Ein Straßenunterbau kann vor dem Winter fest erscheinen und an Tragfähigkeit verlieren, wenn bei der Schneeschmelze im Frühjahr wieder Wasser in seine Poren eindringt. Für einen Bauunternehmer ist diese Veränderung wichtiger als das Verhalten des Bodens an einem trockenen Tag. Polypropylen (PP)-Fasern kann dazu beitragen, dass verdichteter Boden seine Festigkeit auch bei Frost und Tauwetter beibehält, doch die richtige Faserlänge und Dosierung hängen vom Boden, vom Wasser, vom Verdichtungsgrad und vom angestrebten Festigkeitsziel ab.
Bei Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. liefern wir Ecocretefiber™-Fasern für zementäre und andere technische Werkstoffe. Wenn ein Projektteam den Einsatz von PP-Fasern im Boden in Betracht zieht, beginnen wir mit der Untersuchung des Baugrunds und einem kontrollierten Versuch. Ein veröffentlichter Laborvergleich von faserverstärktem weichem Boden liefert ein anschauliches Beispiel. Er zeigt auch, warum ein vielversprechendes 0,3%-Ergebnis als Orientierung für weitere Versuche dienen sollte, anstatt als allgemeingültige Formel angesehen zu werden.
Warum Frost-Tau-Wechsel den Straßenunterbau schwächen
Für Frostschäden sind frostempfindlicher Boden, Frostbedingungen und Wasser erforderlich. Die Geotechnische Leitlinien der Federal Highway Administration unterscheidet zwischen der Schwächung durch die Schneeschmelze im Frühjahr und dem Winterhub als separate Probleme. Wasser kann in Richtung einer Gefrierzone wandern und Eislinsen bilden. Wenn dieses Eis schmilzt, kann der Boden feucht werden und Lasten weniger gut tragen.
Eine Faser verändert die Verformungsfestigkeit eines Teils des Bodenskeletts. Zufällig verteilte Filamente können lokale Zonen durchqueren, in denen Partikel dazu neigen, sich voneinander zu lösen. Bodenpartikel haften an der Faseroberfläche, und die Faser kann Zugspannungen aufnehmen, wenn der Boden selbst nur über eine begrenzte Zugfestigkeit verfügt. Dies ist eine praktische Erklärung für die Verstärkungswirkung, deren Ausmaß jedoch von der Grenzfläche zur Faser, der Ausrichtung, der Vermischung und der Einschränkung abhängt.
Die Erhaltung der Festigkeit ist nicht dasselbe wie der Schutz vor Frosthebungen. Ein Druckversuch nach dem Auftauen kann zeigen, dass ein bewehrter Prüfkörper noch immer eine Last trägt. Er misst jedoch nicht an sich das vertikale Aufwölben, die Wasserwanderung, die Durchlässigkeit oder die Langzeitbewegung des Straßenbelags. Eine Fahrbahn in kalten Regionen benötigt nach wie vor eine geeignete Entwässerung, eine korrekte Neigung, eine Auslegung unter Berücksichtigung der Frosttiefe sowie einen angemessenen Querschnitt. Die Leitlinien der FHWA beschreiben diese umfassenderen Maßnahmen im Unterbau, einschließlich des Einflusses der Wasserverfügbarkeit auf das Aufwellen. Siehe die Erläuterungen der FHWA zu Frost und Wasser.
Was bei dem Boden- und Faser-Experiment tatsächlich getestet wurde
Eine Studie von Li Junfa aus dem Jahr 2020 in der Zeitschrift der Technischen Universität Wuhan (Verkehrswissenschaft und -technik) Es wurde ein weicher Boden verwendet, der in einer Tiefe von 3,5 m im östlichen Teil der Songliao-Ebene entnommen wurde. Die gemessene Flüssigkeitsgrenze betrug 42,8%, die Plastizitätsgrenze 28,2%, die maximale Trockendichte 1,768 g/cm³ und der optimale Wassergehalt 18,6%. Das Testteam verdichtete zylindrische Proben auf einen Zielwert von 98% und verwendete sechs Proben in jeder Testgruppe.
Die Forscher verglichen die nominalen Faserlängen von 6, 9 und 12 mm sowie Gehalten von 0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4% und 0,5%. Diese Prozentsätze ergeben sich aus der Fasermasse geteilt durch die Trockenmasse des Bodens. Beispielsweise bedeutet 0,3% 3 kg Fasern pro 1.000 kg trockener Erde. Es handelt sich dabei nicht um 0,3% feuchter Erde und auch nicht um eine konkrete Dosierung in kg/m³.
Bei jedem Frost-Tau-Zyklus wurde die Probe 12 Stunden lang bei -15 °C und anschließend 12 Stunden lang bei 20 °C gehalten. Die Gruppen wurden 0, 5, 10, 15 oder 20 Zyklen unterzogen. Die Forscher maßen das Scherverhalten mittels unkonsolidierter, undrainierter dreiachsiger Druckversuche bei Umschließungsdrücken von 50, 100 und 200 kPa. Außerdem führten sie unkonsolidierte Druckversuche durch. Der Durchmesser der Proben betrug 39,1 mm, ihre Höhe 80 mm.
| Studienvariable | Im Experiment verwendete Werte | Warum das wichtig ist |
| PP-Faseranteil | 0,11 TP3T bis 0,51 TP3T der Trockenmasse des Bodens | Beeinflusst den Armierungsanteil und das Risiko einer unzureichenden Verteilung |
| Faserlänge | 6, 9 und 12 mm | Mögliche Änderungen der Verankerung und die einfache, gleichmäßige Durchmischung |
| Einwirkung von Frost und Tauwetter | 0, 5, 10, 15 und 20 Zyklen | Zeigt, wie sich die geprüfte Festigkeit unter diesem einen Wärmebehandlungsplan verändert hat |
| Kraftmessung | UU-Dreiachsscherung und ungestützte Druckbeanspruchung | Beantwortet zwei miteinander verbundene, aber unterschiedliche Fragen zum Thema Kraft |
Die in diesem Versuch verwendeten Proben und Faserqualitäten bestimmen dessen Ergebnisse. Die Studie hat keine allgemeingültige Spezifikation für alle Bodenarten oder jede verfügbare PP-Faser festgelegt. Die darin enthaltene Faserspezifikation sollte zudem nicht als Ersatz für ein Ecocretefiber™-Produktdatenblatt herangezogen werden.
Was geschah, als die Proben gefroren und aufgetaut sind?
Bei einem gegebenen Fasergehalt und einer gegebenen Schnittlänge nahmen die gemessenen Scher- und Druckfestigkeiten im Allgemeinen mit steigender Anzahl der Zyklen ab. Die größten Veränderungen traten zu Beginn der Versuchsreihe auf. Die Forscher beobachteten in ihrem Versuchsaufbau nach etwa 15 Zyklen einen flacheren Verlauf.
Die detaillierten Ergebnisse und die Schlussfolgerung zeigen, dass die durchschnittliche Scherfestigkeit des faserverstärkter Boden war 10,71 TP3T weniger nach 15 Zyklen als vor dem Zyklus. Nach 20 Zyklen betrug die durchschnittliche Verringerung 12,11 TP3T. Für die Druckfestigkeit im ungesättigten Zustand ergeben die detaillierten Ergebnisse durchschnittliche Verringerungen von 34,51 TP3T nach 15 Zyklen und 38,01 TP3T nach 20 Zyklen. In diesem Experiment zeigte die Kompression daher einen deutlich größeren prozentualen Verlust als die Scherung.
Diese Prozentsätze beschreiben die Veränderung gegenüber den entsprechenden faserverstärkten Probekörpern bei null Zyklen. Sie quantifizieren nicht den Vorteil gegenüber einem unverstärkten Kontrollboden. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn in einer Ausschreibung oder einem Planungsbericht die Frage gestellt wird: “Um wie viel besser ist dieses Produkt als der unbehandelte Boden?” Um diese Frage für den Projektboden zu beantworten, ist ein direkter Vergleich mit einem unbehandelten Kontrollboden erforderlich.
In der Zusammenfassung und im Haupttext der Arbeit weichen die Angaben zum Prozentsatz der Druckfestigkeit nach 15 Zyklen voneinander ab. Wir stützen uns auf die detaillierten Ergebnisse und die Schlussfolgerung, in denen jeweils 34,51 TP3T angegeben ist, und empfehlen, die ursprünglichen Versuchsprotokolle zu überprüfen, bevor dieser Wert in einer formellen Spezifikation zitiert wird. Die Abweichung ändert nichts am allgemeinen Trend: Frost-Tau-Wechsel haben den getesteten faserverstärkten Boden dennoch geschwächt.
Ein stabiler Verlauf nach 15 Laborzyklen ist kein Beweis dafür, dass 15 Zyklen alle klimatischen Bedingungen oder jede Lebensdauer abdecken. Die Temperaturen vor Ort, die Feuchtigkeitszufuhr, die Gefriergeschwindigkeit und die Beanspruchung durch den Verkehr weichen von dieser kontrollierten Belastung ab. Die entsprechenden Laborbedingungen und Abnahmeschwellenwerte sind im geotechnischen Prüfplan des Projekts festzulegen.
Warum 0,3 Prozent die am besten getestete Dosierung war
Bei gleicher Länge und vergleichbaren Versuchsbedingungen stieg die Festigkeit zunächst an und sank dann wieder, je mehr Fasern die Forscher hinzufügten. Sowohl die Ergebnisse für die Scherfestigkeit als auch für die ungespannte Druckfestigkeit erreichten ihren Höchstwert bei 0,31 TP3T Trockenmasse des Bodens unter den fünf getesteten Produkten. Mehr Ballaststoffe waren nicht automatisch besser.
Als der Gehalt von 0,1% auf 0,3% erhöht wurde, hingen die gemeldeten durchschnittlichen Zuwächse der Scherfestigkeit von der Faserlänge und dem Umschließungsdruck ab. Sie lagen bei den von den Forschern beschriebenen Vergleichen bei mindestens 3,2%. Die durchschnittlichen Zuwächse bei der unkonsolidierten Druckfestigkeit betrugen 1361 TP3T für die 6-mm-Serie, 821 TP3T für die 9-mm-Serie und 791 TP3T für die 12-mm-Serie. Jeder Zuwachs vergleicht zwei faserverstärkt Mischungen im Experiment. Dies sollte nicht als Vorteil gegenüber unbehandeltem Boden beschrieben werden.
Bei gleicher Zykluszahl und Zykluslänge wies die 0,3%-Mischung in dem berichteten Vergleich im Durchschnitt eine um 9,8% höhere Druckfestigkeit auf als die 0,4%-Mischung. Eine naheliegende technische Erklärung dafür ist, dass sich die hinzugefügten Filamente mit der Zeit immer schwerer gleichmäßig verteilen und verdichten lassen. Da in der Studie kein mikroskopischer Mechanismus isoliert wurde, würden wir diese Interpretation durch die Untersuchung von Klumpen, Hohlräumen, Wassergehalt und Dichte in einem neuen Versuch bestätigen.
Verwende 0.3% als Studienzentrum wenn der Projektboden und die Fasern dem getesteten System ähneln. Testen Sie daneben eine niedrigere und eine höhere Konzentration. Falls für einen anderen Boden eine andere Menge erforderlich ist, richten Sie sich nach dem Messergebnis. Tragen Sie den Prozentsatz bezogen auf die Trockenmasse in jedes Versuchsblatt ein, damit der Anlagenbetreiber ihn nicht mit kg/m³ Beton verwechselt.
Die Faserlänge beeinflusst Scher- und Druckbeanspruchung unterschiedlich
In diesem Vergleich stieg die Druckfestigkeit ohne Einspannung im Allgemeinen mit zunehmender Schnittlänge von 6 über 9 auf 12 mm an. Die Verbesserung von 9 auf 12 mm fiel relativ gering aus. Über die fünf Dosierungsreihen hinweg betrugen die durchschnittlichen Zuwächse für diesen letzten Schritt 7,61 TP3T, 2,91 TP3T, 4,31 TP3T, 4,31 TP3T und 5,41 TP3T.
Das Ergebnis der Scherprüfung zeigte ein anderes Muster. Bei geringerem Faseranteil erreichte die Scherfestigkeit bei 9 mm einen Höchstwert und nahm dann bei 12 mm wieder ab. Bei Anteilen von 0,3% oder höher stieg die gemessene Scherfestigkeit im Allgemeinen mit zunehmender Länge weiter an. Die ursprünglichen Forscher empfahlen 9 mm als ausgewogene Länge für ihren Boden und ihre Versuchsbedingungen.
Eine längere Faser kann einen größeren Abstand überbrücken, kann jedoch auch eine gleichmäßige Durchmischung behindern oder die Verdichtung des Materials beeinflussen. Eine kurze Faser lässt sich zwar leicht verteilen, bietet jedoch eine weniger wirksame Verankerung. Wählen Sie bei einem Baustellenprojekt die Länge entsprechend den maßgeblichen Festigkeitsanforderungen und danach aus, wie die Bauarbeiter die Fasern über die gesamte verdichtete Schicht verteilen können.
Ecocretefiber™ führt derzeit folgende Produkte im Sortiment: Monofilament-PP-Faser in mehreren Schnittlängen, darunter 6, 9 und 12 mm. Auf der veröffentlichten Produktseite werden eine Dichte von 0,91 g/cm³ und verschiedene Durchmesser angegeben. In der Forschungsarbeit wurden eine andere Faserdichte und andere Materialeigenschaften aufgeführt. Dass die Schnittlänge übereinstimmt, bedeutet nicht, dass die beiden Fasern identisch sind oder die gleiche Bodenfestigkeit aufweisen. Fragen Sie unser Team nach dem aktuellen Sortierdatenblatt und prüfen Sie die Eignung des ausgewählten Materials für Ihren eigenen Boden.
Wie man die Ergebnisse in einen sinnvollen Prozess umsetzt
Beginnen Sie mit einer repräsentativen Probe aus dem Baugelände. Bestimmen Sie deren Korngrößenverteilung, Plastizität, natürlichen Wassergehalt, Verdichtungskurve und die relevante Frostempfindlichkeit. Ein weicher Boden aus einer Region kann sich anders verhalten als ein schluffiger Damm, eine körnige Aufschüttung oder ein mit Kalk behandelter Boden. Wenn im Projekt ein Bindemittel verwendet wird, behandeln Sie dieses als neue Mischung und prüfen Sie es entsprechend.
Stellen Sie eine eindeutige Kontrollgruppe zusammen. Beziehen Sie dabei die unbehandelter Boden mit derselben Zielfeuchte und Verdichtung, vergleichen Sie anschließend die Faserlängen und Trockenmassenanteile unter denselben Konditionierungsbedingungen. Notieren Sie für jede Charge die Trockenmasse des Bodens, die Fasermasse, die Wasserzugabe, die tatsächliche Feuchte und die erzielte Trockendichte. Legen Sie eine Mischreihenfolge fest, bei der sich die Fasern trennen können, ohne dass sich Klumpen bilden. Die genaue Reihenfolge sollte auf der geplanten Anlage validiert werden.
Verdichten Sie die Prüfkörper nach einem standardisierten Verfahren und messen Sie deren tatsächliche Dichte. Die Angleichung der Nennfaserdosis ohne Angleichung der Dichte kann zu einem irreführenden Festigkeitsvergleich führen. Unterziehen Sie parallele Prüfkörper dem für das Projekt festgelegten Frost-Tau-Zyklus und schützen Sie sie vor unkontrolliertem Wasserverlust oder -gewinn. Prüfen Sie nicht zyklisch und zyklisch behandelte Proben und dokumentieren Sie etwaige Risse oder Formveränderungen.
Wählen Sie die Leistungskennzahl aus, bevor Sie sich die Ergebnisse ansehen. ASTM D2166/D2166M-24 bezieht sich auf die ungebundene Druckfestigkeit geeigneter kohäsiver Böden. ASTM D2850-26 befasst sich mit der dreiachsigen Druckversuchsreihe an unkonsolidiertem, undrainiertem Material unter Einschränkung. Die Methoden gelten für unterschiedliche Spannungszustände, und ihre numerischen Ergebnisse sollten nicht untereinander ausgetauscht werden. Halten Sie sich an die aktuelle Fassung des Vertrags und das vom Labor genehmigte Verfahren.
Berücksichtigen Sie bei der Planung von Straßenbelägen, ob für das Projekt auch direkte Nachweise zu Bodenhebungen und Auftauschwächung erforderlich sind. Das eingestellte ASTM D5918-13e1 In der Vergangenheit wurden diese Ergebnisse berücksichtigt, doch die Norm wurde 2022 zurückgezogen. Stellen Sie sie nicht als aktuell gültige Zulassungsnorm dar. Einigen Sie sich mit dem Geotechniker und dem Bauherrn auf ein geeignetes, aktuelles Prüfprogramm. Ein Festigkeitsergebnis nach der Schneeschmelze allein reicht nicht aus, um eine Hebungsbegrenzung nachzuweisen.
Anmischen und Baustellenkontrollen vor der Verlegung im Vollbetrieb
Eine Faser kann nur dann ihre Wirkung entfalten, wenn sie gleichmäßig in den Boden gelangt. Prüfen Sie, ob sich die ausgewählte Faser im jeweiligen Mischer problemlos entfaltet. Untersuchen Sie mehrere Proben aus einer Charge, darunter Material vom Anfang und vom Ende des Austrags. Achten Sie auf Bündel und Bereiche mit ungewöhnlich hohem Ballaststoffgehalt. Vergewissern Sie sich anschließend, dass die Mischung noch in der vorgesehenen Schichtdicke aufgebracht und verdichtet werden kann.
Behalten Sie bei der Berechnung vor Ort stets die Trockenmasse im Blick. Enthält eine Charge 2.000 kg trockenen Boden, entsprechen 0,31 TP3T 6 kg Fasern. Die Masse des feuchten Bodens kann höher sein und ändert sich mit dem Wassergehalt. Ein Baustellen-Team sollte daher die Zielmenge anhand der gemessenen Trockenmasse oder einer vereinbarten Trockendichte und einer Chargenmenge berechnen, anstatt von einem nominellen LKW-Ladungsgewicht auszugehen.
Messen Sie auf der Versuchsfläche den Feuchtigkeitsgehalt und die Verdichtungsdichte vor Ort und überprüfen Sie die fertige Oberfläche. Entnehmen Sie Proben oder Bohrkerne gemäß einem vereinbarten Probenahmeplan. Ein gutes Laborergebnis kann eine Schicht mit mangelhafter Verdichtung, Feuchtigkeitsansammlungen oder ungleichmäßiger Verteilung nicht retten. Entwässerung und Fahrbahnauslegung bleiben Teil der Frostschutzlösung, wie die FHWA Leitfaden zur Behandlung des Untergrunds macht deutlich.
Shandong Jianbang kann Ihnen für einen Eignungstest Fasermuster und aktuelle Spezifikationen zur Verfügung stellen. Teilen Sie uns bitte die Bodenklassifizierung, die angestrebte Faserlänge, die geplanten Mischanlagen, den Feuchtigkeitsbereich und die erforderlichen Prüfungen mit. Wir können Ihnen bei der Auswahl einer PP-Sorte für den Test behilflich sein, während der Projektingenieur die Abnahmekriterien festlegt.
Fragen, die Käufer und Ingenieure häufig stellen
Bedeutet 0,3 Prozent 0,3 Kilogramm pro Kubikmeter?
Nein. In dieser Studie bedeutet dies 0,3 kg Fasern pro 100 kg Trockenboden bzw. 3 kg pro 1.000 kg Trockenboden. Eine Dosierung in kg/m³ hängt von der verdichteten Trockendichte ab. Die Dosierungsrichtlinien für Betonfasern sollten nicht auf einen Bodenversuch übertragen werden.
Hat die Faser das Aufbrechen des Bodens durch Frost verhindert?
Im Rahmen des Experiments wurden Scher- und Druckversuche nach dem Zyklus durchgeführt. Es wurden jedoch weder direkte Messungen des Frosthebens noch eine unbehandelte Kontrollgruppe zur Quantifizierung des Nutzens der Behandlung bereitgestellt. Diese Ergebnisse müssen für das Projekt separat ausgewertet werden.
Sollten bei jedem Projekt in kalten Regionen 15 Frost-Tau-Zyklen durchgeführt werden?
Nein. Die gemeldeten Festigkeitsänderungen wurden nach etwa 15 Zyklen im Rahmen eines Laborversuchsprogramms geringer. Bei einem Projekt sollten Belastungs- und Abnahmeregeln gewählt werden, die den dortigen klimatischen Bedingungen, den Wasserverhältnissen, den Materialien und den vertraglichen Anforderungen Rechnung tragen.
Sind 12 Millimeter besser als 9 Millimeter?
Das hängt vom jeweiligen Anwendungszweck ab. Die Studie ergab einen geringen durchschnittlichen Verdichtungsgewinn von 9 bis 12 mm, während die Scherverhalten von der Zusammensetzung und der Einhausung abhingen. Eine Faser von 9 mm war die ausgewogene Empfehlung der Forscher für ihren Testboden. Bestätigen Sie die Wahl in einem Projektversuch.
Kann eine PP-Faser für Beton direkt in den Boden eingebracht werden?
Ein für Beton vorgesehenes Produkt ist zwar möglicherweise in einer geeigneten Schnittlänge erhältlich, doch müssen seine Oberfläche, sein Durchmesser, seine Streuung und sein Verhalten im Boden zunächst geprüft werden. Bevor Sie das Produkt spezifizieren, sollten Sie das Produktdatenblatt heranziehen und eine bodenspezifische Mischungs- und Festigkeitsprüfung durchführen.
Schlussfolgerung
Die wichtigste Erkenntnis betrifft die Art der Reaktion. Im getesteten weichen Boden führte wiederholtes Gefrieren und Auftauen zu einer Verringerung der Festigkeit; unter den fünf getesteten Stufen schnitt ein mittlerer Faseranteil am besten ab, und die optimale Schnittlänge hing davon ab, ob Scherung oder Druck die Hauptrolle spielten. Die Dosierung von 0,3% für trockenen Boden und die Empfehlung von 9 mm sind solide Ausgangspunkte für eine vergleichbare Prozess, keine garantierten Bemessungswerte für einen anderen Boden oder eine andere Ecocretefiber™-Sorte.
Die Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. liefert Ecocretefiber™ PP-Faseroptionen und kann einem Projektteam dabei helfen, Proben für Labor- und Felduntersuchungen auszuwählen. Kontaktieren Sie unser Team mit Ihren Bodendaten, Ihrem Aufbereitungsplan und Ihren Abnahmevorgaben. Ein reproduzierbarer Versuch bietet eine wesentlich solidere Grundlage für einen Kauf und eine Spezifikation des Unterbaus.
