Prognose der Griffigkeitsentwicklung von Waschbeton-fahrbahndecken mit der Prüfanlage nach Wehner/Schulze - Berichte der Bundesanstalt für ...
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Prognose der
Griffigkeitsentwicklung
von Waschbeton-
fahrbahndecken
mit der Prüfanlage
nach Wehner/Schulze
Berichte der
Bundesanstalt für Straßenwesen
Straßenbau Heft S 151
Prognose der
Griffigkeitsentwicklung
von Waschbeton-
fahrbahndecken
mit der Prüfanlage
nach Wehner/Schulze
von
Nicolai Klein
Christoph Gehlen
Thomas Kränkel
Centrum Baustoffe und Materialprüfung (cbm)
Lehrstuhl Werkstoffe und Werkstoffprüfung im Bauwesen
Technische Universität München
Berichte der
Bundesanstalt für Straßenwesen
Straßenbau Heft S 151
Die Bundesanstalt für Straßenwesen veröffentlicht ihre Arbeits- und Forschungs ergebnisse in der Schriftenreihe Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen. Die Reihe besteht aus folgenden Unterreihen: A - Allgemeines B - Brücken- und Ingenieurbau F - Fahrzeugtechnik M- Mensch und Sicherheit S - Straßenbau V - Verkehrstechnik Es wird darauf hingewiesen, dass die unter dem Namen der Verfasser veröffentlichten Berichte nicht in jedem Fall die Ansicht des Herausgebers wiedergeben. Nachdruck und photomechanische Wiedergabe, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung der Bundesanstalt für Straßenwesen, Stabsstelle Presse und Kommunikation. Die Hefte der Schriftenreihe Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen können direkt bei der Carl Ed. Schünemann KG, Zweite Schlachtpforte 7, D-28195 Bremen, Telefon: (04 21) 3 69 03 - 53, bezogen werden. Über die Forschungsergebnisse und ihre Veröffentlichungen wird in der Regel in Kurzform im Informationsdienst Forschung kompakt berichtet. Dieser Dienst wird kostenlos angeboten; Interessenten wenden sich bitte an die Bundesanstalt für Straßenwesen, Stabsstelle Presse und Kommunikation. Die Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) stehen zum Teil als kostenfreier Download im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung. https://bast.opus.hbz-nrw.de Impressum Bericht zum Forschungsprojekt 08.0230 Prognose der Griffigkeitsentwicklung von Waschbetonfahrbahndecken mit der Prüfanlage nach Wehner/Schulze Fachbetreuung Christoph Becker Referat Betonbauweisen Herausgeber Bundesanstalt für Straßenwesen Brüderstraße 53, D-51427 Bergisch Gladbach Telefon: (0 22 04) 43 - 0 Redaktion Stabsstelle Presse und Kommunikation Druck und Verlag Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG Zweite Schlachtpforte 7, D-28195 Bremen Telefon: (04 21) 3 69 03 - 53 Telefax: (04 21) 3 69 03 - 48 www.schuenemann-verlag.de ISSN 0943-9323 ISBN 978-3-95606-581-1 Bergisch Gladbach, Juni 2021
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Kurzfassung – Abstract
Prognose der Griffigkeitsentwicklung von Schulze und einer Praxisbeanspruchung auf Bun-
Waschbetonfahrbahndecken mit der Prüfanlage desautobahnen (BAB) zu eruieren, wurden Bohr-
nach Wehner/Schulze kerne aus mehreren BAB sowohl aus dem Stand-
streifen, als möglichst unbelastete Probe als auch
Eine wesentliche Gebrauchseigenschaft von Fahr- aus der Rollspur des ersten Fahrstreifens entnom-
bahndecken ist die Sicherstellung eines kurzen men und geprüft.
Bremswegs durch seine Griffigkeitseigenschaften.
Aufgrund der Beanspruchung aus dem Verkehr Bei der Optimierung der Prüfanlage Wehner/Schul-
nimmt die Griffigkeit im Laufe der Lebensdauer ab. ze konnte mit leicht realisierbaren Anpassungen
Zur frühzeitigen Abschätzung des Griffigkeitsverhal- vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. So
tens einer Fahrbahnoberfläche wurde für Asphalt- erwiesen sich die Verwendung eines alternativen
deckschichten die Prüfanlage Wehner/Schulze Poliermittels bei gleichzeitig höherer Härte der Po-
(PWS) entwickelt und erprobt. Bisherige Untersu- lierrollen sowie der Einsatz einer doppelten Mess-
chungen ergaben Schwierigkeiten bei der Übertrag- gummifläche als zielführend. Die hiermit durchge-
barkeit des Verfahrens auf Waschbetonoberflächen führte Parameterstudie ergab einen dominanten
als derzeitige Regelbauweise im Betonstraßenbau. Einfluss der Texturtiefe auf den Reibbeiwert der
PWS. Bezüglich einer möglichen Korrelation zwi-
Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollte daher schen der Praxisbeanspruchung und der im Labor
in einem ersten Schritt die Prüfanlage Wehner/ mit der modifizierten PWS nachgestellten Bean-
Schulze selbst sowie der zugehörige Prüfablauf spruchung konnten erste Tendenzen erkannt wer-
derart angepasst werden, dass das Prüfverfahren den.
auch für Waschbetonoberflächen anwendbar ist.
Hierzu galt es, sowohl die Einheit zur polierenden
Beanspruchung der Proben, als auch die Einheit
zur Bestimmung des Reibbeiwerts als Maß für die Prognosis of the skid resistance development
Griffigkeit der Oberfläche zu optimieren. Zur Anpas- of exposed aggregate concrete pavements with
sung der Polierbeanspruchung wurden Untersu- the test system according to Wehner/Schulze
chungen mit unterschiedlichen Polierrollenhärten
und Poliermittelkonzentrationen sowie unter Ver- An essential characteristic of road surfaces is their
wendung alternativer Poliermittel durchgeführt. Die ability to ensure a short braking distance due to
Messeinheit wurde durch den Einsatz unterschiedli- their skid resistance. As an effect of traffic loads, the
cher Messgummihärten und Messgummiflächen grip decreases over service life. The Wehner/
angepasst. Schulze polishing machine (PWS) was developed
and tested for asphalt surfaces in order to estimate
Anschließend wurde mit der für Waschbetonober- the skid resistance of a road surface at an early
flächen modifizierten PWS eine Parameterstudie stage. Previous investigations have shown
zum Einfluss von betontechnologischen und aus- difficulties with the transferability of the method to
führungstechnischen Kenngrößen auf das Griffig- exposed aggregate concrete surfaces, which is the
keitsverhalten von Waschbetonen durchgeführt. Es current standard construction method in concrete
wurde der Einfluss der Sieblinie, des Polierwerts, road construction.
der Bruchflächigkeit, der Kornform sowie des Größt-
korns der im Beton eingesetzten groben Gesteins- The main aim of the research project was to modify
körnung sowie der Einfluss der Texturtiefe der Ober- the Wehner/Schulze machine and the associated
flächentexturierung analysiert. Weiterhin wurde die test sequence to enable its application on exposed
Möglichkeit des Einsatzes der modifizierten PWS aggregate concrete surfaces. The goal was thus to
zur Prüfung der Griffigkeitsentwicklung alternativer optimise both the unit for polishing the specimens
Betonoberflächen (Grindingoberflächen sowie of- and the unit for determining the coefficient of friction
fenporiger Betonoberflächen) getestet. as a measure of the grip of the surface. In order to
adapt the polishing effect, investigations were
Um eine Abschätzung über eine mögliche Korrelati- carried out with different polishing roller hardnesses
on zwischen der angepassten Prüfanlage Wehner/ and polishing agent concentrations as well as using
4 alternative polishing agents. The measuring unit was adapted by using different measuring rubber hardness and measuring rubber surfaces. Subsequently, a parameter study was carried out with the PWS modified for exposed aggregate concrete surfaces on the effect of concrete technological and constructional parameters on the skid resistance behaviour of exposed aggregate concrete. The influence of the grading curve, the polishing value, the fracture surface, the grain shape and the maximum grain size of the coarse aggregate used in the concrete as well as the influence of the texture depth of the surface texturing were analysed. Furthermore, the possibility of using the modified PWS for testing the skid resistance development of alternative concrete surfaces (grinded surfaces as well as pervious concrete surfaces) was tested. In order to estimate a possible correlation between the adapted Wehner/Schulze machine and a practical load on german federal motorways, drilled cores from several motorways were taken and tested from the hard shoulder as (idealized) unloaded samples and from the rolling track of the first lane. During the optimization of the Wehner/Schulze machine, promising results were achieved with easily realizable modifications. The use of an alternative polishing agent with simultaneously higher hardness of the polishing rollers and the use of a doubled measuring rubber surface were proved to be effective. The parameter study carried out in this way revealed a dominant effect of the texture depth on the coefficient of friction of the PWS. With regard to a possible correlation between the practical traffic load and the load simulated with the modified PWS in the laboratory, initial tendencies could be identified.
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Summary concrete surfaces that were as minor and
reversible as possible and could thus be
carried out quickly and cost-effectively. The
idea was to achieve sufficient process
Prognosis of the skid resistance accuracy and to improve the cost-
development of exposed aggregate effectiveness of the test by reducing
concrete pavements with the test measuring rubber wear (initial investigations
showed that the testing of exposed aggregate
system according to Wehner/ concrete surfaces resulted in enormous wear
Schulze of the measuring rubber). For this purpose,
investigations with increased measuring
rubber hardness and increased measuring
1 Introduction rubber surface area (by increasing the
number of measuring rubbers) and thus a
Road pavements made of exposed aggregate more even distribution of the contact pressure
concrete with sufficient texture depth and high were carried out. In addition to the measuring
polishing value (PSV) of the coarse aggregates unit, the adjustment of the polishing unit
generally meet the contractual requirements for should optimize the intensity of the polishing
skid resistance for traffic clearance as well as at the stress in such a way that it can accurately
end of the limitation period for warranty claims. So simulate the polishing of exposed aggregate
far, however, there is no reliable way to predict the concrete surfaces in the laboratory that occurs
long-term development of the skid resistance of this in field unter traffic load conditions. In these
type of surface. The Wehner/Schulze machine studies the effect of the polishing roller
(PWS) provides a test for determining the skid hardness and the polishing agent concentration
resistance development, which has proven itself were investigated as well as the use of an
over the last decades for the evaluation of asphalt alternative polishing agent. The undertaken
surfaces. investigations provide a foundation for the
It was thus the aim of the project to investigate the development of a method for predicting the
possibility to use this test method as well to predict development of the skid resistance of exposed
the long-term development of the skid resistance of aggregate concrete surfaces under traffic load
exposed aggregate concrete surfaces. A parameter conditions.
study was carried out to investigate the effect of WP 2: In the second work package, material and
various factors regarding material and surface surface parameters influencing the skid
properties on the skid resistance of exposed resistance of exposed aggregate concrete
aggregate concrete surfaces and its development. surfaces were to be investigated and
Additionally first investigations were carried out with evaluated. Therefore, exposed aggregate
drill core samples in order to compare the predicted concretes with different aggregate properties
skid resistance development with the modified PWS (variation of polished stone value, flakiness,
with the actual skid resistance development under fracture surface and maximum grain size of
heavy traffic load conditions. the coarse aggregate as well as grading
curves) of the concrete were investigated. In
addition, the effect of the execution-related
2 Methods texture depth on the skid resistance and its
development was determined. It was
The project was subdivided into three work furthermore orienting tested if the use of the
packages. modified Wehner/Schulze machine in
accordance with WP 1 could also be used to
WP 1: In the first work package, the Wehner/Schulze
evaluate the skid resistance development of
machine was optimized for the use on
alternative road surfaces (grinding-texture
exposed aggregate concrete surfaces. The
and pervious concrete).
aim was to make possible changes to the
polishing and measuring unit of the PWS for WP 3: The third work package was intended to
the measurement on exposed aggregate make a comparison between the stress
6
carried out in the laboratory and the stress for a given point in time. During the modification of
occurring under real traffic load conditions. the polishing unit, an increase in polishing roller
Therefore, drill cores were taken from several hardness (85 Shore A instead of 65 Shore A) with a
highway sections from the hard shoulder simultaneous increase in polishing agent
(corresponds approximately to the unloaded concentration (doubling of the polishing agent
surface), and from the right-hand lane (mainly content) proved to be insufficient to achieve a
polished by heavy traffic (HV)). The skid polishing effect relevant to real traffic load conditions.
resistance of both sample types (unloaded By the volumetric exchange of the standardized
and loaded) was determined with the polishing agent quartz powder by silicon carbide as
measuring device of the PWS. Thus, the a polishing agent with higher hardness and polishing
decrease in skid resistance due to the traffic rollers with a hardness of 85 Shore A, a reduction of
load could be quantified. The unloaded the skid resistance comparable to the onsite
samples were then exposed to the polishing conditions could be achieved. Tests with standard
scenario developed in WP 1 and their skid and doubled polishing agent concentrations led to a
resistance was determined again. This allows comparable polishing effect. Thus an increase in
a comparative evaluation of the decrease in the polishing agent concentration had no advantage.
skid resistance due to the polishing load
In order to use the PWS for a prediction of the traffic
carried out with the PWS with the decrease in
load affected development of the skid resistance,
skid resistance under real traffic load, which
three values of skid resistance per sample were
is the basis for predicting the long-term
measured after 30,000, 75,000 and 180,000
development of skid resistance under field
rollovers in the PWS. Since the measured values
stress in the laboratory with the PWS.
showed a logarithmic course, the skid resistances
of the samples after 540,000 and 1,080,000 rollovers
were also determined exemplarily as a comparative
3 Results value for a prediction. There were only minor
differences between the skid resistance of the
For the modification of the measuring unit, samples after 540,000 and 1,080,000 rollovers
investigations were carried out with 3 measuring respectively, predicted by means of a log function
rubbers, 6 measuring rubbers and an almost (including the skid resistance up to 180,000
complete measuring rubber ring (with three rollovers) and the actually measured values after
openings for fastening). Equivalent measurement the respective number of rollovers. The development
results were obtained for the variants with 3 and 6 of the skid resistance of the investigated exposed
measuring rubbers. However the measuring rubber aggregate concrete surfaces could therefore be
ring led to a build-up of the water inflow, due to its estimated sufficiently with the selected test
poor drainage properties. This caused the measuring procedure.
rubber to either float or to take a quasi-dry
measurement. The measuring rubber ring was By the use of the mentioned machine modifications,
therefore considered to be not suitable. Depending it was possible to determine the effect of different
on the texture depth, the lower and more evenly parameters (grading curve, polishing resistance,
distributed contact pressure of the 6 measuring fracture surface, flakiness and maximum grain size
of the coarse aggregate as well as the texture depth)
rubbers significantly reduced the wear of the
on the behaviour of the skid resistance of exposed
rubbers. When using measuring rubbers with an
aggregate concrete surfaces in the laboratory. The
increased hardness (85 Shore A instead of the
behaviour of the skid resistance was almost not
standard 65 Shore A), the measuring rubbers
affected by the grading curve and the flakiness of
showed some bursting within the rubber material
the coarse aggregate. The investigations with
after a few measuring cycles. This is due to the
aggregates of different PSV values showed a
more brittle material behaviour.
behaviour of the skid resistance almost independent
The experiments showed that the results of of the PSV value. However, this is probably due to
individual measurements on comparable samples the small span tested between a PSV of 50 and 55.
are subject to strong variations. More stable values As expected, a crushed grain had a higher skid
could be achieved, by carrying out repeated resistance than a natural gravel, which, however,
measurements of the skid resistance of the samples drops more quickly. The greatest influence could be
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observed in the use of different texture depths of the resistance of exposed aggregate concrete surfaces
concrete, whereby, in addition to an improved should be carried out at the texture depth desired in
drainage due to increasing texture depths, the the respective project, at the most critical texture
resulting decreasing number of peaks and thus the depth with poor drainage or on the basis of several
effective contact areas must also be taken into texture depths cannot be ultimately recommended
account. The use of the PWS on pervious concrete at the present time. For a recommendation, further
proved to be unsuccessful, as it has, as expected, studies to increase the existing database would be
very good drainage properties, so that the polishing necessary.
agent flowed off from the sample surface into the
In order to be able to carry out a statistically reliable
sample interior during the polishing process. On the
evaluation of the individual parameters examined
grinding surface, comparable skid resistance
and thus to offer the possibility of optimising the skid
characteristics could be observed with exposed
resistance of exposed aggregate concrete
aggregate concrete. However, the significance of
formulations even before they are used in practice,
the values is to be critically evaluated due to the
a broad-based study with a sufficient number of
rotatory measurement of the PWS on a directed
samples should also be carried out for each
(grinded) surface. Here the texture is measured in
individual parameter in order to expand the existing
the plane in every angle, also perpendicular to the
database.
direction of travel, which, in comparison to a linear
measurement, leads to increased skid resistance. A possible correlation of the laboratory load to the
On the basis of the four sampled highways, the field load could be determined in the form of a
relationship between the heavy traffic load and the logarithmic function. For a further quantification of
rollover at the PWS necessary for a corresponding the correlation, a large-scale study would be
reduction in skid resistance was investigated. This recommended.
showed a tendentially logarithmic relationship
between the two types of loads.
4 Conclusion
The investigations showed that the Wehner/Schulze
machine is suitable for evaluating the skid resistance
of exposed aggregate concrete surfaces as well as
their load-dependent development by means of
easily feasible, temporary adaptations of the
polishing and measuring unit. The use of polishing
rollers with a hardness of 85 Shore A instead of the
standardised 65 Shore A and the use of silicon
carbide as a polishing agent instead of the usual
quartz powder for the polishing process and the use
of 6 instead of the usual 3 measuring rubbers with a
hardness of 65 Shore A have proven to be effective.
In addition, a staged measurement after 30,000,
75,000 and 180,000 showed a logarithmic
development of the coefficient of friction. In principle,
it can therefore be used as a prediction method.
The exemplary parameter study shows a dominant
effect of the texture depth on the skid resistance of
exposed aggregate concrete. A comparison of
different concrete recipes with regard to their
performance in terms of skid resistance development
is therefore only possible with an equivalent texture
depth. Whether investigations to assess the skid
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Inhalt
1 Aktueller Wissensstand............................. 10 5.5.4 Einfluss der Kornform................................29
1.1 Oberflächentextur......................................10 5.5.5 Einfluss der Texturtiefe...............................30
1.2 Griffigkeit....................................................11 5.5.6 Einfluss des Größtkorns.............................32
1.2.1 Allgemeines...............................................11 5.6 Alternative Oberfläche...............................33
1.2.2 Relativbewegung zwischen dem 5.7 Alternative Poliermaschine........................33
Reifen und der Fahrbahn...........................12
1.2.3 Griffigkeit bei Nässe...................................13 6 Validierung durch Praxisdaten................. 35
1.3 Prüfanlage Wehner/Schulze (PWS)...........14
7 Fazit.............................................................. 38
1.3.1 Aufbau .......................................................14
1.3.2 Einsatz.......................................................14 Literatur .................................................................... 39
1.3.3 Standardisierter Prüfablauf........................14
Bilder ...................................................................... 41
2 Problemstellung und Zielsetzung............ 15
Tabellen..................................................................... 42
3 Vorgehen..................................................... 16
Anhang...................................................................... 43
4 Modifikation der Prüfanlage
Wehner/Schulze (PWS).............................. 16
4.1 Anpassung des Aufbaus der
Reibungsmessung.....................................16
4.2 Anpassung der Messdurchführung ...........20
4.3 Bestimmung des Optimierungsziels
für den Poliervorgang.................................20
4.4 Anpassung des Poliervorgangs.................21
4.5 Bewertung der Prognosetauglichkeit.........23
4.6 Alternatives Beanspruchungsverfahren.....23
5 Parameterstudie zum Einfluss der
Gesteinskörnung auf die Griffigkeit
von Waschbetonoberflächen.................... 24
5.1 Untersuchte Parameter..............................24
5.2 Nomenklatur...............................................24
5.3 Probenherstellung......................................24
5.4 Versuchsprogramm....................................26
5.5 Variierte Parameter....................................27
5.5.1 Einfluss der Sieblinie.................................27
5.5.2 Einfluss des Polierwerts (PSV)..................28
5.5.3 Einfluss der Bruchflächigkeit......................2910
1 Aktueller Wissensstand Zur Charakterisierung einer Textur kann diese hin-
sichtlich ihrer Wellenlängen eingeteilt werden.
1.1 Oberflächentextur Durch Zerlegung des Oberflächenprofils mittels
Zur Sicherstellung von Gebrauchseigenschaften Fouriertransformation in sich überlagernde Sinus-
wie z. B. Griffigkeit, Schallminderung und Entwäs- kurven werden die Informationen des Profils in ein
serung werden Betonfahrbahndecken mit einer Tex- (quasi) vollständiges Wellenlängespektrum mit den
turierung versehen. Diese unterscheidet sich zu- zugehörigen Amplituden überführt. Die Wellenlän-
nächst im Zustand des Betons beim Eintragen der gen werden in vier verschiedene Wellenlängenbe-
Textur und damit in ihrer Ausprägung und Form. reiche unterteilt, welche sich in ihren Auswirkungen
Gebräuchliche Verfahren sind das Eintragen der auf die Fahrbahneigenschaften unterscheiden (Bild
Textur in den frischen Oberflächenmörtel (z. B. Be- 2). Mit einer Wellenlänge (λ) von weniger als 0,5 mm
senstrichtexturen), dem Entfernen von verzögertem beschreibt die Mikrotextur den Wellenlängenbe-
Oberflächenmörtel (Waschbeton, Bild 1) oder dem reich, der aus der Oberflächenrauheit der Feststoffe
Abtragen von erhärtetem Beton (Grinding). Seit (Gesteinskörnung und Zementstein) entsteht. Bei
2006 ist die Waschbetonbauweise in Deutschland Waschbeton bestimmt sie somit die reale Kontakt-
die Regelbauweise für hochbelastete Betonfahr- fläche zwischen dem Reifen und der durch das aus-
bahnstrecken mit Anforderungen an den Lärm- bürsten freigelegten Gesteinskörnung und ist ab-
schutz, sie wird daher im Rahmen dieses For- hängig von der Betonzusammensetzung und der
schungsprojekts weiter untersucht. Gesteinsart bzw. dem Widerstand der Gesteinskör-
nung gegen Polieren.
Bei der Waschbetonbauweise wird die Gesteinskör-
nung durch das Entfernen des verzögerten Oberflä- Die Makrotextur liegt in einem Wellenlängenbereich
chenmörtels oberflächlich freigelegt. Die Waschbe- zwischen 0,5 und 50 mm. Sie umfasst damit den
tontextur wird eingesetzt um einerseits die Entwäs-
Wellenlängenbereich, der die einzelnen aus der Ze-
serungswirkung durch die vernetzten Vertiefungen
mentsteinmatrix herausstehenden Gesteinskörner
zwischen den Gesteinskörnern und andererseits
beschreibt und somit maßgeblich für die Entwässe-
eine dauerhafte Griffigkeit bei dem Reifen-Fahr-
rungswirkung der Textur sowie für die Anzahl an
bahn-Kontakt mit der freigelegten polierresistenten
Kontaktflächen zwischen dem Reifen und der Fahr-
Gesteinskörnung zu gewährleisten.
bahn verantwortlich ist. Eine Beschreibung zur Be-
deutung dieser beiden Eigenschaften kann Kapitel
1.2.3 entnommen werden. Die Makrotextur wird be-
einflusst durch das Größtkorn der Gesteinskörnung
und die Ausbürsttiefe.
Bild 1: Waschbetonoberfläche
Bild 2: Darstellung von Unebenheit, Mega-, Makro- und Mikrotextur [1]11
Die Megatextur (50500 mm) und die sich darauf an-
schließenden Unebenheiten (> 500 mm) beeinflus-
sen die griffigkeitsrelevanten Eigenschaften hinge-
gen nicht wesentlich.
Die Mikrotextur wird in der Praxis indirekt mit der
SRT-Methode bestimmt, die in den TP Griff-StB
(SRT) [2] bzw. in der DIN EN 13036-4 [3] beschrie-
ben ist.
Zur Bestimmung der Makrotextur kommen in
Deutschland verschiedene Verfahren zur Anwen-
dung. Verbreitet und derzeit im Regelwerk des Stra-
ßenbaus verankert sind das Sandfleckverfahren
nach DIN EN 13036-1 [4] sowie der Ausflussmesser
nach Moore nach DIN EN 13036-3 [5]. Das Sand- Bild 3: Materialanteilskurven zur Ermittlung des Gestaltfak-
tors g zur Kennzeichnung unterschiedlicher Texturge-
fleckverfahren, in der Norm auch als volumetrisches stalten [7]
Verfahren bezeichnet, basiert auf dem Aufbringen
eines definierten Volumens eines Prüfmediums dem MTD-Wert des volumetrischen Verfahrens ver-
(Glaskugeln 0,18 mm < Ø < 0,25 mm) auf die Fahr- gleichbar ist. Daher können für das volumetrische
bahnoberfläche und anschließendem kreisförmigen Verfahren geltende Anforderungswerte an Oberflä-
Verteilen auf der Oberfläche. Aus dem eingesetzten chen auch auf den ETD-Wert nach DIN EN ISO
Volumen des Prüfmediums und der Fläche des sich 13473-1 [6] angewendet werden. Ein wesentlicher
ergebenden „Sandflecks“ kann die mittlere Oberflä- Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das Messergeb-
chentexturtiefe MTD (Mean Texture Depth) berech- nis nicht vom Durchführenden der Messung ab-
net werden. Das Sandfleckverfahren ist als Mess- hängt. Zusätzlich lassen sich die Messdaten extra-
verfahren für mittlere bis starke Texturausprägun- hieren und mit weiteren Methoden bewerten.
gen geeignet. Der Ausflussmesser nach Moore ba-
siert auf der Messung einer Ausflusszeit aus einem Eine solche alternative Möglichkeit der Bewertung
auf die Fahrbahnoberfläche aufgesetzten, mit Was- von Profilschnitten bietet die Auswertung der Mate-
ser gefülltem Zylinder. Gemessen wird die Zeit, in- rialanteilskurven. Die Verteilung der Kurve zeigt auf,
nerhalb der der Wasserspiegel um ein vorgegebe- ob es sich bei der Textur um Plateaus mit Schluch-
nes Maß absinkt. ten (konkave Textur) oder um eine Gebirgsland-
schaft (konvexe Textur) handelt (siehe Bild 3). Um
Im Gegensatz zum volumetrischen Verfahren kön- die Materialanteile mit einem einfachen Wert zu
nen mit dem Ausflussmesser auch schwache bis charakterisieren, hat sich der Gestaltfaktor ( g) als
mittelstarke Texturausprägungen gemessen wer- Materialanteil auf halber Höhe bewährt. Zusätzlich
den. Bei beiden Messmethoden handelt es sich um lässt sich anhand der Daten die Anzahl an Textur-
indirekte Messmethoden. Ein neues und zuneh- spitzen, die den Kontakt zum Reifen gewährleisten,
mend weiter verbreitetes Verfahren ist das Mess- ermitteln. Ein hoher Materialanteil, also eine Ober-
verfahren nach DIN EN ISO 13473-1 [6]. Bei die- fläche mit konkaver Textur im oberen Texturbereich
sem Messverfahren wird durch lineare oder kreis- führt dabei zu einer größeren Kontaktfläche zwi-
förmige Abtastung der Oberfläche mithilfe eines La- schen dem Reifen und der Fahrbahn.
ser-Distanzsensors ein Profilschnitt der Oberfläche
erzeugt und anschließend ausgewertet. Der Ergeb-
niswert dieses Verfahrens ist der MPD-Wert (Mean
Profile Depth), welcher wie die mittlere Oberflä- 1.2 Griffigkeit
chentexturtiefe MTD in Millimetern angegeben wird. 1.2.1 Allgemeines
Das Messverfahren nach DIN EN ISO 13473-1 [6]
kann zur Messung aller Texturausprägungen ver- Die Griffigkeit in einem System aus einem Elasto-
wendet werden und ist deshalb universeller einsetz- mer (Reifen) und einer festen Oberfläche (Fahr-
bar als die beiden zuvor genannten Verfahren. Der bahn) hängt primär von zwei Faktoren ab. Zum ei-
MPD-Wert kann zudem in einen ETD-Wert (Estima- nen kommt es durch Adhäsion zu einer intermole-
ted Texture Depth) umgerechnet werden, der mit kularen Bindung zwischen dem Reifen und der12
Bild 5: Reibbeiwert/Schlupf-Kurven auf unterschiedlichen
Fahrbahnoberflächen. (1): trockener Asphalt; (2):
nasser Asphalt; (11): trockenes Kopfsteinpflaster;
(12): nasses Kopfsteinpflaster; (13): raue Eisoberflä-
che; (14): glatte Eisoberfläche nahe dem Gefrierpunkt
Bild 4: oben: Anpassung eines Reifens an eine texturierte
[11]
Oberfläche; unten: Veränderung der Elastomerverfor-
mung und des Reifen-Fahrbahn-Kontakts aufgrund
von Verschmutzungen [10] teils. Die Hysterese entsteht durch das Auftreffen
der Profilblöcke auf die Oberfläche und die daraus
Fahrbahn [8], zum anderen ist der Hystereseeffekt
erfolgende pulsartige Verformung des Elastomers.
zu beachten.
Durch die Verformung wird Energie innerhalb des
Bei der Adhäsion kommt der realen Kontaktfläche Reifens in Wärme dissipiert [8, 9].
zwischen den beiden Medien eine entscheidende
Rolle zu. In allen Wellenlängen gibt es Bereiche, in 1.2.2 Relativbewegung zwischen dem Reifen
denen der Reifen keinen vollständigen Adhäsions- und der Fahrbahn
kontakt zur Oberfläche besitzt. Folglich kann nur ein
Teil der theoretischen Aufstandsfläche des Reifens Bei der Übertragung von Antriebs- und Bremskräf-
zu einer Reibwirkung führen [9]. Dieser Sachverhalt ten treten Geschwindigkeitsunterschiede zwischen
ist in Bild 4 oben grafisch dargestellt. Je ausgepräg- dem Reifen und der Fahrbahn auf. Der Unterschied
ter die Textur und die Oberflächenrauheit der Fest- dieser Geschwindigkeit bezogen auf die Fahrbahn-
stoffe, desto schlechter kann sich der Reifen an die geschwindigkeit wird als Schlupf s bezeichnet und
Oberfläche anpassen. Dementsprechend wird ein kann nach Formel 1 berechnet werden [8].
maximaler Reibanteil durch Adhäsion bei einer mi-
nimalen Rauheit der Oberfläche erzielt. Die Ausprä- Formel 1
gung der kontaktlosen Bereiche ist sowohl von der Mit v: Fahrzeuggeschwindigkeit
Steifigkeit des Reifens, der Amplituden der jeweili-
gen Wellenlänge, als auch von der auf den Reifen vR: Umfangsgeschwindigkeit des Reifens
wirkenden Anpresskraft abhängig. Aufgrund der
Rauheit von Straßenoberflächen und der hohen Der Gesamtschlupf lässt sich wiederum in einen
Steifigkeit des Reifengummis liegt die tatsächliche Deformationsschlupf und einen Gleitschlupf auftei-
Kontaktfläche bei rund 1 % der Reifenaufstandsflä- len. Die Abhängigkeit des Reibbeiwerts vom Schlupf
che und somit in einer nahezu vernachlässigbaren lässt sich in Reibbeiwert/Schlupf-Kurven (μ/s Kur-
Größenordnung [9]. Zusätzlich kann das Eindringen ven) darstellen, siehe exemplarisch Bild 5. Bei ge-
des Reifens in die Fahrbahnoberfläche durch eine ringen Schlupfwerten, also im ansteigenden Be-
Verschmutzung dieser be- oder sogar verhindert reich der (μ/s Kurve), dominiert der Deformations-
werden (siehe Bild 4, unten) [9]. schlupf, welcher durch die wiederkehrende Verfor-
mung der Reifenaufstandsfläche entsteht. Bei einer
Für den Reifen-Fahrbahn-Kontakt überwiegt daher Blockierbremsung (entspricht 100 % Schlupf) wirkt
die Wirkung des zweiten Faktors, des Hysteresean- hingegen ausschließlich der Gleitschlupf.13
Es wird ersichtlich, dass der maximale Reibbeiwert
je nach Oberflächenart und Feuchtezustand bei ei-
nem anderen Schlupf erreicht wird. So wird auf ei-
nem trockenen Asphalt der maximale Reibbeiwert
bereits bei einem Schlupf von unter 20 % erreicht,
wohingegen auf trockenem Kopfsteinpflaster das
Maximum erst bei rund 35 % erreicht ist. Für beide
Oberflächen nimmt dabei im feuchten Zustand nicht
nur der Maximalwert der Reibung ab, dieser wird Bild 6: Veränderung der Textur durch Nässe auf der Oberflä-
auch bei deutlich geringeren Schlupfwerten er- che [10]
reicht. Es wird daher deutlich, dass eine generelle
Festlegung eines idealen Schlupfwertes nicht mög-
lich ist und somit bei definiertem Schlupf durchge-
führte Messungen nicht die maximale Reibung der
Oberfläche wiedergeben.
1.2.3 Griffigkeit bei Nässe
Für die Wirkung des Reibbeiwerts bei Nässe wur-
den in den letzten Jahrzehnten unterschiedliche
Modelle entwickelt [12–15]. Eine der aktuellsten ist
in der Reibungstheorie nach PERSSON [12], bei
der bei geringen Geschwindigkeiten maßgeblich
der sogenannte „sealing effect“ wirkt.
Wird diese Fahrbahnoberfläche beregnet (Bild 4
(oben)), sind die Vertiefungen mit Wasser gefüllt.
Rollt ein Fahrzeug mit geringen Geschwindigkeiten
über diese nasse Oberfläche, wird ein Großteil des
Wassers durch den Reifen verdrängt. Das übrige in
Bild 7: Das Drei-Zonen-Modell nach MOORE [13], oben: De-
den Tälern verbleibende Wasser wird durch den rei- finition des Kontaktbereichs; unten: die Aufteilung des
fen eingeschlossen. Aufgrund der inkompressiblen Kontaktbereichs in drei Zonen
Eigenschaften des Wassers kann der Reifen nicht
in die Vertiefungen der Oberflächenstruktur eindrin- drängungszeit geringer, wodurch eine vollständige
gen. Es kommt dementsprechend zu einer tempo- Verdrängung nicht mehr gewährleistet ist und sich
rären Veränderung bzw. Glättung der griffigkeits- ein keilförmiger Wasserfilm unter dem Reifen aus-
wirksamen Struktur (Bild 6), wodurch es zu geringe- bildet (vgl. Bild 7). Dieser teilt den „Kontaktbereich“
ren Verformungen des Reifens kommt und damit in drei Zonen auf:
der Hystereseanteil der Reibung reduziert wird [9]. I. Die Auspresszone (sinkage zone): Beim Kontakt
des Reifens mit dem Wasserfilm wird die Rad-
Bei höheren Geschwindigkeiten kommen zusätz-
last über den Wasserfilm übertragen und da-
lich Trägheitseffekte des Wassers zum Tragen.
durch seitlich aus dem Kontaktbereich ausge-
Hierfür lässt sich das Dreizonen-Modell nach
MOORE heranziehen [13, 16]. Wie bereits im vor- presst.
herigen Modell wird davon ausgegangen, dass II. Die Übergangszone (draping zone): In diesem
das Wasser durch den Reifen verdrängt wird. Die Bereich dringen die ersten Profilklötze durch den
Verdrängungsdauer (also die Zeit, die benötigt Wasserfilm und es kommt zu einem direkten
wird, um den anstehenden Wasserfilm unter dem Kontakt mit der Fahrbahn. Der übrige Wasser-
Reifen zu verdrängen) ist von einer Reihe von Fak- film wird durch das Profil und die Fahrbahntextur
toren abhängig; unter anderem von der Wasser- weiterhin verdrängt.
filmdicke, der Oberflächentextur und dem Reifen-
druck, sie steht jedoch nicht in Korrelation mit der III. Die Kontaktzone (actual contact zone): In der
Geschwindigkeit [13]. Dadurch wird bei steigender Kontaktzone wurde das Wasser nahezu voll-
Geschwindigkeit die zur Verfügung stehende Ver- ständig verdrängt. Hier kann von einem Kontakt14
zwischen Reifen und Fahrbahn ähnlich dem Mo-
dell von Persson ausgegangen werden [9].
Bei steigender Geschwindigkeit verschiebt sich das
Längenverhältnis der einzelnen Zonen, bis hin zu
einem durchgängigen Wasserfilm, also einer Aus-
presszone über die gesamte Länge. Ist dies der
Fall, kommt es zum sogenannten Aquaplaning [16].
1.3 Prüfanlage Wehner/Schulze (PWS)
1.3.1 Aufbau Bild 8: Aufbau der Prüfanlage Wehner/Schulze, links: Polier-
einheit; rechts oben: Messeinheit; rechts unten: Pro-
Die Prüfanlage Wehner/Schulze setzt sich aus einer benaufnahme
Poliereinheit, einer Einheit zur Messung des Reibbei-
werts und einem Probentisch zusammen, siehe Bild Es wird somit der in der Praxis ungünstigste Fall
8 [17, 18]. Der Probetisch dient zur Aufnahme der (Bremsen ohne ABS) abgebildet. Für die Bewer-
Einspannvorrichtung der Probekörper und positio- tung des Ergebnisses liegt man daher auf der si-
niert die Probe in der Poliereinheit und der Einheit cheren Seite.
zur Messung des Reibbeiwerts. In die Einspannvor-
richtung können beispielsweise runde Probekörper
1.3.2 Einsatz
mit einem Durchmesser von 225 mm und einer Dicke
von bis zu 5 cm eingebaut werden. Durch eine zu- Um das Griffigkeitsverhalten einer Verkehrsfläche
sätzliche Höheneinstellung lassen sich auch nicht im Labor nachzustellen, wurde in den 1960er Jah-
planparallele Proben in der Höhe ausgleichen. ren die Prüfanlage Wehner/Schulze entwickelt [19].
Diese hat sich seither für die Bewertung von As-
Die Einheit zur Messung des Reibbeiwerts setzt
phaltoberflächen als auch zur Bewertung der Po-
sich zusammen aus einem Messkopf und einem
lierresistenz von Gesteinskörnungen bewährt. In ei-
System zum Aufbringen von Wasser. Der Messkopf
ner Vielzahl von Forschungsprojekten wurde unter-
ist mit einem System zur Messung der Umdre-
sucht, inwieweit eine Korrelation zwischen Untersu-
hungsfrequenz und zur Messung des auftretenden
chungen mit der PWS auf Asphalt mit in Situ Mess-
Bremsmoments ausgestattet und dient zur Aufnah-
methoden (z. B. SKM, RoadSTAR) möglich ist [20–
me der Messgummis und kann auf eine Umdre-
24]. Diese kamen zu dem Schluss, dass ein prinzi-
hungsfrequenz von mindestens 50 U/s beschleu-
pieller Zusammenhang der in Situ-Werte mit den
nigt werden. Das System zum Aufbringen von Was-
PWS-Labordaten besteht, eine Korrelation jedoch
ser ist oberhalb des Zentrums des Messkopfs ange-
nur bedingt herstellbar ist.
bracht und gewährleistet einen konstanten Wasser-
zufluss während der Messung [17, 18]. Zudem wurde in mehreren Projekten untersucht, in-
wieweit die PWS für den Einsatz als Prognosever-
Die Poliereinheit setzt sich aus einem Polierkopf zur
fahren geeignet ist [20, 23, 25, 26]. Diese Untersu-
Aufnahme der Polierrollen und einer Vorrichtung
chungen kamen zu dem Ergebnis, dass ein loga-
zum Aufbringen eines Wasser-Poliermittel-Ge-
rithmischer Zusammenhang zwischen der Anzahl
mischs zusammen. Die Polierrollen sind im Polier-
kopf gefedert gelagert und werden durch einen se- an Überrollungen in der PWS und dem Rückgang
paraten Antrieb beschleunigt. Bei der Vorrichtung des gemessenen Reibbeiwerts µPWS besteht. Mit
zum Aufbringen des Wasser-Poliermittelgemischs dieser Erkenntnis kann eine Prognose der Griffig-
handelt es sich um ein Gefäß mit Rührwerk zum ho- keitsentwicklung im Laborversuch vorgenommen
mogenisieren des Gemischs und einer Pumpe zum werden.
Aufbringen des Gemischs deren Ausgang zentral
über dem Polierkopf positioniert ist [17, 18]. 1.3.3 Standardisierter Prüfablauf
Bei der Messung mit der PWS wird eine Blockier- Die Untersuchungen mit der PWS erfolgen für As-
bremsung (Schlupf = 100 %) ausgeführt, der Defor- phalte nach DIN EN 12697-49 „Messung der Griffig-
mationsanteil des Schlupfs ist hierdurch minimiert. keit nach Polierung“ [17] in drei Stufen:15
1. Polieren: Das Polieren erfolgt über eine Stunde Zur Ermittlung eines Ergebnisses sind zwei Einzel-
mit drei konischen Gummirollen mit einer Shore werte (zwei Proben) erforderlich. Weichen die bei-
A Härte von 65, die mit einer konstanten Umdre- den Einzelwerte um mehr als 0,03 Einheiten vonei-
hungsfrequenz von 500 U/min (entspricht ca. nander ab ist eine dritte Probe zu prüfen. Als Ergeb-
17 km/h), einer statischen Auflast von 392 N, bei nis gilt dann der Mittelwert aus den zwei verträgli-
zusätzlich konstantem Zufluss von 5,0 l/min ei- chen Einzelwerten [17, 18].
nes Poliermittels über die Proben rotieren. Als
Poliermittel wird ein Wasser-Quarzmehl-Ge-
misch (60 g Quarzmehl pro 1 l Wasser) einge-
setzt [27]. Insgesamt erfolgen bei diesem Vor- 2 Problemstellung und Zielset-
gang 90.000 Überrollungen. zung
2. Reinigen: Im Anschluss an den Poliervorgang Fahrbahndecken aus Waschbeton erfüllen bei aus-
wird die Probe mit Wasser von anhaftendem ab- reichender Texturtiefe und hohem Polierwiderstand
getragenem Material und Poliermittelresten ge-
(PSV) der groben Gesteinskörnungen i. d. R. die
reinigt. Nach der Reinigung der Probe wird sie
bauvertraglichen Anforderungswerte an die Griffig-
dem Messvorgang zugeführt.
keit. Die Möglichkeit der Vorhersage der langfristi-
3. Messvorgang: Das Messen der Griffigkeit erfolgt gen Entwicklung der Griffigkeit dieses Oberflächen-
durch einen Bremsvorgang von 100 km/h bis zum typs besteht jedoch bisher nicht. Mit der Prüfanlage
Stillstand bei einer statischen Auflast von 253 N. Wehner/Schulze steht für diese Entwicklung eine
Hierzu wird ein Messkopf mit drei radial in einer Prüfapparatur zur Verfügung, die sich seit Jahr-
Kreisbahn mit einem Durchmesser von 18 cm an- zehnten für die Messung von Asphaltoberflächen
geordneten Messgummis (L/B = 30,0/14,5 mm; bewährt hat. Daher soll in dem vorliegenden Vorha-
65 Shore A Härte) beschleunigt. Nach Beschleu- ben untersucht werden, ob mit diesem Prüfverfah-
nigung auf 100 km/h wird der Messkopf bei kons- ren auch die langfristige Entwicklung der Griffigkeit
tanter Wasserzufuhr von 20 l/min auf die zu prü- von Waschbetonoberflächen labortechnisch prog-
fende Oberfläche ausgekuppelt. Zur Bewertung nostiziert werden kann. Insbesondere ist dabei von
der Griffigkeit wird das Drehmoment über die ge- Interesse, welche Eigenschaften der Oberfläche
samte Bremsdauer aufgezeichnet [27]. und der groben Gesteinskörnungen für den langfris-
tigen Erhalt einer ausreichenden Griffigkeit aus-
Für das Prüfverfahren nach DIN EN 12697-49 [25]
schlaggebend sind.
wird zunächst eine Kalibriermessung der Mess-
gummis auf einem Drahtornamentglas durchge- Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Prüfanla-
führt. Anschließend wird die Probe für 90.000 ge Wehner/Schulze für eine Polierbeanspruchung
Überrollungen in der Poliereinheit belastet, gerei- von Waschbetonoberflächen zu prüfen und den
nigt und in der Messeinheit gemessen. Darauf folgt Prüfablauf auf dieses Einsatzfeld hin zu optimieren.
eine erneute Überprüfung auf dem Drahtorna- Mit einer Parameterstudie sollen verschiedene Ein-
mentglas, um Veränderungen der Messgummis zu flussfaktoren auf das Griffigkeitsverhalten und die
erkennen. Der Reibungsbeiwert wird für eine Ge-
Griffigkeitsentwicklung der Waschbetonoberflächen
schwindigkeit von 60 km/h aus dem gemessenen
untersucht werden. Zudem sollen erste Untersu-
Drehmoment (M ), der Anpresskraft (F ) und dem
chungen zum Vergleich der modifizierten PWS mit
Radius des Messkopfs (r) nach Formel 2 bestimmt
der Praxisbeanspruchung durch Schwerverkehr an-
[17, 18].
hand von Bohrkernproben durchgeführt werden.
Formel 2 Für die Verwendung der PWS auf Waschbeton sind
jedoch in der Literatur sich widersprechende Ergeb-
Um den Einfluss der Messgummis auf das Messer- nisse zu finden. Einerseits ergaben Untersuchun-
gebnis auszuschließen, wird das Ergebnis im An- gen von KUGLER et al. [23], dass mit dem standar-
schluss mit dem Mittelwert der Kalibriermessung
disierten Beanspruchungsregime auf Waschbeton
(µkm) und dem Sollwert der Kalibrierplatte (µref) ent-
bereits eine zu starke Beanspruchung vorliegt, mit
sprechend Formel 2 angepasst [17, 18].
der Folge, dass keine ausreichende Trennschärfe
Formel 3 festgestellt werden konnte. Als möglicher Verbesse-
rungsansatz wurde der Poliermittelgehalt auf16
0,006 kg pro Liter Wasser, also ein Zehntel der AP 3: Mit dem dritten Arbeitspaket AP 3 sollte ein
standardisierten Menge reduziert. Vergleich zwischen der im Labor ausgeführ-
ten und der real in der Praxis vorkommenden
Andererseits zeigten Untersuchungen durch Beanspruchung vorgenommen werden. Hier-
SPENGLER [28], dass Waschbetonproben, die mit zu wurden aus mehreren Praxisstrecken
bis zu 3.000.000 Überrollungen belastet wurden, Bohrkerne aus dem Standstreifen (entspricht
keine maßgebliche Veränderung aufwiesen. Die näherungsweise der unbelasteten Oberflä-
Bewertung erfolgte anhand von Oberflächenkenn- chenstruktur) und der rechten Rollspur des
daten zur Beschreibung der Mikrotextur. Ein Lö- rechten Fahrstreifens (insbesondere durch
sungsansatz wurde durch eine alternative Bean- Schwerverkehr (SV) polierte Oberflächen-
spruchungssart mittels einer Walzenpoliermaschi- struktur) entnommen. Von beiden Probenty-
ne, die die Proben trocken mit Schleifpapier po- pen (unbelastet, belastet) wurde anschlie-
liert, gefunden. ßend die Griffigkeit mit der Messeinrichtung
der PWS bestimmt. So konnte der Rückgang
der Griffigkeit aufgrund der Praxisbeanspru-
chung der Proben quantifiziert werden. An-
3 Vorgehen schließend wurden die unbelasteten Proben
Das Vorhaben gliedert sich in drei Arbeitspakete. dem in AP 1 entwickelten Polierszenario un-
terworfen und schließlich erneut deren Griffig-
AP 1: Im ersten Arbeitspaket sollte die Prüfanlage keit ermittelt. Dies erlaubt eine vergleichende
Wehner/Schulze für die Anwendung auf Bewertung des Rückgangs der Griffigkeit auf-
Waschbetonoberflächen optimiert werden. grund der mit der PWS durchgeführten Polier-
Ziel war es hierbei, durch geringfügige, rever- beanspruchung mit dem Rückgang der Griffig-
sible und dadurch schnell und kostengünstig keit unter Praxisbeanspruchung. Das Erken-
durchführbare Änderungen an der Polier- nen des Zusammenhanges zwischen der Grif-
und der Messeinheit Messungen auf Wasch- figkeitsentwicklung aufgrund der realen Pra-
betonoberflächen zu ermöglich. Ziel der An- xisbeanspruchung und der im Labor nachge-
passungen war es, eine ausreichende Ver- stellten Beanspruchung soll die Basis für die
fahrenspräzision zu erreichen und die Wirt- Prognose der langfristigen Griffigkeitsentwick-
schaftlichkeit durch Reduktion des Mess- lung unter Praxisbeanspruchung im Labor mit-
gummiverschleißes zu verbessern. Mit der hilfe der PWS liefern.
Anpassung der Poliereinheit sollte die Inten-
sität der Polierbeanspruchung derart opti-
miert werden, dass sie die in der Praxis vor-
kommende Polierung von Waschbetonober- 4 Modifikation der Prüfanlage
flächen im Labor hinreichend genau nach-
stellen kann. Dies liefert die Basis für die Ent-
Wehner/Schulze (PWS)
wicklung eines Verfahrens zur Prognose der 4.1 Anpassung des Aufbaus der
Griffigkeitsentwicklung von Waschbetonober- Reibungsmessung
flächen unter einer praxisnahen Beanspru-
chung. Die Optimierung der Messung kann durch unter-
schiedliche Varianten des Messkopfes inklusive der
AP 2: Das zweite Arbeitspaket sollte anhand der Messgummis erfolgen. Hierdurch kann auch das
Optimierungen aus AP 1 mögliche Einfluss- Verschleißverhalten der Blöcke reduziert und ggf.
parameter auf das Griffigkeitsverhalten von die Verfahrenspräzision verbessert werden.
Waschbetonoberflächen untersuchen und
bewerten. Hierzu wurden Waschbetone mit Hierzu wurden zwei Varianten untersucht. Zum ei-
unterschiedlichen Gesteinseigenschaften nen wurde die Kontaktfläche der Messgummis er-
(Polierwert, Plattigkeit, Bruchflächigkeit, höht und zum anderen wurden unterschiedliche
Größtkorn, Sieblinie) untersucht. Zusätzlich Gummihärten der M betrachtet. Ziel dieser beiden
wurde der Einfluss der ausführungsbeding- Varianten war es, durch Reduktion der Eindringtiefe
ten Texturtiefe als auch orientierend der Ein- der freiliegenden Gesteinskörnung in die Messgum-
satz auf alternativen Oberflächen (Grinding mis deren Abtrag zu vermindern. In Bild 9 ist dies
und offenporiger Beton) untersucht. schematisch für den Fall einer Verdopplung der17
Kontaktfläche der Messgummis dargestellt. Auf- • Drahtornamentglas
grund der doppelten Kontaktfläche bei gleicher An-
• Sand (Körnung 0,2-0,4 mm)
presskraft wird der Anpressdruck und damit die Ein-
dringtiefe des Gesteins in den Messgummi halbiert. • Beton ohne Texturierung
Unter der Annahme eines dreieckigen (2D) Ge-
• Waschbeton.
steinskorns ergibt sich daraus ein Viertel der Ein-
dringfläche. Die unterschiedlichen Oberflächen, ausgenommen
des Drahtornamentglases, wurden vorab mit einem
Je Variante wurden neben den Referenzmessun- Lasersensor auf deren Texturtiefe (ETD-Wert) sowie
gen mit 3 Messgummis mit 65 Shore A Härte gemäß den Gestaltfaktor hin charakterisiert. Der Lasersen-
DIN EN 12697-49 [17] (siehe Bild 10, links), zwei sor tastet die Oberfläche auf einem Kreisring mit ei-
Modifikationen untersucht. Um die Kontaktfläche zu nem Durchmesser von 225 mm ab. Er erfasst somit
erhöhen, wurde die Messgummianzahl in einer ers- dieselbe Textur, die in der PWS geprüft wird. Die ein-
ten Modifikation von drei auf sechs verdoppelt (Bild zelnen Profillinien sowie der ETD-Wert und der Ge-
10, Mitte). Weiterhin wurde als zweite Modifikation staltfaktor g der mit dem Lasersensor gemessenen
ein nahezu vollständiger Messgummiring bei glei- Oberflächen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
cher Messgummibreite eingesetzt (Bild 10, rechts).
Alle Oberflächen wurden mit der PWS hinsichtlich
Weiterhin wurden neben den derzeit verwendeten ihrer Griffigkeit untersucht, wobei jeweils zwei Mes-
Messgummis mit einer Härte von 65 Shore A auch sungen an einer Oberfläche zu einem Reibbeiwert
Messgummis mit einer Härte von 75 sowie mit 85 μPWS zusammengefasst wurden. Bei den Sandplat-
Shore A getestet. ten wurden zuvor 90.000 Überrollungen gemäß TP
Gestein-StB Teil 5.4.2 [18] mit der Polierstation der
Um das Verhalten bei der Messung des Reibbei-
PWS durchgeführt.
werts der neu entworfenen Prüfköpfe einordnen zu
können, wurden Griffigkeitsmessungen an den fol- Bild 11 zeigt die Ergebnisse der Griffigkeitsmes-
genden Oberflächen vorgenommen: sung in der PWS in Abhängigkeit der Anzahl und
Härte der Messgummis für die in Tabelle 4-1 darge-
stellten Oberflächentypen.
Mit dem nahezu vollständigen Messgummi wurden
jedoch insbesondere beim Sand, große Abweichun-
gen des μPWS-Wertes in Abhängigkeit der Härte
festgestellt. Dies kann teilweise auf ein Aufschwim-
men der Messgummis zurückgeführt werden, da es
aufgrund des fast vollständigen Rings zu einer
schlechteren Entwässerung und somit zu einer er-
höhten Wasserfilmdicke auf der Probe kam. Teilwei-
se konnte durch die schlechte Entwässerung auch
Bild 9: Schematische Darstellung der Eindringfläche eines ein Aufstauen des Wassers und damit Messungen
spitzen Körpers bei Verdopplung der Kontaktfläche,
mit 1 bei doppelter Kontaktfläche und 2 bei Standard- mit reduzierter Wasserfilmdicke beobachtet wer-
fläche
Bild 10: Prüfköpfe mit unterschiedlicher Messgummizahl und -fläche für die PWS: herkömmlicher Prüfkopf mit drei Messgummis
(links), neuer Prüfkopf mit sechs Messgummis (Mitte), neuer Prüfkopf mit nahezu vollständigen Messgummiring (rechts)18
3
1 2 4
ETD-Wert
Oberflächentyp Profillinie Gestaltfaktor g
(ELAtextur)
[-] [-] [%]
[mm]
Sand (Körnung 0,2 - 0,4 mm)
0,38 47,10
Beton ohne Texturierung
0,40 45,90
Waschbeton
0,75 43,40
Tab. 4-1: Texturcharakterisierung der mit dem Lasersensor untersuchten Oberflächen
Bild 11: Reibbeiwert µPWS für unterschiedliche Oberflächen in Abhängigkeit der Anzahl und Härte der Messgummis
den. Der Messring wurde daher bei den weiteren Um eine quantitative Aussage über den Verschleiß
Untersuchungen nicht weiter betrachtet. der Messgummis treffen zu können, wurden Untersu-
chungen an zwei Betonen bei ETD-Werten von 0,7
Es hat sich gezeigt, dass der Reibbeiwert μPWS für mm und 1,0 mm, mit den Varianten: drei Messgum-
das Drahtornamentglas nahezu unabhängig von mis mit Härten von 65 Shore A (65x3) bzw. 85 Sho-
der Anzahl und der Härte der Messgummis ist. re A (85x3) und sechs Messgummis mit einer Härte
von 65 Shore A (65x6) durchgeführt. Dabei wurde
Bei erhöhter Härte der Messgummis erhöht sich mit der Volumenverlust, ermittelt über den Masseverlust
zunehmender Anzahl an Messgummis der Reibbei- sowie die Texturveränderung anhand von Oberflä-
wert (vgl. Bild 12). Für eine Messgummihärte von chenmessungen mit einem Distanzlaser mit einer
65 Shore A konnte bei der Verwendung von 3 und Vertikalen Genauigkeit von ±0,5 µm über je 7 Mess-
6 Messgummis kein maßgeblicher Unterschied des linien quer zur Belastungsrichtung, der Messgummis
Reibbeiwerts festgestellt werden. nach 0, 3, 9 und 18 Messungen aufgenommen.19
Bild 14: Ausbruch an einem Messgummi mit einer Härte von
85 Shore A nach 18 Messungen auf Waschbeton mit
einem ETD-Wert von 0,7 mm
Bild 13 stellt die mittlere Veränderung der Oberflä-
chenbeschaffenheit über die Breite der Messgum-
mis nach 18 Messungen links für einen ETD-Wert
Bild 12: Streuung des Reibbeiwertes µPWS für unterschiedliche
von 0,7 mm und rechts für 1,0 mm dar.
Oberflächen in Abhängigkeit der Härte und Anzahl
der Messgummis (MG) Mit einer mittleren Abtragstiefe der Messgummis
von 0,3 mm bei einem ETD-Wert des Waschbetons
von 0,7 mm sowie 0,8 mm Abtragstiefe der Mess-
gummis bei einem ETD-Wert des Waschbetons von
1,0 mm weist die Anordnung mit einer Härte von 65
Shore A und sechs Messgummis (65x6) einen um
15-20 % geringeren Verschleiß gegenüber dem
Grundaufbau mit 3 Messgummis (65x3) bei gleicher
Härte auf. Die Messungen mit einer Härte von 85
Shore A (85x3) zeigen einen erhöhten Materialab-
trag. Zusätzlich konnten bei diesen Messgummis
vereinzelt großvolumige Ausbrüche beobachtet
werden (Bild 14).
Auch die Kontrolle des Volumenverlustes bestätigte
einen schnelleren Materialabtrag der Messgummis
mit einer Härte von 85 Shore A, siehe Bild 15. Dies
lässt sich im Wesentlichen auf ein spröderes Ver-
halten des Materials zurückführen. Das Ziel eines
reduzierten Verschleißes wurde durch die erhöhte
Härte somit nicht erreicht. Als vielversprechend be-
züglich der Verschleißminderung erwies sich hinge-
gen die erhöhte Anzahl an Messgummis. Während
anhand der Volumenverlustdaten bei den Messun-
gen auf Oberflächen mit ETD-Werten von 0,7 mm
ein nahezu identischer Verschleiß gegenüber dem
standardisiertem Prüfaufbau beobachtet werden
konnte (vgl. Bild 15 links), ergab sich bei ETD-Wer-
ten von 1,0 mm eine Verschleißminderung um rund
Bild 13: Mittlere Oberflächenbeschaffenheit der Messgummis 35 % (vgl. Bild 15 rechts).
nach 18 (bzw. 9) Messungen für unterschiedliche
Härten und Anzahl an Messgummis. – oben: geprüft Für die weiteren Versuche wurde daher unter Bei-
auf Waschbeton mit einem ETD-Wert von 0,7 mm;
unten: geprüft auf Waschbeton mit einem ETD-Wert behaltung der Messgummihärte die Messgummian-
von 1,0 mm zahl auf dem Messring von 3 auf 6 erhöht.Sie können auch lesen
