Construction and Sealing of Joints in Concrete Pavements – Actual Studies

Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Breitenbücher, M. Sc. A. Fischer, Bochum

In unbewehrten Betonfahrbahndecken, wie sie in Deutschland Standard sind, sind Fugen einschließlich derenAbdichtung unabdingbarer Bestandteil der Konstruktion. Gleichzeitig muss von der Fugenabdichtung eineentsprechende Dauerhaftigkeit erwartet werden, wenngleich diese Abdichtung im Laufe der Nutzungsdauer einerBetonfahrbahndecke im Abstand von etwa 7 bis 10 Jahren mehrfach erneuert werden muss. Die Dauerhaftigkeitder Fugensysteme ist somit ein entscheidendes Element für die Lebenszykluskosten einer Betonfahrbahndecke.In den letzten Jahren wurden vermehrt Schäden an Fugenabdichtungen von Betonfahrbahndecken, insbesonderebei heiß verarbeitbaren Fugenmassen (N2), beobachtet. Diese zeigten sich oftmals innerhalb von ein bis zweiJahren in Form von Ablösungen der Fugenmasse von den Fugenflanken bzw. Reißen des Fugenfüllstoffes selbstund zwar sowohl bei der Fugenabdichtung in Neubaustrecken als auch bei der turnusmäßigen Fugenpflege/-erneuerung in Bestandsstrecken. Nach den derzeitigen Regelwerken werden entsprechende Anforderungenlediglich getrennt an den Fugenfüllstoff und das Voranstrichmittel gestellt bzw. die entsprechenden Nachweiseseparat geführt. Eine Bewertung des Gesamtsystems „Fuge“ mit seinen geschnittenen Betonfugenflanken,dem Voranstrich und dem Fugenfüllstoff erfolgt bislang nicht. Darüber hinaus werden bei den einschlägigenLaborprüfungen nicht alle in Betonfahrbahnen relevanten Beanspruchungen realitätsnah einbezogen. Vordiesem Hintergrund werden derzeit in einem umfangreichen, von der BASt geförderten Forschungsprojekt zumeinen die maßgebenden Ursachen für die derzeitigen Probleme mit Fugenvergusssystemen eruiert, zum anderenunter wissenschaftlichen Ansätzen ein kombiniertes Prüfverfahren entwickelt, mit dem Fugenfüllsystemeganzheitlich unter Berücksichtigung der maßgebenden Einwirkungen überprüft werden können. Dazu werdenzunächst die maßgebenden Beanspruchungen in Fugen (infolge thermischer und hygrischer Verformungen unterBerücksichtigung von Fugenspaltbreiten, -abständen usw. sowie unter Verkehrsbeanspruchungen) quantifiziert. Kernpunkt sind zum einen die reale Abbildung von diesen in einer kombinierten Zug-/Scherprüfung sowohl unterstatischen als auch unter dynamischen Randbedingungen. Zum anderen stehen rheologische Untersuchungenan bitumenhaltigen Fugenmassen zu deren Charakterisierung im Fokus. Durch eine solche ganzheitlicheBewertung soll es ermöglicht werden, Fugen in Zukunft wesentlich dauerhafter zu planen und auszuführenund damit die Betonbauweise für Fahrbahndecken insgesamt wieder robuster und wirtschaftlicher zu gestalten.

In plain concrete pavements, as they are mostly executed in Germany, joints and their sealing as well are partof the construction itself. For this purpose also from the sealant an adequate durability is expected, althoughthis element is renewed within the lifetime of a pavement a few times, mostly after about 7 to 10 years. Thusthe durability of the joint system is a decisive element for the life cycle costs of concrete pavements. In the lastfew years increasing numbers of damages in joint sealing of concrete pavements have been observed, especiallyin case of hot poured materials (N2). This mainly became obvious by debonding of the sealing material fromthe joint edges and/or breaking within the sealant already one to two years after application. This appeared innew pavements as well as in case of renewal the joint sealants. According to the actual specifications relevantrequirements are demanded only for the sealant and the adhesion layer separately. The complete system“joint” at present is not yet evaluated. Furthermore, not all relevant loads are considered in a realistic mannerin the current tests. So considering this background within a comprehensive research project, funded by theBASt, the most important causes for the actual problems for joint-sealing-systems are studied. Besides this,also a combined test-procedure should be developed to check various joint-sealing-systems under the mostrelevant loads (thermal and hygral deformations, considering joint spaces/joint dimensions as well as trafficloads). Central point in this procedure is a combined tensile-shear test under static as well as under dynamicconditions. Additionally, the bituminous sealing materials will be characterized by rheological parameters. Bysuch an integrated evaluation it should be enabled in future to design and execute joint sealings much moredurable and to improve the construction of concrete pavements.

Introducing performance requirements into the mechanistic design of bituminous pavements

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. R. Blab, Dipl.-Ing. Dr. L. Eberhardsteiner, A-Wien

Die Dimensionierung von Straßen in Österreich basiert derzeit auf einem Bemessungskatalog mit Oberbaustandards,der zehn Lastklassen und fünf Bautypen in Asphaltbauweise unterscheidet. Die Lastklasse wird durchverkehrsrelevante Parameter wie die jährlich durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke der Fahrzeugkategoriei (JDTVi) oder die jährlich durchschnittliche tägliche Lastverkehrsstärke (JDTLV) bestimmt. Bei dieser Methodekönnen allerdings weder wesentliche (gebrauchsverhaltensorientierte) Performance-Eigenschaften nochdetaillierte Informationen zur Verkehrsbelastung (z. B. Achslast oder Gesamtgewicht) berücksichtigt werden.Um diese Einschränkungen aufzuheben, wurde eine verbesserte rechnerische Dimensionierungsmethode fürAsphaltstraßen in Österreich entwickelt. Dabei werden Bemessungsstufen für die wichtigen EingangsgrößenVerkehrsbelastung sowie Steifigkeitsverhalten und Ermüdungsbeständigkeit des eingesetzten Asphaltes aufGrundlage von Performance-Anforderungen eingeführt, die den Detailierungsgrad dieser Daten berücksichtigen.Dieser Ansatz gewährleistet, dass nötige Bemessungsreserven bei steigendem Versuchsaufwand zur Parameteridentifikationsinken. Dadurch wird eine moderne, gebrauchsverhaltensorientierte und somit wirtschaftliche Dimensionierung von Asphaltstraßen ermöglicht.

Pavement design in Austria is currently based on a design catalogue consisting of standard constructionsdistinguishing ten load classes and five asphalt pavement types. Thereby, traffic-related parameters likethe average annual truck traffic (AATT) determine the load class. However, this approach neither allows theconsideration of essential performance-based material properties, nor detailed information regarding the trafficload (e. g. axle load or vehicle gross weight). To eliminate these limitations, a mechanistic design method forbituminous pavements was developed, which introduces design levels for the important input parameterstraffic load as well as the stiffness and fatigue behaviour of the applied asphalt type taking the level of detailof these variables into account. This approach ensures that necessary design reserves decrease with increasingexperimental effort for parameter identification. Thus, this method allows for a modern, performance-relatedand, hence, economic design of bituminous pavements.Performance-Anforderungen bei der Rechnerischen Dimensionierung von Asphaltstraßen

Water balance of an earth fill built of organic clay with geogenically increased concentrations of arsenic

Dr.-Ing. E. Birle, Dr.-Ing. D. Heyer, München

Im Rahmen der Planungen zu einer Erweiterung des Flughafens München wurden umfangreiche Untersuchungenan den im Planungsgebiet anstehenden Oberböden, welche geogen-bedingt eine erhöhte Konzentration anArsen aufweisen, durchgeführt. Mit dem Ziel, diese Böden umfänglich weiterzuverwenden, ohne dass Bodenund Grundwasser durch einen Austrag von Arsen beeinträchtigt werden, wurden Untersuchungen zur bautechnischenVerwendbarkeit in landschaftsgestalterischen Erdbauwerken unter Berücksichtigung vontechnischen Sicherungsmaßnahmen durchgeführt. Zur Überprüfung der Durchsickerung von Erdbauwerken,die aus diesen organogenen Tonen errichtet werden, wurde eine Versuchsschüttung mit den Abmessungen30 m Länge, 25 m Breite und 5 m Höhe errichtet. Da die organogenen Tone im verdichteten Zustand bereitseine sehr geringe Durchlässigkeit aufweisen, wurde das Bauwerk in Anlehnung an die im Merkblatt überBauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau (M TS E) enthaltene Bauweise E ausgeführt. Dadie hydraulischen Eigenschaften der organogenen Tone maßgeblich vom Einbauzustand (Wassergehalt undDichte) beeinflusst werden, wurde die Versuchsschüttung in zwei Bereiche unterteilt, in denen der verwendeteBoden mit unterschiedlichem Wassergehalt eingebaut wurde. Zur Ermittlung der Sickerwassermengen und desWasserhaushaltes wurde die Versuchsschüttung messtechnisch umfangreich ausgestattet. Die Messergebnissezeigen für beide Einbaubedingungen sehr geringe Sickerwassermengen im Bereich von weniger als 20 mm/a.

In the context of planning for an extension of the Munich Airport, extensive laboratory and field tests wereconducted to investigate the use of organic top soils for earth structures. In the area of the “Erdinger Moos”,where the Munich Airport is located, the top soil consists of clays with organic content. For a resource-efficientuse of materials excavated organic top soils should be used as building material for noise and view protectionembankments. As the soils contain geogenically elevated concentrations of arsenic, technical safeguards mustbe considered in the design of such earth structures. The paper presents investigations on the water balanceof an earth fill built of such organic clays. The test fill is 5 m high, 30 m long and 25 m wide and was builtaccording to method E described by the recommendation M TS E. The fill consists of the organic clay compactedat water contents wet and dry of Proctor Optimum covered by a drainage mat and a 60 cm thick top layer. Forthe determination of the water balance extensive measuring systems were installed. So far small seepages atthe bottom less than 20 mm/a were measured.Durchsickerung von Erdbauwerken