VERDICHTUNGSQUALITÄT

Test zur flächendeckenden Verdichtungskontrolle

Bislang wurde die Verdichtungsqualität einer Straßenbefestigung in Asphaltbauweise durch Bohrkernentnahmen stichprobenartig überprüft. Die Schwankungen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Walzens waren so nicht ausreichend zu erkennen. Dabei sind inzwischen elektronische Aufzeichnungssysteme auf dem Markt.

Doch kann damit eine gleichmäßige homogene Verdichtung über die gesamte Fläche nachgewiesen werden? Diese Frage sollte ein Walzentest beantworten. Vier führende Walzenhersteller wollten es wissen und schickten ihre Straßenbaugeräte ins Rennen. Auch Caterpillar und sein Vertriebs- und Servicepartner Zeppelin stellten sich einem großen Walzentest, begleitet von der Uni Siegen, Fakultät IV, Department Bauingenieurwesen, vertreten durch das Institut für Straßenwesen.

5 km lange Versuchsstrecke

Den Anstoß hatten dazu die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) und der Arbeitskreis 7.4.1. FDVK A, sprich flächendeckende Verdichtungskontrolle Asphalt, sowie die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) gegeben. Der Landesbetrieb Mobilität (LBM) Rheinland- Pfalz hatte die rund fünf Kilometer lange Versuchsstrecke auf der B10 bei Pirmasens zur Verfügung gestellt. Auch wurde die Ausschreibung für die Maßnahme speziell auf das Forschungsprojekt zugeschnitten.

Drei Cat Walzen vom Typ CD 54B sollten auf einem ein Kilometer langen Abschnitt beweisen, wie gleichmäßig mit ihnen eine homogene Verdichtung auf der B10 nahe Pirmasens zwischen der Anschlussstelle Waldfriedhof und der Ausfahrt Münchweiler mithilfe elektronischer Aufzeichnungssysteme gelingt und wie genau die grafische Auswertung der flächendeckenden Verdichtungskontrolle erfolgt.

Das Ziel des Forschungsvorhabens: die Qualität im Straßenbau zu erhöhen und so eine höhere Nutzungsdauer des eingebauten Asphaltmischguts zu erreichen. Bislang treten bei nicht verdichteten Asphaltschichten nach kurzer Zeit Spurrinnen oder Setzungen im Asphalt auf, obwohl in Deutschland ein hohes Know-how im Straßenbau vorliegt. Entsprechend hohe Ansprüche hat die Nation der Autofahrer selbst an den Bau von Fahrbahnen, insbesondere an die Deckschichten, die ebenmäßig, verschleißarm, resistent gegen Verformungen, leise und besonders griffig sein sollen.

„Für uns stellt der Test eine gute Möglichkeit dar, zu zeigen, was Cat Straßenbau- Walzen können und wie sie die am Markt geforderte Verdichtungsleistung liefern können. Was Cat Geräte in der Erdbewegung leisten, ist rund um den Globus bekannt. Wir scheuen keinen Vergleich mit anderen Anbietern und wollen im Straßenbau eine klare Position beziehen“, erklärt Staale Hansen, der bei Zeppelin das Produktmanagement für Straßenbaugeräte leitet.

Umfangreiches Testprogramm

Jeder Walzenhersteller musste bei dem wissenschaftlich begleiteten Test zwei Mal antreten: Zuerst ging es darum, auf der 7,50 m breiten Fahrbahn auf einer Länge von einem Kilometer eine acht Zentimeter dicke Asphaltbinderschicht zu verdichten. Dann wurde darauf in einem zweiten Arbeitsgang mit dem Fertiger eine Schicht aus Splittmastixasphalt eingebaut und auf eine Dicke von vier Zentimetern endverdichtet. 1 500 t Asphalt für die Binderschicht und 750 t Asphalt für die Deckschicht hatte die Unternehmensgruppe Juchem täglich in ihrem Asphaltmischwerk Landau, direkt an der B10, knapp 30 Kilometer vom Einbauort entfernt, produziert und geliefert. Die Juchem-Unternehmensgruppe hatte bis zu 24 Sattelzüge im Einsatz.

Walzschema einhalten

Eine klare Vorgabe lautete: Erarbeitung und Einhaltung eines Walzschemas. Der Fertiger gab das Tempo vor: Beim Einbau der Binderschicht betrug es 2,5 m pro Minute – bei der Deckschicht lag es bei 3,5 Meter pro Minute. „Wichtig ist ein disziplinierter Bediener am Fertiger, der für konstante Geschwindigkeit sorgt und darauf achtet, dass der Fertiger nicht stehen bleibt oder zu schnell voranschreitet, weil er denkt, die Lkw-Kolonne mit dem heißen Asphalt wartet zu lange“, so Dr. Hermann Heppenheimer.

Doch nicht nur die Geschwindigkeit des Fertigers ist entscheidend, sondern auch die der Walzen. Die Fahrer sollen das erarbeitete Walzschema aus Walzgeschwindigkeit, Walzbahnlänge sowie der Reihenfolge und Anzahl der Übergänge einhalten. Um einheitliche Referenzwerte zu erhalten, auf den die übrigen Walzeneinsätze bezogen werden können, führte das Unternehmen den ersten Bau-Kilometer mit seinen eigenen Straßenbaugeräten aus.

Die Fahrer wurden angehalten, so zu fahren, wie sie es sonst auch tun. Bevor sie in der Cat Walze CD 54B Platz nahmen, erhielten sie eine Einweisung von Uli Schmelzeisen, Zeppelin Produktmanager für Straßenbaugeräte, und Ronald Utterodt, bei Caterpillar Spezialist für das Segment Straßenbau. Zeppelin und Caterpillar stellten drei Walzen vom Typ CD 54B sowie das geforderte Ersatzgerät zur Verfügung. Installiert war die Verdichtungsmesstechnik der Anbieter Trimble und Völkel Microelektronik. Darüber sollten die Fahrer erkennen, wohin sie ihre Walze steuern mussten, um eine flächendeckend gleichmäßige Verdichtung zu erzielen. Die Praxis zeigt leider immer wieder, dass kleine Bereiche bei der Verdichtung übersehen werden, andere Bereiche zu viel verdichtet werden und nicht immer eine vollständige flächendeckende Verdichtung erfolgt, so wie es eigentlich der Maßstab sein sollte. Dabei kann die Tagesform und Motivation der Walzenfahrer entscheidend sein, wie konsequent und gut das gelingt.

Elektronische Hilfestellung

„Die Walzarbeit ist sehr ermüdend. Irgendwann lässt die Konzentration nach. Deswegen sollen elektronische Systeme die Fahrer unterstützen“, meint Uli Schmelzeisen. Sensoren waren in den Bandagen und GPS-Empfänger auf der Kabine installiert, welche die Verdichtungswerte sowie die Position der Walze aufzeichneten und in die Kabine übertrugen. Um den Fahrern die Arbeit zu erleichtern, wurden die Fahrwege der Walze samt der bereits verdichteten Abschnitte sowie der noch nicht bearbeiteten Flächen farbig auf den Monitoren von Trimble und Völkel angezeigt. „Damit haben die Fahrer ein Hilfsmittel zur Hand und wissen, wie viel Übergänge sie bereits erreicht haben. Selbst Profi-Walzenfahrer, die ein gutes Gespür dafür haben, welche Bereiche sie verdichtet haben, können nun exakt erkennen, wo sie noch mit der Walze Verdichtungsarbeit zu leisten haben. Sie haben somit eine Kontrolle ihrer ausgeführten Arbeit. Die Anzeige ist einfach zu bedienen und übersichtlich.

Letztlich soll das System den Maschineneinsatz optimieren und helfen, mit weniger Geräten und mit weniger Kraftstoff zu arbeiten“, beschreibt Norbert Mattivi von Trimble die Vorteile des Systems. Die ermittelten Daten werden dokumentiert, können am PC jederzeit abgerufen werden und stehen somit nicht nur den Fahrern, sondern auch den Auftraggebern als Nachweis sowie zur Auswertung jederzeit zur Verfügung. Gemessen wurde außerdem die Oberflächentemperatur, die ebenfalls grafisch auf den Monitoren dargestellt wurde. Der Fahrer kann seine Walzarbeit danach ausrichten. Er weiß somit, wo er im verdichtungsgünstigen Bereich ist und die für die Vibration zulässige Mindesttemperatur noch nicht unterschritten ist. Aufgrund des hier verwendeten Bindemittels ist die dynamische Verdichtung in einem Temperaturbereich zwischen 110 und 140 Grad Celsius möglich. Unterhalb dieser Temperaturen ist nur eine statische Verdichtung zulässig, um Bindemittelbrüche und Kornzertrümmerungen zu vermeiden.

„Man gewöhnt sich recht schnell an das elektronische System zur flächendeckenden Verdichtungskontrolle“, so Andreas Fellenzer, der Fahrer der ersten Cat Walze. Allerdings war es gut, dass wir jeden Tag eine Einweisung bekommen haben. Denn wir mussten uns jedes Mal aufs Neue auf eine andere Walze und ein anderes System einstellen. Da kommen selbst Geübte ins Schwitzen. Alles in allem lässt sich sagen: Die Cat Walze bietet eine gute Übersicht, viel Platz sowie eine präzise Steuerung und ist leise“, so Fellenzer über seinen ersten Eindruck zum Einsatz der Cat Walze CD 54B. Das liegt nicht zuletzt daran, dass sich die Bedieneinheit um 360 Grad drehen lässt und auch um bis zu zehn Zentimeter seitlich über die Kabinenkante herausfahren kann, um eine gute Sicht auf die Bandagenkante und das Kantenandrückgerät zu haben.

„Die Frage ist auch immer, wie viele Informationen benötigt der Fahrer, um eine flächenmäßig gleichmäßige Verdichtung zu erzielen? Der Walzentest soll auch dazu eine Antwort liefern“, so Micha Tobias Buch, Diplom-Bauingenieur und wissenschaftlicher Mitarbeiter von der Uni Siegen. Allerdings hänge dies auch immer stark vom Walzenfahrer ab – der eine verlange nach mehr, der andere nach weniger Informationen.

Ergebniskontrolle

Genauere Erkenntnisse wird die endgültige Auswertung ergeben. Dazu wurden pro Streckenabschnitt an zwei verschiedenen Stellen je sechs Bohrkerne gezogen und Mischgutproben entnommen. Kontrolliert wurden die von den Cat Walzen erzielten Ergebnisse mithilfe der radiometrischen Verdichtungsmessung – dazu war eine sogenannte Troxler- Dünnschichtsonde im Einsatz.

Für die Dichtebestimmung des eingebauten Asphalts werden häufig Gammastrahler verwendet. Dabei wird die Sonde auf das zu untersuchende Material gesetzt. Die Strahlenquelle sendet Strahlung aus, die durch das Material abgeschwächt und gestreut wird. Mithilfe des integrierten Zählrohrs können diese Unterschiede bestimmt und daraus auf die Dichte des Materials geschlossen werden. Die Auswertung läuft vollautomatisch im Gerät ab.

„Letztlich hängt die Effizienz der Walzarbeit – auch bei Nutzung moderner Informationssysteme – unmittelbar von der Arbeitsvorbereitung der gesamten Baustelle ab. Das beste System versagt, wenn der Einbau ungleichmäßig vonstatten geht. Und gerade hier hat das ausführende Unternehmen Juchem eindrucksvoll bewiesen, dass ein nahezu unterbrechungsfreier Einbau mit sehr gleichmäßigen Mischguttemperaturen möglich ist“, so Ronald Utterodt. Besonderer Wert wurde auch auf die Gleichmäßigkeit der Materialströme gelegt, die durch den Einsatz eines Beschickers in Kombination mit einem großvolumigen Fertiger-Einstellkübel erzielt wurde. Des Weiteren war eine gute Abstimmung des Materialflusses vom Lattenrost bis zu den Seitenbegrenzungsblechen der Bohle sowie geringe und sich umwälzende Materialfüllstände zwischen den Dosierblechen und den Vorderwänden der Bohlen- Ausschiebeteile gegeben. Auch die Förderschnecken drehten sich langsam und gleichmäßig, sodass insgesamt ein Einbau wie aus dem Lehrbuch erfolgte. Damit wurden seitens der Baufirma die Voraussetzungen geschaffen, dass die Walzverdichtung auf guten Ausgangsbedingungen aufgebaut werden konnte und das Forschungsprojekt zum Erfolg geführt werden kann. Einen ersten Zwischenbericht wird die Uni Siegen, Fakultät IV, Department Bauingenieurwesen, vertreten durch das Institut für Straßenwesen Ende Oktober der Bundesanstalt für Straßenwesen vorlegen. Eine endgültige Auswertung aller Ergebnisse soll bis August 2014 fertig sein.

Zeppelin GmbH

www.zeppelin.de

Testbedingungen exakt definiert

Grundvoraussetzung, um vergleichbare und objektive Messergebnisse zu erhalten, sind einheitliche Testbedingungen. Diesen Anspruch hat auch dieses Forschungsvorhaben, das die Wissenschaftler der Uni Siegen unter Leitung von Professor Ulf Zander vom Institut für Straßenbautechnik im Auftrag der BASt durchführen und auswerten. „Die Einbaubedingungen waren günstig. Wir bauen hier ein Standardmischgut ein – so wie es in der Praxis in der Regel auch sonst verwendet wird und wir haben hier auch bewusst keine Besonderheiten hinsichtlich Bindemittel oder der Einbaustärke“, weist Dr. Hermann Heppenheimer, verantwortlich für die Asphaltproduktion und das Qualitätsmanagement der Juchem- Unternehmensgruppe, hin. „Schließlich ging es darum, die Unterschiede bei der Walzarbeit herauszuarbeiten.“

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