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Die Anforderungen der modernen Infrastruktur machen schnell ausführbare Abdichtungs- und Brückenbelagssysteme für den Bundesfernstraßenbereich erforderlich. Dazu gibt es innovative Systemansätze, in denen unter Ausnutzung neuer asphalttechnologischer Erkenntnisse und Weiterentwicklungen innovative Belagsaufbauten in Ergänzung zum bestehenden technischen Regelwerk erarbeitet werden. Diese neuartigen Asphaltmaterialien mit verbesserten Asphalt-Gebrauchseigenschaften (Standfestigkeit; Tieftemperaturverhalten) werden durch Kombination mit neuartigen Flüssigkunststoffen zur Aufnahme von schnelle wiederholten Bewegungen (Rissüberbrückungseigenschaften) nochmals verbessert. Durch das optimierte Gebrauchsverhalten und die systembedingten technologischen Verbesserungen ist es bei Einhaltung besonderer materialtechnischer Anforderungen möglich, leistungsfähige Brückenabdichtungs- und Belagssysteme in deutlich schnellerer Bauzeit instandzusetzen bzw. im Neubau auszuführen. Die vorliegende Veröffentlichung verallgemeinert u. a. wissenschaftlich-technische Erkenntnisse der BAM und Erfahrungen im Umgang mit den spezialisierten Baustoffen in eine für die Straßenbaubehörden des Bundes und der Länder praktisch umsetzbare Weise.
Diese Hinweisbroschüre erläutert allgemeine Planungsvoraussetzungen und Dimensionierungsregelungen, Baugrundsätze und Zulassungsbedingungen zur Anwendung innovativer Belagsdehnfugensysteme (Fahrbahnübergangskonstruktionen) in hochbeanspruchten Verkehrsflächen des Bundesfernstraßenbereiches. Alle planungsrelevanten, baustoffrelevanten, versuchstechnische, qualitätssichernden und baupraktischen Aspekte werden zur Unterstützung der Straßenbauverwaltungen, der Lieferfirmen und Ausführungsbetriebe erläutert. Die Veröffentlichung stellt eine technische Analyse aus Erfahrungssammlungen und Auswertung praktischer Erkenntnisse dar.
Dieses Wissensdokument führt zu den Vertragstexten der früheren ZTV BEL-FÜ (ZTV-ING 8-2) und heutigen ZTV-ING Teil 6 Abschnitt 7 aus und erläutert die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Teil 6: Bauwerksausstattung, Abschnitt 7: Fahrbahnübergänge aus Asphalt“. Dabei geht es insbesondere um Fugen von Ingenieurbauwerken des Verkehrswegebaus, die quer oder in einem bestimmten Winkel zur Fahrbahn verlaufen und befahren werden. Diese Fugen müssen deshalb einerseits in fahrtechnischem Sinne verschlossen werden, damit die Fahrzeuge den Spalt störungsfrei und verkehrssicher überqueren können. Andererseits ist ein Fugenverschluss zum Schutz des Tragwerks vor Feuchte- oder Schadstoffbeanspruchung (Korrosionsgefahr) erforderlich. Je nach Größe des Fugenspaltes und der auftretenden Bewegungen müssen die Fugenfüllungen unterschiedlich ausgebildet werden, um die überquerenden Lasten sicher in das Tragwerk abzuleiten. Bauteile oder Konstruktionen, die diese verkehrstechnische Aufgabe übernehmen, werden allgemein als Fahrbahnübergänge bezeichnet.
Die H ZTV-ING 6-7 ersetzen die „Hinweise und Erläuterungen zu den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt in Belägen auf Brücken und anderen Ingenieurbauwerken aus Beton“, Ausgabe 2001.
Die Überarbeitung der „Hinweise und Erläuterungen“ wurde aufgrund der Überarbeitung der ZTV-ING 6-7 erforderlich. Außerdem wurden in den Hinweisen neue Entwicklungen in den Bereichen der Fahrbahnübergänge aus Asphalt mit größeren Einbaubreiten und dehnungsverteilenden Einbauten, der Belagsdehnfugen sowie des Oberflächenabschlusses mit GFK-Platten berücksichtigt.
Bitumen is a crucial building material in road construction, which is exposed to continuously higher stresses due to higher traffic loads and changing climatic conditions. Therefore, various additives are increasingly being added to the bitumen complicating the characterisation of the bituminous binder, especially concerning the reuse of reclaimed asphalt.
Therefore, this work aimed to demonstrate that the combination of Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy with attenuated total reflexion (ATR) technique and multivariate evaluation is a very wellsuited method to reliable identify and quantify additives in bituminous binders. For this purpose, various unmodified and modified binders, directly and extracted from laboratory and reclaimed asphalts, were investigated with FTIR-ATR spectroscopy. The determined spectra, pre-processed by standard normal variate (SNV) transformation and the determination of the 1st derivation, were evaluated using factor Analysis (FA), linear discriminant analysis (LDA) and partial least square regression (PLSR). With this multivariate evaluation, first, a significant model with a very high hit rate of over 90% was developed allowing for the identification of styrene-butadiene copolymers (SBC), ethylene-copolymer bitumen (ECB) and different waxes (e.g. amide and Fischer-Tropsch wax) even if the additives do not show any additional peaks or the samples are multi-modified. Second, a quantification of the content is possible for SBC, ECB, and Amide wax with a mean error of RMSE B 0.4 wt% and a
coefficient of determination of R2[90%. Based on these results, FTIR identification and quantification of additives in bituminous binders is a very promising method with a great potential.
Betonfahrbahndecken zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Dauerhaftigkeit und Wartungsarmut aus, welche im Ergebnis zu einer sehr guten Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit führen. In den vergangenen Jahren wurden große Fortschritte hinsichtlich der Weiterentwicklung von Konstruktion, Baustoff und Fahrbahnoberfläche erzielt. Forschung und Entwicklung befassen sich seit einigen Jahren systematisch auch mit der Optimierung von Fugensystemen für hochbeanspruchte Bundesfernstraßen. Das Forschungsprojekt INFUKON liefert einen generalisierbaren methodischen Ansatz zur ganzheitlichen Analyse des Gebrauchsverhaltens hochbeanspruchter Fugensysteme in Betonfahrbahndecken und eine innovative Versuchseinrichtung die als technische Grundlage zur Verfügung stehen. In diesem Beitrag werden wesentliche Projektergebnisse vorgestellt.
Die zielgerichtete Weiterentwicklung von Bauteilen und Konstruktionselementen im Straßenbau hochbeanspruchter Verkehrswege unserer Infrastruktur (Bundesfernstraßen) erfordert spezielle, bauteiladaptierte technische Möglichkeiten/Sensorik zur Quantifizierung des Gebrauchsverhaltens. Bei Fugen in Verkehrsflächen stellen insbesondere langsam und schnell ablaufende Plattendeformationen infolge jahreszeitlicher und verkehrlicher Beanspruchungen maßgebende Beanspruchungszustände dar. Eine Quantifizierung dieser Einwirkungen hilft bei der Weiterentwicklung sowie auch bei der Bewertung optimierter technischer Lösungen. In Forschung kompakt 17/21 „Innovative Sensorik für Fugensysteme“ wird eine neuartige, robuste Lösung der BAM zur Datenerfassung und Bauwerksmonitoring von hochbeanspruchten Verkehrsflächen aus Beton vorgestellt.
Joint sealants influence decisively the performance and service life of pavements although they account for only a small fraction of the total investment. Motivated by the damages observed and the resulting, increasing maintenance efforts, the Federal German Government recognizes the need for performance-evaluated joint sealing systems with improved capability (fitness-for-purpose) and durability. A literature study showed that an identification of the actual mechanical system behavior under realistic loads as well as a prediction regarding the durability (fatigue, climatic effects) of joint sealing systems are either completely lacking in most of the relevant evaluation methods or have only been incompletely addressed previously. Furthermore an imbalance between commonly used test methodologies and the actual development status of modern modified sealing materials exists, i.e., the current test methods are not effective in evaluating the performance of tailor-made products. In this paper, the authors suggest a methodology to overcome the present situation. In contrast to the existing, predominantly empirical evaluation and selection of joint sealing materials and systems for pavements, the new approach is defined by verified performance under relevant and superimposed loads. This new approach is expected to allow a more engineered joint design. In addition to the adaptation of performance-oriented material identification tests, a special focus was placed on the development and installation of a complex test facility for the investigation of the service capability and durability of joint sealing systems in building constructions in general. This paper presents an attempt at the realization of this approach for pavement joints with the help of our new joint sealant test equipment utilizing a specific, adapted load function, which comprises cyclic movements (slow and fast acting), as well as crucial climatic exposures. The test data and its interpretation are discussed. For example, the actual mechanical behavior of the various joint sealing systems as well as the relevant maximum loading of cohesive and adhesive bonds can be deduced and used to differentiate between systems. Furthermore, information gained allows discrimination of products within the various joint sealing systems. The test results will also enable numerical simulations, e.g., of different joint designs or materials by finite element analysis. The fatigue behavior is detected by analysis of cycle-dependent changes of the mechanical system characteristics. The evaluation methodology further allows investigation of the degradation mechanisms of specific system failures and, thus, enables service life prediction by reproducing the performance of the complete system under realistic conditions. Constructional defects and material flaws can be activated and detected by the performance-related test methodology, thus identifying possible corrections to material selection and application procedures. The potential of the proposed evaluation methodology is discussed for several thermoplastic and reactive joint sealing systems.
Joint sealants influence decisively the performance and service life of pavements although they account for only a small fraction of the total investment. Motivated by the damages observed and the resulting, increasing maintenance efforts, the Federal German Government recognizes the need for performance-evaluated joint sealing systems with improved capability (fitness-for-purpose) and durability. A literature study showed that an identification of the actual mechanical system behavior under realistic loads as well as a prediction regarding the durability (fatigue, climatic effects) of joint sealing systems are either completely lacking in most of the relevant evaluation methods or have only been incompletely addressed previously. Furthermore an imbalance between commonly used test methodologies and the actual development status of modern modified sealing materials exists, i.e., the current test methods are not effective in evaluating the performance of tailor-made products. In this paper, the authors suggest a methodology to overcome the present situation. In contrast to the existing, predominantly empirical evaluation and selection of joint sealing materials and systems for pavements, the new approach is defined by verified performance under relevant and superimposed loads. This new approach is expected to allow a more engineered joint design. In addition to the adaptation of performance-oriented material identification tests, a special focus was placed on the development and installation of a complex test facility for the investigation of the service capability and durability of joint sealing systems in building constructions in general. This paper presents an attempt at the realization of this approach for pavement joints with the help of our new joint sealant test equipment utilizing a specific, adapted load function, which comprises cyclic movements (slow and fast acting), as well as crucial climatic exposures. The test data and its interpretation are discussed. For example, the actual mechanical behavior of the various joint sealing systems as well as the relevant maximum loading of cohesive and adhesive bonds can be deduced and used to differentiate between systems. Furthermore, information gained allows discrimination of products within the various joint sealing systems. The test results will also enable numerical simulations, e.g., of different joint designs or materials by finite element analysis. The fatigue behavior is detected by analysis of cycle-dependent changes of the mechanical system characteristics. The evaluation methodology further allows investigation of the degradation mechanisms of specific system failures and, thus, enables service life prediction by reproducing the performance of the complete system under realistic conditions. Constructional defects and material flaws can be activated and detected by the performance-related test methodology, thus identifying possible corrections to material selection and application procedures. The potential of the proposed evaluation methodology is discussed for several thermoplastic and reactive joint sealing systems.
Fugenfüllsysteme für Fahrbahnbeläge unter höchsten Beanspruchungen bestimmen in zunehmenden Maße die sichere Verfügbarkeit des Autobahnnetzes. Die aktuellen europäischen technischen Regelungen zu deren Verwendbarkeit folgen noch einem spezifikatorischen Ansatz auf empirischen Grundlagen. Es hat sich gezeigt, dass ein solcher Ansatz den Dauerhaftigkeits- und Nutzungsanforderungen nicht mehr entsprechen kann. Der Autor plädiert in seinem Vortrag für einen Paradigmenwechsel hin zu einem funktionsanalytischen Bewertungsansatz. Es werden Vorschläge für eine versuchstechnische Lösung des Problems und die damit verbundenen Chancen für Optimierung und Innovation aufgezeigt.
Die Struktur eines Materials bestimmt wesentlich dessen Gebrauchsverhalten. Diese einfache Weisheit ist Motivation für die ständige Weiterentwicklung des Untersuchungsinstrumentariums zur Gefügekennzeichnung von Baustoffen. Nachdem die Gefügeaufklärung insbesondere bei mineralischen Baustoffen bereits integrierter Bestandteil der Baustoffcharakterisierung ist, erhöht insbesondere die zunehmende Spezialisierung und Weiterentwicklung der Asphaltbaustoffe zusammen mit der Forderung nach gebrauchsgerechtem Leistungsnachweis den Bedarf an methodischer Entwicklung bei der Strukturkennzeichnung. Besondere Möglichkeiten zur tiefenaufgelösten und zerstörungsfreien räumlichen Visualisierung des Gefüges, der Ableitung strukturbeschreibender Kennwerte aber auch für eine anschließende Diskretisierung der inneren Struktur mittels finiter Elemente bietet das Verfahren der Computertomographie mit Röntgenstrahlen. Mit Hilfe verschiedener Anwendungen soll auf die Möglichkeiten dieser Methodik aufmerksam gemacht werden.
Voraussetzung zur Aufklärung von Fugenbewegungen in hochbeanspruchten Verkehrsflächen aus Beton ist ein neues, innovatives und sensitives Sensorsystem, welches unter den Bedingungen der Autobahnpraxis schnell und sicher in entsprechend beanspruchte Bereiche installiert werden kann und in der Lage ist, stabile und hochaufgelöste Bewegungen in mehrere Raumrichtungen zu erfassen. Das durch die BAM neu entwickelte Sensorsystem ist geeignet, um direkt in die Betonfahrbahndecke integriert zu werden und sowohl über saisonale Messbereiche als auch in hoher Auflösung entsprechende Messwerte online zu erfassen und bereit zu stellen. Das für diesen Zweck entwickelte innovative Sensorsystem kann direkt in die Rollspur auf beiden Seiten der Fuge eingebaut werden und ist dafür ausgelegt, Lkw-Überfahrungen zu widerstehen. Es ist schnell und präzise genug, um die realen Bewegungen in allen drei Raumachsen in Echtzeit erfassen zu können. Dieser Forschungsbericht beschreibt das Funktions- und Wirkschema des Sensorsystems und seine Validierung im Labor- und Feldmaßstab. Dabei wird insbesondere auch die praxisgerechte Einbau- und Nutzungsmethodik vorgestellt. Auflösungsvermögen, Robustheit und Nutzerfreundlichkeit werden am Beispiel einer Konzeptstudie auf dem Testgelände DuraBASt erprobt. Es werden grundlegende Hinweise auf den dringlichen Bedarf einer gebrauchsgerechten Beschreibung des realen Verhaltens des Bauwerks Betonstraße identifiziert.
Die mit dem Sensorsystem gewonnenen Daten können eine Grundlage für die Konzeption einer performance-basierten Bewertung von Fugenfüllsystemen in Betondecken von Bundesautobahnen bieten. Sie sind geeignet, die Funktionsmechanismen der verschiedenen Betonfahrbahnkonstruktionen besser zu verstehen und zielgerichtet konstruktive und materialtechnische Optimierungen und Fortentwicklungen von Fugenkonstruktionen und Fugenfüllsystemen in gebrauchsbezogener Weise zu entwickeln. Durch weitere Datenerhebung, -fusion und -analyse können Instandsetzungsintervalle und Lebensdauerzyklen besser abgeschätzt und geplant werden.
Dynamic-mechanical material analysis as a basis for a general performance exploration complemented by system testing under superimposed climatic and mechanical loading seems to be a promising interdependent test approach addressing the performance behavior of construction sealants under more realistic conditions. With this contribution an attempt is made to adapt dynamic-mechanical material analysis, which has been already successfully validated for different construction types of expansion joint systems in road and bridge engineering, to the field of construction sealants for building façades. Test results from dynamic-mechanical material analysis characterizing the temperature-dependent, deformation-dependent, and frequency-dependent behavior of structural sealant materials are presented and exemplarily discussed for three different sealant products. An attempt is made to address unknown material characteristics in the multi-dimensional loading matrix representing practical use conditions. Furthermore, the applicability of this test approach and its various complex test modes for the exploration of technological performance and especially estimation of fatigue behavior is verified in several examples. Based on this fundamental material exploration, it is planned to complement the dynamic-mechanical assessment methodology by means of system tests on a section of a structural glazing system subjected to a simplified but superimposed loading function. The technical fundamentals and the procedure proposed to develop an adequate system test mode are introduced. The motivation for these investigations is to identify the actual mechanical system behavior under load combinations and for specimens that both closer resemble reality. The objective is to achieve a consistent and interdependent test program complementary to the existing methodology. Finally, the study is meant to initiate further progress toward a performance-related methodology which considers the design, specification, material, and system selection.
Dynamic-mechanical material analysis as a basis for a general performance exploration complemented by system testing under superimposed climatic and mechanical loading seems to be a promising interdependent test approach addressing the performance behavior of construction sealants under more realistic conditions. With this contribution an attempt is made to adapt dynamic-mechanical material analysis, which has been already successfully validated for different construction types of expansion joint systems in road and bridge engineering, to the field of construction sealants for building façades. Test results from dynamic-mechanical material analysis characterizing the temperature-dependent, deformation-dependent, and frequency-dependent behavior of structural sealant materials are presented and exemplarily discussed for three different sealant products. An attempt is made to address unknown material characteristics in the multi-dimensional loading matrix representing practical use conditions. Furthermore, the applicability of this test approach and its various complex test modes for the exploration of technological performance and especially estimation of fatigue behavior is verified in several examples. Based on this fundamental material exploration, it is planned to complement the dynamic-mechanical assessment methodology by means of system tests on a section of a structural glazing system subjected to a simplified but superimposed loading function. The technical fundamentals and the procedure proposed to develop an adequate system test mode are introduced. The motivation for these investigations is to identify the actual mechanical system behavior under load combinations and for specimens that both closer resemble reality. The objective is to achieve a consistent and interdependent test program complementary to the existing methodology. Finally, the study is meant to initiate further progress toward a performance-related methodology which considers the design, specification, material, and system selection.
Structural Silicone Glazing (SSG) is a curtain walling method that utilizes silicone sealants to adhere glass, ceramic, metal or composite panels to supporting framing members by means of a peripheral adhesive joint. In SSG curtain walls, silicone sealants serve not only as a weather seal, but also act as a structural bonding element, eliminating the need for exterior retainers and covers.
The paper discusses some essential findings of two recent research studies on the durability and service life of structural silicone glazing sealants and structures. The first study demonstrates, that specimens of a first generation 2-part silicone sealant taken from a SSG façade after 23+2 years of real life successfully passed the European ETAG002-1 performance criteria for residual strength.
In a second study, a new performance-based durability test method was developed in partnership with the Federal Institute for Materials Research Berlin/Germany (BAM). This method is based on simultaneously exposing system test specimens to artificial weathering and complex, multiaxial mechanical loadings. 2-part structural silicone sealants of the first and of the second generation where subjected to this test, which is considered to correspond to an anticipated service life of 50 years.
Quality Improvement of Expansion Joint Systems by Performance Related Tests of System Behaviour
(2002)
Die sehr gute Reproduzierbarkeit von tomographischen Messungen zusammen mit den digital vorliegenden Ergebnissen ermöglicht die zerstörungsfreie dreidimensionale quantitative Analyse der untersuchten Bauteile und Proben mit Methoden der Bildverarbeitung. Vorwiegend für den Nachweis von Poren eingesetzt, lassen sich mit CT auch unterschiedliche Materialbestandteile analysieren, wobei die einzige Voraussetzung ein hinreichender Unterschied (es genügen wenige Prozent) in den Röntgenabsorptionseigenschaften der zu unterscheidenden Bestandteile ist.
Mit den in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung entwickelten Computertomographieanlagen kann der Anteil von Hohlräumen und Materialbestandteilen einer Probe bestimmt werden, wobei die Größe der nachzuweisenden Bestandteile sich über mehrere Größenordnungen erstreckt.
An ausgewählten Beispielen aus den Bereichen Keramik, Bodenproben und Fahr-bahnübergangssystemen aus Asphalt werden die quantitativen Ergebnisse dargestellt und die in der Bestandteilanalyse erreichbare Genauigkeit diskutiert.
Inacceptable capability and durability of joint sealing systems but also inadequate traffic performance (noise emission; overrolling comfort) up to traffic safety aspects reflect the still enormous demand for data-based description of concrete pavements performance under heavy loading conditions. Especially the deformation behavior of concrete pavement slabs in the joint region in consideration of new pavement construction types and improved concrete mixtures meanwhile established but also under the steeply rising traffic loads is not sufficiently explored. To create a data basis for advanced design rules, evaluation methods and product standards - and with it to improve quality, durability and finally sustainability of pavements - an innovative 3-D sensor system SENSO JOINT adapted to german roadworking requirements and suitable for heavy-duty operating conditions was developed. The contribution introduced describes the development of an extensive technical solution based on the analysis of decisive loads, interactions and boundary conditions. Based on calibration data, results of laboratory testing and finally field-testing on different concrete pavement construction types the outcome of a multi-level evaluation process shall introduce the potential of the new sensor system.
SENSO JOINT - An innovative sensor system for a sustainable joint design of concrete pavements
(2020)
Inacceptable capability and durability of joint sealing systems but also inadequate traffic performance (noise emission; overrolling comfort) up to traffic safety aspects reflect the still enormous demand for data-based description of concrete pavements performance under heavy loading conditions. Especially the deformation behavior of concrete pavement slabs in the joint region in consideration of new pavement construction types and improved concrete mixtures meanwhile established but also under the steeply rising traffic loads is not sufficiently explored. To create a data basis for advanced design rules, evaluation methods and product standards - and with it to improve quality, durability and finally sustainability of pavements - an innovative 3-D sensor system SENSO JOINT adapted to german roadworking requirements and suitable for heavy-duty operating conditions was developed. The contribution introduced describes the development of an extensive technical solution based on the analysis of decisive loads, interactions and boundary conditions. Based on calibration data, results of laboratory testing and finally field-testing on different concrete pavement construction types the outcome of a multi-level evaluation process shall introduce the potential of the new sensor system.
Eyewitnesses describe burning pavement surfaces in extreme fire scenarios. However, it was believed that the pavement plays a negligible role in comparison to other items feeding such an extreme fire at the same time. The asphalt mixtures used differ widely, thus raising the question as to whether this conclusion holds for all kinds of such materials. Three different kinds of asphalt mixtures were investigated with the aim of benchmarking the fire risks. Cone calorimeter tests are performed at an irradiance of 70kWm-2. All three investigated asphalts burn in extreme fire scenarios. The fire response (fire load, time to ignition, maximum heat release rate and smoke production) is quite different and varies by factors of up to 10 when compared to each other. The fire load per mass is always very low due to the high content of inert minerals, whereas the effective heat of combustion of the volatiles is quite typical of non-flame retarded organics. The heat release rate and fire growth indices are strongly dependent on the fire residue and thus the kind of mineral filler used. Comparing with polymeric materials, the investigated Mastic Asphalt and Stone Mastic Asphalt may be called intrinsically flame resistant, whereas the investigated Special Asphalt showed a pronouncedly greater fire risk with respect to causing fire growth and smoke. Thus the question is raised as to whether the use of certain kinds of asphalts in tunnels must be reconsidered. Apart from the binder used, the study also indicates varying the kind of aggregate as a possible route to eliminate the problem.