Instandhaltung mit synthetischen Reparaturbaustoffen
Sanierung von Asphaltflächen in der PraxiserprobungNeuesten Prognosen zufolge wird sich die Gütertransportleistung auf der Straße bis 2025 massiv erhöhen. Was bedeutet dies für unsere Verkehrsflächen? Neuartige Baustoffe sowie innovative Bauweisen bieten hier Lösungsansätze.
1 Belastungssituation in den schadhaften Bereichen des Logistikhofes
© Schacht, 2024
1 Herausforderungen im Erhaltungsmanagement
Neuesten Prognosen des Bundeministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur zufolge wird sich der Anteil der Gütertransportleistung auf der Straße bis 2025 auf 76 Prozent erhöhen [BMVD, 2007]. Was bedeutet dies für die Nutzungs- bzw. Lebensdauer unserer hochbelasteten Verkehrsflächen, aber auch Industrie- und Logistikflächen? Welche baulichen Maßnahmen können deren bestimmungsgemäße Nutzung und Funktion nachhaltig gewährleisten und welche Alternativen gibt es zu konventionellen Instandhaltungs- und Instandsetzungsverfahren im Asphaltbau? Erste Antworten ließen sich von labortechnischen Untersuchungen, u.a. [Renken, 2019], [Schacht, 2015], [Schacht et al., 2018], [Tekampe, 2024] und [Wiechers, 2022], ableiten, die nun durch Praxiserprobung bestätigt werden sollten.
2 Verformungen und Schäden in der Asphaltdeck-schicht in den schadhaften Bereichen
© Schacht, 2024
Neuartige Baustoffe sowie innovative Herstellungs- und Bauweisen finden, gerade bei partiellen Instandsetzungen der Verkehrsflächen in Asphaltbauweise, zunehmend Anwendung. Im Besonderen stellt die Sanierung von Asphaltdeckschichten mit Ersatzmassen auf Basis synthetischer Bindemittel, wie z.B. PMMA-Mörtel, eine wirtschaftliche und zugleich ressourcenschonende Alternative zu den konventionellen Instandhaltungs- und Instandsetzungsverfahren mit Heiß- und Kaltasphalten dar.
3 und 4 Ausmaß der flächigen Verdrückung und Verformung in der Deckschicht
© Schacht, 2024
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Ersatzmassen auf Basis vom PMMA-Harzen (Polymethylmethacrylat) bieten dabei entscheidende Vorteile: Sie lassen sich bei Temperaturen bis minimal 0 °C verarbeiten, sind schnell härtend, hoch widerstandsfähig und wasserdicht. Reparaturen lassen sich so zeitnah auch bei widrigen Witterungsverhältnissen und in der kälteren Jahreszeit realisieren – mit einem dauerhaften Ergebnis. Dass der Baustoff bereits nach 45 Minuten überfahrbar ist, minimiert notwendige Sperrzeiten und ist ein weiteres Argument, welches Betreibern und Fachfirmen in die Hände spielt.
5 und 6 Vorbereitungsarbeiten zur Sanierung der Asphaltflächen
© Schacht, 2024
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2 Steckbrief synthetischer Reparaturbaustoffe
Ersatzmassen mit synthetischen Bindemitteln, beispielsweise PMMA o.Ä., stellen eine grundsätzliche Alternative zu den konventionellen Heiß- und Kaltasphalten bei der Sanierung von Asphaltdeckschichten dar. Die Instandsetzung durch synthetische Ersatzbaustoffe zeichnet sich dabei durch einen geringen logistischen Aufwand dank passgenauer Materialverfügbarkeit, eine gleichbleibende Bindemittelqualität, kurze Verarbeitungs- und Sperrzeiten, den Einsatz leichter Technik und einem geringen Personalaufwand aus. Synthetische Reparaturbaustoffe bieten damit eine wirtschaftliche und bautechnisch adäquate Lösung für eine ökonomisch sinnvolle und nachhaltige Erhaltung unserer Straßeninfrastrukturen [Wiechers, 2022].
3 Erhaltungsmaßnahmen im Fokus
Grundsätzlich bedarf es einer kontinuierlichen und wirtschaftlichen Erhaltung, um eine technisch funktionierende, leistungsfähige und umweltverträgliche sowie resiliente Infrastruktur sicherzustellen. Eine nicht durchgeführte oder ungenügende Straßenerhaltung beeinträchtigt die Verkehrssicherheit durch Schlaglöcher, offene Nähte, Risse und Verformungen, führt zu einem schnelleren Verschleiß der Verkehrsflächen und macht ggf. eine teure grundhafte Erneuerung erforderlich [Wiechers, 2022].
Die rechtzeitige Einleitung und Durchführung geeigneter Erhaltungsmaßnahmen unmittelbar nach dem Erkennen von Schäden, auch bei widrigen Witterungsverhältnissen, kann dies verhindern und die Widerstandsfähigkeit (Resilienz) der Infrastruktur nachhaltig verbessern.
7 und 8 Schutz der angrenzenden Flächen und Vorbereitung des Sanierungsbereichs
© Schacht, 2024
Um z. B. das Verfüllen von Schlaglöchern oder einzelner Risse, Oberflächenbehandlungen einzelner Schadstellen oder auch den Verguss offener Fugen weitestgehend unabhängig von Witterungseinflüssen ausführen zu können, bedient man sich gerne Reparaturasphalte, auch als Kaltmischgut (KMG) bezeichnet. Für diese Anwendungsbereiche bieten aber auch die Ersatzmassen auf Kunstharzbasis, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), eine wirtschaftliche Alternative. Bereits von einem auf dem Markt vertretenden Hersteller von PMMA-Mörtel beauftragte Prüfungen haben ergeben, dass PMMA-Systeme entscheidende Vorteile bieten.
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Im Vergleich mit konventionellen Bauweisen und Baustoffen zeigen bisherige Untersuchungen, wie beispielsweise [Schacht, 2015], [Schacht et al., 2018], [Tekampe, 2024] und [Wiechers, 2022], dass synthetische Reparaturbaustoffe auf Basis von PMMA-Mörteln im Vergleich mit Asphalt verbesserte Performanceeigenschaften und somit eine höhere Nutzungsdauer bei vergleichbarer (Belastungs-)Verkehrsstärke zeigen.
Auch sei durch die hohlraumfreie Gestalt des PMMA-Mörtels davon auszugehen, dass die überbaute Verkehrsflächenbefestigung durch den PMMA-Mörtel gegen den Zutritt von Wasser geschützt wird und daher die Lebensdauer zusätzlich verlängert wird. Hierbei ist aber die Dicke der Beschichtung in Abhängigkeit von der Steifigkeit der zu beschichtenden Fläche auszuwählen, wobei aus den bisherigen Ergebnissen einer dickeren Variante der Vorzug zu geben ist.
Nach [Schacht, 2015] und [Wiechers, 2022] besitzen PMMA-Mörtel weiterhin ein gegenüber Asphalt und Beton grundsätzlich besseres Steifigkeits-Temperaturverhalten und liefern somit deutliche mechanische Reserven im gesamten (Nutzungs-)Temperaturbereich – PMMA-Mörtel sind resistenter gegen Verformungen bei Wärme in den Sommermonaten und weniger Rissanfällig bei Kälte in den Wintermonaten. Durch die Kombination von Asphaltbauweise und PMMA-Mörtel verbessern sich die Eigenschaften des gebundenen Oberbaus – je nach Lage werden die Eigenschaften bedarfsgerecht aktiviert.
4 Praxiserprobung der synthetischen Reparaturbaustoffe
Neben labortechnischen Untersuchungen synthetischer Reparaturbaustoffe auf Basis von PMMA-Mörteln erfordert eine Eignungsfeststellung darüber hinaus gehend eine Anwendung und Erprobung im Rahmen einer konkreten Maßnahme. Hierfür wurde eine Logistikfläche in Asphaltbauweise im Bereich vor den Entlade- bzw. Verladerampen eines Logistikgebäudes ausgewählt, deren Asphaltdeckschicht teilweise große bzw. flächige Verdrückungen (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2), Verformungen und Spurrinnen, im Maximum mit Tiefen von mehreren Zentimetern (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4), sowie Ausbrüche und Kornverluste aufwies.
Die Belastung der Fläche resultiert aus einer Nutzung an etwa 310 Tagen im Jahr. Die Anlieferung an den Rampen erfolgt mit Lkw mit einem üblichen Gewicht von durchschnittlich 36 bis 40 Tonnen, verteilt auf i.d.R. fünf Achsen je Lkw, durchschnittlich 3- bis 4-mal täglich. Es ergibt sich eine durchschnittliche tägliche Verkehrsbelastung (DTV(SV)) von etwa 1.300 Fahrzeugen bzw. 403.000 Fahrzeugen pro Kalenderjahr. Die Fläche ist gemäß [RStO 12/24] mindestens der Belastungsklasse Bk32 mit besonderer Beanspruchungssituation durch die an- und abfahrenden Lkw zuzuordnen.
9 bis 11 Einbringen des PMMA-Reparaturmörtels in die vorbereiteten Sanierungsbereiche
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Die vorliegenden Verformungen standen dabei in direktem und unmittelbarem Zusammenhang mit der Anfahrsituation bzw. den Anfahrspuren der an die o.g. Rampen heranfahrenden Lkw sowie mit der Parkposition der Lkw bzw. der Lkw-Reifen (siehe Abbildung 1). Pro Verlade- und Entladerampe waren grundsätzlich fünf Verformungsbereiche in zwei Fahrspuren erkennbar.
Die Schäden waren zum einen auf Verformungen der Deck- und Binderschicht mit Materialverdrängung ohne Verformung der Asphalttragschicht und zum anderen auf plastische Verformungen (Einsenkungen) des gesamten bitumen-gebundenen Oberbaus infolge einer nicht ausreichenden Tragfähigkeit des ungebundenen Oberbaus, Setzungen im Unterbau/Untergrund oder Frosteinwirkungen infolge eines nicht-frostsicheren Bodenmaterials zurückzuführen. Auch eine generelle Unterdimensionierung war festzustellen. Weiter durchgeführte Untersuchungen der Tragfähigkeit und Verdichtung des ungebundenen Oberbaus sowie des Planums zeigten entsprechend korrespondierende Verdichtungs- und Tragfähigkeitsdefizite.
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Die Verformungen in der vorhandenen Asphaltdeckschicht stellten für den Betreiber des Logistikhofes eine besonders große Beeinträchtigung der Gebrauchstauglichkeit und Nutzbarkeit dar. Bei Niederschlägen oder in der kalten Jahreszeit war von einer erheblichen Verkehrsgefährdung für Fußgänger infolge von Wasseransammlungen und/oder Eisbildung (Stolper- und Rutschgefahren) auszugehen. Eine Stolper- und Sturzgefahr bestand darüber hinaus kontinuierlich.
Unter Berücksichtigung der örtlichen und betrieblichen Randbedingungen des Auftraggebers sollte die Fläche vor den Verladerampen auf einer jeweiligen Länge von etwa 20 bis 25 Meter kurzfristig, kleinteilig, örtlich begrenzt und schnell instandgesetzt werden. Betrieblich konnten nur sehr kurze Sperrzeiten der einzelnen Rampen ermöglicht werden. Darüberhinausgehende Betriebseinschränkungen zur Instandsetzung der Flächen konnten nicht eingeräumt werden. Entsprechend war eine grundhafte Erneuerung der Fläche im Aufstellbereich bspw. mit einer hydraulisch gebundenen Oberbaubefestigung als Betonfläche oder die Herstellung einer halbstarren Deckschicht nicht zu realisieren, so dass eine kleinteilige Instandsetzung der Verformungen und Verdrückungen der Asphaltdeckschicht mit synthetischen Reparaturbaustoffen auf Basis von PMMA-Mörteln erprobt werden sollte.
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Im Rahmen dieser partiellen Sanierung wurden die vorhandenen horizontalen und vertikalen Verdrückungen der vorhandenen Asphaltdeckschicht vor den Verladerampen, die sich in Teilbereichen auch bis in die darunter befindlichen Asphaltschichten ausgedehnt hatten, vollständig mittels Fräsen entfernt und durch einen synthetischen Reparaturbaustoff auf Basis von PMMA-Mörtel –Triflex Asphalt Repro3K – im Tiefeinbau ersetzt. Die partielle Sanierung erfolgte dabei insbesondere in den Aufstellflächen der Lkw-Reifen (Lkw-Triebfahrzeugs und Lkw-Anhänger) nebst einer partiellen Aufbereitung und Versiegelung der Rollspuren.
Die Herstellung des synthetischen Reparaturbaustoffes erfolgte unabhängig vom Mischungsverhältnis in Chargen, die Einbringung in die Sanierungsbereiche erfolgte chargenweise und manuell. Die Unterlage wurde im Vorhinein gesäubert / abgesaugt und verbundstörende Stoffe, wie bspw. Wasser und Staub sowie lose Bestandteile, wurden entfernt. Die Übergangsbereiche zum Bestand wurden mit Klebeband vor Verschmutzung geschützt. Die Unterlage wurde mit Primer vorbehandelt.
Im Bereich der Lkw-Reifen-Abdrücke wurde die Asphaltdeckschicht durch manuelles Stemmen bis zu einer Tiefe von 40 Millimetern entfernt, wobei aufgelockerte Bereiche vollständig entfernt wurden und eine möglichst homogene Unterlage angestrebt wurde (siehe Abbildung 5 und Abbildung 6). Die Sanierungsbereiche wurden im Anschluss nach einer Vorbehandlung mit einem Primer zur „Haftverbesserung“ mit dem synthetischen Reparaturbaustoff (Mischungsverhältnis Bindemittel-Zuschlag = 1:6) manuell gefüllt. Die Oberfläche wurde nachträglich mit dem synthetischen Reparaturbaustoff (Mischungsverhältnis Bindemittel-Zuschlag = 1:3, Einbaudicke etwa 2-3 Millimeter) geschlossen bzw. versiegelt (siehe Abbildung 9 bis Abbildung 12).
12 Fertiggestelle Sanierungsfläche im Bereich der Lkw-Fahrspuren nach Erhärtung
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Im Bereich der Rollspuren zwischen den Lkw-Reifen-Abdrücken wurde aufgrund der nur leichten Verformungen der Deckschicht („leichte Spurrinnenbildung“, Spurrinnentiefe nur wenige Millimeter) auf ein Herausstemmen der Deckschicht verzichtet. Hier wurden die geringfügigen Verformungen der Oberfläche – wenige Millimeter – nach einer Vorbehandlung mit dem Primer mit dem synthetischen Reparaturbaustoff (Mischungsverhältnis Bindemittel-Zuschlag = 1:3, Einbaudicke etwa 2-3 Millimeter) im Sinne einer „partiellen Aufbereitung und Versiegelung der Rollspuren“ gefüllt bzw. instandgesetzt.
Die sanierten Flächen (siehe Abbildung 12) wurden im Nachgang im Rahmen eines langfristig angelegten Zustandsmonitorings gutachterlich begutachtet und bewertet. Hierfür wurde die Fläche alle sechs Monate vollumfänglich begutachtet. Hierbei wurde grundsätzlich festgestellt, dass die ursprünglich vor der Sanierung vorhandenen Verformungen und Verdrückungen der Asphaltdeckschicht im Bereich der Sanierungsflächen nicht mehr festzustellen waren. Vergleichbare Verformungen der Sanierungsflächen – d.h. Verformungen von mehreren Zentimetern, die vor der Sanierung die Verkehrsflächen geprägt hatten – waren visuell nicht zu erkennen.
Trotz dieses grundsätzlich guten bis sehr guten Zustands der Sanierungsflächen waren im Rahmen des Zustandsmonitorings dennoch vereinzelte kleinere, zumeist in Verbindung mit Schäden in den angrenzenden Bestandsflächen stehende bzw. auf baubedingte Besonderheiten – beispielsweise im Bereich von Flickstellen oder Fugen in den angrenzenden Bestandsflächen – zurückführbare, kleinere Beschädigungen der Sanierungsflächen festzustellen. U.a. handelte es sich dabei um kleinere Risse, geöffnete Fugen und Nähte. Diese waren aber nicht unmittelbar auf das gewählte Sanierungsverfahren mit dem synthetische Reparaturbaustoff und/oder den PMMA-Mörtel zurückführbar. Vielmehr wären derartige Schadensbilder auch unter Berücksichtigung der o.g. „besonderen Ausgangs- und Belastungssituation“ durchaus bei konventionellen Instandsetzungsverfahren, bspw. gemäß ZTV BEA-StB, mit übereinstimmendem Sanierungsumfang zu erwarten gewesen.
Triflex GmbH & Co. KG
www.triflex.de
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Asphaltberatung Schacht
Dr.-Ing. Andreas Schacht
www.asphaltberatung-schacht.de
[BMVD, 2007]: Bundesministerium für Digitale Infrastruktur und Verkehr: Prognose der deutschlandweiten Verkehrsverflechtungen 2025, Schlussbericht zum FE-Projekt 96.0857/2005 ausgeführt durch Intraplan Consult GmbH und Beratergruppe Verkehr + Umwelt GmbH, München/Freiburg, 2007
[Renken, 2019]: Renken, L.: Entwicklung von PU-Asphalt von der Idee bis zur baupraktischen Umsetzung, Dissertation an der Fakultät für Bauingenieurwesen der RWTH Aachen University, Institut für Straßenwesen Aachen (Hrsg.), Aachen, 2019
[Schacht, 2014]: Schacht, A., Wang, D., Oeser, M.: Polymer-based road surface layer for usability improvement, Tagungsband 3rd China-Europe Workshop on Functional Pavement 2014, Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen Aachen (Hrsg.), Aachen, 2014
[Schacht, 2015]: Schacht, A.: Entwicklung künstlicher Straßendeckschichtsysteme auf Kunststoffbasis zur Geräuschreduzierung mit numerischen und empirischen Verfahren, Dissertation an der Fakultät für Bauingenieurwesen der RWTH Aachen University, Aachener Mitteilungen Straßenwesen, Erd- und Tunnelbau, Nr. 63, Institut für Straßenwesen Aachen (Hrsg.), Aachen, 2015
[Schacht et al., 2018]: Schacht, A., Faßbender, S., Oeser, M.: Development of an acoustically optimized multi-layer surface-system based on synthetics, International Journal of Transportation Science and Technology, 2018 Tongji University and Tongji University Press, Elsevier B.V., 2018
[Tekampe, 2024]: Tekampe, S.: Enhancing Mechanical Strength of a Polymer-Based Noise-Reducing Road Surface System, Dissertation an der Fakultät für Bauingenieurwesen der RWTH Aachen University, Institut für Straßenwesen Aachen (Hrsg.), Aachen, 2024
[Wiechers, 2022]: Wiechers, O.: Wirtschaftliche Erhaltung vor grundhafter Erneuerung, Whitepaper, Kirschbaum Verlag in Kooperation mit Triflex GmbH & Co. KG (Hrsg.), Bonn, 2022
