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Die Erfindung betrifft eine Betonfahrbahndecke.
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Bekannte Betonfahrbahndecken werden nach den einschlägigen technischen Regelwerken aus einem Normalbeton der Festigkeitsklassen C 30/37 bis C 45/50 hergestellt. Seine Druckfestigkeit liegt üblicherweise zwischen 35 und 50 N/mm2, die Biegezugfestigkeit beträgt etwa 5 bis 6 N/mm2. Der Beton weist einen nennenswerten Anteil an Kapillarporen auf, durch die Feuchtigkeit und mit ihr betonschädliche Stoffe in den Beton eindringen können, wie etwa Natrium- und Chloridionen. Bei bewehrten Betonfahrbahndecken können eindringende Chloridionen die Korrosion der Bewehrung initiieren oder wesentlich beschleunigen. Das Eindringen von Alkalien in Form von Natriumionen in den feuchten Beton kann zu einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führen oder sie wesentlich verstärken. AKR war und ist die Ursache für erhebliche Schäden an Betonfahrbahndecken in weiten Bereichen Deutschlands, was in der Presse auch als ”Bröckelbeton” bezeichnet wird.
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Regelgerechter üblicher Straßenbeton weist zudem eine geringe Oberflächenfestigkeit auf. Bei der Herstellung der in der Regel etwa 20 bis 30 cm dicken Betonschicht setzt sich infolge Sedimentation an der Oberfläche eine meist unregelmäßige, zwischen 1 und 3 mm dicke, nicht gezielt beeinflussbare Schicht von Feinmörtel ab, der in der Regel wasserreicher und daher poröser und weniger fest als der Kernbeton ist.
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Wie bereits ausgeführt, sollten Betonfahrbahndecken zum einen in der Lage sein, die Verkehrslasten dauerhaft abzutragen, zum anderen muss ihre Oberfläche allerdings auch ausreichend griffig sein und soll möglichst wenig zu Geräuschemissionen beitragen. Zudem muss sie so fest und dauerhaft sein, dass eine griffige und geräuscharme Oberflächentextur durch die abrasive Wirkung des Verkehrs während der geplanten Gebrauchsdauer von rd. 30 Jahren möglichst nicht ungünstig verändert. In diesem Zusammenhang ist bekannt, die Feinmörtelschicht bei der Herstellung der Betondecke im frischen Zustand zu texturieren, beispielsweise mittels Besen oder Kunstrasen, um z. B. die Griffigkeit zu verbessern und/oder die Lärmemission durch die Fahrzeugreifen zu verringern. Üblicherweise wird die Textur im Laufe der Zeit aufgrund der mechanischen Beanspruchung durch die Räder abgetragen, was bedeutet, dass die anfängliche Wirkung verloren geht. Bekannt ist auch, auf die Oberfläche der Fahrbahndecke einen Betonverzögerer aufzubringen und danach die nicht erhärtete Schicht mechanisch abzutragen, sodass eine Waschbetonstruktur entsteht. Auch eine solche mechanisch bearbeitete Oberfläche ist entweder nicht ausreichend dauerhaft oder sie ist geräuschtechnisch und/oder hinsichtlich ihrer Griffigkeit nicht optimal.
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Bekannt ist in diesem Zusammenhang ebenfalls der Porosität und der geringen Festigkeit des Betons und hier insbesondere der Oberflächenschicht, durch die Zugabe chemischer Zusatzmittel, z. B. Luftporenbildner, zu begegnen, um einen ausreichend hohen Widerstand gegen die intensive Beanspruchung durch Frost- und Tausalzangriffe im Winter sicherzustellen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass durch die nicht sachgerechte Verwendung dieser Mittel und/oder den geschwächten Zementleim an der Oberfläche ebenfalls bereits erhebliche Oberflächenschäden an Betonfahrbahndecken entstanden sind. Außerdem wird durch die Zugabe von Luftporenbildnern der Abrasionswiderstand der oberen Schicht zusätzlich herabgesetzt.
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Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich Betonfahrbahndecken bekannt, die aus einer unteren tragenden Schicht und einer oberen Nutzschicht bestehen. In diesem Zusammenhang ist auf die
DE 560 359 hinzuweisen, die lehrt, auf eine Betontragschicht eine wasserabgebende Teer- oder Asphaltbetonschleißschicht aufzubringen. Die Standfestigkeit einer derartigen bitumenhaltigen Schleißschicht ist allerdings gering.
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Aus der
EP 0 929 719 B1 ist eine Straßenstruktur bekannt, deren tragender, den Boden erhöhender Teil drei aufeinander folgende Schichten aus bituminösen, miteinander verklebten Materialien aufweist.
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Die
US 2004/0197144 A1 wiederum zeigt eine Fahrbahndecke, wobei zur Herstellung der Fahrbahndecke Kalkstein verwendet wird. Die Korngröße des Kalksteins liegt bei etwa 5 mm.
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Zusammenfassend ist in diesem Zusammenhang festzuhalten, dass eine Betonfahrbahndecke nicht nur abriebfest und widerstandsfähig gegen Tausalzangriffe, sondern darüber hinaus auch gezielt prägbar sein soll. Insbesondere soll die Prägung nach dem Einbringen der Prägung auch im frischen, noch verformbaren Mörtel und über die anschließende Abbindephase stabil sein.
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Eine Betonfahrbahndecke, die diesen Anforderungen genügt, umfasst eine tragende untere Betonschicht und eine damit insbesondere monolithisch verbundene obere mit einer Prägung versehene Nutzschicht, wobei die Nutzschicht aus einem gefügedichten, kapillarporenarmen bis kapillarporenfreien, feinkörnigen zementgebundenen thixotropen Mörtel hoher Druckfestigkeit ausgebildet ist und wobei der Mörtel Gesteinskörnungen aufweist. Der zur Bildung der Nutzschicht verwendete Mörtel zeichnet sich durch eine hohe Packungsdichte der feinen Partikel aus, was insbesondere in Verbindung mit einem sehr niedrigen Wasser-Zement-Wert die Abriebfestigkeit und auch die Tausalzbeständigkeit erhöht und den Mörtel praktisch undurchlässig für Chloridionen und gelöste Alkalien aus dem Tausalz macht. Durch die hohe Packungsdichte und die dadurch bedingte hohe innere Reibung in Verbindung mit den sehr hohen interpartikulären Kräften zwischen den sehr zahlreichen Partikeln mit einer Korngröße von weniger als 10 μm und die dadurch erreichte Thixotropie besitzt der Mörtel einerseits eine leicht verarbeitbare weiche Konsistenz und ist andererseits unmittelbar nach dem Einbauen und Glätten so standfest, dass eine in den frischen Mörtel eingebrachte Prägung, z. B. in Form von Längs- und Querrillen auch ohne zusätzliche thixotropierende und/oder versteifende Zusätze im frischen Zustand und während der Abbindephase stabil bleibt. Durch ein geeignetes Prägungsmuster werden dauerhaft geringe Lärmemissionswerte und eine hohe Griffigkeit erreicht.
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Die Begriffe ”gefügedicht” oder auch ”dichtgepackt” korrelieren mit dem Begriff ”kapillarporenarm” oder ”kapillarporenfrei” insofern, als ein solcher Mörtel für Feuchtigkeit, Schadgase sowie Chloride und Alkalien undurchlässig oder doch im Wesentlichen undurchlässig ist. Als „packungsoptimiert” im hier gebrauchten Sinne bezeichnet man z. B. eine lose oder verdichtete Packung aus feinen Partikeln mit einer Korngröße von weniger als 0.25 mm, bevorzugt kleiner als 0.125 mm, die aus mehreren unterschiedlich feinen Komponenten zusammengesetzt sind, wobei deren individuelle Volumenanteile experimentell und/oder mithilfe mathematischer Algorithmen so variiert werden, dass der Volumenanteil des Feststoffs an einem Gesamtvolumen von rechnerisch von ursprünglich z. B. nur 65 Vol.-% (z. B. Zement ohne Zusatzstoffe) auf z. B. bis zu rd. 85 Vol.-% erhöht wird.
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Vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist im Einzelnen vorgesehen, dass der Durchmesser des Größtkorns kleiner als die Rillenbreite der Prägung ist, um auch nach der Prägung eine im Wesentlichen homogene Mörtelschicht zu erhalten.
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Ein solcher im Wesentlichen kapillarporenfreier, feinkörniger zementgebundener Mörtel als Nutzschicht zeichnet sich im Einzelnen nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch aus, dass dieser Beton Zusatzstoffe mit einer Körnung von ≤ 0,125 mm und Gesteinskörnungen aus abriebfesten Hartgesteinen mit einer Körnung zwischen 0,125 und 2 mm, bevorzugt zwischen 0,25 und 1 mm aufweist. Das Wasser-Zementverhältnis beträgt vorzugsweise < 0,35, bevorzugt jedoch ≤ 0,25.
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Solche im Wesentlichen zementgebundenen hoch- bzw. ultrahochfesten Mörtel zeichnen sich dadurch aus, dass sie insgesamt weniger als rd. 3 Vol.-% Kapillarporen mit einer Porengröße zwischen 10 nm bis 50 µm und weniger als 0.5 Vol.-% der besonders diffusionswirksamen Kapillarporen mit einer Porengröße zwischen 50 nm und 20 µm mehr besitzen und dadurch praktisch undurchlässig für Feuchtigkeit sowie für Chlorid- und Natriumionen und andere gelöste flüssige oder gasförmige Schadstoffe sind. Die damit hergestellte Nutzschicht schützt dadurch den darunter befindlichen tragenden Beton vor Frost-Tausalz-Angriffen, vor einer möglichen Alkali-Silika-Reaktion und – falls dieser Beton mit Stahlbewehrung versehen ist – die Bewehrung vor chloridinduzierter Korrosion.
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Die Zusatzstoffe sind inert und/oder reaktiv. Beispiele für reaktive Zusatzstoffe sind Mikrosilika, Nanosilika, synthetische Kieselsäure oder auch Feinstflugasche oder Feinsthüttensand. Aufgrund der vorgenannten Zusammensetzung sind hohe Druckfestigkeiten von rund 85 bis 220 N/mm2, bevorzugt zwischen 115 und 200 N/mm2, insbesondere zwischen 140 und 190 N/mm2 erzielbar, was zu einem erhöhten Abriebwiderstand führt. Nach DIN 52108 werden Abriebwerte von 6–10 cm3/50 cm2 mit der Böhme-Scheibe erreicht.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Nutzschicht durch eine gezielte Anpassung der Viskosität durch die gewählte, sehr packungsdichte Mischung an Gesteinskörnungen, Zement und ggf. unterschiedlich feinen Zusatzstoffen sowie des sehr niedrigen Wasserzementverhältnisses sowie gezielt ausgewählte Fließmittel einerseits so verformbar ist, dass die zuvor erwähnten Rillen formtreu eingeprägt werden können, andererseits ist aber sichergestellt, dass nach dem Einprägen bis zum Erhärten auch unter Einfluss sekundärer Erschütterungen die Prägung in der Nutzschicht ausreichend standfest, d. h. thixotrop, ist. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass die Nutzschicht, insbesondere auch aufgrund des Wasserzement-Verhältnisses und aufgrund des hohen, in sich packungsoptimierten Feinkornanteils von ≤ 0,125 mm im verdichteten Zustand sehr standfest ist und sich keine Wasser- oder Zementleimphase nach oben hin absetzt und insofern die Nutzschicht über ihre Dicke eine einheitliche Druckfestigkeit aufweist. Dies führt schlussendlich mit zu der hohen Verschleißfestigkeit.
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Die Herstellung einer solchen Fahrbahndecke zeichnet sich dadurch aus, dass auf die untere tragende Schicht, die eine Dicke von 200 bis 300 mm, bei Flugplätzen auch darüber aufweist, die Nutzschicht mit einer Stärke von 5 bis 40 mm, bevorzugt von 5 bis 15 mm Frisch-in-Frisch aufgebracht wird. Durch dieses sogenannte Frisch-in-Frisch-Aufbringen wird erreicht, dass durch die Hydratation des Zementes sich beide Schichten zu einer dauerhaft festen, monolithischen Einheit verbinden. Das Material für die Herstellung der Nutzschicht ist teurer als das für die untere tragende Schicht. Mit der Erfindung wird nunmehr eine Betonfahrbahndecke bereitgestellt, die eine hohe Standfestigkeit aufweist, insbesondere auch im Hinblick auf die eingebrachte Prägung, aber dennoch aufgrund der vergleichsweise preiswerteren, tragenden unteren Schicht insgesamt preiswert herstellbar ist. In der tragenden unteren Betonschicht können durch die schützende Wirkung der Nutzschicht als Verschleißschicht nunmehr auch grobe Gesteinskörnungen verwendet werden, die einen geringeren Widerstand gegen Alkali-Silika-Reaktion aufweisen. Enthält die tragende Betonschicht eine Stahlbewehrung, kann die aus Korrosionschutzgründen erforderliche Betonüberdeckung über der Bewehrung zudem deutlich verringert und die tragende Betonschicht dadurch ggf. dünner ausgeführt werden, was die Wirtschaftlichkeit der Bauweise deutlich verbessert.
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Die Nutzschicht zeichnet sich dadurch aus, dass die Nutzschicht eine Prägung oder Profilierung aufweist. Die Prägung oder Profilierung ist im wesentlich rillenförmig getroffen, wobei der Abstand der Profilrillen zwischen 2 und 15 mm, die Rillenbreite bevorzugt 0,5 bis 5 mm und besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 mm beträgt. Die Tiefe der eingeprägten Rillen bzw. Riefen beläuft sich auf 2 bis 8 mm, bevorzugt auf 2 bis 4 mm.
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Die Nutzschicht bietet darüber hinaus einen ausreichenden Reibungswiderstand zwischen Reifen und Fahrbahn, bedingt dadurch, dass die Gesteinskörnungen aus abriebfestem Hartgestein mit einer Korngröße von 0,125 mm bis 2 mm, bevorzugt 0,25 bis 1 mm Verwendung finden, und dass die Stege zwischen den Rillen beim Einprägen der Rillen zusätzlich mit einer Mikrostruktur versehen werden können. Eine besonders bevorzugte Oberflächengestaltung der Nutzschicht zeichnet sich dadurch aus, dass die Stege zwischen den einzelnen Rillen beim Einprägen der Rillen zusätzlich mit einer Mikrostruktur versehen sein können.
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Eine Mörtelnutzschicht setzt sich z. B. aus den folgenden Hauptkomponenten zusammen:
- – Bindemittel
(Zement CEM IIIA und reaktiver Zusatzstoff Silikastaub) 34 Vol.-%
- – Zusatzstoff Quarzmehl (Feinheit ≥ 10.000 cm2/g) 23 Vol.-%
- – Sand 0.125–0.5 mm 40,5 Vol.-%
- – Fließmittel PCE 2.5 Vol.-%
- – Wasser-Bindemittel-Wert 0.20
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Gegebenenfalls können weiter hinzugegeben werden:
- – Mikrodraht- und/oder Kunststofffasern als Armierungsstoffe
- – Titandioxid
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Die Verwendung von 3 bis 5 M.-% Titandioxid bewirkt bei dem optimierten Mörtel (Feinbeton) zur Verwendung als Nutzschicht, fotokatalytische Eigenschaften, was zusätzlich zu dem Vorteil führt, dass unter dem Einfluss von UV-Strahlung (Sonnenlicht) und in Gegenwart von Feuchtigkeit organische und anorganische Luftschadstoffe in weniger schädliche- oder unschädliche Stoffe zerlegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 560359 [0006]
- EP 0929719 B1 [0007]
- US 2004/0197144 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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