The concrete roads of today and tomorrow – challenges and possible solutions

Dipl.-Ing. T. Wolf, München

Der Betonstraßenbau besitzt in Deutschland eine lange Tradition. Dementsprechend hat die Bauweise viele verschiedene Entwicklungsstufen durchlaufen und ist heute angekommen bei der unbewehrten Plattenbauweise mit verdübelten Querscheinfugen, verankerten Längsscheinfugen und Waschbeton als Standardoberfläche auf Autobahnen. Die Deckendicken für die höchste Belastungsklasse Bk100 nach RStO 12 [1] reichen dabei von 26 cm auf einer Asphalttragschicht über 27 cm auf HGT oder Verfestigung bis zu 29 cm auf ungebundener Schottertragschicht. Die regional bewährte Bauweise Betondecke im direkten Verbund zur HGT/Verfestigung kommt aktuell noch auf Flugbetriebs- oder Industrieflächen zur Anwendung. Im Straßenbau wird der Verbund i. d. R. durch einen Vliesstoff, in seltenen Fällen auch durch eine Asphaltzwischenschicht, unterbrochen. Der Einbau der Betondecke erfolgt auf Autobahnen zweischichtig oder zweilagig mit modernen Gleitschalungsfertigern. Der einschichtige Einbau beschränkt sich dabei auf nachträglich herzustellende Flächen wie z. B. Beschleunigungs- und Verzögerungsspuren an Anschlussstellen sowie auf Handfelder. Für die Betonherstellung und den Einbau sind die FGSV-Regelwerke ZTV Beton-StB [3] und TL Beton-StB [4] bindend. Sie bilden die Erfahrungen der Betonstraßenfachleute der letzten Jahrzehnte ab und stellen damit eine hohe Ausführungsqualität und Dauerhaftigkeit der Bauweise sicher. Das zunehmende Bedürfnis der Bevölkerung nach Lärmminderung und Fahrkomfort stellt auch die Betonbauweise vor weitere Herausforderungen. Die Entwicklung von alternativen Betonoberflächen, natürlich unter Beibehaltung aller bestehenden positiven Eigenschaften der Betonstraße, steht hierbei im Fokus der Arbeit der FGSV-Arbeitsgruppe 8 Betonbauweisen. Dabei kristallisiert sich die Grindingoberfläche aufgrund ihrer hervorragenden Ebenheit und Griffigkeit sowie eines hohen Lärmminderungspotenzials als zukünftige Betonoberfläche auf Bundesfernstraßen heraus.

Germany has a long tradition of constructing roads from concrete. Consequently, the construction method has undergone numerous different development stages on the road to its current form of unreinforced panel construction with dowelled transversal dummy joints, anchored longitudinal joints and exposed aggregate concrete as a standard surface on federal autobahns. The pavement thickness for the highest load category Bk100 according to RStO 12 [1] ranges in this case from 26 cm on an asphalt base course through to 27 cm on a hydraulically bound base course or stabilisation up to 29 cm on an unbound gravel base course. The regionally proven construction method using concrete pavement bonded directly to the hydraulically bound base course/stabilisation is currently still used on aviation or industrial areas. In road construction, the bond is generally interrupted by a non-woven sheet and, in rare cases, by an asphalt interlayer. The concrete pavement on federal autobahns is installed in two layers or double layers using modern slip-form pavers. The use of single-layered installation is confined in this case to areas that must be subsequently created such as acceleration and braking lanes at junctions as well as on manually laid sections. With regard to the production and installation of concrete, the FGSV regulations ZTV Beton-StB [3] and TL Beton-StB [4] are binding. By condensing the experiences accumulated by concrete road experts in recent decades, they ensure high quality of execution and the durability of the construction method. The growing requirement among the general population for noise reduction and driving comfort also sets further challenges for the concrete construction method. The development of alternative concrete surfaces, while naturally retain all existing positive characteristics of concrete roads, is the focus of the work carried out by the FGSV Working Group 8: Concrete Pavements. In this context, the grinding surface emerges as a future concrete surface on German trunk roads due to its exceptional flatness and skid-resisting properties as well as a high noise-reducing potential.

Concrete strength – A known material parameter?

Dr.-Ing. A. Riwe, Anklam

Die Betonfestigkeit ist der zentrale Materialparameter bei der rechnerischen Dimensionierung von Betonfahrbahnen. Das Technische Regelwerk bietet ein abgestimmtes System formaler Regeln für die Bestimmung und Verarbeitung der Festigkeitswerte. Trotz der damit gegebenen formalen Einfachheit beim Umgang mit diesem Parameter kann es in der Praxis zu Fragestellungen kommen, deren Beantwortung nur möglich ist, wenn die zugrunde liegenden komplexeren Zusammenhänge betrachtet werden. Dabei kann die Nutzung theoretischer Modelle aus der Mechanik und Festigkeitslehre ebenso hilfreich sein wie die Kenntnis statistischer Methoden.

Concrete strength is the most important material parameter in the computational dimensioning of concrete pavements. The technical code provides a coordinated system of formal rules for determining and processing the strength values. Despite the formal simplicity of dealing with this parameter, questions may arise in practice that can only be answered if the underlying more complex relationships are considered. The use of theoretical models from mechanics and strength theory can be just as helpful as knowledge of statistical methods.

Internal water-repellent treatment – a novel strategy for mitigating alkali-aggregate reaction in concrete pavement

F. Weise; M. Fladt, Berlin

Um die zunehmenden AKR-Schäden an Betonfahrbahnen im deutschen Autobahnnetz zukünftig zu vermeiden, wurden mit dem ARS 04/2013 verbindliche Eignungsprüfungen zum Ausschluss alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen bei Neubau- und Erhaltungsmaßnahmen eingeführt. Dies führte zu einer deutlichen Reduzierung der
geeigneten Gesteinskörnungen. Vor diesem Hintergrund soll durch die Zugabe eines Innenhydrophobierungsmittels während der Betonherstellung grenzwertig alkaliempfindliche Gesteinskörnung nutzbar gemacht werden. Die AKR-Vermeidungsstrategie basiert dabei auf der signifikanten Reduzierung des Eindringens von Wasser und Tausalzlösung in den Fahrbahndeckenbeton. In einem im Auftrage der BASt an der BAM durchgeführten Forschungsvorhaben wurde die Leistungsfähigkeit verschiedener Hydrophobierungsmittel für diesen Einsatzzweck grundhaft untersucht. In dem Beitrag wird exemplarisch die Leistungsfähigkeit eines geeigneten Hydrophobierungsmittels in einem Waschbeton mit einer sehr alkaliempfindlichen Grauwacke aufgezeigt. Das Spektrum der Laboruntersuchungen reicht dabei von AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr sowie den aufbauend durchgeführten mikroskopischen Untersuchungen zur Bewertung des AKR-Schädigungspotenzials über die Analyse des Feuchte- und Tausalzeintrags bis zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalz-Widerstands. Abschließend wird der noch vorhandene Forschungsbedarf zur Überführung dieser neuen AKR-Vermeidungsstrategie in die Praxis aufgezeigt.

In order to avoid the increasing ASR damage to concrete pavements in the German motorway network in the future, binding suitability tests for the exclusion of alkali-sensitive aggregates in new construction and maintenance measures were introduced with ARS 04/2013. This led to a significant reduction in the number of suitable aggregates. Against this background, borderline alkali-sensitive aggregates are to be made usable by adding an internal water repellent during concrete casting. The ASR avoidance strategy is based on the signifi-cant reduction of the penetration of water and de-icing salt solution into the concrete pavement. In a research project carried out at BAM on behalf of the BASt, the performance of various hydrophobing agents for this application was thoroughly investigated. In this contribution, the performance of a suitable water repellent in an exposed aggregate concrete with a very alkali-sensitive greywacke is shown as an example. The spectrum of laboratory investigations ranges from ASR concrete tests with alkali supply and the microscopic investigations carried out to evaluate the ASR damage potential, to the analysis of the moisture and de-icing salt penetration, to the determination of the mechanical properties and the freeze-thaw resistance. Finally, the still existing need for research for the transfer of this new ASR prevention strategy into practice is shown.

Active thermal management of pavements as an adaptation strategy to climate change in Germany – Part 2: Modeling and forecast calculations

Dr.-Ing. M. Clauß; Prof. Dr.-Ing. habil. F. Wellner; Dipl.-Ing. (FH) S. Pinnau; Prof. Dr. rer. nat. habil. C. Breitkopf, Dresden
M. Nullmeyer M. Sc., Dipl.-Ing. L. Keller, Bremen

Straßenkonstruktionen müssen großen Temperaturbelastungen mit Frost im Winter und hohen Temperaturen im Sommer standhalten, wobei dies durch den Klimawandel zukünftig noch verstärkt wird. In Verbindung mit den mechanischen Belastungen durch den Verkehr kann dies zur beschleunigten Entwicklung von Spurrinnen und Ermüdungsrissen führen. Eine mögliche Lösung für thermisch und verkehrstechnisch hochbelastete Bereiche ist ein aktives Thermomanagement durch die Einbettung von Rohrkollektoren, mit denen im Sommer die Wärme aus dem Asphalt entzogen werden kann. Dies eröffnet einerseits die Möglichkeit zur Nutzung der Wärme und verspricht andererseits auch eine Verbesserung der Nutzungsdauer der Straßenkonstruktion. Im SEDA-Projekt wurden verschiedene Arten von Asphaltkollektoren experimentell auf dem duraBASt sowie mit numerischen Simulationen untersucht. Im zweiten Teil des Fachbeitrags werden die Modellierung und Simulation des thermischen und mechanischen Verhaltens der Straßenkonstruktion mit eingebetteten Rohrkollektoren sowie die Prognose der Nutzungsdauer beschrieben. Für die untersuchte Kollektorvariante wurde durch die aktive Kühlung gegenüber dem Referenzaufbau eine Erhöhung der Dauerhaftigkeit der Asphalttragschicht um etwa 37 % prognostiziert.

Asphalt pavements must be able to resist large temperature stresses including frost in winter and high temperatures in summer, and this will be further increased in the future due to climate change. In conjunction with the mechanical stresses caused by traffic, this may lead to an accelerated development of rutting and fatigue cracking. One possible solution for areas with high thermal and traffic loads is an active thermal management by embedded pipe collectors, which can be utilized to extract heat from the asphalt in summer. On the one hand, this opens up the possibility of using the heat, and on the other hand, it also promises to improve the service life of asphalt pavements. In the SEDA project, different types of asphalt collectors were investigated experimentally on the duraBASt test site and with numerical simulations. The second part of this paper describes the modeling and simulation of the thermal and mechanical behavior for the road structure with embedded tube collectors as well as the prediction of the durability. For the investigated collector variant, an increase in the durability of the asphalt base layer by about 37 % was predicted due to the active cooling compared to the reference structure.