Fahrbahndecke aus Betonmit Steinkohlenflugasche

als Bindemittelkomponente

A. S c h n i e r i n g , Essen,D. L u t z e, Herten

Sonderdruck aus STRASSE UND AUTOBAHN 49 (1998) Nr. 12, S. 679–684Kirschbaum Verlag · Bonn

Anlage der Versuchsstrecke

Um den Stand der Technik und die Wirk-samkeit von Steinkohlenflugasche alsBetonzusatzstoff nach DIN 1045 auchbeim Bau von Fahrbahndecken ausBeton zu überprüfen, wurde 1990 eine430 m lange und 7 m breite Werkstraßeim VKR-Kraftwerk Knepper in Dort-mund als Versuchsstrecke ausgeführt.Sie verbindet das Kraftwerk mit der öffentlichen Straße „Am Langenacker“in Dortmund-Bodelschwingh (OrtsteilOestrich) (Bild 1).Über diese Versuchsstraße wird der gesamte Schwerlastverkehr des Kraft-werkes für die Ver- und Entsorgungdurchgeführt. Die Fahrbahndecke wurde22 cm stark in Beton B 35, KonsistenzKS, mit einem Gleitschalungsfertiger inzwei Tagen ausgeführt (Bild 2). Etwamittig ist die Strecke in 2 Abschnitteunterteilt. Im südlichen Fahrbahnab-schnitt enthält der Beton B 35 aus-schließlich Zement PZ 35 F gemäßZTV-Beton 78 (82), während im nördli-chen Fahrbahnabschnitt 60 kg Zementgegen 90 kg SteinkohlenflugascheEFA-Füller S-B/E (FA) ausgetauschtwurden (Tabelle 1).In beiden Abschnitten sind jeweils 2gleich lange Teilabschnitte hinsichtlichder Behandlung im Rahmen des Win-terdienstes zu unterscheiden. Die süd-liche Hälfte des Abschnittes ohneSteinkohlenflugasche (Teilabschnitt 1 A)wurde mit Streumittel, der nördliche(Teilabschnitt 1 B) mit Taumittel behan-delt. Der hier anschließende Teil derVersuchsstrecke mit Steinkohlenflug-asche (Teilabschnitt 2 A) wurde eben-falls mit Taumittel, der nördliche Teildieses Abschnittes (Teilabschnitt 2 B)wiederum mit Streumittel behandelt.Weitere Unterschiede bestehen zwi-schen den beiden Abschnitten nicht,weder in konstruktiver noch in beton-technologischer Sicht.

Beton mit Steinkohlenflugasche

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Fahrbahndecke aus Beton mit Steinkohlen-flugasche als BindemittelkomponenteAlfred Schniering und Dietmar Lutze

Verfasseranschrift: Dr. Schniering, SchnieringIngenieurgesellschaft mbH, 45356 Essen, Heeg-str. 60; D. Lutze, Baumineral GmbH, 45699 Her-ten, Hibernia Str. 12 * bei f = 0,25 x 2

2: Einbau der Betondecke

1: Versuchsstreckeam KraftwerkKnepper

Tabelle 1: Zusammensetzungder Betone

Die Betonzusammensetzung mit Stein-kohlenflugasche gemäß Tabelle 1 ba-siert auf Vorversuchen am Institut fürBauforschung (ibac) der RWTH Aachen[1], die als Eignungsprüfungen für dieAusführung zugrunde gelegt wurden.Zu den im Zuge der Bauausfüh-rung durchzuführenden Eigenüberwa-chungs- und Kontrollprüfungen wurdenweitere Frisch- und Festbetonprüfun-

gen durch die Baustoffprüfstelle derBauMineral GmbH Herten und dem ibac Aachen durchgeführt. Die Ergeb-nisse dieser Untersuchungen sind inden nachfolgenden Tabellen 2 bis 5und Bildern 3 und 4 dargestellt [2], [3].Die Ergebnisse der Erhärtungsprüfun-gen an Bohrkernen zeigen, daß dieNennfestigkeit des geforderten B 35nach 28 Tagen von beiden Betonsorten

mit deutlichem Vorhaltemaß überschrit-ten wurde. Nach fünf Jahren liegt auf-grund der puzzolanischen Reaktion mit71,3 N/mm2 die Festigkeit des Betonesmit Steinkohlenflugasche EFA-Füllerum mehr als 10 N/mm2 höher als diedes Betones ohne EFA-Füller. Hinsicht-liche des Frost-Tausalz-Widerstandes,geprüft nach dem VDZ-Verfahren mit3 % NaCI-Lösung als Taumittel, zeigtensich nach 28, 90, 365 Tagen und 5 Jah-ren keine signifikanten Unterschiede.Auf weitere betontechnologische As-pekte sollte hier nicht näher eingegan-gen werden, da diese bereits im Rah-men anderweitiger Untersuchungenund Begutachtungen umfassend be-handelt und veröffentlicht worden sind.

Untersuchung der Versuchsstrecke

Ohne Beachtung der Grenzen zwi-schen den Abschnitten und Teilab-schnitten wurde die gesamte Versuchs-strecke in gleicher Weise und in glei-chem Umfang hinsichtlich der Ge-brauchseigenschaften wie der Sub-stanzmerkmale in Anlehnung an dieauf den Bundesfernstraßen eingeführteZustandserfassung und -bewertung un-tersucht.Die Zustandserfassung erfolgte im No-vember/Dezember 1996.Zu diesem Zeitpunkt waren annähernd100 000 Fahrzeugbewegungen über dieVersuchsstrecke gelaufen.An der Versuchsstrecke wurden dieMerkmale entsprechend der Tabelle 6untersucht und als Zustandsindikatorenausgewertet.Zur Untersuchung der Oberflächen-merkmale Ebenheit und Griffigkeit wur-den die Meßsysteme ARGUS (Auto-matic Roadcondition Graduating UnitSystem) – Bild 5 – und SCRIM (Side-way-force Coefficient Routine Investi-gation Machine) eingesetzt, wie sie imRahmen der bundesweiten Zustands-

Beton mit Steinkohlenflugasche

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1): Probekörper 10 x 10 x 10 cm aus Bohrkernen mit 15 cm Durchmesser geschnitten2): EFA-Füller S-B/E (FA)

Tabelle 2: Frischbetonkenn-werte bei der Bauausführung

Tabelle 3: Festbetonkennwertevon Güteprüfungen

Tabelle 4: Festbetonkennwertevon Erhärtungs-prüfungen

Tabelle 5: Aufsummierte Abwitterungen infolge Frost-Tausalz-Beanspru-chung Repro

3: Graphische Darstellung derBetondruck-festigkeiten

erfassung des Bundesautobahn- undBundesfernstraßennetzes sowie desLandesstraßennetzes einiger Bundes-länder verwendet wurden. Die Erfas-sung erfolgte auf beiden Fahrbahnhälf-ten unter Befahrung in beide Richtun-gen.Bezüglich der Merkmale Längs- undQuerebenheit sowie Griffigkeit wurdenMehrfachmessungen durchgeführt,welche die Basis für eine Wiederhol-barkeitsbeurteilung und Plausibilitäts-prüfung der ermittelten Meßergebnissebilden.

Längsprofilaufnahme mit ARGUSDas Höhenlängsprofil wurde nach demPrinzip der Mehrfachabtastung durch 4Laserdistanzsensoren erfaßt, die an ei-nem längs zur Fahrzeugachse montier-ten Balken so angebracht sind, daß dieMeßlinie in der rechten Lkw-Rollspurliegt.Als Zustandsindikatoren wurde ausdem Höhenlängsprofil die Standardab-weichung vom 3 m- und 10 m-gleiten-den Mittelwert jeweils für 100 m-Teilab-schnitte berechnet.Die Zustandsindikatoren AllgemeineUnebenheit, Welligkeit und Standard-abweichung vom gleitenden Mittelwertüber 30 m haben auf Meßstrecken vonweniger als 500 m Länge nur einge-schränkte Gültigkeit. Auf die Auswer-tung und Ausgabe dieser Zustandsindi-katoren wurde hier daher verzichtet.

Querebenheit mit ARGUSDas Querprofil wird durch Laserdistanz-sensoren erfaßt, die mit regelmäßigenAbständen von 10 cm an einem Balkenquer zur Fahrzeugachse angebrachtsind und zusammen mit Quernei-gungsmessungen eine Wiedergabedes Querprofils über eine Fahrstreifen-breite von 3,00 m ermöglichen.

Die in 1 m-Abständen ermittelten Pro-file werden jeweils gespeichert und die-nen als Berechnungsgrundlage derwiederum jeweils auf 100 m-Teilab-schnitte bezogenen Zustandsgrößen– Spurrinnentiefe und– theoretische Wassertiefe

Griffigkeit mit SCRIMDie SCRIM verwendet das Meßprinzipdes zur Fahrtrichtung schräggestellten,unter Teilschlupf abrollenden Meßra-des. Es wird der SeitenreibungsbeiwertSFC bei angenäßter Fahrbahnober-fläche mit einem profillosen schmalenMeßreifen unter einem Schräglaufwin-kel von 20° und einer Normalkraft von

200 kg ermittelt. Die Griffigkeitsmes-sung erfolgte jeweils in der rechtenLkw-Rollspur.

SubstanzmerkmaleDie Untersuchung der Substanzmerk-male erfolgte unter Begehung und ein-gehender visueller Prüfung jeder ein-zelnen Platte.Dabei wurde nach den Merkmalen– Risse– Eckabbrüche– Kantenschäden– Stufenbildung an Längs- und Quer-

fugengesucht.

Beton mit Steinkohlenflugasche

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5: ARGUS-Meßfahrzeug –SystemteilLängs- undQuerebenheit

Tabelle 6: Zustandswerte undZustands-indikatoren derZEB auf Bundes-fernstraßen

4: Abwitterungennach 50 FTW im Vergleich zurDruckfestigkeit

OberflächentexturBei der ebenfalls visuellen Prüfung derOberflächentextur wurde besondersauf einen Vergleich inner- und außer-halb der Rollspuren geachtet.

Die Dokumentation der Texturmerkmaleerfolgte durch fotografische Makro-Auf-nahmen mit dem Reprostativ der FirmaLeitz.

Auswertung der Ergebnisse

Die Ergebnisse der durchgeführtenMessungen sind in den graphischenDarstellungen (Bild 6) zusammenge-faßt.

Die Meßweglänge beträgt auf beidenFahrbahnhälften jeweils 400 m. DieGrenze zwischen den Abschnitten 1und 2 (mit/ohne Steinkohlenflugasche)liegt in der Mitte der Erprobungs-strecke. Das Bild 7 zeigt den Übergangvon dem Abschnitt ohne (im Vorder-grund) zu dem Abschnitt mit Steinkoh-lenflugasche. Im Bild 6 sind Zustands-größen der Längsebenheit, die Stan-dardabweichungen der Differenzenzum gleitenden Mittelwert über 3 und10 m sowie die Querunebenheiten, dietheoretische Wassertiefe und die Grif-figkeit dargestellt.

Substanzmerkmale und MakrotexturDie Substanzmerkmale wurden foto-grafisch aufgenommen und gemein-sam mit Übersichtsfotos in einer Foto-dokumentation zusammengestellt.

LängsebenheitBei Betrachtung der Längsebenheit alsIndiz für Beanspruchungsfolgen in derDecke ist zu berücksichtigen, daß sichhierin die planungsbedingten, das heißt,die gewollten Bewegungen der Gra-diente mit den Unebenheiten überla-gern, die sich aus den Einbaubedin-gungen und den Beanspruchungsfol-gen in der Unterlage der Betondecke(Tragschichten und Untergrund) erge-ben.

Dies gilt besonders für den langwelli-gen Bereich. Aber auch für die mittlereWellenlänge von 10 m ist dies noch vonBedeutung.

Eine vergleichende Gegenüberstellungder Untersuchungsabschnitte mit undohne Steinkohlenflugasche wie auchder Teilabschnitte mit Streumittel- undTaumittelbehandlung zeigt nur geringeUnterschiede. Diese können weder aufden Unterschied in der Betonzusam-mensetzung noch auf die unterschiedli-che Winterbehandlung der Oberflä-chen zurückgeführt werden.

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66: Ergebnisse der Zustandserfassung

QuerebenheitBei den dargestellten mittleren Quer-unebenheiten über 100 m handelt essich um die nach dem 2-m-Latte-Prin-zip in den Rollspurbereichen links undrechts ermittelten Größen. Dabei ist alsmaßgeblich jeweils der größere Wertaus den beiden Spurrinnenbereicheneingesetzt. Insbesondere bei Wertenbis zu ca. 2 mm ist zu bedenken, daßnach dem benannten Prinzip nicht al-lein Spurtiefen, sondern auch andereArten von Querunebenheiten erfaßtwerden. So z. B. die Einebnung vonRautiefen, wie sie hier als Besenstrichaufgebracht wurden. Außerdem kön-nen auch temperaturspannungsbe-dingte Verformungen der Betonplatte indie Meßergebnisse eingehen. UnterBerücksichtigung solcher Einflüssesind die Unterschiede zwischen denQuerunebenheiten der verglichenenTeilabschnitte unbedeutend. Soweit dieWerte durch den Abrieb des Besenstri-ches bedingt sind, lassen sie denSchluß zu, daß auch in dieser Hinsichtkein Unterschied zwischen den Beto-neigenschaften mit und ohne Steinkoh-lenflugasche besteht.

GriffigkeitFür die Darstellung der Griffigkeit wur-den die Ergebnisse von der Fahrbahn-hälfte gewählt, die überwiegend mitden beladenen Fahrzeugen befahrenwird, weil sich hier am ehesten ein Un-terschied zwischen den verschiedenenAbschnitten der Erprobungsstreckeeingestellt haben könnte.Die im Bild 6 dargestellten Griffigkeits-werte lassen keinen relevanten Unter-schied zwischen den Abschnitten mitund ohne Steinkohlenflugasche erken-nen. Jedoch ist nicht auszuschließen,daß die höheren Griffigkeiten in den mitStreumittel behandelten Abschnittenauf die mechanische Aufrauhung zu-rückzuführen sind. Bei dieser Schluß-folgerung ist allerdings einschränkend

zu bedenken, daß die Spurkonzentra-tion des Verkehrs und somit die Polier-beanspruchung im Rollspurbereich amBeginn und Ende der Erprobungs-strecke deutlich geringer ist als in denTeilabschnitten, die mit Taumittel be-handelt wurden. Dieser Einfluß überla-gert den Einfluß der Streumittelbe-handlung mit einiger Sicherheit in er-heblichem Maße.Unabhängig von den vorgenanntenEinflüssen liegt das Griffigkeitsniveauder betreffenden Betondecke über demfür Bundesfernstraßen geltenden Ziel-wert (sehr gut bis gut) von SCRIM ≥0,61.

SubstanzmerkmaleIn beiden Abschnitten wurden keineRisse festgestellt, die den Substanz-wert der Betondecke betreffen. Im Ma-kro-Maßstab betrachtet, sind haarfeineRisse sowohl in dem Abschnitt mit alsauch ohne Steinkohlenflugasche zu er-kennen. Hierbei handelt es sich umRisse bis maximal 2 mm Tiefe, wie siesich beim Abbinden in der Feinkorn-schlemme an der Oberfläche bilden.Unter Eckabbrüchen werden Risse ver-standen, welche Plattenecken von derHauptfläche der Platte abtrennen. Inbeiden Vergleichsabschnitten liegenkeine Eckabbrüche vor.

In dem Abschnitt ohne Steinkohlenflug-asche wurden vereinzelte Kantenab-brüche (insgesamt nur 3 Stück) an ver-gossenen Längs- bzw. Querfugen fest-gestellt. Mit hoher Wahrscheinlichkeitsind diese schon beim Fugenschnei-den entstanden oder vorgebildet wor-den. Hierfür spricht die Tatsache, daßdie Schäden schon beim Vergießen derFugen mit Vergußmasse verfüllt wur-den.Somit liegen auch bezüglich der Kan-tenschäden keine Feststellungen vor,die eine vergleichende Bewertung derverschiedenen Abschnitte oder Teilab-schnitte anhand von Beanspruchungs-reaktionen zum jetzigen Zeitpunkt zu-ließen.Auf der gesamten Versuchsstrecke wur-den keine Stufenbildungen an Längs-oder Querfugen festgestellt. An andererStelle wurde bereits darauf hingewie-sen, daß die Betondecke der Kraft-werksausfahrt nicht vollständig höhen-gleich an die Versuchsstrecke ange-schlossen ist. Hier besteht also eineStufe, die beim Vergleich der Versuchs-abschnitte ohne Bedeutung für die Frage von Stufenbildung ist. Im übri-gen sind Stufenbildungen in aller Re-gel weniger den Betoneigenschaftenals der Unterlage des Betons zuzurech-nen.

Beton mit Steinkohlenflugasche

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7: Übergang zwischen denAbschnitten ohne (im Vorder-grund) und mitSteinkohlenflug-asche

8: Oberflächentextur des Abschnittes mit Steinkohlenflugasche 9: Oberflächentextur des Abschnittes ohne Steinkohlenflugasche

MakrotexturAllein hinsichtlich der Makrotextur derBetonoberfläche haben sich aus derbisherigen Nutzung Änderungen ge-genüber dem Neuzustand ergeben.Diese bestehen in einer mehr oderminder ausgeprägten Einebnung derBesenstrichtextur.Die Bilder 8 und 9 zeigen eine exem-plarische Gegenüberstellung der Ober-flächentextur in den Abschnitten mitund ohne Steinkohlenflugasche.Ein eingehender Vergleich der Makro-textur-Merkmale in der Örtlichkeit zeig-te, daß die durch Abrieb entstandeneEinebnung des Besenstrichs in allen 4Teilabschnitten ohne augenscheinlicherkennbare systematische Unterschie-de verläuft.Der anfängliche Besenstrich wie auchdie in den Radspuren erfolgte Eineb-nung weisen innerhalb der einzelnenAbschnitte eine weitgehend gleich-mäßige Bandbreite von Varianten auf.Auch in den Radspuren ist ohne Unter-schied in den verschiedenen Teilab-schnitten noch eine Rauheit vorhan-den, die weitestgehend dem „Sandpa-pier“-Typ zuzuordnen ist. In Verbindungmit einer ausreichenden Mikrorauheitgilt dieser Typ bzgl. der Griffigkeit alsbesonders günstig. Diese Feststellungist durch die Ergebnisse der Griffig-keitsmessungen bestätigt.

In Zusammenhang mit der Textur (Mi-krostruktur) ist von Bedeutung, daßwährend der Zustandserfassung nacheinem Regenschauer ein deutlich ra-scheres Trocknen der Oberfläche inden Teilabschnitten mit Steinkohlen-flugasche beobachtet werden konnte.Dies deutet auf eine geringere Wasser-aufnahme, zumindest der oberen Zoneder Betondecke mit Steinkohlenflug-asche, hin und ist bezüglich der Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit unter Pra-xisbedingungen als günstig zu bewer-ten.

Schlußfolgerungen

Alle durchgeführten Untersuchungenund die dabei getroffenen Feststellun-gen lassen erkennen, daß sich über diebisherige Nutzungsdauer von insge-samt 6 Jahren keine Unterschiede zwischen dem Abschnitt mit und dem Abschnitt ohne Steinkohlenflugascheergeben haben. Damit ist eine nachtei-lige Auswirkung des Teilersatzes vonZement durch Steinkohlenflugasche indem betreffenden Fahrbahndeckenbe-ton weder hinsichtlich des Gebrauchs-noch des Substanzwertes festzustellen.Diese Feststellung gilt ohne Einschrän-kung auch für den Teilabschnitt, in wel-chem auf dem Beton mit Steinkohlen-flugasche Taumittel eingesetzt werden.

Taumitteleinsatz stellt bekanntlich einebesonders starke Beanspruchung fürBeton dar. Da über die Dauer von 6Jahren – teils mit sehr ausgeprägtenWinterbedingungen – selbst in der Makrotextur keinerlei nachteilige Ver-änderungen eingetreten sind, werdenauch in absehbarer Zeit mit hoherWahrscheinlichkeit keine negativenAuswirkungen des vorgenommenenTeilersatzes von Zement durch Stein-kohlenflugasche erwartet. Diese Fest-stellung bestätigt auch für diesen An-wendungsfall die Erfahrungen, die seitJahrzehnten mit Steinkohlenflugascheals Betonzusatzstoff in Beton undStahlbeton nach DIN 1045 gemachtwurden und werden.

Schrifttum1 Eignungsprüfungen. Prüfbericht-Nr. A 1960

vom 22.8.1988, ibac, Aachen2 Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstands an

Betonen für den Straßenbau. Prüfbericht-Nr.2301 vom 14.3.1991, ibac, Aachen

3 Frost-Tausalz-Widerstand von einem Jahr al-ten Straßenbaubetonen. Prüfbericht A 2455vom 12.11.1991, ibac, Aachen

4 Prüfungen an fünf Jahre alten Straßenbaube-tonen. Prüfbericht-Nr. A 2955 vom 22.1.1996,ibac, Aachen

5 Prüfergebnisse begleitender Untersuchun-gen. Abschlußbericht BauMineral GmbH Her-ten, 30.9.1995

6 Koch, H.-J. und Lutze, D.: Fahrbahndeckenaus Beton – Versuchsstrecke mit Steinkohlen-flugasche. Beton 47 (1997) H. 6, S. 319–322

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