Paver Compacted Concrete - PCC Whitetopping - TWT / UTW II. Betonstraßen Symposium 2007, Budapest Budapest, 24. April 2007 Siegfried Riffel Projektmanager

Paver Compacted Concrete - PCC

Whitetopping - TWT / UTW

II. Betonstraßen Symposium 2007, Budapest

Budapest, 24. April 2007

Siegfried Riffel Projektmanager InfrastrukturEntwicklung & Anwendung

Slide 2 - 24.04.2007PCC – TWT/UTW – Siegfried Riffel

Paver Compacted Concrete

„Kompaktbeton“- PCC -


Paver Compacted Concrete - Kompaktbeton

Inhalt

Was ist PCC / Kompaktbeton?

Einsatzgebiete

Bautechnische Anforderungen / Wirtschaftlichkeit

Betontechnologie

PCC-Versuche

Hockenheim Ring (2002)

Kläranlage Wiesloch (2003)

Zellstoffwerk Arneburg (2003)

Zusammenfassung


Paver Compacted Concrete (PCC) / Kompaktbeton

Was ist PCC / Kompaktbeton? hydraulisches Baustoffgemisch (Beton, C1), mit konventionellen Straßenfertigern + Beton-Hochverdichtungsbohle (HVB) eingebaut Beton wird mit HVB mit stampfenden (Tamper), vibrierenden (Vibrationsplatte) und pressenden (Pressleisten) Verdichtungs- aggregaten hochverdichtet fertiger Belag hinter der Bohle, da keine Nachverdichtung durch Walzen, wie z.B. beim Einbau von Walzbeton (RCC) üblich einlagig oder zweilagig (frisch in frisch) geeignet als Tragschicht oder Tragdeckschicht günstige Einbaudicke, je Schicht 15 - 20 cm PCC-Beton 0/16, gemäß Erstprüfung auf das Einbaugerät abgestimmt

Gesteinskörnungen > 8 mm ausschließlich gebrochenes Korn C90/1

je nach Betonzusammensetzung und Verwendungszweck Beton der Festigkeitsklasse C20/25 bis C35/45


Fertiger / Beton-Hochverdichtungsbohle

1 2 3 + 4

1 Tamper2 Vibrationsplatte3 + 4 Pressleisten



Einsatzgebiete Unterbeton für zweischichtige Bauweise für Straßen und Verkehrs-

flächen gemäß RStO Bauklasse SV, I - VI Industrie- und Militärstraßen Busspuren, Haltebuchten Landwirtschafts- und Forstwege Rad- und Gehwege Ampel- und Kreuzungsbereiche Hof-, Park- und Abstellplätze Flugbetriebsflächen Ausstellungsflächen Industrieböden

Industrie-, Abstellfläche



Bautechnische Anforderungen w/z-Wert, Einbaukonsistenz, Mehlkorn- und Mörtelgehalt konstant Abweichung Wassergehalt gegenüber dem EP-Sollwert

max. ± 0,5 Gew.-% sofort nach Herstellung mind. 3 Tage nachbehandeln

(Wasser, Curing-Mittel, Folie, Geotextil etc.) Unterlage vor PCC-Einbau anfeuchten

Einflüsse größere Konsistenzschwankungen (zu trocken / zu nass) beeinträch-

tigen Qualität negativ Ebenheit, Deckenschluss, Grünstandfestigkeit, Festbetonqualität (z.B. Verdichtungsgrad, Festigkeit)

Kosten wesentlich günstiger als konventioneller Straßenbeton und Walzbeton ca. 7 - 15 €/m2 (ohne Fugen bzw. Kerben), je nach Betonfestigkeits-

klasse, Einbaudicke und Fertigungsbreite


Typische Zusammensetzung des PCC

Betonfestigkeitsklasse C30/37 - XF4, XM1 (XM2)

Gesteinskörnung (Sieblinie A/B 16)

0/2 (0/4)2/8 (4/8) 8/16 (gebrochene GK)

38 - 35 M.-%28 - 32 M.-%35 - 40 M.-%

Zement CEM I 32,5 R 270 - 330 kg/m3

Zusatzstoff Steinkohlenflugasche (SFA) 30 - 60 kg/m3

Zusatzmittel Luftporenbildner (LP) 0,4 - 0,6 % v.Z.

Wasser (Frischwasser)

125 - 135 kg/m3

w/b-Wert 0,38 - 0,42

Mehlkorn + Feinstsand ≤ 0,25 mm ≤ 450 kg/m3

Mörtelgehalt 480 - 520 l/m3

Einbaukonsistenz

geringfügig über wopt.

Luftporengehalt 4,5 - 5,0 Vol.-%

Druckfestigkeit ƒck,cube ≥ 4,5 N/mm2

Biegezugfestigkeit ƒct,(BZ) ≥ 37 N/mm2


BV Hockenheim-Ring Zusammensetzung des PCC

Betonfestigkeitsklasse C30/37 – XF4, XM2

Gesteinskörnung

(Sieblinie A/B 16)

Natursand 0/2 33 M.-%

Kiessand 2/8 30 M.-%

Moräne-ESP 8/16 37 M.-%

623 kg/m3

561 kg/m3

705 kg/m3

Zement CEM I 32,5 R 300 kg/m3

Zusatzstoff Steinkohlenflugasche 30 kg/m3

Wasser (Frischwasser) 127 kg/m3

w/b-Wert 0,41

Mehlkorn + Feinstsand ≤ 0,25 mm 417 kg/m3

Mörtelgehalt 509 l/m3

Zusatzmittel Luftporenbildner (LP) 0,6 % v.Z.

Frischbetonrohdichte 2346 kg/m3


BV Hockenheim-Ring Prüfergebnisse des PCC

Einbauwassergehalt geringfügig über wopt. 5,3 M.-%

Einbaukonsistenz Verdichtungsmaß v 1,44 (C1)

Luftporengehalt 3,2 Vol.-%

Festbetonrohdichte 2,32 kg/dm3

Druckfestigkeit (BK) ƒcm,,cyl. 51 N/mm2

Spaltzugfestigkeit (BK) ƒct,,cyl. 3,6 N/mm2

Haftzugfestigkeit ƒct,(HZ) 3,6 N/mm2

Frost-Taumittel-Widerstand CDF-Test 59 g/m2

Proctorversuch (einfache Proctordichte)

DPr

d

wopt.

100 %2,30 g/cm3

5,3 M.-%

Ballonverfahren (Densitometer)Troxler-Sonde (Radiometrie) Schichttiefe: 0 - 5 cm

5 - 10 cm 10 - 15 cm

98 - 100 %99,1 %98,6 %97,1 %


BV Hockenheim-Ring

PCC-Einbau mit Straßenfertiger+HVB

PCC im Schneckenverteiler


BV Hockenheim-Ring

Fertige, unbearbeitete PCC-Oberfläche

mit 87°-Kante


BV Hockenheim-Ring

Schneiden der Scheinfugen Abstand: 5 m Breite: 8 mm Tiefe: 25 % der Plattendicke

Fugenschnitt mit Soff-Cut


BV Hockenheim-Ring

Überbauung des PCC mit OPC (Dränbeton)


BV Kläranlage Wiesloch

Einbau der 2. PCC-Bahn

PCC-Einbau „Bahn an Bahn, frisch in frisch“



Nachverdichtung der „Naht“

Oberflächenfinish mit dem Rotorglätter



Fertige PCC-Fläche in Betrieb

Geschnittene Scheinfuge / Fugenkreuz


BV Zellstoffwerk Arneburg

PCC-Einbau, 70.000 m2 , 26 cm dick

PCC-Einbau auf ungebundener Tragschicht



PCC-Einbau an Bordstein (stehende Schalung)

PCC-Einbau mit Gleitschalung



Herstellung der Besenstrichtextur



Zusammenfassung mit geringem Geräte- und Personalaufwand hohe Qualität erreichbar

hohe Einbauleistung mit Straßenfertiger (60 - 120 m/h)

direkt hinter der HV-Bohle Verdichtungsgrad 96 % (modifiziert DPr.),

d.h. keine zusätzliche Verdichtung durch Walzen erforderlich

sehr gute Ebenheit (Längs- und Querrichtung)

sehr gute Grünstandfestigkeit (90°-Kante)

hoher Verschleißwiderstand

hoher Frostwiderstand; mit LP hoher Frost-Tausalz-Widerstand

Herstellung der Kerben bzw. Fugen bereits im frischen Zustand möglich

Fugenabstand max. 25fache Deckendicke

Oberflächenbearbeitung mit Rotorglätter möglich

einfach, rationell, wirtschaftlich


Whitetopping- TWT / UTW -


Whitetopping

Inhalt

Historie / Entwicklung / Anwendung

Whitetopping USA, Kanada, Europa

Bauweise / Betontechnologie

Whitetopping-Versuch

Zementwerk Wetzlar, März 2004

Union Beton Rosenheim, Oktober 2006

Zusammenfassung / Ausblick


Historie / Entwicklung / Anwendung USA: seit den 90er Jahren wird UTW sehr erfolgreich gebaut

z.B. in Iowa bis heute über 650 km auf high- und county-roads, in Nordamerika über 200 UTW-Projekte).

Kanada: 1995 erste Versuchsfläche im Stauraum einer Kreuzung. Frankreich und Schweden: ab Mitte der 90er-Jahre sehr erfolgreich mit

ersten Test- und Versuchsstrecken. Österreich: 1997 erste UTW-Teststrecke. 2005 weitere Tests. Belgien: erste Whitetopping-Versuchsstrecke Ende 1999. Bis

heute weitere Teststrecken erfolgreich realisiert. Schweiz und Deutschland: 2004 erste Testflächen.


Whitetopping

Was ist Whitetopping? dünne Betondecke auf einem Asphaltbelag

- dünn (TWT): Dicke 100 bis 200 mm, i.d.R. mit Verbund zum Asphalt

- ultra-dünn (UTW): Dicke 50 bis 100 mm, zwingender Verbund zum Asphalt erforderlich

fräsen des schadhaften Asphalts (2 - 10 cm); Restasphaltdicke 75 mmoder

Verformungen mit Asphaltschicht (2 - 4 cm) ausgleichen

Einbau als „inlay“ oder „overlay“

charakteristische Merkmale für Whitetopping:

guter Verbund zwischen Asphalt und Beton (ggf. Haftbrücke)

kurze Fugenabstände

kleine Platten / Felder, quadratisch oder rechteckig (L / B max. 1,5)


Whitetopping-Bauweise

Was ist Whitetopping?

stark deformierte Asphaltbefestigung (Spurrinnen, Verdrückungen, Waschbretter)

Fräsen: 2 - 10 cm

Whitetopping TWT (dünn): 10 - 20 cmUTW (ultra-dünn): 5 - 10 cm

Asphaltausgleichschicht: 2 - 4 cm


Historie / Entwicklung / Anwendung

Instandsetzungs- und Erhaltungsbedarf (kommunale und private Straßen und Verkehrsflächen) nimmt weiter stark zu. Grund: steigende Verkehrsbelastungen und leere Kassen.

Hohe Verkehrsbelastungen an neuralgischen Punkten (außerorts- und innerstädtische Straßen) erfordern schnelle und dauerhafte Bauweisen.

Erstes Whitetopping-Pilotprojekt in Deutschland im März 2004 Werksgelände im HC-Zementwerk Wetzlar.

„Neue Bauweise“ mit positiver Resonanz bei Kommunen und Bauindustrie.

Whitetopping künftig als „Problemlöser“ in vielen Bereichen im öffentlichen und privaten Straßenbau. Ampel- und Kreuzungsbereiche Busspuren Park- und Abstellplätze abgängige Verkehrsflächenbefestigungen deformierte und unterdimensionierte Straßen


Problem: zunehmende thermisch und hygrisch bedingte Fahrbahnschäden in Asphaltdecken

Quelle: Fraunhofer Institut Bauphysik

Spurrinnen

Risse Spurrinnen / Risse / Frostaufbrüche



Beton

Betonzusatzmittel: z.B. FM, BV, LP, Schwindreduzierer etc.

Fasern: z.B. Polyvinylalkohol (PVA), Polypropylen (PP), Stahl (SF), Edelstahl (ESF), Carbon, Glas etc.

Nachbehandlung

unmittelbar nach Einbau mit wirksamen Curing-Mittel

Ggf. zusätzlich feucht halten mit geeigneten Abdeckungen

Betonherstellung / Transport

Herstellung in stationären oder mobilen Mischanlagen.

Transport im Fahrmischer oder auf offener LKW-Pritsche

Einbau

manuell mit Rüttel- oder Walzbohle

maschinell mit Fertiger (GL-Fertiger oder Straßenfertiger mit HVB)



Verbund zwischen Asphalt und Beton zwingend erforderlich

ggf. mit Haftbrücke. Einbau „frisch in frisch“

„Nassreinigung“ der Asphaltoberfläche

Fugen / Kerben

rechtzeitig schneiden

Schnitttiefe: SF und RF, min. 25% - max. 30% Deckendicke

PF (Trennfuge) ≥ 6 mm

Fugenabstand und -breite auf Einbaudicke anpassen

Standard-UTW: amax 12 - 15fache Deckendicke, bmin ≥ 3 mm

schwindarmer + fasermodifizierter-UTW: 18 - 22fache Deckendicke

Fugen i.d.R. geschlossen (Fugenmassen, Fugenprofile)

Felder / Platten möglichst quadratisch: Verhältnis L / B max. 1,5



Dübel /Anker

i.d.R. keine Verdübelung / Verankerung

Verkehrsfreigabe

Druckfestigkeit ƒc,cube ≥ 26 N/mm2

Biegezugfestigkeit ƒfk ≥ 3,5 N/mm2 (F3,5)

Spaltzugfestigkeit ƒsk ≥ 2,4 N/mm2 (SC2,4)

Verbundfestigkeit ƒv ≥ 1,0 N/mm2


Bauweise / Betontechnologie Beispiel: Betonzusammensetzung für UTW (d = 100 mm)

Betonfestigkeitsklasse C30/37 - XF4, XM2

Gesteinskörnung 0/16 mm ca. 1700 kg/m3

Zement CEM I 42,5 R

(ggf. Z+SFA)

ca. 420 kg/m3

(350+70 kg/m3)

w/z-Wert 0,35 – 0,38

Zusatzmittel LP / Luftporen

FM / BV

≥ 4,0 Vol.-%

nach Bedarf

Fasern

oder:

alternativ:

Polypropylen (PP)

Stahl (SF) ggf. Fasercocktail

Polyvinylalkohol (PVA) ggf. Fasercocktail

Edelstahl, Carbon, Glas, u.a.

1 kg/m3

35 kg/m3

7,5 kg/m3


Whitetopping ZW Wetzlar Betonzusammensetzung: UTW (Ultra Thin Whitetopping)

Betonfestigkeitsklasse C30/37 - XF4, XM2

Zement CEM I 42,5 R 420 kg/m3

Gesteinskörnung Sand 0/2 mmGabbro-ESP 2/8 mmGabbro-ESP 8/16 mm

35 %15 %50 %

602 kg/m3

256 kg/m3

996 kg/m3

Wasser 160 kg/m3

w/z-Wert 0,38

Konsistenz F3 420 - 480 mm

Mehlkorn (0,125/0,25) 427 / 511 kg/m3

Zusatzmittel FM (PCE)LP

0,75 % v.Z.0,20 % v.Z.

3,15 kg/m3

0,84 kg/m3

Fasern Polypropylen (12 mm)Edelstahl (30 mm)

1 kg/m3

7,5 / 15 / 30 kg/m3

Druckfestigkeit 1 / 2 / 28 d 40 / 52 / 91 N/mm2

Biegezugfestigkeit 2 / 28 d 4,7 / 8,3 N/mm2


Whitetopping ZW Wetzlar – Betoneinbau (März 2004)

Fertigstellung der Oberfläche mit Rotorglätter und Besenstrich

TWT-Betoneinbau im Versuchsfeld 2


Whitetopping ZW Wetzlar – Qualitätskontrolle (März 2004)

Fugenabstand: 18 bis 22fache Plattendicke

Bohrkern aus UTW-Versuchsfeld

Fugenbild im Versuchsfeld 6


Whitetopping-Teststrecke, Rosenheim (Okt. 2006)


Whitetopping – die innovative Bauweise der Zukunft !!!

Zukunft = Whitetopping mit photokatalytischer Wirkung

d.h. die Lösung von zwei Problemen in einer Aktion!

1. Nachhaltige Beseitigung von Spurrinnen und Verformungen an stark belasteten innerstädtischen Verkehrsflächen

und gleichzeitig

2. Nachhaltige und deutliche Reduzierung von Luftschadstoffen (z.B. NOX, SOX, NH3, CO, Benzol, Toluol, organische Chloride, Aldehyde und polykondensierte aromatische Stoffe, PM10)

Photokatalytische Betone stellen einen neuen Weg dar, um die Luftschadstoffe in unseren zunehmend belasteten städtischen Lebensräumen zu minimieren!

In 2007 ist in Deutschland ein erstes Pilotprojekt geplant!


Funktionsweise der TiO2-Photokatalyse „Zement + TiO2“

Was ist „Photokatalyse“? Photokatalyse natürlicher Prozess, bei

dem ein Katalysator die Geschwin- digkeit einer chemischen Reaktionen durch Lichteinwirkung erhöht

Auf der Oberfläche des Katalysators bilden sich unter Einwirkung von Lichtenergie stark reaktive Substanzen (Radikale), die in der Lage sind mit organischen und anorganischen Substanzen zu reagieren und diese durch Oxidation zu zersetzen

Die photokatalytische Oxidation der Stickoxide ist eine Kontaktreaktion die durch Licht angeregt wird und daher nur an der Oberfläche abläuft

Photokatalytische Aktivitäten werden seit über 10 Jahren im Bereich Glas, Keramik und Zement für den „Selbstreinigungseffekt“ genutzt

Photoaktive Mörtel / Betone reduzieren bzw. beseitigen nachhaltig giftige Substanzen wie z.B. Luftschadstoffe


UV-Licht mit einer Wellenlänge von 300 - 400 nm kann 0.01 ppm bis 10 ppm NOx wirksam zersetzen !!!

1. Der Katalysator (Titandioxid) wird mit UV-Licht bestrahlt

2. In der fotokatalytischen Reaktion wird der Sauerstoff in der umgebenden Luft aktiviert

3. Verbindung des Sauerstoffs mit den Stickoxiden, so dass Nitritionen gebildet werden

NO (Stickstoffmonoxid) wird auf der Oberfläche mittels O2 und TiO2 zu NO2 (Stickstoffdioxid) oxidiert

Bauteiloberfläche eines Betons mit

TiO2 als Katalysator

Ca++

Funktionsweise der TiO2- Fotokatalyse


Funktionsweise der TiO2- Fotokatalyse

4. Reaktion (Neutralisation) der Nitritionen mit Kalk (Ca) im Zement zu Nitrat (NO3)

NO2 wird oxidiert und verbleibt in der Matrix als Nitrat (NO3)

5. Auswaschen der Nitrate durch Regenwasser

BauteiloberflächeCa++

Ca++

UV-Licht mit einer Wellenlänge von 300 - 400 nm kann 0.01 ppm bis 10 ppm NOx wirksam zersetzen!

Ca++


Bestimmung der photokatalytischen Aktivität - Labortest

UV-Intensität = 900 µW/cm² ; Luftdurchfluss = 1 l/min ; NO-start = 1 ppm

NO-Reduktion


NO-Reduktion mit HTC-Testapparatur

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Minuten

pp

m N

O

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

°C

NO

Temperatur

UV-Intensität = 900 µW/cm² ; Luftdurchfluss = 1 l/min ; NO-start = 1 ppm


NO-Reduktion mit HTC-Testapparatur

Probe: UTW mit TX-Aria

Lichtintensität: 900 µW/cm2 9 W/m2

Luftstrom: 1 l/min 1,2929 g/min

Fläche: 256 cm2 0,0256 m2

NO start: 0,92 ppm

NO licht: 0,54 ppm 59,5 %

NO ende: 0,90 ppm

NO red.: - 0,37 ppm - 40,5 %

Reduktion: - 0,48 µg/min

Bemerkung: Es handelt sich hierbei um Berechnungen, basierend auf Labormesswerten, die nur für den hierbei gewählten Testaufbau zählen. Eine Übertragbarkeit auf die Praxis ist noch nicht nachgewiesen.

- 18,60 µg/m2 min

- 1,12 mg/m2 h

- 0,04 mmol/m2 h

- 13,39 mg/m2 12h 1)

- 0,45 mmol/m2 12h1) entspricht Reduktion an einem Sommertag in Mitteleuropa


Erste photokatalytische Test-Verkehrsfläche in Italien

Segrate bei Mailand

Quelle: Italcementi


Experimental test in Segrate

Pavimentazione con TX Millennium ECO - Analizzatore 188

15:19 15:29 15:39 15:49 15:59 16:09NO

x [pp

b]0

100

200

300

400

500

600

700

800Asfalto - Analizzatore 188

16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30

NOx [

ppb]

0

100

200

300

400

500

600

700

800TX MillenniumAsphalt

about 5000 m2 of area; LUX : 100.000; Wind speed : 0,7 m/sec; about 1200 cars/hr

Asphalt TX Millennium %-Variation

Integral mean (ppb) 128.5 54.8 57

Quelle: Italcementi


LUX

20000 40000 60000 80000 100000 120000

Ab

batt

imen

to N

O X [%

]

0

20

40

60

80

100

NOx abatement vs. Lux

Data refer to the experimental test carried out in Segrate (about 5000 m2)

14.11.2002

16.09.200329.07.2003

NO

x a

bat

emen

t (%

)

Quelle: Italcementi


Vorteile / Mehrwert der TiO2- Photokatalyse

Photokatalytische Reaktion findet permanent und dauerhaft statt, d.h. sie ist beliebig oft wiederholbar

Photokatalyse läuft bei normalen Bedingungen ab (Normaltemperatur, Atmosphärendruck)

Keine Abnutzung oder Materialverbrauch

Keine chemische Zusatzstoffe

Ausgewaschene Nitratmenge ist sehr gering

Titandioxid (TiO2) ist nicht toxisch. Verwendung in Hygieneprodukten/Lebensmitteln (z.B. Zahnpasta, Sonnencreme, Kaugummi u.a.)

TiO2 kann eine Vielzahl organischer Schadstoffe zersetzen z.B. NOX, SOX, NH3, CO, Benzol, Toluol, org. Chloride, Aldehyde und polykondensierte aromatische Stoffe (VOC), Feinstaub (PM10)

In belasteten (städtischen) Lebensräumen können die Luftschadstoffe deutlich reduziert werden !!!


Zusammenfassung / Ausblick TWT, UTW ist eine rationelle, wirtschaftliche und dauerhafte

Bauweise zur Ertüchtigung bzw. zur Verstärkung von abgängigen Asphaltstraßen

Durch steigende Verkehrsbelastungen wird der Instandsetzungs- und Erhaltungsbedarf für Straßen und Verkehrsflächen weiter zunehmen

Deformierte und unterdimensionierte Verkehrsflächen aus Asphalt können mit einer dünnen UTW- bzw. TWT-Schicht nachhaltig überbaut werden (z.B. Straßen mit Spurrinnen, Waschbrettern und Verdrückungen an Ampel- und Kreuzungsbereichen, Busspuren, Park- und Industrie-flächen etc.)

An neuralgischen Punkten der außerorts und innerstädtischen Straßen sind künftig schnelle, dauerhafte und wirtschaftliche Bauweisen erforderlich

Die Whitetopping-Bauweise kann in vielen Bereichen im Straßenbau ein echter „Problemlöser“ sein

Zukunft = Whitetopping mit photokatalytischer Wirkung (TiO2)

for better building

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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