arbeitsweise des Zwei-Wellen-Erregers
5.3. Die Vibrationswalze
Bei größeren Vibrationswalzen befindet sich die Erregerwelle direkt im Trommelkörper;
bei handgeführten Duplex- bzw. Grabenwalzen befindet sich die Unwuchtwelle
zwischen den Trommelkörpern im Walzenrahmen.
Abb. 23 Duplexwalze
Bau- & Industrietechnik - 21 - 03.05.06
Abb. 24 Grabenwalze