Glasschaumgranulat. Mechanisches Materialverhalten und Anwendung im Straßenbau

Abstract

Glasschaumgranulat ist ein industriell hergestelltes granulares Leichtschüttmaterial. Die Einzelkörner weisen eine kantige Form auf und besitzen im Mittel eine Größe von 32 bis 63 mm. Aufgrund seiner leichten Verarbeitbarkeit vor Ort und der hervorragenden thermischen sowie mechanischen Eigenschaften ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten im Bauwesen. Einer dieser Anwendungsgebiete ist die Verwendung von Glasschaumgranulat als Leichtschüttmaterial für die Errichtung von Straßendämmen. Durch die im Vergleich zu konventionellen Dammschüttmaterialien geringere Dichte von Glasschaumgranulat kann das Eigengewicht des Straßendamms deutlich reduziert werden, womit insbesondere auf weichem Untergrund geringe Setzungen auftreten. Ziel des vorliegenden Berichts ist eine umfassende Beschreibung des mechanischen Materialverhaltens von Glasschaumgranulat in Hinblick auf Anwendungen im Straßenbau. Hierfür wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen im Labor und Feld durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde das mechanische Materialverhalten der Einzelkörner anhand von einaxialen Druckversuchen untersucht. Es zeigt sich, dass das Arbeitsverhalten der Einzelkörner durch die einaxiale Druckfestigkeit beschrieben werden kann. Für vertikale Spannungen, welche kleiner als die einaxiale Druckfestigkeit sind, liegt ein nahezu linear-elastisches Materialverhalten vor. Für vertikale Spannungen, welche größer als die einaxiale Druckfestigkeit sind, treten irreversible Verformungen auf und es liegt ein überwiegend plastisches Materialverhalten vor. Weiters zeigt sich, dass zeitabhängige Verformungen der Einzelkörner ausschließlich für vertikale Spannungen nahe der einaxialen Druckfestigkeit auftreten. Im Rahmen der Untersuchungen des Korngemisches wurde zunächst die Verdichtungsfähigkeit von Glasschaumgranulat untersucht. Hierbei zeigte sich, dass die enggestufte Kornverteilungslinie des Korngemisches im Anlieferungszustand im Zuge der Verdichtung bedingt durch Kornbrüche optimiert wird. Diese Kornbrüche sind gemeinsam mit dem Verdichtungsprozess Grundvoraussetzung für die Entstehung eines in sich verzahnten und kompakten Korngemisches. Anhand von Kompressionsversuchen wurde das Last-Verformungsverhalten von Glasschaumgranulat untersucht. Es zeigt sich, dass dieses insbesondere im Zuge der Erstbelastung deutlich vom Verdichtungszustand abhängig ist. Die einaxiale Druckfestigkeit ist ebenfalls von Bedeutung und beeinflusst das zeitabhängige Materialverhalten von Glasschaumgranulat. Das Last- Verformungsverhalten im Rahmen von Wiederbelastungen unterscheidet sich gänzlich von Erstbelastungen. So liegt während der Wiederbelastung ein quasi-elastisches Materialverhalten vor. Weiters ist die Steifigkeit bis um das rund 10-fache höher als bei der Erstbelastung. Zur Untersuchung der Scherfestigkeit von Glasschaumgranulat wurden Rahmenscherversuche und Triaxialversuche durchgeführt. Es zeigt sich, dass der Rahmenscherversuch zur Bestimmung der Scherfestigkeit nicht geeignet ist. Anhand der Ergebnisse der Triaxialversuche konnte der Reibungswinkel bestimmt werden. Wie bereits erwähnt, ist der Verdichtungszustand beispielsweise für das Last- Verformungsverhalten von Glasschaumgranulat von entscheidender Bedeutung. Daher wurde ein Nachweisverfahren zur Beurteilung des Verdichtungszustandes im Feld entwickelt. Dieses basiert auf dem dynamischen Lastplattenversuch mit dem Leichten Fallgewichtsgerät. Zusätzlich wird um die Lastplatte ein Auflastring angeordnet. Dieser vermindert etwaige Auflockerungen im Korngemisch durch die stoßförmige Belastung des Leichten Fallgewichtsgerätes. Die Wirkungsweise des Auflastringes konnte sowohl durch Versuche unter Laborbedingungen als auch durch numerische Simulationen nachgewiesen werden. Das entwickelte Nachweisverfahren für die Beurteilung des Verdichtungszustandes von Glasschaumgranulat wurde anhand von experimentellen Untersuchen im Feld validiert. Hierfür wurden verschiedene Verdichtungsprozedere angewendet und anhand des dynamischen Lastplattenversuches mit dem Leichten Fallgewichtsgerät mit Auflastring beurteilt. Es zeigt sich, dass für die Verdichtung von Glasschaumgranulat flächenhaft wirkende Anbauverdichtungsgeräte besonders gut geeignet sind. Ebenso konnten mit Tandemwalzen gute Verdichtungsergebnisse erzielt werden, wobei insbesondere die Masse der Geräte für die Eignung entscheidend ist. Auf Basis der Labor- und Felduntersuchungen wurden Kriterien und Prüfungen für die Anwendung von Glasschaumgranulat als Leichtschüttmaterial im Straßenbau abgeleitet. Diese wurden im Rahmen des Bauvorhabens A4 Ostautobahn / A23 Autobahn Südosttangente – Umbau Autobahnknoten Prater erfolgreich angewendet.