Gut gerüttelt ist halb verlegt: Auf die Verdichtung kommt es an

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Wegebau
So sieht er aus, der bunte Maschinenreigen für die Verdichtung. Grafik: Bomag

Wegebau nimmt zunehmend einen größeren Stellenwert auch bei den Garten- und Landschaftsbauern ein. Doch die Verlegung von Pflasterflächen oder das Anlegen eines fahrzeugtauglichen Weges bedarf einer gründlichen Vorbereitung sowie Ausführung. Dabei kommt insbesondere der Verdichtung eine große Rolle zu.

Bodenverdichtung ist eigentlich kein Geheimnis. Dass der Boden vor dem Anlegen eines Weges oder einer Straße aufbereitet werden sollte, wussten schon die Griechen und vor allen Dingen auch die Römer. Nicht ohne Grund sind deswegen noch heute, rund 1900 Jahre nach der Blütezeit des Römischen Reiches, Teile wichtiger Verkehrswege gut bis sehr gut erhalten. Damals wie heute steht fest, dass eine Straße nur so gut sein kann wie ihr Untergrund. Im Laufe der Zeit wuchsen die Anforderungen an Straßen mit der Art des Verkehrs (von der Pferdekutsche hin zum Automobil) und der Nutzungsfrequenz. Daraus ergab sich folgerichtig auch die Notwendigkeit zur Verbesserung der Verdichtungstechniken.

Verdichtet wird nicht erst seit heute

Nutzten die alten Römer noch gezogene Holz- oder Steinrollen, um eine statische Auflast zu erreichen beziehungsweise die einfache Methode des Stampfens, um den Boden zu verdichten, so waren es im 18. Jahrhundert durch Pferdegespanne gezogene Metallwalzen und mit der Entwicklung der Dampfmaschinen entsprechende Dampfwalzen. Im 20. Jahrhundert hielt dann zusätzlich zu der Eigengewichtskraft eine dynamische Kraft Einzug in die Verdichtung - die Vibration. Sie erhöht im großen Maße die Lagerungsdichte des Bodens und sorgt somit für eine gesteigerte Belastungsfähigkeit.

Eine gute Verdichtung macht den Boden belastbarer

Gern wird bei dem Thema Bodenverdichtung der schiefe Turm von Pisa als prägnantes Beispiel herangezogen, da offensichtlich beim Bau die Eigenschaften des Bodens nicht richtig beurteilt wurden und vermutlich die Aufbereitung des Baugrundes fehlerhaft war.

Sinn und Zweck des Verdichtungsvorganges ist meist die Veränderung eines eingebrachten, aufgelockerten Bodenmaterials hin zu einer gleichmäßigen, standfesten sowie hohlraumarmen Form. Kurz gesagt, erzielt eine künstliche Verdichtung mehrere für Bauvorhaben wichtige Effekte:

  • die Tragfähigkeit des Bodens wird erhöht,
  • das Bodenschwindmaß verringert sich,
  • eine Verminderung der Wasserdurchlässigkeit,
  • eine Verkleinerung des Setzmaßes.


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Regelwerk

Da vor allem im Verkehrswegebau der Erdbau eine überragende Rolle spielt, haben das Bundesministerium für Verkehr sowie die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V. Regelwerke herausgegeben, in denen spezifische Regeln und Anforderungen definiert sind. Hier sei besonders auf die ZTVE-StB 94 verwiesen. Die ZTVE-StB (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau) sind auch außerhalb des Straßenbaus regelmäßige Grundlage für Erdarbeiten. Darüber hinaus und ergänzend existieren aber auch andere Regelwerke wie zum Beispiel die RIL 836 für den Eisenbahnbau. In der ZTVE-StB 94 sind die Verdichtungsanforderungen in Abhängigkeit von Bodengruppen und der Lage des eingebauten Erdstoffes aufgestellt.

Boden ist nicht gleich Boden

Doch nicht jeder Boden hat die gleichen Verdichtungseigenschaften. Es ist eben ein natürlich geschaffener Baustoff, der unterschiedlicher nicht auftreten könnte. Wie weit sich ein Boden, sei es nun in gewachsenem oder gestörtem Zustand (gelockertes Material), verdichten lässt, hängt von der Verdichtungswilligkeit eines Bodens ab, die wiederum durch die Bodenart, die Kornform- und rauigkeit, der Korngrößenverteilung sowie dem Wassergehalt bestimmt wird. In der Natur sind die meisten Böden gemischtkörnig, so dass sie feinkörniges, bindiges als auch grobkörniges, nichtbindiges Material aufweisen. Die Verdichtungswilligkeit richtet sich somit nach dem jeweiligen Mischungsverhältnis.

Die Wahl des richtigen Geräts?

Fragt man die Experten, so erhält man gern die Antwort, dass das nicht einfach ist, da viele Faktoren zu berücksichtigen sind. Einerseits sind es die schon erwähnten, auf den Boden bezogenen und andererseits die äußeren Umstände, wie die Baustellenbedingungen, der vorgeschriebene Verdichtungsgrad sowie die Ausschreibungsbedingungen. In erster Linie bestimmt aber die Bindigkeit des Bodens die Wahl des Gerätes.

Für nichtbindige Böden gilt, dass sie sich am effektivsten durch eine Kombination aus Aufschlagenergie und Frequenz verdichten lassen. Die Frequenz, also die Anzahl der Schläge pro Zeiteinheit, versetzt den Boden und somit die einzelnen Körner in Schwingung. Der Boden vibriert, wodurch der Reibungswiderstand zwischen den Körnern reduziert wird. Folglich werden die Porenräume durch die Aufschlagenergie verkleinert, Wasser- und Lufteinschlüsse verdrängt. Darüber hinaus verstärkt die Vibration die Tiefenwirkung. Das häufigste Arbeitsgerät ist in diesem Fall die Vibrationsplatte oder bei größeren Flächen die Vibrationswalze.

Bindige Böden hingegen verdichten am besten unter der Einwirkung von Knetvorgängen und kräftigen Schlägen. Hier kommt der Klassiker unter den Verdichtungsgeräten zur Anwendung - der Vibrationstampfer. Er bewirkt eine Überwindung der Haftfestigkeit der einzelnen Körner zueinander. Je größer die Hubhöhe des Stampfers, um so stärker ist die Schlagarbeit. Speziell bei der Verdichtung im Kanalbau wird gern auch auf die Vibrationswalze mit Noppen- oder Stampffußbandagen zurückgegriffen, da sie besonders bei schwer bindigen Böden eine gute Mischung aus Kneten und Vibration mit hoher Frequenz bietet.

Stampfer, Platte und Co.

Der Vibrationsstampfer, gern auch als Langhub-Schnellschlagstampfer bezeichnet, ist heute noch in der Regel von Benzin- oder Dieselmotoren angetrieben. Ausnahmen bilden nur die Bomag Stampfer mit Gasantrieb und seit letztem Jahr der Akkustampfer von Wacker Neuson. Im Markt sind Vier- und Zweitakter erhältlich, wobei die letzteren am gebräuchlichsten sind. Ihrem großen Problem, des richtigen Mischungsverhältnisses zwischen Benzin und Öl, ist der Markt mit einer Stampferserie entgegen getreten, die über eine getrennte Ölschmierung verfügen.

Solche Stampfer sind mit zwei getrennten Tanks für Öl und Kraftstoff ausgestattet, so dass sich das Vormischen erübrigt. Die vom Antriebsmotor erzeugte Kraft wird per Fliehkraftkupplung auf ein Getriebe übertragen, das die rotierende Bewegung in eine Auf- und Abbewegung umsetzt. Ein Führungskolben überträgt die Energie auf ein Federsystem, welches sie speichert und erst im Moment des Aufschlages abgibt, so dass der Stampfer abhebt und sich bei einem guten Gewichtsverhältnis nach vorne bewegt.

Die Verdichtungswirkung ist von der Schlagzahl, der Einzelschlagarbeit, der Hubhöhe und der Stampfplatte abhängig. Die besondere Verdichtungsleistung des Stampfers beruht auf der optimalen Ausnutzung der dynamischen Beschleunigung des Eigengewichtes. Das Einsatzgebiet des Stampfers ist die kleine Fläche. Mit ihm ist fast jeder Vorsprung, jede Ecke erreichbar und selbst unter Rohleitungen ist eine Verdichtung möglich. Vibrationsstampfer mit einem kurzen Hub eignen sich für das schadenfreie Einvibrieren von Verbundstein, Kopfstein- sowie Kleinpflaster. Modernere Gerätegenerationen verfügen sogar schon über eine Einstellmöglichkeit der Hubhöhe, so dass nur ein Stampfer nötig ist.

Vibrationsplatte

Für die Verdichtung fast aller Bodentypen zeigt sich die Vibrationsplatte, früher auch als Sprungrüttler bekannt, als bestens geeignet. Das Konstruktionsprinzip beruht auf der Verwendung von ein bis drei Wellen mit einer integrierten Unwucht (die Welle läuft quasi unrund), die von einem Motor angetrieben werden und dabei Zentrifugalkräfte entwickeln. Diese Fliehkräfte bewegen die Platte nach vorne, da sie über dem Eigengewicht der Platte liegen und somit das Gerät bei jeder Umdrehung der Wellen kurz ein paar Millimeter vom Boden abgehoben wird. Beim Aufschlagen auf den Boden gibt die Platte dann ihre kinetische Energie ab und sorgt im Bereich der Platte für die gewünschte Flächenpressung.

Wichtig für eine gleichmäßige Verdichtung ist neben der Frequenz (Schwingungszahl) auch die Vorlaufgeschwindigkeit, das heißt wie schnell sich die Platte über die Fläche bewegt. Für erstere gilt: je höher desto besser. Für zweitere eher die langsamere Variante: Denn je schneller die Platte ist, um so weniger Verdichtungskraft dringt in den Boden ein. Daraus folgt, dass mehrere Übergänge gefahren werden müssen, was die Zeit- sowie Kostenintensität ins Negative dreht. In der Gruppe der Vibrationsplatten gibt es die verschiedensten Spielarten.

Ein Unterscheidungskriterium ist von großer Wichtigkeit für den Einsatz: der Verbau des sogenannten Erregers. Dieses Bauteil gibt umgewandelte Drehmomentskraft des Antriebsaggregates in Form von Schwingungen an den Boden ab und so ist es entscheidend, wie es in der Maschine verbaut wird. Bei einem mittigen Einbau spricht man von der Zentralschwinger- und - weit vorne verbaut - von der Schleppschwingerausführung. Bei der Schleppschwingerausführung weist der Name schon auf einen Teil der Funktionsweise hin. Die gesamte Platte wird durch den vorne angebrachten Erreger mit ihrem gesamten Betriebsgewicht nach vorne geschleppt.

Gerade bei sehr unebenen Böden erweist sich dies als Vorteil, da die höchste Amplitude (Sprunghöhe) vorne anliegt und der "Rest" der Platte nur glättend hinterher wirkt. Sie kommt dadurch auf eine gute Steigfähigkeit. Diese Platten liegen im Bereich von acht bis zu 30 kN Zentrifugalkraft.

In der Zentralschwingervariante hingegen ist die Amplitude gleichmäßig über die gesamte Vibrationsplatte verteilt. Des weiteren ist sie baulich mit zwei Wellen ausgestattet, die entgegengesetzt in der Richtung, aber synchron in der Geschwindigkeit laufen. Das ermöglicht ein gerichtetes Erzeugen der Schwingungen, so dass die Vorlaufkraft in der Richtung geändert werden kann. Daraus resultiert die eher gebräuchliche Benennung als reversierbare Vibrationsplatte. Klare Vorteile dieser Technik sind die stufenlose Verstellung der Vor- und Rücklaufgeschwindigkeit und die Möglichkeit der Standrüttelung. Mittlerweile sehr beliebt ist die Bedienung per Infrarot- oder Kabelfernbedienung, um die Belastung sowie die Gefährdung des Bedieners zu verringern. Seitens der Zentrifugalkräfte bewegen sich die Geräte im Bereich von 8 bis 100 kN, maximal sind jedoch mittlerweile Maschinen mit 130 kN bei 1200 kg Eigengewicht erhältlich.

Vibrationswalzen

Sofern die Arbeitsbreite die 70 cm überschreitet, wird entweder mit seitlichen Anbauplatten gearbeitet oder man bedient sich der nächstgrößeren Maschinenkategorie - den Vibrationswalzen. Gerade im Straßen- und Wegebau beim Verdichten der Tragschicht und bei größeren Flächen, wie zum Beispiel Parkplätzen, finden sie ihren berechtigten Einsatz.

Ihren Ursprung haben sie bei den ersten Dampfwalzen wie der aus dem Jahr 1861 von Lemoine. Die erste deutsche Dampfwalze war 1878 die Zweirraddampfwalze der Firma Kuhn und die erste richtige Motorwalze verließ 1908 die Halle bei Kaelble. Erkennen kann man sie meist daran, dass sie auf zwei glatten Walzkörpern, den Bandagen unterwegs sind. Möglich sind auch profillose Räder oder eine Kombination aus beidem. Es gibt sie als handgeführte, selbstfahrende Walzen sowie Anhängewalzen.

Das Verdichtungsprinzip gleicht dem der Vibrationsplatten. Eine um die Welle rotierende Unwuchtsmasse erzeugt die Zentrifugalkraft und Vibration, wobei der Erreger entweder außerhalb der Bandagen im Rahmen montiert ist oder wie in den meisten Fällen direkt in den Bandagen. Im Gegensatz zu den Stampfern und Platten können Walzen die Zentrifugalkräfte nur linear auf das Schüttmaterial übertragen, da sich unter den Bandagen ein Druckkegel bildet, der sich nach unten schneller abbaut als der Flächendruck.

Die von Platten erzielte Tiefenwirkung ist um ein Vielfaches geringer, so dass ihr Einsatz auf geringeren Schütthöhen empfohlen wird. Eine der gängigsten Formen ist die handgeführte Doppelvibrationswalze, die eine gute Steig- beziehungsweise Geländefähigkeit und eine hohe Kippsicherheit aufweist. Dies wird einerseits über den niedrigen Schwerpunkt und andererseits über den Antrieb beider Bandagen gewährleistet. Der Antrieb erfolgt entweder mit einem mechanischen Getriebe oder hydrostatisch. Klassifiziert ist dieser Gerätetypus in leichte (bis 500 kg Betriebsgewicht), mittlere (500-1000 kg) und schwere Geräte (-1400 kg).

Fazit

Erscheint Verdichtung auf den ersten Blick als eben mal so machbar, zeigt der zweite Blick, dass diese Thematik nicht auf die leichte Schulter genommen werden sollte. Die richtige Verdichtung unterliegt einem klaren Regelwerk, an das man sich im besten Fall - selbst beim Anlegen kleinerer Wege - tunlichst hält, um kostenintensive Folgeschäden zu vermeiden.

Um die geeignete Verdichtungsleistung zu erzielen, kann marktseitig auf ein großes Produktangebot zurückgegriffen werden. Die Qual der Wahl erleichtert eine genaue Betrachtung des Arbeitseinsatzes bezogen auf die Beschaffenheit der zu verdichtenden Böden oder Lagen. Aber ein Klassiker findet eigentlich auf fast jeder Baustelle sein Einsatzgebiet und ist aus dem hauseigenen Maschinenpark nicht wegzudenken: der Stampfer. Er ersetzt zwar nicht den sprichwörtlichen Handwerker im Haus, aber als Grundausstattung ist er durchaus zu empfehlen.

 Mark Schmiechen
Autor

ampuls kommunikation

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