Im Straßenbau
Pflasterdecken und Plattenbeläge in gebundener Bauweise erstellen
von:Thomas ROST
SIERKSDORF – Die gebundene Bauweise gilt in Deutschland nach wie vor als Sonderbauweise. Nachdem jahrzehntelang nur unzureichende technische Vorschriften für die gebundene Bauweise vorlagen, ist diese mit Erscheinen der neuen DIN 18318:2006 nicht mehr in den allgemeinen technischen Vorschriften geregelt.
Die Vorgaben der alten DIN 18318 führten zu erheblichen Schäden:
- Bettungsmörtel: Mörtel der Mörtelgruppe III nach DIN 1053 (Mischungsverhältnis [MV] 1:4), ein Putz- und Mauermörtel mit einer Druckfestigkeit von 10 N/mm² der nicht ausreichend frostbeständig ist. Auf ungebundener Tragschicht war sogar ein MV von 1:8 vorgeschrieben.
- die Mörtelverfugung mit einer Fugentiefe von mind. 30 mm mit einem nicht definierten Fugenmörtel: Die Anforderung war hier 600 kg Zement pro m³ für einen schlämmbaren, gießfähigen Mörtel – daraus ergeben sich aber keine definierten Materialeigenschaften.
Bei einer Verfugung mit Mörtel der oberen 3 cm der Fuge spricht man heute von einer gebundenen Fugenfüllung. Diese Bauweise eignet sich nur für gering belastete Flächen, stellt jedoch keine dauerhafte Lösung dar.
Die wesentlichen Funktionen der gebundenen Bauweise sind der horizontale Schichtenverbund und die großflächige Lastabtragung. Nach dem Stand der Technik versteht man unter einer gebundenen Bauweise einen Aufbau aus:
- Drainbeton oder Drainasphalt mit definierten Eigenschaften,
- drainfähigem Bettungsmörtel mit definierten Eigenschaften,
- wasserundurchlässigem Pflasterfugenmörtel mit definierten Eigenschaften.
Die verwendeten Beton-/Mörtelprodukte sind starr und daher nicht in der Lage auftretende Spannungen abzubauen. Über den Verbund der einzelnen Schichten sowie zwischen Stein und Fugenmörtel können die Spannungen jedoch aufgenommen werden, wenn die Gebrauchsfestigkeit der Pflasterdecke höher ist als die Summe der auftretenden Lasten aus Spannung und Verkehrslast. Die Pflasterdecke ist durch geeignete Dehnungsfugen so zu unterteilen, dass Schäden in Folge von Spannungen vermieden werden. Eine Rissbildung ist dennoch nicht auszuschließen. Die Lasten aus Eigenspannung, Temperaturlängenänderung und Verkehrslast addieren sich. Übersteigt die Lastsumme die Festigkeit der Konstruktion entstehen an den Schwachstellen der Pflasterdecke Schäden durch Risse, Kantenabplatzungen, lose Steine, zerstörte Fugen oder zerstörte Bettung.
Im Vergleich stellt die Verkehrsbelastung eine relativ geringe Beanspruchung dar, durch Fahrzeuge aufgebrachte dynamische Einzellasten liegen im Bereich von max.2 N/mm², z. B. bei der Vollbremsung eines Lkw. Aufgrund des hohen Verkehrsaufkommens erfolgen diese Belastungen jedoch mit einer hohen Frequenz und tragen somit erheblich zur Beanspruchung der Pflasterkonstruktion bei. Aus thermischer Längenänderung erzeugte Druckspannungen wirken mit bis zu 20 N/mm² sowie daraus resultierende Zugspannungen von bis zu 2 N/mm². Jede Druckspannung erzeugt Querzugspannungen die zu Schäden am Pflasterbelag führen können. Die Materialeigenschaften und der Verbund der Baustoffe sind also wichtige Punkte im Bezug auf die Dauerhaftigkeit einer Pflasterfläche in gebundener Bauweise.
Bei gebundenen Pflasterdecken und Plattenbelägen sind demnach Risse infolge von Spannungen aus thermischen Längenänderungen, Frosteinwirkung oder Verkehrsbelastungen nicht auszuschließen. Daher ist eine ausreichende Drainfähigkeit von Bettung und Tragschicht erforderlich.
Anwendungsbeispiele für die gebundene Bauweise sind:
- Flächen mit hoher Verkehrsbelastung, wie z. B. Busspuren oder Kreisverkehrs-Plätze,
- Flächen im Innenstadtbereich die maschinell gereinigt werden,
- Flächen mit geringer Aufbauhöhe, z. B. bei befahrbaren Dachflächen,
- Flächen die wasserundurchlässig ausgeführt werden sollen oder für Flächen mit starkem Gefälle.
Durch abgestimmte Eigenschaften, z. B. Körnung und Hohlraumgehalt, wird ein optimaler Verbund der einzelnen Schichten untereinander erreicht. Eine dauerhafte Pflasterfläche in gebundener Bauweise erfordert neben einer sach- und fachgerechten Planung und handwerklich korrekten Ausführung Produkte von gleich bleibend hoher Qualität mit optimalen Verarbeitungseigenschaften. Für Drainbetontragschichten liegen bewährte Rezepturen vor, hier stellt Transportbeton wirtschaftlich und technisch die beste Lösung dar. Der Drainfeinbeton als Bettungsmörtel und der Pflasterfugenmörtel sind so aufeinander abzustimmen, dass ein optimaler Verbund der Mörtelschichten untereinander gewährleistet ist. Die Hohlräume im teilweise unverdichteten Bettungsmörtel zwischen den Steinen werden dann vom Pflasterfugenmörtel aufgefüllt.
ABZ-Stellenmarkt
Durch
die hohlraumfreie Verfüllung der Fuge mit einem hoch-fließfähigen
Pflaster-fugenmörtel und die Verfestigung des Bettungsmörtels im
Fugenbereich ist gewährleistet, dass keine Fehlstellen im
Fugenquerschnitt entstehen.
Eine Pflasterdecke in gebundener
Bauweise ist nie dauerhaft vollständig dicht. Damit durch schadhafte
Dehnungsfugen oder Risse eindringendes Oberflächenwasser keine Schäden
verursacht, muss dieses sicher abgeleitet werden. Ein geeigneter
drainfähiger Bettungsmörtel:
- weist nur eine sehr geringe kapillare Saugfähigkeit und damit eine geringe Wasseraufnahme auf.
- Hohlräume im Gefüge bieten genug Platz, damit gefrierendes Wasser keinen Druck aufbauen kann.
- Es kommt nicht zu Staunässe in der Bettung, z. B. an Gefälletiefpunkten.
- Eine Verzahnung von Bettungsmörtel und Pflasterfugenmörtel wird ermöglicht, insbesondere im Fugenbereich zwischen den Steinen.
Wenn
Wasser gefriert vergrößert sich sein Volumen um 9 %. Eis weist eine um
etwa das fünffache größere Temperaturdehnung auf als Zementstein. Weiter
sinkende Temperaturen bewirken ein stärkeres Zusammenziehen des Eises,
was zur Diffusion von Porenflüssigkeit führt. Steigen die Temperaturen
über den Gefrierpunkt, entsteht ein höherer Druck, was zu Gefügeschäden
führen kann. Stichwort: kritische Sättigung.
Die Verwendung von
Frost-Tausalz führt zu einem Temperatur-Schock durch Wärmeentzug und zum
schichtweisen gefrieren sowie einer Reduzierung des Gefrierpunkts auf
ca. –20 °C. Die Poren des Mörtels füllen sich durch die Saugwirkung mit
salzhaltigem Wasser welches dann beim einfrieren hohen hydraulischen
Druck erzeugt. Dies kann bei nicht ausreichendem Frost bzw.
Frost-Tausalz Widerstand zu Schäden an der Oberfläche sowie zu inneren
Gefügeschädigungen führen. Das Fugenmaterial sandet ab und weist eine
geringe Festigkeit auf, die entstandenen Risse schädigen Fuge und
Bettungsmörtel. Werden wasserundurchlässige Tragschichten oder
Bettungsmörtel durchnässt kann eine horizontale Eisschicht (Eislinse)
entstehen. Durch die kapillare Saugwirkung und die unterschiedliche
thermische Dehnung von Eis und Zementstein wird weitere Feuchtigkeit
angesaugt.
Die Grundsätze der Betontechnologie gelten hier für
zementgebundene Produkte genauso wie im allgemeinen Betonstraßenbau. Die
Qualität von Beton oder Mörtel und damit z. B. die Druckfestigkeit oder
der Frost-Tausalz-Widerstand wird im Wesentlichen vom W/Z-Wert und der
korrekten Verarbeitung bestimmt. Die Nachbehandlung, also der Schutz vor
Witterungseinflüssen und gegen das Verdunsten des Anmachwassers, ist
eine der wichtigsten Qualitätssicherungs-Maßnahmen auf der Baustelle.
Vorgabewerte für die Nachbehandlung:
- Drainbetontragschicht: Abdecken bis zur Ausführung der Pflasterung,
- Bettungsmörtel mit darin versetzten Steinen: Abdecken bis zur Ausführung der Verfugung,
- Verfugte Fläche: Abdecken für mind. ein bis zwei Tage.
Abgedeckt
wird mit einer Folie oder einem Vlies, welches ständig feucht gehalten
werden muss, das Aufsprühen von Wasser auf eine durch die Sonne
aufgeheizte Fläche führt zu Rissen durch Temperaturschock.
Das
Versagen von Beton unter 1-axialer Druckbeanspruchung wird durch
Zugspannungen zwischen Gesteinskörnung und Zementmatrix verursacht. D.
h. bei der Prüfung der Druckfestigkeit wird der Probekörper so lange mit
Druck belastet, bis die daraus resultierende Querzugspannung die
Haftung zwischen Zementstein (Kleber) und Gesteinskörnung (Füllstoff)
übersteigt und der Probekörper zerstört wird. Die Druckfestigkeit bei
3-axialer Prüfung ist etwa dreimal so hoch, da der allseits eingespannte
Probekörper etwa dreimal mehr Zugspannungen aufnehmen kann. D. h. ein
eingespanntes Bauteil erträgt deutlich höhere Druck und Zugspannungen
als ein freier Probekörper.
Querzugspannungen verlaufen quer zur
Druckrichtung und zwar hauptsächlich in einem Bereich von etwa 30 bis 50
cm vom Bauteilende, daher treten in diesem Bereich häufig Risse oder
Schäden auf. Zugspannungen in Beton oder Mörtel führen zu einer
Reduzierung der Druckfestigkeit. Die Zugfestigkeit von Beton bzw. Mörtel
liegt normalerweise bei 5 bis 10 % der Druckfestigkeit oder bei etwa
der Hälfte der Biegezugfestigkeit.
Durch Verwendung einer
Kontaktschlämme (Haftbrücke) werden die Hohlräume zwischen
Steinunterseite und Bettungsmörteloberfläche aufgefüllt und die
Haftfläche vergrößert. Durch bessere Haftung (Adhäsion) am Stein und die
Festigkeit der Verklebung (Kohäsion) wird ein optimaler Verbund
zwischen Bettungsmörtel und Stein erreicht. Daher sollte bei glatten
Steinunterseiten (z. B. gesägtes Material, Betonstein) oder auch bei
hoch belasteten Flächen mit rauer Steinunterseite eine Kontaktschlämme
eingesetzt werden.
Eine gebundene Bauweise wird bereits mit
Spannungen hergestellt. Zunächst bewirken die unterschiedlichen
Bauteildicken und Festigkeiten, die Herstellungstemperaturen und die
weiteren Temperaturverläufe Eigenspannungen in gesamten Querschnitt
welche je nach aktueller Situation und Last in unterschiedliche
Richtungen wirken können. Wirken auftretende Spannungen in die gleiche
Richtung (z. B. bei sinkenden Temperaturen) dann addieren sich diese im
Bauteil. Kommt dann noch eine Querzugspannung bzw. Biegespannung aus
Verkehrslast hinzu, kann die Gebrauchsfestigkeit der Konstruktion
überschritten werden und es kommt zu einem Schaden, z B. in Form eines
Risses.
Die häufigsten Schadenursachen bei der gebundenen Bauweise:
- fehlende oder unzureichende Nachbehandlung,
- kein Schichtenverbund von Tragschicht zu Bettung – die Bettung "klappert" auf der Tragschicht – Lasten werden nicht abgetragen,
- kein Verbund von Stein zu Bettung – die Steine lösen sich bei Last aus dem Verbund – es entstehen Risse,
- kein Verbund von Stein zu Fuge zu Stein – keine Lastabtragung horizontal und vertikal möglich – die Fuge reißt und bricht,
- zu geringe Steinhöhen – keine ausreichende Verbundfläche zwischen Stein und Fuge,
- keine vollfugige – also auf ganzer Steinhöhe ausgeführte Verfugung,
- zu geringe Festigkeit von Tragschicht, Bettungsmörtel oder Fugenmörtel – die Gebrauchsfestigkeit wird unter bestimmten Bedingungen überschritten – Schäden entstehen durch Risse oder lose Steine,
- zu frühe Verkehrsfreigabe – bei niedrigen Temperaturen verlangsamt sich die Festigkeitsentwicklung erheblich,
- falsch ausgeführte Dehnungsfugen führen zu Spannungsspitzen und verursachen Risse.
Dehnungsfugen
sind dauerelastisch ausgebildete Fugen innerhalb einer Pflasterfläche
in gebundener Bauweise. Sie unterteilen die Pflasterfläche in kleinere
Einzelflächen um Zugspannungen aufzunehmen und können zur Reduzierung
von Risshäufigkeit und Rissbreite beitragen. Innerhalb der
Pflasterfläche sollten Dehnfugen gemäß dem Stand der Technik im Abstand
von 5 bis 8 m, bei Rinnen bzw. Gossen im Abstand von etwa 5 m angeordnet
werden.
Die gebundene Bauweise stellt unter Berücksichtigung der
technischen Besonderheiten eine dauerhafte Flächenbefestigung mit
Pflaster- und Plattenbelägen dar. Flächen die in ungebundener Bauweise
aufgrund der Verkehrsbelastung oder Nutzung nur mit sehr hohem
Unterhaltungsaufwand instand gehalten werden könnten sind, in gebundener
Bauweise hergestellt, über Jahrzehnte nutzbar.
