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Forschungsstelle
ASTRA SBT
Projektnummer
VSS2006/513_OBF
Projekttitel
Forschungspaket Brückenabdichtungen - EP3: Langzeitverhalten des Verbundes

Texte zu diesem Projekt

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Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Projektbeschreibung
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Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser
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Methoden
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Spezielle Geräte und Installationen
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Allgemeiner Stand der Forschung
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Projektziele
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Forschungsplan
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Umsetzung und Anwendungen
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Berichtsnummer
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)

Abdichtungssysteme, Betonbrücken, bitumenhaltige Schichten, Verbund, Langzeitverhalten, dynamische Prüfungen

Schlüsselwörter
(Englisch)
sealant-systems, concrete bridges, bituminous layers, bond, long term behaviour, dynamic tests
Kurzbeschreibung
(Deutsch)

Ein durch geringe Mängel beim Einbau oder aufgrund einer reduzierten Materialverträglichkeit geschwächter Verbund kann durch die Einwirkungen des Verkehrs weiter abnehmen, wenn Scherkräfte bis auf die Abdichtung übertragen werden oder wenn Pumpeffekte auftreten. Im Rahmen des Forschungsprojekts soll abgeklärt werden, wie sich die Konditionierung der Abdichtung auf das Langzeitverhalten des Verbunds zu bitumenhaltigen Schichten auswirkt. Des Weiteren soll im Rahmen des Projekts die Eignung der Prüfmethoden im Labor und in situ dahingehend untersucht werden, ob sie hinreichend genau die Systemtauglichkeit überprüfen können. In einem Ausblick soll abgeklärt werden, ob anhand der Variation der Versuchsparameter ein Hinweis bzgl. des Zusammenhangs zwischen dem Risiko der Blasenbildung und der Wirkung der Schichtdicken im Gesamtaufbau gegeben werden kann.

Die Ergebnisse sind im Hinblick auf die Bedürfnisse der Norm SN 640 450 „Abdichtungssysteme und bitumenhaltige Schichten auf Betonbrücken“ auszuwerten. Wenn möglich, sollen aus den ermittelten Kennwerten Anforderungen hergeleitet werden.

Kurzbeschreibung
(Englisch)

Shear forces from traffic-loadings can significantly increase small deficiencies resulting from the placing process or a reduced material-compatibility in the sealant, in case the shear is transferred into the sealant or when pumping-effects occur. Within the planned research project the effect of the conditioning of the sealant on the long-term behaviour of the bond to bituminous layers is to be investigated. Further the suitability of laboratory and on-site test methods to adequately proof the efficiency of the system is to be studied within the framework of the project. It is then to be clarified, whether evidence on a correlation between the risk of bubble-formation and the action of the layer-thickness within the total design can be found.

The results are to be evaluated with regard to the necessities of the standard SN 640 450 “Sealant-systems and bituminous layers on concrete bridges". If possible, technical specifications shall be derived from the results to be gained.

Projektbeschreibung
(Deutsch)

Die Schweiz kann als ein Land der Brücken bezeichnet werden. Durch ein flächendeckendes, fein strukturiertes Verkehrsnetz zusammen mit der Topografie als Alpenland ergibt sich ein hoher Anteil an Kunstbauten im Strassennetz. Als Beispiele seien Tunnel, Brücken und Lehnenviadukte genannt.

Im innerstädtischen Bereich müssen bei Kunstbauten Linienführung, Erschliessung dicht besiedelter Räume, Entflechtung, Konkurrenz um den knappen Platz, etc. berücksichtigt werden. Im Mittelland dominieren die Aspekte Linienführung, ökonomische Gesichtspunkte und Landschaftsschutz. In Bergregionen dagegen sind nicht nur die extreme Topografie, sondern auch die vielfältigen besonderen Gefahren wie Lawinen oder instabiles Gelände zu berücksichtigen. Brücken nehmen dabei oft eine Schlüsselstellung im Strassennetz ein. Der Verkehr wird in der Fläche zusammengeführt, um anschliessend an wenigen Stellen ein Hindernis zu überwinden. Verkehrsbehinderungen, die durch Baustellen auf Brücken verursacht werden, fallen aus diesem Grund besonders ins Gewicht. Somit werden an das Abdichtungssystem und die bitumenhaltigen Decken auf Brücken besonders hohe Anforderungen gestellt.

Die Abdichtung und der Belag bilden ein System, dessen Komponenten gut aufeinander abgestimmt sein müssen. Die Wahl des Systems richtet sich nach den konkreten und mitunter sehr vielfältigen Anforderungen. Der Verkehr erfordert zum einen eine hochwertige Oberfläche. Grosse Bedeutung gewinnen dabei die Ebenheit, die Oberflächenentwässerung, die Griffigkeit und die Dauerhaftigkeit. Zum anderen muss die Betonkonstruktion der Brücke vor schädigenden Einflüssen geschützt werden. Ein wichtiger Punkt stellt dabei die Gefahr der Korrosion der Bewehrung dar. Des Weiteren haben sich beim Verfassen der Norm SN 640 450 Problemfelder gezeigt, die zu wesentlichen Teilen durch die anschliessende Vernehmlassung bestätigt worden sind.

Ein erheblicher Teil von Schäden auf Brücken ist auf mangelhaften Verbund zurückzuführen. Dabei kommt dem Verbund zwischen der Abdichtung und der Schutzschicht die grösste Bedeutung zu. Es wurden aber auch schon Verbundschäden zwischen der Schutzschicht und der Deckschicht beobachtet.

Als Folge von unsachgemässem Arbeiten beim Einbau (Wasser, Lösungsmittel, Verschmutzungen) oder aufgrund einer reduzierten Materialverträglichkeit kann der Verbund mangelhaft sein oder generell fehlen. Durch die Einwirkungen des Verkehrs (Scherkräfte, die bis auf die Abdichtung übertragen werden oder auftretende Pumpeffekte) können sich Verbundschäden über Jahre hinweg aus kleinen Einbaumängeln weiter entwickeln und führen im Anschluss daran zu einem frühzeitigen Versagen.

Das Ziel dieses Projekts ist es daher, ein Laborverfahren zu entwickeln, mit dem die Eignung eines Aufbaus in Bezug auf das Langzeitverhalten des Verbunds bewertet werden kann. Dabei wird versucht, auf folgende Fragen Antworten zu geben:

- Wie wirkt sich die Konditionierung der Abdichtung auf das Langzeitverhalten des Verbunds zu bitumenhaltigen Schichten aus?

- Sind die angewendeten Prüfmethoden für die Überprüfung der Systemtauglichkeit geeignet?

- Ist das Prüfverfahren für den Einsatz auf der Baustelle geeignet

- Lassen sich anhand der ermittelten Kennwerte Anforderungen festlegen?

Wie wirkt sich die Schichtdicke des Gesamtaufbaus auf das Risiko der Blasenbildung aus, wenn die Versuchsparameter variiert werden?
Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser
(Deutsch)

Durch das Projekt sollen Wissenslücken geschlossen, das Verständnis für Schadensmechanismen gefördert und dadurch das Qualitätsniveau angehoben werden. Dies führt längerfristig zu längeren Nutzungsdauern von Brückenobjekten und reduziert somit die Kosten für den Unterhalt. Die Hauptziele des Projekts sind:

- Vorschlag eines Prüfverfahrens zur Erstprüfung von Aufbauten bezüglich des Langzeitverhaltens des Verbundes

- Vorschlag für Anforderungen aufgrund der ermittelten Kennwerte

Der Nutzen des Einzelprojektes EP 3 wurde im Initialprojekt (VSS 2006/509) des Forschungspaketes umschrieben. Die Schweiz hat allein auf den Nationalstrassen rund 4000 Brücken, auf dem übrigen Strassennetz weit über 10000 Brücken. Der Unterhalt ist ein wesentlicher Kostenfaktor und belastet die öffentliche Hand überproportional. Die Brücken sind zudem Schlüsselstellen im Verkehrsnetz. Einschränkungen des Verkehrs durch Baustellen fallen hier besonders ins Gewicht. Entsprechend gross ist die Motivation, Schäden zu vermeiden. Nutzniesser des Forschungspaketes und aller Einzelprojekte sind somit

- die Bauherren, da Informationen und Normen ihnen Planungshilfen liefern und da bessere Normen Kosten senken (Absenken der life cycle costs; Ziel: Nullunterhalt)

- die Unternehmungen, die auf gute Normen angewiesen sind, um Baufehler zu vermeiden

die Verkehrsteilnehmer, die aufgrund der Reduktion der Baustellenhäufigkeit und -dauer von einer höheren Verfügbarkeit des Strassennetzes profitieren
Methoden
(Deutsch)

Evaluation der Prüfmethoden

Das Initialprojekt hat eine erste Bewertung verschiedener Prüfverfahren vorgenommen und schlägt den ZSV vor. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen jedoch weitere Prüfverfahren evaluiert werden. Diese Evaluation wird aufgrund verschiedener Beurteilungskriterien vorgenommen und bildet die Basis für die Methodenentwicklung der ausgewählten Prüfmethode(n).

Zugschwellversuch im Labor:

Zur Durchführung einer Parameterstudie sind Zugschwellversuche an Probekörpern, bestehend aus Abdichtung und Schutzschicht, vorgesehen. Es werden bewusst keine Gesamtaufbauten geprüft, um das Risiko des Versagens in unterschiedlichen Zwischenschichten zu eliminieren. Das Ziel dieser Parameterstudie besteht darin, die Prüfbedingungen (Temperatur, Unter- und Oberlast der axialen Belastung, Dauer der Belastung, Dauer evtl. Belastungspausen, Form der Belastung) für die Hauptversuche festzulegen.

Prüfungen in situ:

Die Ausschreibung sieht auch die Durchführung von Versuchen in situ vor (ZSV oder dynamischer Torsionsversuch). Diese beiden Prüfverfahren werden einander gegenüber gestellt und es werden die Vor- und Nachteile aufgezeigt. Die Wahl des Prüfverfahrens wird begründet und es wird erläutert, welche Aussagen zu erwarten sind.

Entsprechende Prüfverfahren sind bekannt. Das ausgewählte Prüfverfahren wird an einigen ausgewählten Aufbauten parallel zu den Zugschwellversuchen durchgeführt.

Schubschwellversuch im Labor:

Parallel zur Parameterstudie zum ZSV sollen auch weitere Versuche evaluiert werden. Die Forschungsstelle möchte insbesondere den Schubschwellversuch ins Auge fassen, da eine derartige Beanspruchung des Verbundes der tatsächlichen Belastung in der Praxis nahe steht. Die Forschungsstelle ist für die Durchführung eines Schubversuches mit konstanter Belastung ausgerüstet. Zudem verfügt die Forschungsstelle über eine jahrelange Erfahrung in der Durchführung dynamischer Prüfungen. Sie bearbeitet auch entsprechende Forschungsaufträge (siehe [9] und [13] im Literaturverzeichnis).

Systemprüfungen

Die Ausschreibung der Forschungsarbeit sieht vor, fünf verschiedene Teil-Systemaufbauten und zwei Gesamtaufbauten zu untersuchen. Das Angebot umfasst die Prüfung von insgesamt 7 Aufbauten. Aufbauten mit verschiedenen Lagerungen werden nicht als getrennter Aufbau angesehen. In der folgenden Tabelle sind alle Aufbauten inklusive ihrer Lagerung aufgeführt.

siehe Tabelle unten

*: ges = Gesamtaufbau

1): je nach Versuch wird ohne Deckschicht geprüft

2): mit selektivem Prüfprogramm

Zugehörige Dokumente
Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
Dynamische Universal-Prüfmaschine; vollständiges Prüfinstitut. Prüfgeräte für dynamische Untersuchungen auf der Baustelle.
Allgemeiner Stand der Forschung
(Deutsch)

Die einzusetzenden Prüfverfahren sind bekannt, gut erforscht und für verschiedene Einsatzbereiche normiert. Neu in diesem Forschungsauftrag ist die Anwendung auf Systemsaufbauten, wie sie im Brückenbau gemäss Norm 640450 angewendet werden.

IMP hat im Bereich der dynamischen Prüfungen von Asphalt eine jahrelange Tradition. Diese Prüftechnologie wird in der Praxis angewendet und zudem laufend weiter entwickelt.

IMP Mitarbeiter haben Einsitz in verschiedene Fachkommissionen und sind an der Normierungsarbeit rege beteiligt. In Zusammenhang mit dem ausgeschriebenen Projekt sind insbesondere die folgenden Kommissionen nennenswert:

- VSS EK 5.10 „Brückenbeläge“

- SIA 281 „Polymer-Bitumen-Dichtungsbahnen“

IMP hat mehrere Forschungsprojekte erfolgreich abgeschlossen. Erwähnenswert sind in Bezug auf das EP 3 folgende Projekte:

- FA „Dynamische Eindringtiefe zur Beurteilung von Gussasphalt“ (VSS2000/433)

FA „Druckschwellversuch zur Beurteilung des Verformungsverhaltens von Belägen“ (VSS 2005/504)
Projektziele
(Deutsch)

Das Hauptziel des Einzelprojektes 3 ist es, ein Laborverfahren zu entwickeln, mit dem die Eignung eines Aufbaus in Bezug auf das Langzeitverhalten des Verbundes bewertet werden kann. Das Einzelprojekt hat:

· die Auswirkung der Konditionierung der Abdichtung auf das Langzeitverhalten des Verbunds zu bitumenhaltigen Schichten zu untersuchen

· die angewendeten Prüfmethoden in Hinblick auf ihre Eignung, die Systemtauglichkeit festzustellen, zu bewerten

· den Einsatz dynamischer Prüfverfahren in situ zu untersuchen und dessen Machbarkeit zu ermitteln

· Vorschläge zu Anforderungswerten (im Sinne eines Eignungsnachweises) aufgrund der ermittelten Kennwerte zu machen

zu klären, inwieweit aufgrund der Variation der Versuchsparameter ein Hinweis auf die Wirkung der Schichtdicken des Gesamtaufbaus auf das Risiko von Blasenbildung gegeben werden kann.

Projektziele
(Englisch)

The main aim of the single project 3 is the development of a laboratory test method to evaluate the efficiency of a system regarding to the long-term behaviour of the bond. In particular, the project has:

· to investigate the effect of the conditioning of the sealant on the long-term behaviour of the bond to bituminous layers

· to study the applied laboratory test methods in view to their suitability to proof the efficiency of the system

· to examine the use of dynamic on-site test methods and to derive its feasibility

· to derive technical specifications (in terms of a verification of suitability) from the results to be gained and come forward with a proposal

to clarify, to what extent due to the variation of the test parameters a reference to the effect of the layer-thickness within the total design on the risk of bubble-formation can be found.
Forschungsplan
(Deutsch)

Das Programm gliedert sich in folgende Schritte:

Konzeptabgleich

In Zusammenarbeit mit den anderen EP des Forschungspaketes werden in dieser ersten Phase die Verknüpfungen und Abhängigkeiten geregelt. Dabei geht es insbesondere um die Festlegung und Beschaffung der zu prüfenden Baustoffe und der zu untersuchenden Bauobjekte.

Evaluation der Prüfverfahren

Das Initialprojekt hat eine erste Bewertung verschiedener Prüfverfahren vorgenommen. Gemäss Ausschreibung soll der dynamische Zugschwellversuch durchgeführt werden, und weitere Prüfverfahren evaluiert werden.

Verwendete Baustoffe, Herstellung der Prüfplatten, Vorversuche

Die verwendeten Baustoffe (Gussasphalt, Walzasphalt, Abdichtungen, etc.) werden einer umfassenden Untersuchung unterzogen.

Die Herstellung der Platten, aus denen die Probekörper herausgebohrt werden sollen, wird mit den übrigen EP koordiniert. Insbesondere bei der Applikation der Abdichtung auf die Betonplatten erscheint es sinnvoll, so viele Platten wie möglich gleichzeitig durch eine einzige Stelle zu erstellen.

Der Einbau des Gussasphalts stellt im Labor keine Probleme dar. Für den Einbau des Walzasphalts schlägt die Forschungsstelle ein Walzsegment-Verdichtungsgerät vor. Bei Bedarf steht auch eine Labor-Walzenverdichtung mit Pneurad zur Verfügung. Aus diesen Platten werden die Bohrkerne ausgebohrt und planparallel geschliffen.

Durch Vorversuche an Referenzplatten werden die optimalen Belastungsparameter evaluiert.

Systemprüfungen

Die Ausschreibung der Forschungsarbeit sieht vor, fünf verschiedene Teil-Systemaufbauten und zwei Gesamtaufbauten zu untersuchen. Das Angebot umfasst die Prüfung von insgesamt 7 Aufbauten. Aufbauten mit verschiedenen Lagerungen werden nicht als getrennter Aufbau angesehen. Zusätzlich zu den Laboruntersuchungen werden 6 ausgewählte Teil- und/oder Gesamtaufbauten in situ untersucht. Weitere Angaben zu den gewählten Aufbauten sind im Kapitel „Vorgehen/Methoden“ aufgeführt.

Berichterstattung

Die durchgeführten Untersuchungen werden in einem Schlussbericht erläutert, ausgewertet und interpretiert. Es werden folgende Fragen beantwortet:

· Wie wirkt sich die Konditionierung der Abdichtung auf das Langzeitverhalten des Verbunds zu bitumenhaltigen Schichten aus?

· Wie bewertet die Forschungsstelle die angewendeten Prüfmethoden in Hinblick auf ihre Eignung, die Systemtauglichkeit zu überprüfen?

· Wie bewertet die Forschungsstelle den Einsatz in situ?

· Welche Anforderungen schlägt die Forschungsstelle aufgrund der ermittelten Kennwerte vor?

· Kann aufgrund der Variation der Versuchparameter ein Hinweis auf die Wirkung der Schichtdicken des Gesamtaufbaus auf das Risiko von Blasenbildung gegeben werden?

Es wurden folgende Meilensteine festgelegt:

1. Präsentation vor der BK (nach 6 Monaten):
Konzept des EP im Rahmen des gesamten FP;
Wahl der Baustoffe und Aufbauten

2. Präsentation vor der BK (nach 18 Monaten):
Bericht über die Herstellung der Probekörper
Ergebnisse der Baustoffuntersuchungen
Wahl der Prüfverfahren

3. Präsentation vor der BK (nach 30 Monaten):
Ergebnisse der Systemprüfungen

4. Präsentation vor der BK (nach 36 Monaten)
Schlussbericht

Zeitplan siehe unten

Zugehörige Dokumente
Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
Die Forschung schliesst Wissenslücken und das Verständnis für Schadensmechanismen wird gefördert. Dadurch kann das Qualitätsniveau angehoben werden. Des Weiteren liefert es Grundlagen für die Weiterentwicklung der Normen für Brückenabdichtungssysteme. In Bezug auf den Betrieb des Netzes hilft diese Forschung der Vision eines Nullunterhaltes näher zukommen. Damit liefert das Projekt einen Beitrag zur Nachhaltigkeit, es hilft Ressourcen zu schonen und entlastet Unterhaltsbudgets
Berichtsnummer
(Deutsch)
1514
Berichtsnummer
(Englisch)
1514
Literatur
(Deutsch)

[1] Leutner, R.; Lorenzl, H.; Mollenhauer, K.:
Ermittlung von Materialkennwerten mitt
els Zugschwellversuch und dynamischem Triaxialversuch für die analytische Bemessung, Strasse und Autobahn, Nr. 11,
S. 692 – 698 (2006)

[2] Asendorf, K.; Jacobi, E.:
Reaktionsharz-Systeme im Strassen- und Brückenbau – Brückenabdichtung, Schutzbeschichtungen, Reprofilierung, Rissinjektionen, Strassen und Verkehr 2000 – Internationale Strassen und Verkehrskonferenz Berlin, 6. – 9. Sept. 1988, 1988, vol. 2*1, p. 437 – 442, Forschungsgesellschaft für Strassen- und Verkehrswesen e. V.

[3] Eilers, S.; Stoll, G.:
Verträglichkeit von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen mit Abdichtungssystemen nach den ZTV-BEL-ST, Berichte der Bundesanstalt für Strassenwesen. Unterreihe Brücken- und Ingenieurbau, 2000, no. 31, p. 22, ISSN: 0943-9293

[4] Gauer, P. K. et al.:
Beständigkeit von Asphalt gegen Ermüdung bei mittleren und tiefen Temperaturen – Zugschwellversuch, Technische Prüfvorschriften für Asphalt im Strassenbau,
TP A – StB, Teil xx, Oktober 2004

[5] Hean, S.; Partl, M. N.:
Praktische Aspekte der Systemwirkung von Gussasphalt im Brückenbau, Bitumen, 2000,
vol. 62, no. 4, p. 138 - 141, ISSN: 0006-3916

[6] D707740
Einfluss der Betonoberflächenvorbereitung auf die Haftung von Epoxidharz, ITRD Datenbank

[7] Hean, S.; Partl, M. N.:
Erfassung massgebender Einflussfaktoren bei Brückenabdichtungssystemen mit Bitumenbahnen. Laboruntersuchungen. Forschungsarbeit AGB 1998/201, 2006

[8] Performance testing and evaluation of bituminous materials.
Proceedings of the 6th International RILEM Symposium,
Zurich, Switzerland,
14.-16.
April 2003, ISBN: 2-912143-35-7

[9] Dynamische Eindringtiefe zur Beurteilung von Gussasphalt. FA, VSS 2000/433

[10] Angst, Ch.:
Brückenabdichtungen und -beläge. Technische Akademie Esslingen. Referat,
7. März 1997

[11] Aeschlimann, H.; Angst, Ch.:
Abdichtungen mit Gussasphaltüberbau. Schweizer Bauwirtschaft,
VESTRA-Tagung, 1987

[12] Angst, Ch.:
Einbauverfahren bei Brückenbelägen – Qualitätskontrolle. Schweizer Baublatt, Verkehrsbau Nr. 3, 23. Juni 1987

[13] Druckschwellversuch zur Beurteilung des Verformungsverhaltens von Belägen.
FA, VSS 2005/504