Was ist eine Tragschicht im Befestigungsaufbau?

Definition

Eine Tragschicht ist die Schicht unter der Deckschicht, die Radlasten auf die Frostschutzschicht oder den Untergrund verteilt. AC 150/5320-6G nennt vier Teile eines Befestigungsaufbaus: die Deckschicht, die Tragschicht, die Frostschutzschicht und den Untergrund (1.6).

Die Funktion hängt vom Befestigungstyp ab:

• Flexible Befestigung. Die Tragschicht ist die wichtigste tragende Schicht. Sie verteilt die Radlast auf die Frostschutzschicht oder den Untergrund (AC 150/5380-6C, 2.2.1).
• Starre Befestigung. Die Tragschicht gibt den Betonplatten eine gleichmäßige, stabile Auflage (AC 150/5320-6G, 3.16.3.1). Sie steuert außerdem die Frosteinwirkung, unterstützt die Entwässerung, begrenzt das Quellen des Untergrunds und verhindert das Pumpen feinkörniger Böden (AC 150/5380-6C, 2.2.2).

Pavement Interactive beschreibt dieselbe Schicht für Autobahnen. Sie sagt, die Tragschicht liege unmittelbar unter der Deckschicht. Sie ergänzt die Lastverteilung sowie die Unterstützung der Entwässerung und der Frostbeständigkeit.

Die Tragschicht ist nicht die Frostschutzschicht. Die Frostschutzschicht liegt zwischen der Tragschicht und dem Untergrund. AC 150/5380-6C sagt, sie wirke wie die Tragschicht, doch ihre Materialanforderungen seien weniger streng, weil sie geringere Spannungen aufnimmt. Sie dient dort, wo die Frosteinwirkung stark ist oder der Untergrund schwach ist. Bei einer flexiblen Befestigung verlangt AC 150/5320-6G eine Frostschutzschicht auf einem Untergrund mit einem CBR unter 20 (3.15.5.1). Der Glossareintrag zur Frostschutzschicht gibt die Einzelheiten.

Arten der Tragschicht

Die FAA teilt Tragschichten in zwei Klassen ein (AC 150/5320-6G, 1.6 und Tabelle 1-1).

• Nicht stabilisierte Tragschicht. Gebrochene und ungebrochene Gesteinskörnung, zum Beispiel die Positionen P-208 und P-209.
• Stabilisierte Tragschicht. Gesteinskörnung, die mit Zement oder Asphalt stabilisiert ist. Dazu gehören P-401 und P-403 (Asphalt), P-304 (zementbehandelte Gesteinskörnung), P-306 (Magerbeton), P-307 (zementbehandelte durchlässige Tragschicht) und P-407 (asphaltbehandelte durchlässige Tragschicht).

Die AC sagt, P-304, P-306 und P-307 nur mit Vorsicht zu verwenden, weil alle drei zu Reflexionsrissen neigen. Sie verlangt eine stabilisierte Tragschicht, wenn der Bemessungsverkehr Flugzeuge von 100 000 lb (45 360 kg) oder mehr umfasst (3.5).

Für eine flexible Befestigung ist P-209 die Standard-Tragschicht aus Gesteinskörnung. Als Tragschicht darf P-208 nur Befestigungen dienen, die für 60 000 lb (27 200 kg) oder weniger bemessen sind (Tabelle 1-1, Hinweis 5). Die Positionen P-210, P-212 und P-213 haben dieselbe Grenze (3.15.4.4). Für die Positionen P-207 und P-219 sind Laborprüfungen erforderlich. Liegt der CBR über 80, dürfen P-207 oder P-219 P-209 ersetzen. Liegt er über 60, darf eine der beiden P-208 ersetzen (Tabelle 3-3, Hinweis 6, und 3.15.4.6).

Materialien einer Tragschicht aus Gesteinskörnung

Eine Tragschicht aus Gesteinskörnung besteht aus sauberen, festen und dauerhaften Körnern aus gebrochenem Gestein oder gebrochenem Kies mit Feinanteilen. P-208 darf auch andere gemischte Stoffe wie Sand und Siebreste enthalten. Es muss frei von Tonklumpen, organischen Stoffen und anderen schädlichen Umhüllungen sein (AC 150/5370-10H, 208-2.1 und 209-2.1).

Die Körnung nach P-209 hat diese Grenzen. 100 Prozent passieren das Sieb 2 in (50 mm). 55 bis 85 Prozent passieren das Sieb 3/4 in (19 mm). 30 bis 60 Prozent passieren das Sieb Nr. 4 (4,75 mm). Beide Positionen begrenzen die Feinanteile. Die Fraktion des Siebs Nr. 200 (75 µm) darf zwei Drittel der Fraktion des Siebs Nr. 40 (425 µm) nicht überschreiten. Bei nicht frostempfindlichem Material sinkt der höchstzulässige Anteil, der das Sieb Nr. 200 passiert, auf 0 bis 5 Prozent. Wo der Frost tief reicht, empfiehlt die Spezifikation eine Trennfilterschicht oder eine geosynthetische Trennlage.

Dasselbe Wort bedeutet auf einer Schotterstraße nicht dasselbe Material. Das Gravel Roads Maintenance and Design Manual sagt, dass Tragschotter einen größeren Größtkorn-Stein und sehr wenige plastische Feinanteile hat. Das gibt Festigkeit und Entwässerung. Deckschotter braucht mehr Feinanteile, um die Oberfläche zu binden. In der Musterspezifikation des Handbuchs hat Tragschotter 3 bis 12 Prozent Feinanteile und einen Plastizitätsindex von 0 bis 6. Das Handbuch sagt, dass ein Schotter meist für den einen oder den anderen Zweck gut ist, aber nicht für beide.

Stabilisierte und Asphalttragschichten

Eine zementbehandelte Tragschicht (Position P-304) ist Gesteinskörnung, die mit Zement und Wasser gemischt wird. Die Mischungsauslegung verwendet einen Zementgehalt, der eine Druckfestigkeit nach 7 Tagen von 300 bis 600 psi (2 068 bis 3 447 kPa) nach ASTM D1633 ergibt. Die FAA sagt, höhere Festigkeiten zu vermeiden, weil sie Schwindung und Reflexionsrisse verursachen (304-3.2). Die grobe Gesteinskörnung hat einen höchstzulässigen Los-Angeles-Abrieb von 40 Prozent. Die feine Gesteinskörnung hat eine Fließgrenze von höchstens 25 und einen Plastizitätsindex von höchstens 6 (304-2.1). Die Position P-306, Magerbeton, hat eine Druckfestigkeit nach 7 Tagen von 500 bis 800 psi (3 445 bis 5 516 kPa). Die FAA empfiehlt P-306 nicht für flexible Befestigungsaufbauten.

Eine Asphalttragschicht verwendet den Heißasphalt P-401 oder P-403. FAA-Tabelle 3-3 legt eine Mindestdicke von 5 in (125 mm) für eine stabilisierte Tragschicht unter Befestigungen für Flugzeuge von 100 000 lb oder mehr fest. Die übliche stabilisierte Tragschicht der FAA ist P-401 oder P-403, und FAARFIELD setzt dafür einen festen Modul von 400 000 psi (2 760 MPa) an (3.15.4.7). P-401, Tabelle 5, legt für eine Tragschicht eine niedrigere Grenze der Lagendichte fest als für eine Deckschicht. Sie beträgt 92,0 Prozent gegenüber 92,8 Prozent. Wird P-403 als stabilisierte Tragschicht unter einer Betondecke (P-501) verwendet, verlangt die Spezifikation eine Trennschicht (Bond Breaker). Pavement Interactive sagt, dass ein HMA-Tragschichtgemisch meist eine größere maximale Korngröße hat als ein Deckschichtgemisch. Es ist offener gestuft und hat weniger strenge Spezifikationen.

Die FAA erlaubt in bestimmten Fällen den Ersatz einer stabilisierten Tragschicht durch ein höherwertiges Material. Das Material muss einen CBR nach Wiederverdichtung und Wässerung von 100 oder mehr und einen nachgewiesenen Bewährungsnachweis unter ähnlichen Lasten und Klimabedingungen haben. Die Mindestdicke des Ersatzes beträgt 6 in (150 mm). Eine Schicht unter einer stabilisierten Tragschicht sollte einen CBR nach Wiederverdichtung und Wässerung von mindestens 35 haben (3.5).

Dicke, Verdichtung und Festigkeit

AC 150/5320-6G legt die Mindestdicke der Schichten nach dem schwersten Flugzeug fest (Tabellen 3-3 und 3-4). Für Flugzeuge von 60 000 lb oder mehr braucht eine flexible Befestigung eine Tragschicht aus gebrochener Gesteinskörnung von mindestens 6 in (150 mm). Eine stabilisierte Tragschicht ist für Flugzeuge von 100 000 lb oder mehr mindestens 5 in (125 mm) dick. FAARFIELD berechnet außerdem die Tragschichtdicke, die eine Schicht mit einem California Bearing Ratio (CBR) von 20 schützt. Der Bemessungswert ist der größere der beiden Werte (3.15.4.9). Die Tragschicht darf bis zu 12 in (300 mm) breiter gebaut werden als die Asphalt-Deckschicht (3.15.4.10).

Die Position P-208 baut die Tragschicht in Lagen von 4 bis 12 in (100 bis 300 mm) verdichteter Dicke ein. Ein Kontrollstreifen legt die Lagendicke fest (208-3.1, 208-3.4). Der Mustertext der Spezifikation nennt eine Einbaudichte von mindestens 100 Prozent der maximalen Dichte. Der Wassergehalt bleibt innerhalb von 2 Prozentpunkten des Optimums (208-3.5).

Die AC sagt, für Bereiche, die für Flugzeuge von 60 000 lb oder weniger bestimmt sind, ASTM D698 zu befolgen. Für schwerere Flugzeuge gilt ASTM D1557 (3.15.4.8.5). Die Position P-304 hat im Mustertext eine Dichte von mindestens 98 Prozent. Die Kolonne schließt die gesamte Verdichtung innerhalb von 2 Stunden nach Mischbeginn ab (304-5.7).

Die Oberfläche der fertigen P-209-Tragschicht darf unter einer 12 ft (3,7 m) langen Richtlatte um höchstens 3/8 in (9 mm) abweichen (209-3.8). Die Kolonne bringt das Material nur ein, wenn die Lufttemperatur mindestens 40 °F (4 °C) beträgt und steigt. Der Untergrund oder die Frostschutzschicht darf nicht nass oder gefroren sein (209-3.6).

Wasser und Verunreinigung

Feinanteile aus dem Untergrund können eine Tragschicht oder Frostschutzschicht verunreinigen und ihre Tragfähigkeit verringern. Eine geosynthetische Trennlage begrenzt das (AC 150/5320-6G, 3.6).

Die AC empfiehlt Dränageschichten für Befestigungen, die Flugzeuge über 60 000 lb bedienen. Sie eignen sich für Flächen mit überschüssiger Feuchtigkeit im Untergrund und einer Bodendurchlässigkeit unter 20 ft/Tag (6 m/Tag). Eine wirksame Schicht entwässert bei Pisten und Rollbahnen 85 Prozent in 24 Stunden, bei Vorfeldern in 10 Tagen. Eine Durchlässigkeit von 500 bis 1 500 ft/Tag darf ohne Berechnung verwendet werden (3.7).

Tragschicht und Inspektion

Die Tragschicht liegt unter der Oberfläche, deshalb sieht ein Prüfer ihre Auswirkungen. Bei flexiblen Befestigungen ist die Schwächung der Tragschicht, der Frostschutzschicht oder des Untergrunds durch Wasser eine der Hauptursachen für Versagen (AC 150/5380-6C, 2.3). Bei Beton stößt Pumpen Wasser und darunterliegendes Material durch Fugen und Risse aus. Dies führt zu einem fortschreitenden Verlust der Abstützung des Belags (AC 150/5380-6C, 3.2.2 und PAVER-Handbuch, Pumpen 69). AC 150/5380-6C verbindet Eckbrüche mit einem Verlust der Abstützung, den Pumpen verursachen kann (3.2.2).

Um eine Tragschicht zu beurteilen, nutzen Ingenieure diese Prüfungen:

• FWD oder HWD. Die Durchbiegungsdaten liefern die Steifigkeit jeder Schicht durch Rückrechnung (AC 150/5320-6G, C.5.3).
• Bohrkerne oder GPR. Sie liefern die Schichtdicke. GPR erkennt außerdem überschüssiges Wasser und kann Hohlräume orten (C.4.1, E.1).
• DCP. Er schätzt die Steifigkeit der Tragschicht, der Frostschutzschicht und des Untergrunds (D.1).

Der optische Zustand wird meist nach ASTM D5340 bewertet, der PCI-Erhebung für Flugplätze (C.4.1). AC 150/5320-6G sagt, dass Durchbiegungsprüfungen den strukturellen Zustand beurteilen und dass für den optischen Zustand andere Verfahren nötig sind. Eine Drohnenerhebung kann die Oberflächensymptome einer schwachen Tragschicht erfassen, sie misst die Tragschicht selbst aber nicht.

Wann die Tragschicht ersetzt wird

AC 150/5320-6G nennt den Ausbau und Ersatz jeder tragenden Schicht unter der Deckschicht Rekonstruktion. Bei einer flexiblen Befestigung umfasst dies die Frostschutzschicht, die Tragschicht und eine stabilisierte Tragschicht (4.4). Ein Fräsen und Überlagern der Deckschicht ist dagegen Rehabilitation.